맨틀 기둥으로 조각된 아프리카 크라톤 암석권

아프리카

고대 대륙의 핵인 크라톤이 25억 년 전에 형성된 이후 어떻게 진화했는지에 대해서는 논쟁의 여지가 있습니다. 지진 단층 촬영은 두꺼운 크라톤 암석권을 매핑할 수 있지만 표본이 드문 대륙에서는 해상도가 낮습니다. 여기에서 우리는 새로 사용 가능한 대규모 데이터 세트와 함께 파형 단층 촬영을 사용하여 아프리카 아래의 크라톤 암석권이 이전에 본 것보다 더 복잡하고 파편화되어 있음을 보여줍니다. 분화 당시 두꺼운 암석권을 나타내는 가장 잘 알려진 다이아몬드질 킴벌라이트는 오늘날 암석권이 얇은 곳으로, 지난 2억 년 동안 놀랍도록 광범위한 암석권 침식을 암시합니다. 깊은 맨틀 기둥으로 인한 대규모 화성 지역은 손실과 동시에 또는 손실 이전에 모든 암석권 손실 위치 근처에 배치되었습니다. 이것은 맨틀 기둥에 의해 한 번 변형된 크라토닉 뿌리가 무너졌음을 시사합니다. 우리의 결과는 크라톤 암석권의 총 부피가 시생기 형성 이후 감소했으며, 각 크라톤의 운명은 플룸에 대한 상대적인 움직임에 따라 달라짐을 의미합니다.

 

크리톤 맨틀 암석권

크레이터의 맨틀 뿌리는 시생대 형성 및 안정화 이후 상부 지각과 결합된 것으로 생각됩니다. 크라톤 맨틀 암석권은 구성적으로 부력이 있고 두껍고(200 km 이상) 차갑고 기계적으로 강합니다. 이것이 아마도 크라톤이 2.5Ga 이상 동안 손상되지 않고 살아남을 수 있었던 이유일 것입니다. 크라톤 맨틀 암석권의 이따금 파괴는 잘 문서화되어 있지만 그 메커니즘에 대해서는 논란이 있습니다. 그것은 크라톤에 인접한 섭입 또는 균열 및 확장으로 인한 체액 및 전이의 영향에 기인합니다. 또한 크라톤 암석권은 깊은 맨틀에서 상승하는 열화학적 플룸과의 상호작용에 의해 파괴될 수 있다고 제안되었으며 최근 단층 촬영 모델은 발트해 연안 지역의 일부에서 플룸에 의해 크라톤이 얇아지는 것과 일치합니다. 크라톤 암석권의 원래 부피의 상당한 부분이 침식되었을 수 있는지 또는 대부분의 크라톤이 보존되었는지는 불분명합니다. 지진 단층 촬영은 100~200 km 깊이와 그 주변에서 이상적으로 높은 지진 속도로 현재의 지각 암석권을 감지하며 이러한 이상은 주로 두꺼운 암석권 내에서 이상적으로 낮은 온도로 인해 발생합니다. Diamondiferous kimberlites와 lamproites는 배치 당시 특징적으로 두꺼운 크라톤 암석권의 존재에 대한 증거를 제공합니다. 종합하면 단층 촬영과 킴벌라이트의 증거는 크라톤 암석권의 시간적 진화에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 그러나 이를 위해서는 관련 지역 구조적 규모의 해상도를 가진 단층 촬영과 충분히 큰 킴벌라이트 데이터베이스가 필요합니다. 아프리카 대륙은 주로 신원생대 후기와 고대 고생대 범아프리카 조산대에서 조립된 선캄브리아기 지형으로 구성됩니다. 아프리카에서 확인된 3개의 주요 크라톤은 서아프리카, 콩고 및 칼라하리 크라톤이며, 더 작은 탄자니아 크라톤은 콩고의 동쪽에 있습니다. 지난 2 억년(My) 동안 아프리카에 많은 LIP(대형 화성암)가 자리 잡았습니다. 200 Ma의 Central Atlantic Magmatic Province(CAMP)와 135 Ma의 Paraná-Etendeka는 각각 중부 및 남부 대서양의 개방을 동반하거나 선행했습니다. Karroo LIP가 180 Ma에 설치된 것은 해저가 아프리카와 남극 대륙 사이에 170 Ma로 퍼지기 시작하기 전이었습니다. 더 최근에는 풍부한 화산 활동이 동아프리카 단층계(EARS)의 발전을 동반했습니다. 아프리카의 대부분의 단층 촬영 모델은 3개의 주요 크레이터 아래에 광범위한 고속 이상 현상을 보여줍니다. 그러나 최근까지 아프리카의 많은 지역에서 지진 데이터 범위가 희박하여 단층 촬영 해상도가 제한되었습니다. 여기에서 우리는 아프리카의 다른 지역에 있는 새로운 관측소에서 현재 사용 가능한 광대역 지진 데이터를 수집하여 데이터 샘플링을 크게 개선하고 이를 매우 큰 글로벌 데이터 세트와 결합합니다. 우리는 파형 반전을 사용하여 지진계에 기록된 표면 및 지역 S파와 여러 S파에서 구조 정보를 추출합니다. 결과로 나온 단층 촬영 모델 AF2019는 이전에 본 것보다 훨씬 더 복잡하고 파편화된 아프리카 암석권을 보여줍니다. 이미징의 향상된 해상도는 지진 및 킴벌라이트 데이터의 정량적 공동 분석을 가능하게 하여 지난 2억 My 동안 아프리카의 크레이터의 지속적인 진화를 보여줍니다.

