スラブフラックスと沈み込み角によって引き起こされるキンバーライト噴火

Jul 12, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9216 (2023) この記事を引用

55 アクセス

16 オルトメトリック

メトリクスの詳細

キンバーライトは、ダイヤモンドを地殻の表面に運ぶことができる熱化学湧昇から供給されます。 地球の表面に保存されているキンバーライトの大部分は、2 億 5,000 万年から 5,000 万年前の間に噴火し、プレート速度またはマントル プルームの変化に起因すると考えられています。 しかし、これらのメカニズムは、一部の白亜紀キンバーライトで観察される強い沈み込み痕跡の存在を説明できません。 このことから、キンバーライトの噴火のタイミングについての理解を統一するような沈み込み過程が存在するのかどうかという疑問が生じます。 私たちは、トレンチの移動、収束速度、スラブの厚さ、密度に基づいて沈み込み角度を計算し、マントルへのスラブ物質の流入とキンバーライト噴火のタイミングを結び付けるための新しい公式を開発しました。 我々は、沈み込み角とスラブフラックスのピークの組み合わせがキンバーライト噴火のパルスを予測することを発見した。 沈み込むスラブ物質の割合が高いと、マントルの戻り流が引き起こされ、マントル内の肥沃な貯留層が刺激されます。 これらの対流の不安定性により、スラブの影響を受けた溶融物が、沈み込み角に相当する溝から内側の距離にある地表まで輸送されます。 当社の深層スラブ浸漬定式化には、深部の炭素と水の循環のモデリングや、沈み込み関連の鉱物堆積物の理解の向上など、多くの潜在的な用途があります。

キンバーライトは地球のマントルから噴出した苦鉄質の火山岩で、ほとんどのダイヤモンドの母岩です1。 キンバーライトはすべてのクラトンで発生し、3 Ga2 以降散発的に発生していますが、現在地球上に保存されているキンバーライトの噴火の最大数は、過去 2 億 5,000 万年から 5,000 万年の間に、主にアフリカと北アメリカで形成されました 3。 キンバーライトの分布は、大きな低せん断波速度領域 (LLSVP) の端と角プレート速度の変化 3 に関連付けられていますが、これらはキンバーライトの噴火の頻度や、沈み込みを示す放射性同位体の濃縮の特徴を説明するものではありません。一部の白亜紀キンバーライト個体群のスラブ成分1,5。 海洋リソスフェアのマントルへの急な沈み込みは、強力なマントル帰還流と火成活動のパルスを引き起こすと提案されています6。 しかし、火山噴火と高率のスラブフラックスとの間には理論的な関連性があるにもかかわらず7、古代の沈み込み帯でリサイクルされている海洋リソスフェアの体積と沈み込み角度を推定することが困難であるため、キンバーライト噴火との相関関係は妨げられている。 沈み込むスラブの傾斜角を特徴付ける以前の試みでは、沈み込み帯特性の多変量解析を適用して、主要なパラメーター間の相関関係を検索しました8、9、10、11、12、13、14。 しかし、これらのアプローチは主に現在のスラブの陥没を再現するのに有用であり、地質学的に深い時代を通じて復元された沈み込み帯への適用は限られています。 ここでは、最近のプレート再構築モデル15とプレート冷却のモデル16、17、18を使用して、世界中のほとんどの沈み込み帯を特徴付ける単純なプレート運動学的パラメータからのスラブの傾斜の推定を再検討し、制御における急峻な沈み込みスラブの潜在的な役割を調査します。アフリカと北アメリカでキンバーライトが噴火。

Slab2 モデル 19 から得られた沈み込むスラブの深さは、過去 2 億 5,000 万年以内に噴火したキンバーライトで覆われています 20。 (i) オセアニアでは、海溝セグメントの略語は次のとおりです。トン、トンガ。 ケル、ケルマデック。 NH、ニューヘブリディーズ諸島。 ソル、ソロモン。 (ii) 東南アジア: パプアニューギニア、パプアニューギニア。 サム、スマトラ島。 3月、マリアナ諸島。 IZB、伊豆小笠原。 リュウ、琉球。 男、マニラ。 博士、フィリピン人。 (iii) アジア: マック、マクラン。 SJ、南日本。 ニュージャージー州、北日本。 クル、千島。 (iv) ヨーロッパ: ヘル、ヘレン語。 カル、カラブリア州; (v) 北アメリカ: アル、アリューシャン列島。 カス、カスケード。 (vi) 中米: メキシコ、メキシコ。 MAM、中米。 LAT、小アンティル諸島。 (vii) 南アメリカ: EC、エクアドル。 SA、南アメリカ。 サウスカロライナ州、チリ南部。 南西南西部、サウスサンドイッチ。 おおよそのトレンチの位置、境界の種類、名前、および対応する略語を表 S1 に示します。 白い部分は非海洋地殻の領域を示します。 太い赤い線は中央海嶺を示します。 細い赤い線は変換の境界を示します。 地図は Cartopy21 を使用して生成されました。

