洋中脊分段性研究

1、洋中脊分段性探討 洋中脊分段性探討摘要隨著深海地質(zhì)探測技術(shù)的發(fā)展與不斷進步，關(guān)于洋中脊構(gòu)造的研究取得了突出的進展，在洋中脊分段性方面的研究也取得了顯著的成效。研究發(fā)現(xiàn)，不同的大洋中脊具有不一樣的擴張速率，同時都具有分段性特征。大洋中脊分段性可劃分為4個等級，1級間斷是轉(zhuǎn)換斷層，可使洋中脊錯斷距離大于30km，長度可達1000km左右，壽命達10Ma；24級間斷主要變?yōu)榀B覆擴展中心、斜向剪切帶、火山間隔和橫向段錯等，這些間斷出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換斷層之間，使洋中脊錯位的距離較1級間斷逐漸減少，且24級區(qū)段的長度也越來越小，存在的壽命也逐步縮短，至4級區(qū)段時，洋中脊區(qū)段長度一般小于10km，存在的壽命也縮短至

2、10010000a。不同學者對大洋中脊分段性機制提出了不同的觀點，本文也以大西洋為例，敘述了大西洋洋中脊的分段拓展過程。關(guān)鍵詞：大洋中脊；分段性；分段拓展0 前言20世紀80年代后期以來，隨著深海地質(zhì)探測技術(shù)的不斷進步與完善，關(guān)于大洋中脊的構(gòu)造研究取得了顯著的進展，在洋中脊的分段性研究方面取得了顯著成效1-3，研究發(fā)現(xiàn)，不同大洋的洋中脊具有不同的擴張速率，它們被轉(zhuǎn)換斷層和非轉(zhuǎn)換斷層分割成了長度不等的許多段，尤其是大西洋洋中脊的分段特別明顯4。洋中脊的擴張速率差異較大，最慢速率可小于12mm/a，而超快速擴張脊的速率可達500mm/a。但是無論是哪種擴張脊，都具有分段性特點，分段機制也均與洋中脊

3、的擴展、疊接、躍遷或廢棄及死亡過程有密切的關(guān)系，其中拓展、疊接過程又可受到多種動力因素的影響和控制5。Macdonald等2較為系統(tǒng)的論述了洋中脊分段結(jié)構(gòu)及其層次性，他們在綜合分析快速擴展洋中脊（東太平洋）和慢速擴展洋中脊（印度洋和大西洋）分段結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)洋中脊走向上的不同規(guī)模和樣式的間斷，將洋中脊分段性劃分為4級（見圖1）。其中，1級間斷是轉(zhuǎn)換斷層，使洋中脊的錯位距離大于30km，1級洋中脊區(qū)段的長度可達1000km左右，存在壽命為10Ma。24級間斷主要變?yōu)榀B覆擴展中心、斜向剪切帶、火山間隔和橫向段錯等（見圖1），這些間斷出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換斷層之間，使洋中脊錯位的距離較1級間斷逐漸減少。24

4、級區(qū)段的長度也越來越小，存在的壽命也逐步縮短，至4級區(qū)段時，洋中脊區(qū)段長度一般小于10km，存在的壽命也縮短至10010000a。相對較長的洋中脊區(qū)段通過相鄰的較短區(qū)段的不斷損耗而逐漸增長，因此使得長區(qū)段的洋中脊的長度和壽命不斷增加，而短區(qū)段的洋中脊會在一定時間內(nèi)損耗完畢。表1是洋中脊分段結(jié)構(gòu)及其層次性的較為系統(tǒng)的論述。在橫向上，大多數(shù)洋中脊分段主要與洋中脊內(nèi)部谷地相關(guān)，特別是熔巖集中噴發(fā)的軸向火山脊；而在縱向上，各段洋中脊的中部裂谷表現(xiàn)為中間寬、兩端逐漸變窄，中部巖漿熱和地熱梯度也比兩端和邊緣高6。洋中脊的分段主要特征可概括為以下幾點：（1） 洋中脊分段現(xiàn)象具有普遍性特征，無論是慢速還是快速