아프리카 상부 맨틀의 단층 촬영

아프리카와 주변 환경에 대한 우리의 새로운 상부 맨틀 모델은 아프리카에서 새로 사용 가능한 데이터를 포함하여 120만 개 이상의 수직 구성 요소, 광대역 지진파도의 파형 적합의 글로벌 데이터 세트에 의해 제한됩니다. 개선에도 불구하고 아프리카의 스테이션 커버리지는 고르지 않고 상대적으로 희박합니다. 이러한 이유로 아프리카 지역을 부분적으로만 샘플링했지만 아프리카 관측소에서만 정보를 보완하는 정보를 산출한 소스와 스테이션 쌍이 포함된 글로벌 데이터를 포함하는 것이 필수적이었습니다. 모델의 정규화는 광범위한 지역 스파이크 테스트를 사용하여 조정되었습니다. 새로운 지역 데이터, 글로벌 데이터 추가 및 지역별 정규화로 인해 이전에 게시된 글로벌 및 지역 단층 촬영 모델에 비해 아프리카 전역의 해상도가 크게 향상되었습니다. 이 모델은 전 지구적이며 다른 대륙과 바다 아래의 전단파 속도(VS) 분포도 포함합니다. 차가운 크라톤 암석권과 관련된 고속 변칙성은 100~200km 깊이에서 모델을 지배합니다. 그들의 깊이 범위는 상자마다 다릅니다. EARS 아래에서 뚜렷한 저속 이상 현상은 북쪽의 Afar에서 남쪽의 탄자니아까지 그리고 표면 근처에서 모델의 바닥인 깊은 상부 맨틀과 전이대까지 확장됩니다. 주요 저속 이상 현상은 홍해와 아덴 만(대부분의 화산이 위치한 아라비아 판)의 북쪽 가장자리 아래에 있습니다. 이 이상 현상은 200~260km 깊이까지 확장됩니다. 저속 이상 현상은 남아프리카의 암석권과 남서쪽과 동쪽의 인접한 해양 분지 아래에도 존재하며, 아프리카 슈퍼 스웰 아래의 뜨거운 연약권을 나타냅니다. 이 뜨거운 연약권은 관측된 비정상적으로 높은 고도의 적어도 일부의 원인이 될 가능성이 높습니다. 우리의 새 모델을 이전에 발표된 모델과 비교하여 더 큰 규모에서 일관성을 관찰했으며 모든 모델은 세 가지 주요 크레이터 아래에서 뚜렷한 높은 속도를 보여줍니다. 더 작은 규모에서 우리의 새로운 단층 촬영의 더 높은 해상도는 지역 구조적 특징과 관련된 깊은 구조적 변화에 초점을 맞춥니다. 예를 들어, 지각 암석권의 특징인 고속 변칙 현상이 대서양으로 번지는 일은 없습니다. 