地球のマントルへのスラブの下向きの引力は、プレートテクトニクスにおける最大の推進力であり 22、沈み込むプレートの曲がりは、プレートの運動を引き起こすために地表に伝達されるスラブの引力量を調節する上で重要な役割を果たします 23。 1980 年代 8 以来、複数の研究で、沈み込み角度と、沈み込みの期間、収束速度、オーバーライド プレートの性質、溝の長さなどを含む多くのパラメータとの相関関係が調査されてきました 8、9、10、11、12、13。 14. 最近の研究は多変量回帰に戻り、スラブの傾斜は沈み込み期間と、程度は低いが下降プレートの年齢、および上に乗っているプレートが大陸性であるか海洋性であるかによって影響を受けるという長年の見解を補強した13。 これらのパラメータは、現在のスラブの傾斜を近似するのに役立ちますが、沈み込み帯セグメントの境界は主観的で時間に依存するため、絶えず進化する沈み込み境界を伴う深い地質時代にこれらのスラブの傾斜の関係を遡って投影しようとすると困難が生じます。 たとえば、沈み込みの継続期間や再開始に関するデータは年齢とともにますます希薄になり、プレートの再構成によって沈み込みの寿命を定量化することが困難になります。 同様に、深い時間にわたるスラブセグメントの細分化は非常に主観的であり、沈み込み帯トポロジーの中断により、スラブディップ推定値が大幅に異なる可能性があります。 これらの課題を克服するために、我々はプレートレオロジーと運動学的パラメーターの多変量解析を用いてスラブの傾斜相関を調査します。これらの相関関係は、ネット回転なしのプレートモデルの最適化により、深部地質時代を通してあまり曖昧ではありません24。 このアプローチを採用することにより、スラブの傾斜の推定は、特定のプレートの再構成が許す限り遡って伸びる沈み込み帯の進化に適用できます。

我々は、地震の深さと断層撮影モデルから世界中の沈み込むスラブの深さと形状を推定するSlab2モデル19から現在のスラブ傾斜データを抽出し（図1）、得られた現在のプレート運動学的特性に近いデータを結合します。 pyGPlates26 を使用した最近のプレート再構成モデ​​ル 25 から。 下降するスラブの傾斜角 \(\theta\) は、トレンチから内側に複数の深さ間隔で取得されます (図 2)。 平均傾斜角 \(\theta _{\textrm{av}}\) は、トレンチに直交する Slab2 モデルによって分解されるすべての深さ間隔の単純な算術平均です。

ここで、d は深さ間隔、n は Slab2 モデルによって解決できる深さ間隔の総数です。 Slab2 モデルから傾斜角を計算するワークフロー全体、および沈み込むプレートのプレートレオロジーと運動学的パラメーターは、GitHub (https://github.com/brmather/Slab-Dip) で公開されています。 沈み込むスラブの現在の傾斜角に敏感なパラメータの最も統計的に有意な組み合わせについては、次のセクションで説明します。

スラブのディップと沈み込みパラメータの概略図。 収束率 \(v_c\) は、沈み込むプレートの速度 \(v_s\) と優先プレートの速度 \(v_o\) の合計です。 オーバーライドプレートとトレンチの速度は等しく、逆であると仮定します (\(v_o = -v_t\))。 \(v_s\) と \(v_o\) はトレンチに向かって正であり、各ベクトルはトレンチに直交します。 \(v_{\textrm{hsp}}\) は中央海嶺での半拡散率であり、プレートへの揮発性物質の流入速度 (\(q_v\)) に比例します。また、\(\theta\ ) は、異なる間隔で計算された沈み込むスラブの傾斜角です。

沈み込み係数の多変量解析に関するこれまでの研究では、スラブの傾斜と沈み込む海洋リソスフェアの年齢との間に統計的に有意な関係は見出されませんでした8、9、13。 しかし、スラブの傾斜が収束速度 \(v_c\) (\(P=0.39\)) と下降プレートの厚さ \(h_{\textrm{プレート}}\) (\(P=0.59\)) (図 3)。 プレートの厚さは海洋リソスフェアの熱進化から予測され、

