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基于彈性板撓曲理論的中太平洋海山區(qū)巖石圈有效彈性厚度研究

通過(guò)對(duì)海洋地殼邊界的異常研究、深海勘探(sdpd)和大氣田挖掘(odp)獲得的數(shù)據(jù)詳細(xì)了解了太平洋底部的洋殼年齡,但對(duì)上海山的年齡和起源沒(méi)有統(tǒng)一的研究。目前還沒(méi)有關(guān)于該地區(qū)威海大陸起源的統(tǒng)一說(shuō)法。西太平洋地區(qū)位于太平洋海域密集分布的地區(qū)。它不僅是這種海拔高度獨(dú)特的東海分布,而且排名有序或聚集在一起(meidal,1968;heietal.,1973;winter,1976)。周?chē)艓У姆植?、斷層分布和大火成巖省的分布也非常復(fù)雜。這些因素對(duì)于該地區(qū)的研究是困難的,但也為我們的研究提供了豐富的信息。wattsetal.(1980)使用板塊曲線理論研究了太平洋海底板中塞伯格的起源。根據(jù)計(jì)算的有效彈性,將板中的許多區(qū)域分為“ridge”型海綿和“l(fā)-ridge”型海綿。本工作以板塊結(jié)構(gòu)和地殼平衡理論為指導(dǎo),計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)巖石圈的有效彈性厚度,尤其是典型海山巖石圈的有效彈性厚度。結(jié)合太平洋中兩個(gè)典型中生代磁靜帶(研究區(qū)域內(nèi)的中、西太平洋和現(xiàn)在的南太平洋法屬玻利尼西亞群島)的巖石圈強(qiáng)度,分析研究區(qū)域內(nèi)板殼中的可能形成機(jī)制。1有效彈性厚度與海洋海洋結(jié)構(gòu)特征巖石圈有效彈性厚度(effectiveelasticthickness,Te)源于巖石圈的撓曲和均衡理論,這個(gè)概念的提出最初是為了研究廣泛分布于大洋底的海山或火山引起的其下大洋巖石圈發(fā)生的撓曲變形情況(Walcott,1970;WattsandCochran,1974).伴隨著板塊構(gòu)造理論的出現(xiàn),對(duì)這一基于區(qū)域均衡補(bǔ)償和彈性板撓曲理論的巖石圈有效彈性厚度的研究,成了理解巖石圈動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要內(nèi)容,也成了巖石圈動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn).所謂有效彈性厚度Te即為與巖石圈板塊中的實(shí)際應(yīng)力所產(chǎn)生的彎距相等的理論彎曲彈性薄板的厚度(Forsyth,1985;付永濤等,2000),標(biāo)志著在地質(zhì)時(shí)間尺度內(nèi)巖石承受超過(guò)100MPa壓力時(shí)發(fā)生彈性行為和流體行為轉(zhuǎn)變的深度(McNuttandJudge,1990).通常認(rèn)為,在地質(zhì)時(shí)間尺度上施加的負(fù)載會(huì)使大洋巖石圈產(chǎn)生薄的彈性板變形,進(jìn)而可應(yīng)用重力與海底地形之間的均衡響應(yīng)函數(shù)來(lái)進(jìn)行海山下巖石圈撓曲剛度和有效彈性厚度的計(jì)算(Walcott,1970;WattsandCochran,1974).大洋巖石圈的450±150℃等溫面限定了巖石圈的有效彈性厚度,并且?guī)r石圈有效彈性厚度隨加載時(shí)巖石圈的年齡平方根的增加而增加,這顯然是大洋巖石圈的撓曲剛度強(qiáng)烈地依賴(lài)于巖石圈的溫度結(jié)構(gòu)(Wattsetal.,1980;Wattsetal.,1982;CalmantandCazenave,1987)所致,這個(gè)關(guān)系類(lèi)似于大洋巖石圈的沉降與巖石圈的年齡之間的關(guān)系(ParsonsandSclater,1977).