用地震层析成像方法探讨水在洋中脊特殊构造形成中的作用-以西南印度洋中脊50°E为例

The eastern shallow part of the ultra-slow-spreading Southwest Indian Ridge (SWIR) (50 ° E) has characteristics that are different from typical ultra-slow spreading mid-ocean ridges: more hydrothermal activity (2 venting zones in 90 km distance) and thick crust (up to 10 km). However, the cause of this crustal thickening is still not certain. Water may play an important role in the migration of mantle materials. Therefore, this study aims to determine the origin of the unusual structure by revealing the fluid (water) circulation process from the mantle to the crust. Based on the ocean bottom seismometer (OBS) data acquired from SWIR hydrothermal activity areas in 2010 (3D data of active) and passive seismic data in 2016, we will use tomography and quantitative analysis techniques to study the three questions. (1) To get the fault structure and calculate the serpentinization rate of the topmost mantle, the fluxes of water in the area of hydrothermal activity area and in the surrounding areas, and thus the potential distribution of hydrothermal mineral deposits. (2) To obtain the deep velocity structure from the mantle transition zone to the crust beneath the zone of hydrothermal vents, and then relate this structure to the distribution of the fluid flow. (3) To integrate these results to determine the processes controlling the formation the crust and lithosphere in this unusual region.

超慢速扩张的西南印度洋中脊（SWIR）中东段浅水区（50° E）有不同于典型超慢速扩张洋中脊的特征：热液活动多（90千米内有2个），地壳厚（达10 km）。对其成因仍未定论，影响物质运移的水可能是重要的突破口，因此，本研究拟通过揭示地幔到地壳的流体（水）循环过程来寻找上述特殊构造的成因。基于SWIR热液活动区2010年3D主动源和2016年被动源海底地震仪数据，使用层析成像和定量分析的技术，（1）获得断层展布和地幔顶部蛇纹石化率，推算出热液活动区及周边的水循环通量，进而评估热液硫化物矿潜力和分布；（2）获得SWIR热液活动区及离轴两侧下方从地幔转换带到上地幔顶部再到地壳的深部速度结构，通过低速区与流体运移模式解答洋中脊与热点的关系；（3）结合主动源和被动源地震层析成像，探讨热液活动区地壳结构异常特征及成因，借助水循环这一突破点获得对SWIR 50° E形成演化的新认识。

洋中脊，尤其是超慢速扩张洋中脊（半扩张速度小于10 mm/year），其海洋地壳岩石学性质是反映海洋地壳增生过程的重要证据。目前主要的争论在于洋壳层3的岩石组分是由充足岩浆形成的辉长岩还是由于缺少岩浆导致地幔岩与水相互作用形成的蛇纹石化橄榄岩，也可以理解为深部的水还是浅部海水控制着本研究区洋壳成因。当普遍缺少穿透莫霍面的大洋钻探岩石样品时，使用海底地震仪（OBS）主动源地震探测同时采集的P波和S波信息，可以获得海洋地壳的波速比和泊松比结构，有望区分海洋地壳的岩性。但前人通过分析岩石样品Vp/Vs波速比，发现基性岩和超基性岩无法用Vp/Vs波速比区分，有一定的重叠区。因此，如何使用主动源地震波信息来研究海洋地壳的岩性存在较大的挑战。. 针对超慢速扩张西南印度洋中脊50°E龙旂和断桥热液活动区的洋壳结构，基于2010年中国大洋科考21航次第6航段采集的OBS主动源P波和S波数据，使用射线追踪试错法正反演，获得了扩张轴下方的P波速度（Vp）、S波速度（Vs）、Vp/Vs和泊松比结构。由于Vp/Vs波速比值区分辉长岩和蛇纹石化橄榄岩存在较大的不确定性，因此，我们使用P波速度梯度结构来区分波速度梯度结构来区分辉长岩和蛇纹石化橄榄岩。基于全球半扩张速率为5-20 mm/year 且年龄小于7.5 Ma洋中脊下方P波速度梯度变化范围，推测西南印度洋中脊50°E岩浆活动中心和NTD下方洋壳层3的岩性为辉长岩。在洋壳层3未发现明显的蛇纹石化橄榄岩，证实了超慢速扩张洋中脊存在充足的岩浆供给。这也表明研究区洋壳结构未受到表层海水影响，其成因主要受深部岩浆（深部的水）影响和控制，回答了本研究拟解答的水在洋壳结构成因中的作用的问题。. 本研究筛选并统计了全球海域最新的正常洋壳地震波速度结构剖面，获得了洋壳厚度与波速结构及年龄等之间的关系。本研究的意义在于证实了尽管扩张速率不同，但不同扩张速率的洋中脊都可能存在充足的岩浆供给，深部水循环可能占主要作用，为进一步探讨洋壳形成演化过程提供了支撑。