ここで、 \(\sqrt{\kappa t}\) はプレート冷却のモデルから導出されます 16,27。 これらのモデルは、海底年齢の関数として熱境界層の厚さの増加を記述しており、一定の熱拡散係数 \(\kappa = 1\) mm\(^2\)/ の場合、最大厚さは約 80 Myr に近づきます。 s. 私たちは、深さと熱流のデータに最適に適合することが実証されている海洋リソスフェア冷却のプレート モデルを使用して、地球上の海溝でリサイクルされている海洋リソスフェアの厚さを計算します16。 プレートの厚さ \(h_{\textrm{plate}}\) と収束速度 \(v_c\) の積をトレンチ セグメントに沿って積分すると、リソスフェアのリサイクルの体積速度、つまり「スラブ フラックス」が得られます。 沈み込む海洋リソスフェアの厚さを計算するために、海溝境界で海底年齢グリッドをサンプリングします。

スラブの傾斜と収束速度、スラブの厚さ、および広がり速度の間の相関関係。 2D ヒストグラムは、0.5 度刻みでテッセレーションされたすべての沈み込み帯セグメントのスラブ ディップを含む各パラメーター間の確率密度を示します (a ～ c​​)。 沈み込み帯セグメントは沈み込み帯ごとにグループ化されており、ひげは平均からの 1 つの標準偏差 (d – f) を示しています。 \(P_r\) はピアソン相関係数値、P は p 値です。

考慮すべき 2 番目に重要なパラメータは、溝の前進または後退の速度です。 スラブのロールバックは、上部マントルと下部マントルの境界で低角度の沈み込みとスラブの停滞を引き起こすと広く考えられている12,28,29。これは、海溝の後退が起こる2つの海洋プレート間の沈み込み帯でより低い沈み込み角度がより広く観察される理由の一部を説明しています。海洋大陸の沈み込み帯よりも一般的です10。 海溝の移動速度 \(v_t\) はマントル基準系に対して計算され、収束速度 \(v_c\) と比較して、さまざまな沈み込みダイナミクスを特徴付けることができます。

\(v_c = -v_t\) の場合、収束率全体がロールバックに分割されます。

\(v_t = 0\) の場合、海溝は静止し、沈み込むプレートの速度は収束速度 (\(v_s = v_c\)) に等しくなります。

\(v_t > 0\) の場合、海溝は沈み込み方向に進んでいます。

私たちが考慮した 3 番目のパラメータは、沈み込むプレートの揮発性物質の濃縮度です。 水や炭素などの揮発性成分の量が増加すると、沈み込むプレートとオーバーライドするプレートの間の結合が強化されます30。 揮発性物質の濃縮源は、揮発性物質を含む融解物が新たに形成される海洋リソスフェア内のチャネルを通って循環する中央海嶺で発生します 31。 海洋リソスフェア内の揮発性物質の隔離率 \(q_v\) は、海底拡散率 \(v_{\textrm{hsp}}\) に比例します31。 年代グリッドを内挿して板厚 \(h_{\textrm{plate}}\) を計算するのと同じ方法で、in32 のワークフローを使用して生成された海底拡散率グリッドを海溝境界でサンプリングします。 \(v_{\textrm{hsp}}\) がスラブディップと強い負の相関を示すことがわかります（\(P=0.34\)、図3c、f）。 揮発性物質は、上部地殻の熱水変質33、超低速拡散中の分離34、沈み込み帯に入る前のプレートの曲げや亀裂35などの他のプロセスによってもプレートに追加されますが、上で概説した拡散速度の関係は、世界中のほとんどの海溝で沈み込んでいる最も一般的な揮発性物質の発生源。

私たちが考慮した 4 番目のパラメータは、沈み込むプレートの平均密度でした。 リソスフェアの浮力は、プレートの年齢、熱構造、地殻の厚さ、および枯渇から推定できます36。 地殻は、密度が比較的低いため (\(\sim\) 2900 kg/m\(^3\))、海洋リソスフェアにおける正の浮力の主な源です37。 現代のマントルの温度条件を仮定すると、10〜20 ミル古いリソスフェアは負の浮力があり 36、年齢が上がるにつれて負の浮力が大きくなります。 海洋リソスフェアの 60 ミルのセグメントは厚さ約 79.4 km16 で、そのうち 7 km は地殻であり、平均密度は \(\rho _{\textrm{av}} = 3278\) kg/m\(^3) に相当します。 \)。 海洋プレートの浮力だけでは沈み込みを開始するには十分ではないかもしれませんが 38、下降するプレートの密度構造の横方向の変化により、確立された沈み込み帯の浮力が変化し、スラブの沈み込みに影響を与える可能性があります。 このような正の浮力異常は、しばしば沈み込み帯 39 を混雑させたり、平らなスラブ沈み込み 40 を引き起こしたりする海洋高原に関連しています。