다른 크레이터는 대서양 아래에서 서쪽으로 확장됩니다. 오늘날 사용 가능한 새로운 데이터를 통해 우리는 주로 아프리카의 알려진 주요 분화구의 외곽선 내에 위치하지만 상당한 복잡성과 파편화 및 다수의 별도의 분화구 블록이 있는 분화구 암석권의 더 선명한 경계를 해결할 수 있습니다. 우리가 논의하는 많은 기능은 특히 SL201329와 같은 일부 이전 모델에서 더 부드러운 형태로 볼 수 있습니다. 해상도를 높이면 이미지가 완전히 변경되는 것이 아니라 세부 사항이 추가됩니다. 새로운 모델 AF2019가 제공하는 더 높은 해상도는 이전 모델에서는 식별할 수 없었던 킴벌라이트와 크라톤 관계를 드러낸다는 점에서 필수적입니다. 예를 들어, 남아프리카에서 SL2013의 Kalahari Craton은 일반적으로 현재 볼 수 있는 곳이지만 더 부드럽고 넓습니다. 서아프리카와 콩고 크래톤의 서쪽 경계는 SL2013 및 다른 이전 모델보다 새로운 AF2019에서도 더 선명하게 정의됩니다. 양의 5% VS 편차의 3D 표면을 사용하여 크라톤 맨틀 암석권의 최고 속도(추론에 따르면 최저 온도) 코어를 표시하면 임계값은 전지구 단층 촬영에 따라 분화구 암석권의 속도 특성을 분리하고, 대안적으로 분화구 맨틀 암석권 및 온도를 지진 속도로 변환한 샘플의 온도 추정치를 분리합니다. 이 코어의 바닥은 암석권과 연약권 경계(LAB)가 아닙니다. 그러나 더 두꺼운(그리고 더 차가운) 코어는 암석권 두께와 실제 지열에 의해 주어진 온도 사이의 관계에서 예상되는 바와 같이 암석권이 가장 두꺼운 곳을 나타냅니다. 두꺼운 크라톤 암석권에서 깊이에 따른 온도의 증가는 상대적으로 느리고 LAB는 온도와 지진 속도의 깊이 의존성 기울기의 미묘한 변화만으로 표시될 것으로 예상할 수 있습니다. 이러한 이유로 지진 데이터 또는 모델을 포함한 열역학 모델링이 수행되지 않는 한 지진 단층 촬영 모델에서 LAB 깊이의 직접적인 추정은 모호합니다. 특징적으로 차갑고 두꺼운 크라톤 암석권이 위치 아래에 존재하는지 여부를 식별하기 위해 5% VS 변칙이 효과적인 임계값입니다. 그러나 우리의 결과와 추론은 이 특정 숫자에 의존하지 않으며 4 또는 4.5% 임계값을 유지합니다.