這種有效彈性厚度和板塊加載時(shí)年齡之間的簡(jiǎn)單關(guān)系,目前已經(jīng)被更多的研究和數(shù)據(jù)所證實(shí)了(GoodwillieandWatts,1993;Filmeretal.,1993;Kruseetal.,1997).這樣通過(guò)洋殼年齡和海山負(fù)荷加載時(shí)的年齡便可得到海山的年齡,再結(jié)合板塊的演化史和運(yùn)動(dòng)史便可得到海山形成的大致區(qū)域.通過(guò)有效彈性厚度研究不僅可以得到巖石圈大規(guī)模構(gòu)造及板塊內(nèi)的均衡補(bǔ)償機(jī)制,而且還可以獲得不同地區(qū)、不同構(gòu)造單元巖石圈的撓曲剛度以進(jìn)行區(qū)域間的比較;另外結(jié)合地?zé)崃鲄?shù)還可以了解巖石圈板塊的歷史、熱狀態(tài)、熱年齡和耦合關(guān)系等(付永濤等,2000).巖石圈有效彈性厚度的大小很大程度上受巖石圈熱結(jié)構(gòu)和熱年齡的控制(Karneretal.,1983;Bechteletal.,1990).熱年齡越小,Te值越低;熱年齡越高,Te值越大(Zuberetal.,1989).一般來(lái)說(shuō),撓曲剛度降低(有效彈性厚度低值)的地方通常伴隨有高的大地?zé)崃髦?、高的地幔電?dǎo)率、低的Pn(折射P波)速度及地震走時(shí)延遲等(袁炳強(qiáng)等,2002).大地?zé)崃髋c巖石圈構(gòu)造演化之間的關(guān)系主要表現(xiàn)在構(gòu)造活動(dòng)性和最后一次構(gòu)造-熱事件年齡的關(guān)系上.研究發(fā)現(xiàn),板內(nèi)火山下的大洋巖石圈彈性厚度與加載時(shí)板塊年齡的平方根成線性關(guān)系(Watts,1978;Wattsetal.,1980).CalmantandCazenave(1987)和Calmant(1987)對(duì)太平洋、大西洋、印度洋中60個(gè)火山島嶼下的大洋巖石圈的撓曲強(qiáng)度進(jìn)行研究后,發(fā)現(xiàn)在海山下的巖石圈彈性厚度隨著板塊承受載荷時(shí)的年齡的增加而增加.因此,巖石圈彈性厚度在某些情況下也可以被用來(lái)預(yù)測(cè)火山或洋殼的年齡(Calmantetal.,1990).2區(qū)域劃分和計(jì)算本文首先在整個(gè)研究區(qū)選擇了9個(gè)剖面(圖1中黑線),沿著剖面線在二維頻率域運(yùn)用彈性板撓曲理論對(duì)它們所在處大洋巖石圈的有效彈性厚度Te進(jìn)行了計(jì)算.計(jì)算時(shí)先假定一個(gè)Te值,由地形數(shù)據(jù)通過(guò)地形-重力關(guān)系式得到各剖面相應(yīng)的理論空間重力異常,并與實(shí)際測(cè)得的空間重力異常進(jìn)行比較,得到剩余空間重力異常,然后根據(jù)剩余重力異常的均方根調(diào)整大洋巖石圈的Te,最后得到最佳擬合(最小剩余重力異常)下的大洋巖石圈的有效彈性厚度.模型計(jì)算中用到的參數(shù)見(jiàn)表1,表2列出了這9個(gè)剖面的計(jì)算結(jié)果.計(jì)算結(jié)果顯示,該區(qū)巖石圈的有效彈性厚度Te總體上表現(xiàn)出西邊大東邊小且越往東越小的趨勢(shì);麥哲倫海山區(qū)內(nèi)海山的Te大而中太平洋海山群地區(qū)海山的Te小;中太平洋海山群西部大東部小.數(shù)值上,中太平洋海山群處巖石圈的Te介于6~11km之間,而麥哲倫海山區(qū)的Te介于14~17km之間.