聚类分析揭示阿法尔（埃塞俄比亚）断裂加剧过程中烟羽样岩浆活动的增强

在撕裂的大陆之下隐藏的引擎

在非洲东北部，地壳被强烈拉伸，以至于预计将形成新的海洋。埃塞俄比亚和吉布提的阿法尔洼地是陆地上为数不多可以直接观察这一过程的地方之一。本研究提出了一个看似简单但意义深远的问题：随着大陆断裂，供给火山的熔融岩石如何变化？其中有多少岩浆来自深处的高温地幔柱，而非来自地幔的常见部分？

从凝固的熔岩中读地球的过去

火山喷发后，熔岩冷却成岩石并保留形成时的化学记忆。在阿法尔，喷发持续了数千万年，从早期广布的熔岩高原到今天较年轻且狭窄的火山脊。作者汇编了来自该区域的一千多件岩石样本的大型数据库。每个样本都包含主要元素、微量元素和同位素的详细测量——这些不同的化学指纹可以共同揭示熔融深度、留下的矿物类型，以及岩浆是来自深部地幔柱、类似中洋脊下的贫化地幔，还是古老大陆根基的碎块。

让数据自行分组

传统上，地质学家通过目视方式对这类数据进行分类，绘制两到三个变量并根据位置或年龄划分组别。本文团队则使用无监督机器学习——聚类分析——让数据自行分组。他们应用了两种聚类方法：层次聚类和K均值聚类，并用称为Dice相似系数的统计度量比较二者的一致性，以判断实际存在多少个不同组。分别对主要元素、对熔融条件敏感的关键微量元素比值，以及追踪长期地幔储层的同位素比值进行了独立测试。这一方法减少了人为偏见，使得在整个裂谷中寻找微妙但一致的模式成为可能。

不同深度，不同“口味”的岩浆

聚类结果证实，大多数阿法尔岩浆沿着由橄榄石、辉石和长石等矿物逐步结晶并被分离控制的共同演化路径演变。但微量元素聚类揭示了更多信息：中阿法尔和南阿法尔的熔岩可分为两大类，反映了熔融发生深度的变化。较老的熔岩汲取了更深部的地幔，而补给现代裂谷节段的较年轻“轴向”岩浆则来自更浅的地带。这与这样的观点一致：随着裂谷发展、地壳变薄，初始熔融的深度带会上移。

出人意料的深部地幔柱影响激增

然而，北阿法尔呈现出不同的局面。那里微量元素和同位素的聚类将熔岩归为一组独特类别，特征为强烈的“烟羽样”信号：特定铅同位素比值较高以及类似海岛玄武岩的微量元素模式，这类玄武岩通常与地幔柱有关。化学特征表明，受水合矿物（如角闪石）修饰的地幔发生了更广泛的熔融，这些水分很可能由阿法尔地幔柱携带进入。与向中洋脊那样逐步趋向更均一、贫化成分的趋势不同，在这一被拉伸最强的裂谷段，随着断裂临近，岩浆反而变得更受地幔柱主导。

对新生海洋形成的意义

对非专业读者来说，关键结论是：大陆破裂并非从“地幔柱主导”向“普通洋壳”岩浆活动的平滑单向过渡。在阿法尔，深部地幔柱似乎集中在大陆盖层最薄弱的部位，在完整海盆形成前的最后阶段强化了其化学影响。换言之，当那里非洲的地壳被拉裂并变薄时，它变成了一个愈发高效的通道，使热的、由地幔柱供给的岩浆到达地表。这一发现表明，深部地幔柱可能在撕裂大陆和塑造随后形成的新生洋底化学性状方面扮演积极且持续的角色。

引用: Tortelli, G., Crescenzi, P., Pagli, C. et al. Cluster analysis reveals increasing plume-like magmatism during progressive rifting in Afar (Ethiopia). Sci Rep 16, 6843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35961-0

关键词: 阿法尔裂谷, 地幔柱, 大陆破裂, 岩浆化学, 机器学习地质学