南海大洋钻探新进展：建立南海地幔演化统一模型

近日，国际知名地学杂志《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》在线发表南海地幔演化统一模型的最新研究成果。该研究由中国科学院南海海洋研究所张旭博助理研究员、林间特聘研究员和美国波士顿学院Mark Behn教授共同完成。研究人员应用最新的国际大洋钻探数据与南海地震剖面，结合地球化学与地球动力学方法，建立了南海地幔温度、成分及其演化过程的定量化统一模型。

南海是西太平洋最大的边缘海（图1），是攻关地球边缘海形成演化过程重大科学问题的突破口。近年来国际大洋发现计划（International Ocean Discovery Program, 简称IODP）在南海成功实施了IODP349、367、368、368x航次，获得关键的洋壳玄武岩样品。通过国际大洋钻探、国家自然科学基金委重大研究计划“南海深部过程演变”等支持，科学家们利用深拖地磁、深部地震实验及岩石地球化学分析等多学科研究手段，首次精确测量了南海各海盆的扩张年龄、地幔端元组成以及地壳厚度变化。但不同的地球物理与地球化学观测之间缺乏交叉验证的定量化统一模型。

图1 南海地形及其周边俯冲构造

研究人员创新性地结合先进的热力学模拟与地幔熔融理论，以南海海上地震实验测定的地壳厚度和国际大洋钻探获取的岩石地球化学数据为主要观测约束，建立了南海地幔温度、成分及其演化过程的定量化统一模型。模型结果显示（1）南海东部和西南次海盆的地幔温度基本一致；（2）东部和西南次海盆洋脊处岩石样品的地球化学特征差异主要受控于地幔组分的不同（图2）。

图2 南海东部和西南次海盆的地壳厚度、Fe_8.0和Na_8.0以及对应的最佳地幔温度和地幔组分。DMM：亏损地幔；LCC：下大陆地壳

由此，研究人员提出南海地幔演化的三个重要阶段：（1）在大陆破裂阶段，由于地壳拆沉作用，南海东部和西南次海盆的地幔都混染了少量下大陆地壳成分；（2）伴随着海底扩张的进行，被混染的地幔逐渐被上涌的深部正常地幔所取代；（3）由于海底扩张持续时间的不同，导致东部和西南次海盆扩张停止时洋脊下方的地幔组分存在差异（图3）。该研究对于揭示边缘海地幔演化动力学过程及其构造岩浆响应机制具有重要指导意义。

图3 南海地幔演化模式图