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太平洋板块双火山热点轨迹同时出现及成因

自然体积545，页面472 - 476 (2017）引用本文

主题

摘要

地幔柱是热岩石的浮力上涌，将热量从地核输送到地表，产生与板块构造过程没有直接关系的异常火山活动区域。研究得最好的例子是夏威夷-皇帝火山链，但沿着这条火山链出现了两条次平行的火山轨道1、Loa和Kea，以及它们之间的系统地球化学差异2，3.一直无法解释。在这里，我们认为这些轨迹的出现与太平洋板块上其他双火山轨迹的出现以及板块运动的最近方位变化相吻合。我们提出了一个由三部分组成的模型来解释夏威夷双轨火山活动的演化:首先，快速移动的太平洋板块下的地幔流强烈倾斜夏威夷地幔柱，并导致高低压熔体源区域之间的横向分离;第二，最近太平洋板块运动的方位角变化将高压和低压熔体产物暴露为地理上不同的火山，解释了太平洋上同时出现的双轨火山活动;最后是榴辉岩熔体与橄榄岩反应形成的次生辉石岩4Loa-型和kea -型岩浆形成了系统的地球化学差异3.，5，6，7，8，9．我们的研究结果表明，双轨火山活动的形成是短暂的，可以用来识别和确定板块运动变化的时间界限。

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图1:最近夏威夷火山活动的水深图，突出了Loa和Kea的轨迹。
图2:倾斜的夏威夷羽流、覆盖的太平洋板块和相关的地表火山活动示意图。
图3:太平洋板块最近运动变化的证据。
图4:移动板块下三维地幔柱的模拟。

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确认

t.d.j由澳大利亚研究生奖(1183a/2010)资助。D.R.D.由ARC资助，授权号为FT140101262和DP170100058。S.C.K由EPSRC授权EP/L000407/1资助。C.R.W.由美国国家科学基金会资助，资助号为EAR-1141976和ce -1358091。数值模拟是在澳大利亚堪培拉的NCI国家设施进行的，该设施由澳大利亚联邦政府支持。

作者信息

作者及隶属关系

  1. 澳大利亚国立大学地球科学研究学院，堪培拉，澳大利亚首都领地

    T. D.琼斯，D. R.戴维斯，I. H.坎贝尔和G.亚克斯利

  2. 哥本哈根大学地球科学与自然资源管理系，哥本哈根，丹麦

    g . Iaffaldano

  3. 帝国理工学院地球科学与工程系，英国伦敦

    S. C.克雷默

  4. 拉蒙特-多尔蒂地球天文台，哥伦比亚大学，纽约，纽约，美国

    c·r·威尔逊

  5. 美国华盛顿特区卡内基研究所地磁系

    c·r·威尔逊

作者
  1. t·d·琼斯
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  2. d·r·戴维斯
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  3. 坎贝尔
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  4. g . Iaffaldano
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  5. g .亚克斯利
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  6. S. C.克雷默
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  7. c·r·威尔逊
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贡献

T.D.J.和D.R.D.构思了这项研究，整合了所有跨学科的观测约束，并设计了数值模拟。G.I.计算了太平洋板块的噪声缓解极移路径。t.d.j.、I.H.C.和D.R.D.负责地球化学综合，G.Y.指导岩石学解释。C.R.W.和S.C.K.支持了计算建模框架Fluidity的开发和验证。t.d.j.、D.R.D.和I.H.C.撰写了这篇论文，并与所有作者进行了讨论。

相应的作者

对应到t·d·琼斯．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有相互竞争的经济利益。

额外的信息

审核人信息自然感谢G. Ito, N. Ribe和其他匿名审稿人对本工作的同行评审所作的贡献。

出版商注:施普林格《自然》杂志对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

扩展的数据图形和表格

扩展数据图1太平洋板块热点地区近期双火山轨迹的水深图。

一个，社会岛链，地球化学特征明显的Moua(蓝色)和Roca(红色)趋势10．b马奎斯岛链的Nuku(蓝色)和Motu(红色)的地球化学特征明显41．c，基础海山链，勾勒出地球化学特征明显的北部海山链(蓝色)和南部海山链(红色)42．d，萨摩亚岛链的Vai(蓝色)和Malu(红色)的地球化学特征明显43，44．围起来的数字表示沿这两种趋势的火山活动首次出现的大致年龄。夏威夷和这四个热点组成了太平洋板块上所有的火山链，这些火山链在过去的5千万年中表现出了持续的火山活动，除了麦克唐纳链，它缺乏通常与地幔柱相关的明显的年龄发展特征(皮特凯恩、卡罗琳和路易斯维尔轨迹在这段时间间隔中显示了至少2千万年的火山活动中断，因此不符合我们的标准)。13，14．

图2相关系和固相曲线。

一个， 3.5 GPa时橄榄岩-玄武岩体系液相相关系示意图，修改自文献。4．标记为“P”的绿色圆圈代表橄榄岩地幔的平均成分，标记为“E”的粉红色圆圈代表榴辉岩的平均成分，“C”是次级辉石岩开始融化的热分带上的共晶层。液相线区标记为:Ol，橄榄石;Ga,石榴石;Opx-Cpx,辉石;有限公司柯石英。蓝线代表熔化路径，黑色箭头表示温度升高(这被认为类似于压力降低)。绿色、粉红色和黄色区域分别为橄榄岩、榴辉岩和辉石岩的伪共晶熔融成分。请注意，熔体路径上的箭头指向温度为“C”，表明热分上的两相共晶比四相共晶具有更高的固相温度。因此，在热分区上形成的辉石岩的固相温度将高于橄榄岩共晶，因此在较低的压力下熔化4．b橄榄岩(绿色)和榴辉岩(粉红色)熔化的压力温度条件38而且39,分别。辉石岩固体(黄线)被推断高于橄榄岩固体(见正文)50k。中给出的模型中，实线突出显示了羽流温度图4这个扭结标志着地幔柱的最上面部分接近岩石圈底部的深度。

图3三维羽流模拟。

一个，同图4，而榴辉岩、橄榄岩和辉石岩的熔体分数则分别用0.5、0.1和0.1等高线表示(见方法)。b，病例后羽流2.5 Myr的透视视图一个．

扩展数据图4板块运动方向瞬时变化与逐渐变化

一个中给出的模型的结果图4，其中施加了20°的板块运动方向瞬时变化。绘制的线是:(i)施加的板块运动的方位角(蓝色虚线)，和;(ii)橄榄岩和辉石岩熔化速率最大值之间的直线方位角(黑点加绿色虚线)。最初，这两个方位角是平行的(没有显示出来)，但在板块运动方向改变后，它们被偏移了20°，并随着时间慢慢收敛，重新对齐了8 Myr。b，由施加板块运动逐渐变化的模型得到的结果(其他方面与一个)，以及从我们的运动学重建中获得的夏威夷太平洋板块运动的方位变化数据图3(红色实线)。相对于瞬时情况(一个)时，随着6 Ma时板块运动方向的变化，两个方位角逐渐分开。两个方位角之间的偏移在2 Ma左右达到最大值，此时板块运动方向的变化停止，偏移量向今天减小(但仍然显著)。

扩展数据表1 Redback输入参数
全尺寸表
表2数值模拟物理参数
全尺寸表

幻灯片

权利和权限

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引用本文

琼斯，T，戴维斯，D，坎贝尔，I。et al。太平洋板块双火山热点轨迹同时出现及成因。自然545， 472-476(2017)。https://doi.org/10.1038/nature22054

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