5、擴張脊，其分段結(jié)構(gòu)和分段機制促使人們重新認識洋中脊的復雜性構(gòu)造，如馬總晉等人提出的不同大洋的構(gòu)造增生期、洋脊的石化與洋脊的躍遷等一系列復雜過程7。（2） 不同段的巖漿及其動力學過程的差異對洋中脊分段特征起控制作用，這種差異性也致使不同區(qū)段洋中脊的熱液系統(tǒng)和地化特征明顯不同，并使洋中脊生物系統(tǒng)發(fā)生不同程度的分異6。（3） 大西洋洋殼重建和洋中脊分段性研究成果促進了整個洋中脊的宏觀分段拓展研究過程。根據(jù)其不同區(qū)段內(nèi)的轉(zhuǎn)換斷層錯位方向的規(guī)律性變化、時間間隔以及14級洋中脊區(qū)段的拓展增值過程分析表明，它有可能與全球或者洲際性的動力學背景的重要變化、巖漿囊的間歇式上升涌動和軸向遷移有密切關(guān)系5。據(jù)此類推

6、，印度洋和太平洋的洋中脊也可能有與大西洋類似甚至比其更為豐富的分段結(jié)構(gòu)。例如在東太平洋洋脊不僅劃分出以左旋或右旋錯切為主的分段，還發(fā)現(xiàn)無地震和有地震的洋中脊區(qū)段6。此外，Severinghaus等8和Tucholke等1重點研究了洋中脊1、2級間斷面及其區(qū)段的地貌、地質(zhì)構(gòu)造特征，并在綜合分析洋中脊（特別是大西洋洋中脊）分段現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，闡明了洋中脊1、2級間斷面附近，沿間斷面走向兩錯位洋中脊之間的內(nèi)側(cè)和外側(cè)在地貌、地殼建造和構(gòu)造樣式等方面存在明顯差異。內(nèi)側(cè)屬于構(gòu)造和巖漿運動相對強烈區(qū)段，而外側(cè)是構(gòu)造和 巖漿運動相對不活動區(qū)段，大多數(shù)地震集中于間斷面的內(nèi)側(cè)區(qū)段部分；內(nèi)側(cè)地殼比外側(cè)地殼薄，其建造主

7、要是由下地殼和地幔質(zhì)的深成巖、超鐵鎂質(zhì)巖石組成，而外側(cè)是以玄武巖為主。因此，內(nèi)側(cè)的巖石圈的地殼密度比外側(cè)大，且內(nèi)側(cè)的次級斷裂多表現(xiàn)為不規(guī)則的弧形延伸、尖滅消失和旋轉(zhuǎn)組合等，而外側(cè)的次級斷裂表現(xiàn)為平行洋中脊的線性延伸（見圖2）?？傊?，洋中脊構(gòu)造的4級分段不斷得到證實，尤其是1、2級分段已得到不同學者的廣泛認可，但在分段機制等問題上，不同學者有不同的認識。1 洋中脊分段原理分析針對洋中脊的分段現(xiàn)象，不同學者提出了不同的假說模式，試圖解釋其分段擴展增長過程。其中，Schouten等9提出將洋中脊劃分為穩(wěn)定的擴展單元，在大西洋洋中脊大致為50km，東太平洋洋中脊大致為80km。這些單元的深部由均勻分布

8、的瑞利泰勒（RayleighTaylor）重力不穩(wěn)定性控制，使低密度的地幔熔巖發(fā)生底辟現(xiàn)象，上升通過高密度的上覆地幔。地幔熔巖的連續(xù)性底辟上升和減壓，導致了洋中脊的分段擴展。Hey等10在1986年提出另一種模型考慮由洋中脊軸向的地貌起伏差異所產(chǎn)生的重力擴展，在不連續(xù)面附近，具有更大的重力擴展力的洋脊段會增長，有些區(qū)段縮短。除此之外，Macdnald等2依據(jù)洋中脊分段結(jié)構(gòu)特征，提出地幔巖漿周期性脈動上涌導致了洋中脊分段的巖漿供應模型，其基本內(nèi)容包括：在洋中脊下部有一個來自于上地幔的軸向熔巖庫，受圍巖性質(zhì)、構(gòu)造環(huán)境和溫壓條件的不均與性影響，熔巖庫頂面上涌的高度和速度有所差異，使離地殼表面越淺的區(qū)