現在の沈み込み帯に関するこれらのレオロジー的および運動学的関係をすべて考慮して、最近傍回帰を適用して、沈み込むスラブの傾斜角 \(\theta _{\textrm{av}}\) を予測しました。 この回帰では、kd ツリーを実装して、トレーニング データセット \(X_{\textrm{train}}\) からテスト データセット \(X_{\textrm{test}}\) までの最短ユークリッド距離を持つ k 個の近傍を効率的に検索します。 、対応するスラブのディップの加重平均を取得して、テスト スラブのディップを予測します。

ここで、 \(d_k\) は、k 個の最近傍のトレーニング データとテスト データ間のユークリッド距離、\(d_k = \Vert X_{\textrm{train}} - X_{\textrm{test}} \Vert _k\) です。 Slab2モデルから得られた沈み込み境界とスラブディップの現在の構成のサブセットをテストデータセットとして使用し、スラブディップ予測のパフォーマンスをトレーニングデータセットと比較します（図4）。 トレーニング スコア (\(R^2\) 値) は、トレーニング データセットとテスト データセットの間の近似度を測定します。これは、\(k=1\) の最大値 1 です。 これは、現時点ではトレーニング データセットからテスト データセットに完全に一致するものがあるためです。 k が大きくなるにつれて、より多くの近傍が平均内に組み込まれるため、\(R^2\) 値と相互検証スコアが減少します。 これら 2 つのメトリクスを組み合わせて、問題が過適合または過小適合にならないように推定器のパフォーマンスを評価します。 相互検証とトレーニング スコアの間に最適なトレードオフがある \(k=5\) を選択します。

沈み込むスラブの傾斜角を予測するための最近傍回帰アルゴリズムの相互検証スコアとトレーニング スコア (\(R^2\) 値)。 このアルゴリズムは、式 1 からの計算で使用される最近傍 (k) の数を増加させてテストされます。 3. 影付きの領域は、平均からの 1 標準偏差を示します (実線)。 最適なトレードオフをトレーニング スコアと比較するために、相互検証スコアは視覚的にわかりやすくするために負の数値として表示されます。

私たちは、現在のプレートレオロジーと運動学パラメーターに基づいてスラブディップを推定するための柔軟なオブジェクト指向 Python パッケージを開発しました (https://github.com/brmather/Slab-Dip)。 デフォルトの回帰アルゴリズムとトレーニング データセットについては上記で説明しましたが、ユーザーは独自のトレーニング データセットと scikit-learn Python パッケージ内にバンドルされている回帰アルゴリズムを定義して、オーダーメイドのスラブ ディップ推定器を作成することもできます。 GitHub リポジトリには、ユーザー向けの Jupyter ノートブックとして提供されるサンプルとインストール手順がいくつかあります。 私たちが選択した最近傍回帰は一般的であり、沈み込むプレートの現在の特性と深い時代の特性との間に堅牢な関連性を確立します。 現在活動しているものとは異なる特定の地球力学的状況には適用できないかもしれないが、海底年齢、スラブの厚さ、海溝の移動、海底年齢、スラブの厚さ、海溝の移動、そして収束速度。 これは、マントルに急激に沈む古い緻密なスラブに関連するスラブ吸引力が、地表の構造プレートの速度を駆動し、ロールバック量の増加がダウンプレートの平坦化につながることを認識しています。スラブを進みます。

私たちが公式化した関係は、Slab2 モデルによって解決される最大深さまでのスラブの落ち込みを予測することに注意することが重要です。 マントル内に下降するスラブの軌道は、マントル内の粘性コントラストに遭遇するため、予測されたスラブの深さから逸脱する可能性があり、それがスラブの停滞41,42や潜在的にスラブの固着43を引き起こす可能性があります。 これらのダイナミクスは回帰では捕捉されないため、公称時間範囲にわたる特定の沈み込み帯への適用が妨げられる可能性があります。 それにもかかわらず、私たちのスラブディップの定式化は世界中のほとんどの沈み込み帯に当てはまり、プレート構造の再構成を使用して深部地質時代に遡って適用して、スラブがマントルに沈み込む軌道を予測できるという利点があります。 これは、海溝と火山弧の間の距離、平らなスラブの沈み込みの発生率、およびマントルのより深い部分への海洋リソスフェアのリサイクルを推定するために使用できます。

