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裂谷作用和岩浆作用能够重塑地貌、改变地球内部结构和物质组成，在地球演化中扮演着重要的角色。二者虽被认为存在内在关联，但具体机制仍不清楚。例如，为何仅部分大陆裂谷发生岩浆活动？不同裂谷的岩浆活动程度为何存在差异？裂谷作用与岩浆作用之间是否存在定量关系？位于非洲东南部、东非裂谷系最南端的全新世Okavango裂谷（图1），是世界上最年轻的裂谷之一，尚处于裂谷发育和岩浆活动的初期阶段，为研究上述问题给予了理想区域。

图1 （a）研究区主要地质单元及台站分布。背景色代表高程起伏，紫色虚线代表主要构造单元边界，黄色实线代表Okavango裂谷（Okavango Rift Zone, ORZ），橙色实线代表Okavango岩墙群（Okavango Dyke Swarm, ODS），粉色符号代表所用地震台站；（b）研究区位置指示；（c）所用地震事件分布

中国科研实验室地质与地球物理研究所王拓博士后，与合作导师陈凌研究员、美国密苏里科技大学的Stephen S. Gao教授和Kelly H. Liu教授合作，利用接收函数H-叠加方法对Okavango裂谷及其周边地区（图1）的地壳厚度和Vp/Vs值进行研究。研究结果显示（图2a），相较研究区整体而言（∼41.53.2 km），裂谷轴附近地壳（~40.02.2 km）有所减薄，符合裂谷发育初期的地壳特征。该区域地壳平均Vp/Vs值高达~1.850.05（最高值为1.91；图2b中台站B06OR），显著高于全球平均值1.78。高地壳Vp/Vs值通常指示基性或超基性幔源物质侵入，因此Okavango裂谷壳内基性物质可能与切穿裂谷的Okavango岩墙群（图1中ODS）有关。值得注意的是，当地壳平均Vp/Vs值超过1.82时需考虑熔融的影响，因此Okavango裂谷地壳内可能存在熔融物质。

图2 （a）地壳厚度（H）估测值分布；（b）地壳平均Vp/Vs估测值分布

为探究裂谷作用与岩浆作用的关系，研究将Okavango裂谷与全球主要裂谷的地壳厚度和Vp/Vs值进行对比（图3a-3c）。地壳厚度反映裂谷拉伸程度，即裂谷作用程度；而Vp/Vs值随流体（熔体）比例增加呈指数增加，可指示熔融分数（即岩浆作用程度）。对比显示，裂谷地壳厚度与Vp/Vs值呈负相关（图3a-图3c中蓝色斜线），表明随着拉伸程度增加，地壳熔融分数升高。在剔除壳内无熔融物质（图3中空心符号）和受CO₂影响而导致Vp/Vs值对熔融不敏感的裂谷后（图3中有黑点的符号），并对同一裂谷的不同观测结果进行平均，地壳厚度与Vp/Vs值的互相关系数可达-0.93，表明二者关系显著（图3c）。进一步用地壳拉伸系数（）替代地壳厚度，与地壳平均Vp/Vs值（）对比（图3d），熔融分数随拉伸程度增加的趋势仍然存在，并得到定性关系：=1.43+0.34。

图3 （a）前人研究取得的东非裂谷系不同裂谷地壳厚度（）与地壳平均Vp/Vs值（）对比；（b） 与（a）相似，加入4个全球其他裂谷（三角形符号）；（c）剔除地壳内无熔融物质和受CO₂影响的裂谷，并将同一裂谷的不同前人观测进行平均（和）；（d）与（c）相似，利用地壳拉伸系数（）与地壳平均Vp/Vs值（）对比。裂谷名称缩写：Baikal（BRZ）；Kenya（Kenya）；Kivu（KivRZ）；Luangwa（LRZ）；Main Ethiopia（MERZ）；northern Malawi（NMRZ）；Okavango（ORZ）；Rio Grande（RGRZ）；Red Sea（RSRZ）；southern Malawi（SMRZ）；Shanxi（SRZ）；Tanganyika（TRZ）。名称缩写后的数字代表文章发表年份，例如，KenRZ（2022）代表所用数据来自Wang et al. (2022)。XCC：互相关系数

该研究发现Okavango裂谷在所有裂谷中地壳最厚（图3c中橙色竖线）、拉伸系数最小（图3d中橙色竖线），表明当地壳拉伸程度未达到Okavango裂谷的水平时，地壳内部不会产生熔融物质。因此，可将Okavango裂谷视为因裂解致使地壳产生熔融的端元模型。此外，有火山活动的裂谷（图3中红色符号）地壳厚度通常小于37.0 km（图3c中红色竖线），而地壳拉伸系数大于1.32（图3d中红色竖线）。这表明拉伸持续累积，地壳熔融物质可能会喷出地表，进而引发火山活动。基于以上观测和认识，该研究提出“三阶段”裂谷作用模型（图4），即裂解初始阶段（无熔融物质产生）、持续裂解阶段（熔融物质产生）、火山活动阶段（熔融物质喷出）。

图4 “三阶段”裂谷作用模型示意图。（a）初始裂解无熔融物质产生；（b）持续裂解产生熔融物质；（c）进一步裂解可导致火山活动

研究成果发表于国际学术期刊GRL（王拓, 陈凌^*, Gao, S. S., Liu, K. H. Deciphering a quantitative relationship between rifting and crustal melt fraction: Insights from the incipient Okavango Rift Zone [J]. Geophysical Research Letters, 2025, 52: e2024GL111814. DOI: 10.1029/2024GL111814.）。研究得到了国家自然科学基金（42304059; 42288201）、美国国家科学基金（1919789）和美国化学协会石油研究基金（65563-ND8）项目的共同资助。