9、段，巖漿供應越充足，成為一段洋中脊的膨脹域或發(fā)源地，而向兩端巖漿逐漸耗盡。主體巖漿囊在上升過程中，受到不同性質(zhì)圍巖的吸熱、分解和隔擋等作用，逐步分化為不同級別的熔巖流中心，每個不同規(guī)模熔巖流中心對應于一個分段級別的洋中脊發(fā)源地（見圖3），導致洋中脊分段擴展。熔巖的連續(xù)注入使局部巖漿噴發(fā)，或從上升源向周圍遷移，導致軸向巖漿囊沿走向擴展。巖漿的側(cè)向遷移由于離巖漿填充中心越來越遠而喪失了擴展壓力而逐步停滯。因此，巖漿囊在洋中脊下一定深度沿走向擴展延伸。其軸向洋中脊的間斷發(fā)生在遠離巖漿源的遠端，形成以巖漿膨脹源為中心的洋中脊分段現(xiàn)象。此外，Macdonald等2還提出了分段擴展的斷裂增值模式，來解釋為

10、何長區(qū)段的洋中脊不斷增長，而短區(qū)段的逐漸損耗的現(xiàn)象。洋中脊相當于巨型斷裂，根據(jù)斷裂力學分析，對于一條孤立的斷裂而言，斷裂端點的擴展力隨著斷裂長度的增加而增加。遠場板塊應力引起洋中脊斷裂增值的近場應力變化，據(jù)估算這種應力變化范圍為20250M Pa之間。因此，在相同的遠場應力作用下，長區(qū)段的洋中脊的兩端不斷擴展增長，而短區(qū)段洋中脊端點則可能逐漸地損耗變短。他們以東太平洋9°N附近的洋中脊分段結(jié)構(gòu)為實例模型，模擬計算在張性遠場應力作用下，不同長度的斷裂之間的相對擴展增值和損耗過程，結(jié)果表明可較好地解釋長區(qū)段洋中脊擴展增長，短區(qū)段損耗減少的現(xiàn)象。2 相關(guān)圖（表）解圖1 洋中脊分段層次圖解2

11、A和B分別為快速和緩慢擴展洋中脊分段結(jié)構(gòu)。S1，S2，S3，S4和D1，D2，D3，D4分別為1，2，3，4級洋中脊區(qū)段和間隔。1級間斷表現(xiàn)為轉(zhuǎn)換斷層；2級間斷在快速和緩慢擴展洋中脊上分別表現(xiàn)為疊覆擴展中心和斜向剪切帶；3級間斷在快速進而緩慢擴展洋中脊上分別表現(xiàn)為小的疊覆擴展中心和火山群間隔；4級間斷在快速和緩慢擴展洋中脊上分別表現(xiàn)為小于1km的橫向錯斷或彎曲偏離和火山群內(nèi)部的火山間隔圖2 北大西洋洋中脊大西洲斷層帶附近的分段現(xiàn)象及斷裂展布8圖3 洋中脊分段的演講上涌模式圖2A為地幔上升導致洋中脊分段圖，當洋中脊下部軟流圈上升到3060km時，由于絕熱減壓導致部分熔融，在熔巖與殘余固體一起上升

12、的途中，由于速度差異，導致不同程度的分割，形成13級分段現(xiàn)象；B和C為巖漿上涌導致洋中脊分段圖，分別表示快速（B）和緩慢（C）擴展洋中脊；左邊表示被4級不連續(xù)面分割的洋中脊走向分割剖面，右邊分別表示垂直洋中脊的剖面圖。圖中比例尺只具有示意性質(zhì)、的相對意義圖4 大西洋洋中脊宏觀擴展分段圖解61. 洋中脊與轉(zhuǎn)換斷層的切錯關(guān)系；2.作為分段邊界的大型轉(zhuǎn)換斷層；3.無大型轉(zhuǎn)換斷層的（推測）分段邊界；49.表示洋殼最老年齡值和洋脊裂開時間差異的洋中脊分段，各段內(nèi)數(shù)值表示洋殼存在的時間范圍（Ma）；表示洋中脊分段編號表1 不同級別的脊段特征23 大西洋洋中脊的分段擴展過程Fairhead等11和Nunbe