キンバーライトはマントルから急速に上昇し、世界中のクラトンに収まっている火山岩です2。 キンバーライトの噴火は、LLSVP 4 からのマントル湧昇と、リソスフェアの荷降ろし 44 またはプレート速度の変化 3 に関連する拡張テクトニクスと関連しています。 しかし、これらのメカニズムは、アフリカ、ブラジル、北米の白亜紀のキンバーライトでストロンチウム同位体比の増加によって観察される強い沈み込みスラブの特徴を説明するものではありません 1,5。 アフリカのキンバーライトはLLSVPまでの距離と統計的に有意な関係を示しますが、北米のキンバーライトにはそのような関係はありません（図5）。 対照的に、北米のキンバーライトの噴火は、ララミド造山運動中のファラロン プレートの平坦な沈み込みに関連していると考えられています45。 ここで、マグマはマントル遷移帯の水流による減圧融解によ​​って生成され46、沈み込みによって引き起こされるマントル帰還流47によって上方に輸送された可能性がある。 高いスラブフラックスは、マントルに沈み込む大量の海洋リソスフェアによってマントル湧昇が引き起こされる火山噴火の頻度とこれまで関連付けられてきました48。 沈み込みによるマントル湧昇は、中国南西部の 260 万メートルの峨眉山の大きな火成州の形成 49 と中国北東部の新生代の火山活動 50 に関連していると考えられています。 アフリカと北アメリカで異なるキンバーライト個体群を生成する際の沈み込みの役割を調整するために、前のセクションでのスラブディップの定式化を使用してスラブフラックスの垂直成分と水平成分を分離し、pyGPlates26を使用してグローバルな沈み込み境界を再構成しました。 我々は、北米の西縁に沿った沈み込み帯の境界が大幅に改善され、カリブ海プレートの解像度が改善された 15 から修正された 170 ミル プレート モデルを使用しました 51 (「方法」を参照)。 キンバーライト \(\le\) 170 Ma の位置は、重複と地理的サンプリングの偏りを避けるために、噴火年代のキンバーライトの編集物 52 を 3 回リサンプリングした正二十面体メッシュ 53 を使用して、噴火当時に遡って再構築されました。 次に、キンバーライトを (i) 北アメリカと (ii) アフリカの個体群に分離しました。 これらのキンバーライト集団を合わせると、「キンバーライト ブルーム」と呼ばれる過去 2 億 5,000 万年から 5,000 万年以内に噴火した世界のキンバーライト データセットの 91% を構成します3。 キンバーライトの噴火のタイミングとスラブフラックスの速度を比較する場合、沈み込みがキンバーライトの集団の方向にある海溝のみを考慮します。 ファラロンプレートの沈み込みに関連する北アメリカと中央アメリカの西縁に沿った高いスラブフラックスと、アフリカと北アメリカの両方のキンバーライト個体群との間に強い相関関係があることがわかりました（図6a）。 再現された沈み込み帯のスラブ傾斜解析から予測された低い沈み込み角 (30–35\(^\circ\)) は、スラブが 660 km のマントル遷移帯と交差する前に海溝から 1,000 km 以上伸び、貫通する可能性があることを示しています。下部マントルのさらに奥へ。 スラブ物質の急速な沈み込みはマントル帰還流を生成する可能性があり 35、そこからのマントル湧昇がキンバーライト噴火を引き起こす可能性があります。 以下のセクションでは、高率のスラブフラックスからの沈み込み誘発マントルリターンフローが、アフリカおよび北アメリカ内のキンバーライト噴火とどのように関係しているのかを探ります。

キンバーライト噴火とLLSVP境界の間の時空間的関連性。 (a) 噴火年代まで再構成されたキンバーライト (ダイヤモンド) の空間分布と重ねられた SMEAN2 断層撮影モデル 54 からのせん断波速度異常。 LLSVP 境界は、赤い破線で表される速度変動からの深さ 2800 km のスライスの 1% の遅い等高線として定義されます。 参考のために現在の海岸線を追加しました。 地図は Cartopy21 を使用して生成されました。 (b) パンゲア超大陸が形成された時点で 1 億 7,000 万メートルに再構築された、現在のランダムな大陸位置を持つアフリカと北アメリカの LLSVP 境界とキンバーライト個体群の間の距離の累積密度関数。 アフリカのキンバーライトはLLSVP境界と統計的に有意な関係を保持していますが、北米のキンバーライトはそうではありません。

