黄石公园跨岩石圈岩浆通道系统的构造起源

《SCIENCE》：Tectonic origin of Yellowstone’s translithospheric magma plumbing system

熔岩管道系统动力学与双模式喷发机制研究

　　

编辑总结

黄石火山口以其双峰式超级喷发的特征而闻名，最近一次喷发发生在63万年前。关于这些喷发的起源，目前尚无定论，观点多种多样，从深部地幔柱到较浅的地幔-地壳混合岩浆源都有。曹等人基于地球物理观测数据建立了三维区域模型，统一了地幔和地壳的动态过程，重现了现今的地形、应力及地震模式（详见Farrell的文章）。他们的模型支持岩浆主要来源于上地幔的观点。这种岩浆来源为地壳的伸展带提供了物质基础，岩浆会周期性地注入黄石下方的一个不断演变的岩浆储库中。——Angela Hessler

结构化摘要

引言

爆炸性硅质火山活动是地球上最具破坏性的地质灾害之一，会对环境造成广泛影响，包括气候紊乱和大规模物种灭绝。大型火山口的形成是地下岩浆系统复杂动态过程的最终地表表现。因此，了解岩浆的迁移和演化机制对于火山喷发预测和火山灾害评估至关重要。

位于美国西部构造活跃地区的黄石火山系统在过去210万年中引发了多次大规模火山口形成事件。因此，其下一次喷发也可能带来严重后果和社会影响。尽管已有大量研究致力于揭示黄石地下岩浆系统的物理状态，但由于北美西部的复杂构造历史以及难以捉摸的地幔动力学机制，其喷发驱动机制仍存在争议。

研究目的

普遍认为，像黄石这样具有反复喷发特征的大型硅质火山口，其浅层岩浆储库是由下层软流圈的岩浆补给的。随着岩浆的长期积累，这些浅层岩浆储库会逐渐达到可喷发状态。火山口形成喷发后，新的循环又会开始。

最近的地球物理研究表明，黄石的浅层岩浆储库确实是由软流圈的岩浆补充的。地震和磁通量测深数据均显示，黄石火山口复合体与岩浆储库通过一个向西南方向倾斜的岩浆通道网络相连，该网络延伸至东斯内克河平原下方的最上层软流圈，在那里高温软流圈部分熔融。这种倾斜的跨地幔岩浆通道系统（TLMPS）在不同观测研究中得到了普遍验证，但其地质动力学起源仍不清楚。

研究结果

为了确定黄石倾斜TLMPS的驱动机制及岩浆的来源，我们构建了一个综合的三维地质动力学模型，该模型基于当前对对流地幔和大陆岩石圈结构的地球物理和地质动力学约束。在该模型中，我们统一了岩石圈和对流地幔的动态过程进行计算。

研究结果表明，黄石的倾斜TLMPS主要受岩石圈构造的控制。在黄石下方，模型预测存在一个向西南方向倾斜的伸展带，这一伸展带由岩石圈密度结构产生的体力作用以及向东流动的高温软流圈与岩石圈相互作用产生的基底牵引力共同形成。这种倾斜的跨地幔变形带与地球物理观测结果高度吻合，证实了构造伸展在从最上层软流圈抽取岩浆并将其带到地表过程中的关键作用。

通过将模型结果与多学科观测数据相结合，我们进一步证实：黄石的大部分岩浆来源于浅层软流圈，深部地幔柱的贡献较小；岩浆通过受构造控制的TLMPS迁移，并在地壳物质中演化，最终引发地表火山活动。

结论

正如黄石火山口所显示的那样，在世界其他地区的不同构造环境中也发现了具有复杂几何结构的TLMPS。这些岩浆系统也可能受到类似黄石的浅层岩石圈构造的影响。因此，我们对黄石火山系统的动力学分析结果可能具有普遍意义，为全球大型硅质火山口的喷发预测和火山灾害评估提供参考。

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示意图展示了黄石现今的跨地幔岩浆通道系统（TLMPS）。

岩石圈中的蓝色区域表示构造伸展带，大致勾勒出了黄石地区的TLMPS。在黄石下方的软流圈中，向东流动的高温物质产生了岩浆，其中很少有来自地幔柱的贡献。这些岩浆渗透到岩石圈后，会进入倾斜的TLMPS，并最终引发地表火山活动。LAB表示岩石圈-软流圈边界。

摘要

黄石火山口因其岩浆储库由软流圈岩浆补给而广为人知。然而，岩浆如何穿越坚硬的岩石圈并演化成双峰式喷发机制仍不明确。通过结合多学科观测和数据驱动的地质动力学建模方法，我们发现黄石地区的岩浆生成和迁移过程主要受岩石圈构造控制，地幔柱的贡献可以忽略不计。模型预测黄石下方存在一个向西南方向倾斜的伸展带，这一伸展带由岩石圈体力作用和基底牵引力共同形成。这种倾斜的跨地幔变形带与地球物理观测结果高度吻合，证实了构造伸展在将软流圈岩浆带到地表过程中的关键作用。