13、rg等12在綜合分析地球衛(wèi)星探測、磁異常和海岸地質(zhì)資料額基礎(chǔ)上，通過對中南大西洋洋殼的重建，提出了中南大西洋洋中脊的差異性裂開及從南向北逐步分段擴展的構(gòu)造過程。中南大西洋洋中脊裂開過程中伴隨有階段性的旋轉(zhuǎn)和走滑，導致洋中脊擴展方向和強度在時間和空間上發(fā)生變化，使南美洲和非洲大陸內(nèi)部伴隨有次級裂開伸展和走滑變形。因此，他們將南大西洋從南向北的裂開擴展過程劃分為4個階段：（1） 在150130Ma之間，南大西洋洋中脊最早在南美洲南端開始裂開，并逐漸向北擴展，至130Ma左右，擴展延伸至38°S附近，引起南美洲大陸南部幾個盆地的伸展和右旋走滑變形，而這種伸展和走滑變化又導致洋中脊進一步向北

14、擴展。（2） 在130126.5Ma之間，洋中脊裂開向北延伸至28°S附近。（3） 在126.5118.7Ma之間，洋中脊破裂擴展至赤道以南附近。（4） 在118.7Ma之后，赤道大西洋洋中脊才開始破裂，真正的小型洋盆形成于100Ma左右。綜合上述資料，結(jié)合中南大西洋洋中脊和轉(zhuǎn)換斷層的錯位關(guān)系以及幾條大型轉(zhuǎn)換斷層帶分析，可將上述（1）（2）兩個階段形成的洋殼合并，并考慮到洋殼形成在洋中脊裂開之后，可將中南大西洋洋殼和洋中脊構(gòu)造分為3大段（圖4）。南部第1段洋中脊裂開于150125Ma，南端（50°S附近）最早的破裂點，以一條大型轉(zhuǎn)換斷層為界，北端洋中脊點位于28°

15、S附近。也以一條大型轉(zhuǎn)換斷層為邊界。宏觀上洋脊與轉(zhuǎn)換斷層的錯位關(guān)系表現(xiàn)為以左旋為主，僅在局部范圍內(nèi)出現(xiàn)右旋（圖4）；南部第2段洋中脊約裂開于125100Ma，包括28°S10°S之間的洋脊段，兩端均以大型轉(zhuǎn)換斷層為界，宏觀上洋中脊與轉(zhuǎn)換斷層的錯位關(guān)系表現(xiàn)為以右旋為主，明顯跟其它兩段（圖4）有所區(qū)別。赤道附近洋中脊（包括10°S至10°N）大致裂開于100Ma左右，轉(zhuǎn)換斷層左旋切錯洋中脊，錯位距離明顯大于其它區(qū)段，并表現(xiàn)為離赤道越近位移越大的趨勢。兩端的大型邊界轉(zhuǎn)換斷層明顯不平行，顯示出赤道兩側(cè)附近的洋中脊擴展方向存在較大差異（圖4）。根據(jù)不同學者的研究顯

16、示，赤道附近洋中脊的擴展速率要低于南大西洋的擴展速率。與此類似，這里也將北大西洋洋中脊分為4段（圖4），每段裂開擴展時間也和中南大西洋類似，各段間具有明顯的差異。整體上仍然顯示從南向北的逐步分段擴展趨勢，只是裂開的時間為180Ma左右，比南段的150Ma還要早。每段兩端的邊界基本上也表現(xiàn)為大型轉(zhuǎn)換斷層，只是最北兩段的分界面沒有大型轉(zhuǎn)換斷層，這可能與最北段洋殼的年齡資料的精確度有關(guān)。宏觀上洋中脊和轉(zhuǎn)換斷層之間的錯位關(guān)系與南大西洋不同，各段洋中脊整體上表現(xiàn)為向東或向西突出的弧形。例如，在第段弧頂向西突出，段兩端附近轉(zhuǎn)換斷層切錯洋中脊的方向相反，即南左旋北右旋（圖4）；而第段弧頂卻向東側(cè)突出，第和第

17、段又分別向西和向東突出（圖4）。以上大西洋宏觀分段表明，在4級分段的基礎(chǔ)上，可將大西洋洋中脊進一步劃分為7個超1級區(qū)段，每個超1級區(qū)段比1級區(qū)段規(guī)模要大的多，至少大一個數(shù)量級，而存在壽命也長一個數(shù)量級，可達100Ma以上；整個大西洋洋中脊在其形成過程中（180Ma以來），并非一蹴而就，而是逐步地分段擴展的結(jié)果；大西洋洋中脊在100Ma之前，表現(xiàn)為南北兩段各自逐漸裂開拓展，在100Ma左右，南北大西洋洋中脊才開始相連通，作為整體貫通洋脊的擴展則是在80Ma之后。4 相關(guān)問題洋中脊構(gòu)造的分段性特征引起了眾多學者的關(guān)注和研究，但是在分段機制和過程以及推廣應用方面還存在很多疑問和難題需要不斷地探索和研