120から130Maの間のアフリカのキンバーライト噴火のピーク時のスラブフラックスとキンバーライト噴火の頻度の間には強い相関関係が存在します（図6b）。 沈み込みは、パンゲア超大陸の形成中、約 1 億 2,000 万年前にアフリカと南アメリカの間で亀裂が始まるまで、その西縁に沿って続きました (図 7)。 160 Ma から 120 Ma にかけて、キンバーライト噴火の 2 つのピークは、アメリカ大陸の下に沈み込むファラロン プレートからマントルに 30 ～ 35 \(^\circ\) 突入した高スラブ磁束のパルスと相関しています。 キンバーライト噴火の大きなピークは 120 Ma で、スラブ フラックス 60 km\(^3\)/年に相当します。 アフリカのキンバーライト噴火の 2 番目のピークは 80 から 90 Ma の間に発生しました。これは、スラブ フラックスの 2 番目のパルス (最大 80 km\(^3\)/年) とプレート速度の最大値 (6 cm/年) と相関しています。アフリカと南米の間では海底の拡大速度が増加します（図6b）。 LLSVP に関連するマントルプルームは、アフリカのクラトン岩石圏のかなりの部分を侵食しており 55、一部のキンバーライトの噴火に関連している可能性があることが示されていますが 4、これはキンバーライトの沈み込みの痕跡や噴火のタイミングを説明するものではありません。

我々は、リサイクルされたスラブの貯留層がパンゲアの組み立て中の広範な沈み込みによってマントルを占め、その結果、冷たいスラブに同伴された水が放出されるときに、上にあるマントルの脱水融解が生じると提案します56。 その後、パンゲアが崩壊し始めると、低角度でのスラブ物質の急速な沈み込みによって、この肥沃なマントル貯留層からのマントル還流が引き起こされ、キンバーライトの噴火が引き起こされます。 沈み込むスラブは深部のマントル構造に影響を及ぼし、アフリカLLSVP7の端でプルームフラックスの増大を引き起こす可能性があるため、これにより、120度のキンバーライト噴火の頻度の増加に対応して、スラブの影響を受けた溶融物の最上部下部マントルから地表への供給が加速される可能性がある。まーちゃん。 これは、中国南西部の下にあるリサイクルされた古テチス海洋が、深さ 410 ～ 660 km から大規模なマントル湧昇を誘発すると提案されている、260 万メートルの峨眉山大火成州の形成に寄与するプロセスに似ている可能性がある49。 キンバーライト噴火における 80 ～ 90 Ma の 2 番目のパルスは、南大西洋の開口部に続く最も近い沈み込み帯からの距離が遠いため、スラブフラックスと容易に関連付けることはできません (図 7。代わりに、アフリカプレート速度の増加が考えられます)より多くのクラトン岩石圏がLLSVPに接続されたマントル湧昇にさらされ、それによってキンバーライトの噴火頻度が増加します3,4（図6b）。

1億7,000万年にわたるキンバーライト噴出密度、スラブフラックス、プレート速度の関係。 (a) キンバーライトの複合噴火におけるパルスは、北米の西縁に沿って東に傾斜するファラロン プレートのスラブ フラックスが高い期間と相関しています。 私たちの解析から予測された沈み込みの低い傾斜角 (30–35\(^\circ\)) は、スラブ磁束の強い横方向成分によって示されています。 (b) アフリカのキンバーライト噴火の最初のピークは、パンゲアが分散する際の 120 Ma と 130 Ma の間の高いスラブ フラックスと相関しています。 80～90 Ma の 2 番目のピークは、南大西洋の開口部からアメリカ大陸とアフリカの間の距離が増加したため、スラブ フラックスよりもアフリカ プレートの速度 3 の増加によって説明される可能性が高くなります。 (c) 北米のキンバーライト噴火のパルスは、北米で最も近いキンバーライト噴火の半径 2500 km 以内の東に傾斜する沈み込み帯に沿って統合されたスラブ フラックスのパルスと密接に相関しており、プレート速度との相関は観察されません。

キンバーライト噴火の空間分布と重ね合わせた、160 Ma から現在までの地球規模の沈み込み帯におけるスラブ傾斜角の進化。 スラブフラックスとキンバーライトの噴火密度の大きなピークは、ゴンドワナ超大陸の分裂中に120Maで発生し、北部の大陸リソスフェアの基部から平らなファラロンスラブが除去されたことに関連して、80Maで2番目の（より小さい）ピークが発生します。アメリカ。 白い領域は非海洋地殻を示し、灰色の領域は現在の海岸線を示します。 地図は Cartopy21 を使用して生成されました。 1 億 7000 万年前から 0 年前までの完全な時系列が、Movie S1 のアニメーションとして利用できます。