繼而參照上述由二維剖面得到的結(jié)果,將研究區(qū)150°E以東的區(qū)域劃分成12個(gè)矩形區(qū)域(圖2),以彈性板撓曲理論為指導(dǎo)在三維頻率中通過(guò)地形-重力關(guān)系式由各區(qū)塊的地形數(shù)據(jù)計(jì)算其相應(yīng)的理論空間重力異常,再將它們與各自實(shí)測(cè)的空間重力異常值進(jìn)行比較,根據(jù)得到的剩余重力異常調(diào)整有效彈性厚度Te,直到得到的剩余重力異常的均方根值為最小時(shí)為止,此時(shí)的Te即為我們所需的各區(qū)塊的最佳值,表3列出了通過(guò)上述方法得到的各區(qū)塊的Te值和相應(yīng)的均方根.對(duì)照?qǐng)D2和表3,在這12個(gè)矩形區(qū)塊中夏威夷海山鏈所在的區(qū)塊3的大洋巖石圈的Te值為最大,達(dá)到了32km,遠(yuǎn)大于該研究區(qū)其他區(qū)塊的Te值,這個(gè)值與Wessel(1993)采用的將建立在流變學(xué)基礎(chǔ)上的屈服強(qiáng)度和新的三維撓曲計(jì)算結(jié)合起來(lái)得到的結(jié)果相近;而其他區(qū)塊的大洋巖石圈的Te均要小于20km,且Te值最小的為中太平洋海山群東部所在的區(qū)塊6,計(jì)算得到的結(jié)果只有5km左右.再看麥哲倫海山鏈和中太平洋海山群所在的中部區(qū)塊(包括區(qū)塊4、5、6、7、8、9),可以發(fā)現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域總體上也是呈現(xiàn)出東部的Te要小于西部的Te,以170°E為界,兩邊的Te值變化比較大,西邊的Te為17km,而越過(guò)這條線往東突然降至10km.顯然,無(wú)論是在二維頻率域沿剖面線計(jì)算得到的結(jié)果,還是在三維頻率域得到的各矩形區(qū)塊的結(jié)果均顯示,研究區(qū)所在大洋巖石圈的有效彈性厚度Te總體上表現(xiàn)為由北西向南東逐漸減小且越往東越小的趨勢(shì)(除夏威夷海山鏈所在的區(qū)塊3外),麥哲倫海山鏈海山下巖石圈的Te大而中太平洋海山群地區(qū)海山的Te小.3有效彈性厚度的計(jì)算(1)中太平洋海山群典型海山的有效彈性厚度.以國(guó)外在中太平洋海山群研究較多的7座海山(Darwin、Heezen、Resolution、Stetson、Jacqueline、Allison和Renard海山)為研究對(duì)象(圖1),在三維頻率域運(yùn)用上述彈性板撓曲模型計(jì)算了它們所在處大洋巖石圈的有效彈性厚度Te,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.根據(jù)表4給出的大洋巖石圈有效彈性厚度Te值的大小,中太平洋海山群的7座海山大致可以分為三類(lèi),Darwin、Heezen、Allison和Renard為一類(lèi),Stetson和Jacqueline為一類(lèi),Resolution為一類(lèi).(2)麥哲倫海山鏈典型海山的有效彈性厚度.麥哲倫海山鏈主要由十多座NE走向的海山組成,它們呈北西方向展布成一大規(guī)模的海山鏈.選擇其中研究較多的6座海山(Himu、Hemler、Vlinder、Pako、Ioah和ItaMaiTai海山)為研究對(duì)象(圖1),在三維頻率域運(yùn)用上述彈性板撓曲模型計(jì)算了它們所在處大洋巖石圈的有效彈性厚度Te,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5.