18、究，主要包括：（1） 長區(qū)段的擴展巖漿來自于什么深度，是否比短區(qū)段的巖漿部位要深；（2） 當構(gòu)造分段與地球化學分段以及巖石學分段由一致變?yōu)椴灰恢聲r，影響因素有哪些，控制因素是否會發(fā)生變化，如果發(fā)生變化那么是如何變化的；（3） 洋中脊初始分段裂開和擴展增值是板塊分離引起的被動反應，還是地幔巖漿上升導致的主動作用；（4） 導致洋中脊長段增長和短段耗損以及小段新生的各因素之間有什么樣的相互作用；（5） 洋中脊分段性與大陸構(gòu)造、板塊構(gòu)造以及全球性的構(gòu)造分段有什么聯(lián)系；（6） 印度洋和東太平洋的分段擴展機制又是如何，它們與大西洋的分段擴展機制有何聯(lián)系和區(qū)別。5 小結(jié)本文介紹的是具有普遍意義的洋中脊分段現(xiàn)

19、象、分段結(jié)構(gòu)層次和分段過程研究，揭示了大洋中脊在形成發(fā)展過程中所存在的各種時空間斷及其與洋脊軸向擴展和側(cè)向伸展作用之間的多層次關(guān)系，這種分段現(xiàn)象會對大陸構(gòu)造乃至全球構(gòu)造的分段結(jié)構(gòu)研究產(chǎn)生重要的影響。不同學者對于洋中脊分段的機制具有不同的觀點和假說，本文主要重點介紹了巖漿供應模型和斷裂增值模型，比較詳細地論述了洋中脊初始階段的熱狀態(tài)、熱動力和熱流變過程，為洋中脊分段的成因提供了一種較為可接受的解釋。大西洋洋殼重建和洋中脊分段擴展研究比較系統(tǒng)而有規(guī)律，因此可初步反演其整個洋中脊的宏觀分段過程。盡管大西洋中脊超1級區(qū)段擴展延伸的解釋還有待深入，但是根據(jù)其不同區(qū)段內(nèi)轉(zhuǎn)換斷層錯位方向的規(guī)律性變化、時間間

20、隔和14洋中脊區(qū)段的擴展增值過程分析，不難推測它可能與全球動力學背景的重要變化、巖漿囊的間歇式上涌和軸向的遷移有緊密關(guān)系。以此類推，太平洋和印度洋的洋中脊也可能存在著宏觀上的分段結(jié)構(gòu)，其表現(xiàn)形式可能較大西洋更為豐富。經(jīng)典文獻1.Tucholke, B.E. and J. Lin, A geological model for the structure of ridge segments in slow spreading ocean crust. Journal of Geophysical Research, 1994. 99(B6): p. 11937-11,958.2.MacDonal

21、d, K.C., D.S. Scheirer, and S.M. Carbotte, Mid-ocean ridges: Discontinuities, segments and giant cracks. Science, 1991. 253(5023): p. 986.3.馬宗晉,杜品仁, 現(xiàn)今地殼運動問題. 1995: 地質(zhì)出版社.4.陳永順, 張有學, 尹安, 海底擴張和大洋中脊動力學問題概述. 地球的結(jié)構(gòu), 演化和動力學. 北京: 高等教育出版社, 2003: p. 283-317.5.李三忠 等, 洋中脊分段性及其拓展和疊接機制. 海洋地質(zhì)動態(tài), 2004. 20(011): p. 19-28.6.吳樹仁, 陳慶宣, 洋脊分段研究進展. 地質(zhì)科技情報, 1998. 17(002): p. 1-6.7.馬宗晉, 李存梯, 全球洋底增生構(gòu)造及其演化. 中國科學: D 輯, 1998. 28(002): p. 157-165.8.Severinghaus, J.P. and K.C. Macdonald, High inside corners