大西洋中脊二氧化碳脱气引发的深地幔地震

大西洋中脊(Mid-Atlantic Ridge，MAR)是划分大西洋的重要地质特征，也是欧亚板块和北美板块之间的分界线。作为世界上最长的山脉，它沿着海底绵延16,000多公里。传统上，人们一直研究 MAR在海底扩张和火山活动中的作用。然而，最近的突破性研究发现了深地幔地震和MAR的二氧化碳脱气之间存在着有趣的联系,这一发现对于理解地球内部动力学以及影响地幔行为和全球地球化学循环的过程至关重要。

大西洋中脊及其地质

MAR代表着板块边界的分离，板块彼此远离，形成新的海洋地壳。海脊是大量火山活动、热液喷口系统和显著的海底扩张的发生地，使其成为了解地球构造过程的关键地点。海脊横跨大西洋，从北极延伸到南大洋，穿过冰岛等活跃的海底扩张地区，影响海洋和大陆气候。

地震学数据显示，MAR沿线的地​​震主要发生在地表附近，这是板块运动的结果。然而，最近的研究发现了地震发生在地幔深处的证据，远低于典型的脆性-延性边界，深度为10至20公里，这些深层地幔地震与二氧化碳脱气有关。

二氧化碳在地幔中的作用，一个复杂的地球化学难题

CO₂是地球地幔的重要组成部分，对地球的碳循环有贡献。地幔含有大量的碳，其中大部分以碳酸盐和溶解气体（如CO₂）的形式储存。火山活动，尤其是沿着MAR等洋中脊的活动，是CO₂从地幔释放到大气的主要机制。

对MAR玄武岩的地球化学分析显示，其二氧化碳含量异常高，这表明随着岩浆上升到地表，大量的碳正在从地幔中脱气。岩浆中的二氧化碳会改变地幔的物理性质，影响从其粘度到其引发地震的能力等所有方面。

是什么导致了这些发生在热地幔10至20公里深处的深层地震？通过对MAR进行广泛的地震学分析，研究人员发现了CO₂脱气与深地幔地震之间的新联系。

研究人员认为，答案在于二氧化碳脱气与地幔机械性能之间的相互作用。当岩浆从地幔上升到地球表面时，它会带来大量的二氧化碳。这种气体的释放会导致周围岩石的体积变化，从而改变地幔中的应力分布。由于二氧化碳脱气导致的压力突然释放，可能会引发深层地震，因为地幔会根据气体含量的变化进行快速调整。

地幔释放的二氧化碳会熔化周围的岩石，导致岩石断裂，这一过程类似于火山喷发，这会在很深的地方使岩石断裂，从而引发地震活动。这项研究表明，二氧化碳脱气引起的地幔物理变化为地震创造了有利条件，特别是在地幔上升高度较高的地区。

新的研究发现

地震学家长期以来一直对地幔深层地震的发生感到好奇。这些地震很难用传统的构造应力模型来解释，因为传统的构造应力模型通常假设地震发生在脆性-延性层或更靠近地表的地方。然而，最近的研究提供了令人信服的证据表明，这些深层事件与地幔中的二氧化碳脱气有关。

自然资源部第二海洋研究所海底地质科学重点实验室引导的一项新的研究，研究人员采用结合地震数据和地球化学分析的综合方法进行分析，地震数据是使用沿大西洋中脊部署的海底地震仪记录，此外利用2019年SMARTIES巡航期间收集的玄武岩样本用于地球化学分析。通过分析沿MAR放置的仪器收集的地震数据，研究人员观察到高CO₂通量区域与深层地震活动区域之间存在明显的相关性。

研究发现，沿大西洋中脊轴线，地幔深处10-20公里处存在深层地震​​​。这些地震发生在脆性-延性边界以下。玄武岩样品的地球化学分析表明，原生熔体中含有异常高含量的二氧化碳，范围从0.4到3.0重量百分比(wt%)，高浓度溶解的二氧化碳的脱气会产生体积变化，这可能导致深层地震​​​​。

该研究强调了二氧化碳在亚固相线温度下对岩石圈-软流圈边界下熔体存在的影响这表明上升熔体释放的二氧化碳可以引发地震活动​​。研究表明，在存在挥发物（CO2、H2O）的情况下，深度为150-300公里处开始少量熔融，而由于地幔上涌，深度为60-70公里处开始大规模干熔融。

这项研究发现二氧化碳脱气与深地幔地震有关，对我们了解地球的碳循环具有深远意义。而传统上，人们认为地震只发生在脆性-韧性边界或浅层地壳中，这些地壳中的板块相互作用会引起应力和变形。然而，新的研究表明，地幔过程，包括上升岩浆释放二氧化碳，也可以在地球内部深处引发地震事件。

思考

二氧化碳脱气如何导致如此深度的地震？这些深层地震是偶发性的还是连续发生的？这种现象是MAR所特有的吗？还是也发生在其他洋中脊？

参考文献：Zhiteng Yu, Satish C. Singh, Cédric Hamelin, Léa Grenet, Marcia Maia, Anne Briais, Lorenzo Petracchini & Daniele Brunelli ，Deep mantle earthquakes linked to CO2 degassing at the mid-Atlantic ridge.  Nature Communications volume 16, Article number: 563 (2025) ，doi.s41467-024-55792-9

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