아프리카 아래의 크라톤 암석권

알려진 Archean 방패는 인식된 아프리카 크라톤의 일부만 차지합니다. Archean 지하실은 이 보호막의 경계를 넘어 확장될 가능성이 높지만 위에 있는 퇴적층으로 인해 완전한 범위는 알 수 없습니다. 전 세계적으로 고속 화구암 암석권의 위치와 그 위의 Archean 지각 사이에는 강한 상관관계가 있습니다. 따라서 우리의 단층 촬영으로 밝혀진 두꺼운 맨틀 암석권의 존재는 표면에 노출되지 않았더라도 시생대 지각이 존재할 가능성이 있는 위치를 보여줍니다. 우리는 또한 시생대 지각이 있지만 분화구 맨틀 뿌리가 없는 여러 위치를 식별할 수 있는데, 이는 분화구의 진화 과정에서 침식을 의미합니다. 서아프리카에서 우리 모델은 Man-Lèo와 Reguibat Shields 아래에 두 개의 주요 고속 몸체를 보여줍니다. 두 암석권 뿌리 사이에서 암석권은 다소 얇아서 더 따뜻하며 두 개의 별도 암석권 단위가 존재함을 시사합니다. Man-Lèo와 Reguibat Shields의 가장 서쪽 부분에는 cratonic root가 없습니다. 이전에 단일의 넓은 고속 이상 현상으로 식별된 콩고 분화구 아래에서 우리는 가봉과 카메룬 아래 두께가 서로 다른 3개의 별개의 고속 분화구 맨틀 암석권 블록을 이미지화합니다. 이 블록들 사이의 암석권도 지각이지만 내부보다 얇습니다. 대조적으로, 서쪽의 앙골라 방패는 최북단을 제외하고 그 아래에 어떤 지각 맨틀 암석권도 없습니다. Congo Craton의 남동쪽 경계 근처에서 경계 정의에 따라 Congo Craton 내부 또는 외부에 위치한 비교적 두꺼운 고속 암석권 블록을 이미지화했습니다. 현생대 퇴적물로 덮인 이 블록은 서쪽의 이웃한 Owambo 분지와 동쪽에 있는 Damara 벨트 부분에 비해 높은 지형이 특징입니다. Diamondiferous kimberlites 블록의 동쪽 부분 아래에서 이전에 감지된 높은 P파 속도, 중력 및 열 흐름 데이터는 이 단위 아래에 크라톤 암석권의 존재에 대한 추가 증거를 제공합니다. 이 크라톤 블록이 Cubango 강 유역 아래에 있기 때문에 Cubango Craton으로 식별합니다. 우리의 단층 촬영에 따르면 Cubango Craton은 너비가 수백km이고 Congo Craton 내에서 뚜렷한 두꺼운 암석권 단위를 형성합니다. 동부 아프리카에서 탄자니아 분화구 아래의 작고 상대적으로 얇은 고속 뿌리는 이전에 지역 단층 촬영에서 볼 수 있듯이 EARS와 관련된 뚜렷한 저속 이상에 의해 뒷받침됩니다. 탄자니아 남부에서는 지각 지질학이 복잡하고 구조 단위의 정의와 암석권 연대가 논의되고 있습니다. 우리의 이미징을 통해 이전에 알려지지 않은 크라톤 암석권의 측면 범위를 식별하고 매핑할 수 있습니다. 탄자니아 분화구의 남남서쪽에 있는 방웨울루 블록은 재작업된 Archean 암석을 표시하고 분화구로 간주되었지만 원생대 지구역학적 진화의 산물입니다. 우리 모델은 이 블록 아래에 cratonic root를 보여주지 않습니다. 최근의 지역 지진 연구에서도 높은 속도가 나타나지 않았으며 블록의 남쪽 경계 근처에서 감지된 높은 전기 저항은 남쪽에 있는 단위의 두꺼운 암석권을 나타낼 가능성이 높습니다. Bangweulu의 남쪽에서 우리는 처음으로 지질학적 데이터를 기반으로 Southern Irumide 벨트의 젊은 암석 일부의 기초가 될 것이라고 제안한 고대 고대 시대의 숨겨진 Niassa Craton의 지도를 작성했습니다. 높은 지진 속도 및 전기 저항률이 최근 지역 연구에서 감지되었지만 이상 현상의 측면 범위는 알려지지 않았습니다. 