超快速扩张洋中脊岩浆活动与热液系统的三维结构及相互作用研究

Mid-Ocean Ridge is the place of origin of seafloor spreading in the theory of place tectonics. Forty-six percent of the oceanic crust is formed along fast-spreading ridges. The East Pacific Rise (EPR) is an excellent representative of ultra-fast spreading ridges, and significantly active crustal magmatic, seafloor hydrothermal and biological processes, make it a natural laboratory for integrated multi- and interdisciplinary studies. The latest seismic study finds axial lower crustal and off-axis magma lens at 9º50'N region, but how they connect with axial middle crust magma lens and interact with hydrothermal system are still unknown. This proposal works on a high-fidelity multi-channel seismic data to investigate the three-dimensional structure of crustal magmatic activity and seafloor hydrothermal system and their interactions on EPR 9º50'N area：(1) invert the structure of the multi-sill magma lens beneath the ridge axis, and distinguish the models for the formation of the lower crustal gabbroic section；(2) investigate the seismic structure character of the off-axis magma lens, and its connection with axial magma lens；(3) detect the signature of hydrothermal cells in the crust；(4) discuss the mechanism of the interaction between crustal magmatic activity and seafloor hydrothermal system. This research will innovatively provide an important theoretical basis for the energy and matter exchange between Earth's mantle and oceans, and the interaction between the lithosphere and hydrosphere.

洋中脊是板块构造理论中海底扩张的发源地。地球上46%的海洋地壳在快速扩张洋中脊形成。东太平洋海隆(EPR)是超快速扩张洋中脊的典型代表，其地壳岩浆、海底热液和生物活动极其活跃，使它成为极佳的多学科综合研究天然实验室。最新地震研究在EPR 9º50'N区域发现脊轴下地壳和离轴岩浆透镜体，但是它们和脊轴中地壳岩浆透镜体以及热液系统的联系研究还是空白。本项目通过高精度多道反射地震数据研究该区域地壳岩浆活动与海底热液系统的三维结构及相互作用：(1) 反演脊轴多层岩浆透镜体的结构，区分下地壳辉长岩的增生模型；(2) 研究离轴岩浆透镜体的结构特性，以及离轴和脊轴岩浆活动的相互联系；(3) 探测热液循环在地壳中的存在特征；(4) 探讨岩浆活动和热液系统的相互作用机制。本研究将为超快速扩张洋中脊的地幔和海洋能量物质交换，岩石圈和水圈的相互作用提供重要的理论基础，具有创新性意义。

东太平洋海隆（EPR）是超快速扩张洋中脊的典型代表，其地壳岩浆、海底热液和生物活动极其活跃，使它成为极佳的多学科综合研究天然实验室；EPR 9º50'N区域是世界上唯一有过多次海底火山喷发记录的洋脊区段，同时是全球研究最多的洋脊段之一；研究区域进行的三维多道反射地震探测研究更是前所未有的开创性工作。本项目基于三维高精度多道反射地震数据，通过先进的数据处理和成像技术，如向下延拓法、全波形反演、逆时偏移成像等，获取了该区域地壳精细结构、岩浆活动、以及海底热液系统的三维结构，并成功利用地震速度结构和成像结果推断了热液循环在地壳中的存在特征，探讨了地壳结构、岩浆活动和热液系统的相互作用机制。项目自主发展了多道反射地震向下延拓方法，并实现了多道反射地震数据向下延拓、走时层析成像、全波形反演速度建模以及逆时偏移地震成像工作流程。该方法流程已经成功应用到本项目的热液系统地震探测和大西洋核杂岩的复杂岩石圈结构反演和地震成像研究中，随时可以推广给国内同行使用。本研究为超快速扩张洋中脊的地幔和海洋能量物质交换，岩石圈和水圈的相互作用提供了重要的地震研究手段和相关理论基础，具有创新性意义。项目共发表学术论文11篇，其中SCI论文7篇；提交会议摘要23篇，参加国际学术会议5人次，国内学术会议20多人次。培养硕士生2名和博士生2名。项目组成员1人获得中科院BRJH择优资助，2人获得广东省自然科学基金杰青资助。