根據(jù)表5給出的大洋巖石圈有效彈性厚度Te值的大小,可將麥哲倫海山鏈的6座海山分為三類(lèi),Himu為一類(lèi),Hemler和Vlinder為一類(lèi),Pako、Ioah和ItaMaiTai為一類(lèi).4彈性板撓曲理論以地殼均衡為理論背景,我們分別在二維和三維頻率域?qū)ρ芯繀^(qū)海山下的巖石圈有效彈性厚度進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果顯示,整個(gè)區(qū)域的Te值總體上呈現(xiàn)出北西高南東低的趨勢(shì),麥哲倫海山鏈本身又呈現(xiàn)出南北低中間高的趨勢(shì),中太平洋海山群則呈現(xiàn)出由西往東遞減的現(xiàn)象.我們知道該區(qū)域洋殼年齡由西往東逐漸減小,即麥哲倫海山鏈底下洋殼的年齡要老于中太平洋海山群底下洋殼的年齡,Wattsetal.(1980)通過(guò)總結(jié)各個(gè)地區(qū)巖石圈的Te值,認(rèn)為通常情況下形成于年輕洋殼處海山下巖石圈的Te要小于形成于年老洋殼處海山下巖石圈的Te,顯然我們上述的計(jì)算結(jié)果是合理的.由麥哲倫海山鏈處海山的年齡,我們就可以很好地解釋這里出現(xiàn)的Te值南北低中間高的現(xiàn)象,這正好與該區(qū)海山年齡表現(xiàn)出來(lái)的南北老中間新相一致,這一現(xiàn)象顯然是斷裂成因說(shuō)和單熱點(diǎn)成因解釋不通的.由此我們認(rèn)為這些海山可能是由太平洋板塊上多個(gè)熱點(diǎn)的活動(dòng)形成的,這正好與Wattsetal.(1980)在解釋“off-ridge”型海山(包括了麥哲倫海山鏈的一部分)成因時(shí)提出的觀點(diǎn)相一致.中太平洋海山群表現(xiàn)出的Te值西高東低現(xiàn)象就更容易理解了,首先整個(gè)構(gòu)造近東西走向,其次洋殼年齡由西向東逐漸年輕,再加上這些海山年齡也大致呈西高東低的趨勢(shì).另外該區(qū)域巖石圈的Te值總體上呈現(xiàn)出小于10km的趨勢(shì),顯然與Wattsetal.(1980)用端元模型得出的該區(qū)5km左右的Te值比較接近,屬多熱點(diǎn)成因的“on-ridge”型海山.大洋巖石圈的有效彈性厚度隨加載時(shí)巖石圈年齡的增加而增加(Watts,1978;WattsandSteckler,1979;Wattsetal.,1980,1982;CalmantandCazenave,1987).以Seasat衛(wèi)星的大地水準(zhǔn)面高度數(shù)據(jù)為約束,應(yīng)用彈性板撓曲理論通過(guò)對(duì)太平洋、大西洋、印度洋中總共60座海山(或島嶼)下的巖石圈有效彈性厚度的研究給出了一個(gè)巖石圈有效彈性厚度與負(fù)荷加載時(shí)巖石圈年齡(簡(jiǎn)稱(chēng)加載年齡t)之間的簡(jiǎn)單的關(guān)系式:Te=(2.70±0.15)t1/2(Te的單位為km,t的單位為Ma),指出大洋巖石圈彈性層的厚度遵循半空間冷卻模型的450±150℃等溫面.這里提到的負(fù)荷加載時(shí)巖石圈的年齡可由洋底年齡減去負(fù)荷年齡來(lái)得到.這樣我們只要知道洋底年齡和海山年齡便可得出海山下巖石圈的有效彈性厚度值,用Te1表示;用Te2表示用彈性板模型計(jì)算得到的有效彈性厚度,這兩者之間的差值用ΔTe表示,即ΔTe=Te1-Te2,這個(gè)值很好地表示了用這2種模型計(jì)算得到的有效彈性厚度間的吻合程度,從另一個(gè)側(cè)面也反映了加載時(shí)巖石圈的年齡并不是影響Te的唯一因素(CalmantandCazenave,1987),后期巖石圈的熱活化、斷裂作用、洋底抬升等均會(huì)影響Te值的大小.CalmantandCazenave(1987)通過(guò)統(tǒng)計(jì)三大洋中60座海山的ΔTe后認(rèn)為,介于-5~5km間的ΔTe值均屬于正常情況,還發(fā)現(xiàn)中南太平洋中的一些海山的ΔTe大于5km.