우리의 결과는 표면에 노출되지 않은 Niassa Craton의 두꺼운 고속 암석권이 500 km까지 뻗어 있음을 보여줍니다. Niassa Craton의 암석권은 East African Rift System의 남쪽 방향 전파와 관련된 변형의 국지화에 중요한 역할을 했을 수 있습니다. 탄자니아 크라톤 주변에는 기계적으로 강한 이 블록의 동쪽과 서쪽 경계를 따라 동부 및 서부 균열 가지가 발달했습니다. 더 남쪽에서 EARS는 Niassa Craton의 동쪽 경계를 따라 위치한 Malawi Rift로 계속됩니다. 따라서 Niassa Craton은 균열의 위치를 ​​결정하고 EARS 형태의 복잡성에 기여했을 가능성이 있습니다. 남부 아프리카에서 가장 두꺼운 암석권은 서부 Zimbabwe Craton 및 Limpopo Belt 아래에 있으며 북부, 중부 및 북서 Kaapvaal Craton 아래에 더 얇은 암석 뿌리가 있습니다. 크라톤 암석권은 또한 고생대 Kheis-Okwa-Magondi 벨트의 Kaapvaal의 서북서쪽 아래에 존재하며, 이는 Archean 지하실과 일치하며, 인접한 Rehoboth Province의 중부 및 북부 아래에는 이전에 제안된 노출되지 않은 Maltahohe Craton의 위치가 있습니다. 얕은 맨틀 암석권 깊이에서 Limpopo Belt는 Moho와 100 km사이의 상대적으로 낮은 VS로 두드러집니다. 크라톤 암석권은 남부 및 동부 Kaapvaal과 북동 Zimbabwe Cratons 아래에 특히 존재하지 않습니다. 아라비아 판은 약 2,500만 년 전에 홍해와 아덴 만이 열리면서 아프리카에서 분리되었습니다. 두꺼운 크라톤 암석권은 판의 동쪽 부분에 있는 아라비아 플랫폼 아래에 있으며 두꺼운 퇴적물 아래에 지질학적 데이터에서는 알려지지 않은 노출되지 않은 시세의 지각이 있음을 암시합니다. 고속 변칙성은 주요 Zagros Thrust를 가로질러 북동쪽으로 확장되지만 대부분은 아라비아 내부에 있으며 따라서 섭입보다는 크라톤 암석권 때문입니다. 크레이터의 남동쪽 가장자리는 오만 산맥의 서쪽에 있습니다. 따라서 아라비아 플랫폼의 깊은 경계는 페르시아 만과 오만 만 사이의 표면 경계와 인접한 Zagros와 Makran 섭입대 사이의 구조적 경계를 결정합니다. 우리의 결과는 또한 동쪽의 낮은 고도 아라비안 플랫폼과 아라비아 판 서쪽의 높은 고도 아라비안 방패가 뚜렷하게 다른 암석권과 연약권(각각 두꺼운 것과 얇은 것, 차갑고 뜨거운 것)을 가지고 있음을 나타냅니다. 서쪽 고도 증가는 일부 이전 연구에서 가정된 동적 원점과 달리 주로 등압적입니다. 대부분의 아프리카의 선캄브리아기 시대를 감안할 때 암석권 건축의 복잡성은 놀랍습니다. 아프리카의 암석권은 북미, 유라시아 북부 또는 호주의 광대한 암석권에 비해 고도로 파편화되어 있습니다. 아프리카 아래 100~150 km 깊이의 평균 VS는 지구 대륙 평균보다 낮지만 측면 VS 기울기는 평균보다 높으며, 암석권의 이질성과 파편화가 더 크다는 것을 나타냅니다. 이것은 암석권의 광범위한 재작업을 가리킵니다. 또 다른 주요 관찰은 아프리카의 시생대 지각의 상당 부분이 특징적으로 두꺼운 지각 암석권에 의해 뒷받침되지 않는다는 것입니다. 서부 레기바트(Reguibat)와 만 레오(Man-Lèo), 그리고 거의 전체 앙골라 쉴드(Angola Shield) 아래, 남부 카프발(Kaapvaal)과 북동 짐바브웨(Zimbabwe) 분화구 아래에는 맨틀 뿌리가 없어 맨틀 과정에 의한 침식을 암시합니다.