A second population of kimberlite eruptions occurred between 110 and 40 Ma while North America migrated westward during the opening of the North Atlantic Ocean. It has been proposed that the dehydration of hydrous minerals stored within the flat-subducting Farallon plate promoted magmatism and kimberlite generation approximately 1500 km from the nearest trench45, however, geodynamic models suggest that flat subduction inhibits arc magmatism as the release and convection of fluids from the slab are obstructed by the asthenospheric wedge57. From our reconstructions of slab dip, the average dip angle along the western margin of North America varies between 30 and 36\(^\circ\) and the slab flux predicts the peaks and troughs in kimberlite eruption frequency between 110 and 40 Ma (Fig. 6c). Slab dip is spatially and temporally variable along North American subduction boundaries during the Laramide period, which has been attributed to the flat subduction of the Shatsky Rise conjugate on the northernmost section of the Farallon plate40. Its subduction predicts the distribution of magmatic and amagmatic zones in North America. From 95 to 60 Ma, the subduction of relatively young seafloor (5–50 Ma) combined with subduction of the buoyant conjugate Shatsky Rise leads to flat slab subduction beneath central USA58 (Fig. 7). The distribution of kimberlite eruptions during this period are focused in Canada and the south of North America on either side of the conjugate (Fig. 8). Abrupt changes in subduction angles could be accommodated by slab tears adjacent to the Arizona–New-Mexico magmatic belt57. It is likely that melts associated with the dehydration of recycled slab material in the mantle transition zone were delivered to the surface through subduction-induced return flow47. Removal of the flat Farallon slab from the base of overriding continental lithosphere at 50 Ma2.3.CO;2 (1995)." href="/articles/s41598-023-36250-w#ref-CR59" id="ref-link-section-d64025640e2584">59 はマントル還流をさらに刺激し、米国中央部のかつてのアマグマ帯内で発生する、より広範なキンバーライト噴火を引き起こすと考えられます (図 6c)。

北米に沿った平らなスラブの沈み込みの進化。 (a) ファラロンプレートの平らなスラブの沈み込みは、95Ma で海溝に入るシャツキー隆起によって引き起こされます。 (b) シャツキー共役体の多くは 7,000 万年前に消費され、その時までにファラロンは米国中部の大部分を下層にし、ララミド造山運動に関連した地殻隆起を生み出します。 (c) 50 Ma では、ファラロン プレートが上に乗っている大陸リソスフェアの基部から除去され、その結果、広範なキンバーライト噴火が発生します。 黒い多角形は復元された大きな火成地域を示し、灰色の多角形は推定された LIP 共役を示し、矢印は絶対プレート速度を示します。 地図は Cartopy21 を使用して生成されました。

アフリカ個体群と北米個体群の間のキンバーライト噴火の二分法は重要である。なぜなら、マントルの還流機構は一貫しているが、マントル内の発生源領域の刺激は異なるからである。 アフリカでは、スラブの沈み込みに伴うマントルへの戻り流が、LLSVP の端に沿った湧昇を刺激し、パンゲアの集合体で残った沈み込むスラブの残骸に由来する肥沃なマントル貯留層を活性化した可能性があり、このことがこの白亜紀のキンバーライトで観察された沈み込みの痕跡を説明しています。人口。 アフリカのキンバーライト噴火の 2 番目のパルスは 80 ～ 90 Ma であり、LLSVP3 に関連する湧昇の上をアフリカが移動する際のプレート速度の増加に関係している可能性があります。 一方、北米のキンバーライト噴火は、シャツキー隆起の平坦な沈み込みに隣接する地域、および北米下の平坦なスラブの除去後のララミド造山運動の影響を受ける地域内で、上部マントルの戻り流によって引き起こされます。 重要なのは、両方のキンバーライト個体群が、アメリカ大陸下の低角度でのファラロン プレートの急速な沈み込みに関連していることです。このことは、このスラブが湧昇による火山活動の推進に重要な役割を果たしていることを示唆しています。 ファラロンのスラブには、固相線の温度を下げて部分的な融解とマグマの生成を促進する H\(_2\)O などの揮発性物質が高濃度に浸透しているのか、あるいはそれが既存の肥沃なマントル貯留層を刺激するのかどうかは不明である。 それにもかかわらず、この研究はキンバーライトの生成における沈み込みの重要性を強調し、キンバーライトが主にマントルプルームによって生成されるというこれまでの概念に疑問を投げかけています。