關(guān)于這個(gè)現(xiàn)象的解釋目前主要有2種觀點(diǎn),一種觀點(diǎn)認(rèn)為其下熱點(diǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的熱活化效應(yīng)重新將該處巖石圈的溫度調(diào)回年輕板塊時(shí)的狀態(tài)(MenardandMcNutt,1982),從而引起ΔTe的增大;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為該處巖石圈的大規(guī)模減薄引起了ΔTe的增大(McNuttandFischer,1987).表6給出了研究區(qū)13座海山的洋殼年齡T1、海山年齡T2、加載年齡t、Te1、Te2、ΔTe、現(xiàn)今基底水深H1、Sclater公式計(jì)算水深H2、水深差ΔH=H1-H2.以上計(jì)算結(jié)果顯示,只有Pako、Ioah、ItaMaiTai和Resolution這4座海山的ΔTe值介于-5~5km之間,其他海山的ΔTe均大于5km,說(shuō)明這些海山用彈性板模型得到的Te值均小于由經(jīng)驗(yàn)公式求得的Te值(Wattsetal.,1980;CalmantandCazenave,1987),這一點(diǎn)與中南太平洋現(xiàn)今法屬玻利尼西亞熱點(diǎn)群的結(jié)果相近(CalmantandCazenave,1987).由表6中給出的現(xiàn)今基底水深和由Sclater公式得到的水深來(lái)看,這些海山處的巖石圈從洋中脊形成后并不單單隨著洋中脊的擴(kuò)張向兩邊運(yùn)動(dòng)發(fā)生沉降,同時(shí)還發(fā)生過(guò)一定規(guī)模的抬升,具體抬升幅度視海山而有所不同.從ΔTe和抬升幅度來(lái)看,麥哲倫海山鏈海山與中太平洋海山群海山表現(xiàn)出不同的規(guī)律性,前者ΔTe值大小與抬升幅度呈正相關(guān),而后者卻表現(xiàn)為負(fù)相關(guān).至于麥哲倫海山鏈表現(xiàn)出來(lái)的這種正相關(guān)比較好解釋,因?yàn)樘鹊拇笮∫欢ǔ潭壬戏从吃搮^(qū)經(jīng)歷的構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)烈程度,即抬升幅度大的構(gòu)造活動(dòng)就相對(duì)強(qiáng)一點(diǎn),而構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)烈程度又會(huì)直接影響到巖石圈的Te值,所以說(shuō)這種正相關(guān)是合理的.而中太平洋海山群表現(xiàn)出的負(fù)相關(guān)現(xiàn)象就不容易解釋了,但也正是這一點(diǎn)反映出中太平洋海山群自形成以來(lái)相比麥哲倫海山鏈可能經(jīng)歷過(guò)更復(fù)雜的改造作用,從而造就了它今天比麥哲倫海山鏈復(fù)雜得多的展布狀態(tài).Smithetal.(1989)通過(guò)從深度異常、Te異常和同位素異常這3個(gè)方面對(duì)麥哲倫海山鏈上Himu海山、Hemler海山與法屬玻利尼西亞群島的比較,并配以海山熱點(diǎn)源追蹤后認(rèn)為,這2座海山是在白堊紀(jì)期間(約120~90Ma)由中南太平洋的法屬玻利尼西亞熱點(diǎn)群的活動(dòng)形成的.Koppersetal.(1998)對(duì)麥哲倫海山鏈上的Vlinder、Pako、Ioah、ItaMaiTai這4座海山進(jìn)行研究后也認(rèn)為這4座海山是由上述熱點(diǎn)群形成的.Wilsonet

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