沈み込む海洋リソスフェアの傾斜角は、沈み込み帯におけるマントルと大陸のダイナミクスを特徴付ける重要なパラメータです。 我々は、下降するスラブの厚さ、収束速度、トレンチ移動速度、スラブの密度および揮発性物質の濃縮からスラブのディップを予測するための簡単なフレームワークを提案します。 このフレームワークをプレートの復元に適用すると、過去の沈み込み帯の力学、深部地質時代にわたるアーク火山活動の空間分布、および沈み込んだスラブの運命についての新たな洞察が得られます。 この予測枠組みを使用して、キンバーライト噴火におけるパルスの説明に役立てるため、過去 1 億 7,000 万年にわたる沈み込み帯セグメントのスラブ傾斜角を再構築します。 高い沈み込み速度はマントルの還流を刺激し、部分的な融解とマグマの生成を促進します。 アフリカと北アメリカのキンバーライトの噴火は、アメリカ大陸の下へのファラロンプレートの沈み込みに関連しています。 アフリカでは、キンバーライト噴火のピークは、超大陸分裂の初期段階における高いスラブフラックスと、アフリカがLLSVP上を移動する際の高いプレート速度（最大6cm/年）と強い相関を示しています。 北米では、95〜50Maのシャツキー上昇共役の沈み込みにより、ララミド造山運動に関連して米国中央部の下に平らな沈み込みが生じ、その後リソスフェアの底部から除去されるまで、火成活動が平らなスラブの端に限定される。 50Ma. 我々の結果は、スラブの水平フラックスを調節すること、ひいては火山活動の分布とタイミングを調節する上で沈み込み角が重要な役割を果たしていることを浮き彫りにしている。 これは、アフリカと北アメリカにおけるキンバーライト個体群の二分法を説明するのに役立ち、地質学的時代の深部にわたるスラブディップの再構成によって説明される可能性がある、オーストラリア、インド、南アメリカにおける古代キンバーライトの形成に重要な意味を持っています。

本稿で使用したプレートモデルは、最近公開されたモデル 15 を次のように修正したものである。 動きが割り当てられていない沈み込み帯は、最初は時間の経過とともに静止していました。 これらには、断層撮影上の制約との一貫性を保ちながら、中程度の海溝後退をモデル化するために、グローバル プレート回路に対して新しい動きが割り当てられました。 オルカスプレートは、プレート境界での発散に対応するために、170〜130Maで2つの別々のプレートに分割され、130Ma以降の構成と一致しました。 カリブ海プレートはまた、1 億 4,000 万年から 1 億 2,000 万年前に新たな背弧拡大中心によって分割され、拡大する尾根でのカリブ海の大きな火成地帯の形成を可能にしました 51。 最後に、絶対プレート運動モデルは、反復最適化ワークフローを使用して制約されました24。 GPlates で使用するプレート再構築ファイルを含む ZIP アーカイブは Zenodo (doi.org/10.5281/zenodo.5769002) で入手できます。

現在の研究中に生成および/または分析されたデータセットは、Zenodo リポジトリ https://doi.org/10.5281/zenodo.5831990 で入手できます。 プレート再構築モデルを使用してスラブの傾斜を計算するための Python ワークフローを含む一連の Jupyter ノートブックは、https://doi.org/10.5281/zenodo.5831990 および GitHub (https://github.com/brmather/) 経由で Zenodo から入手できます。スラブディップ)。 プレート再構成ソフトウェア、GPlates および pyGPlates は、www.gplates.org/download から無料で入手できます。

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この研究は、国家共同研究インフラ戦略 (NCRIS) を通じてオーストラリア政府から資金提供を受けた AuScope シミュレーション、分析、モデリング ノードによって支援されました。 私たちはオーストラリア研究評議会からの助成金 DP200100966 (MS) を通じての資金提供に感謝します。

EarthByte Group、シドニー大学地球科学部、シドニー、2006 年、オーストラリア

ベン・R・マザー、R・ディートマー・ミュラー、クリストファー・P・アルフォンソ、マリア・シートン、ニッキー・M・ライト

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BM はアイデアを思いつき、Python ツールを開発し、図を生成し、原稿を書きました。 RDM は、キンバーライト噴火を説明するためのスラブディップ定式化のアイデアと応用を考案しました。 CPA は北米の地殻構造の復元を改善し、年齢グリッドと海底拡散率グリッドを提供しました。 MS が実験を考案し、原稿を改良しました。 NMW は大規模な火成地帯の再建を提供しました。

ベン・R・マザーへの通信。

著者は競合する利害関係を宣言していません

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

補足事項 １．

オープン アクセス この記事はクリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブ コモンズ ライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材が記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

マザー、BR、ミュラー、RD、アルフォンソ、CP 他キンバーライトの噴火はスラブフラックスと沈み込み角によって引き起こされます。 Sci Rep 13、9216 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36250-w

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受信日: 2022 年 10 月 25 日

受理日: 2023 年 5 月 30 日

公開日: 2023 年 6 月 6 日

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