中太平洋火山群的海水海水海水海水層系研究

中太平洋火山群的海水海水海水海水層系研究

太平洋第一海域位于太平洋海盆北側(cè)，其地理位置為23n和165w170e（圖1）。它位于太平洋海域密集密集區(qū)的中心，周圍分布著一系列nw方向的線性島嶼和巨大的水下螺釘鏈。它們以特定的地理位置和巖石形態(tài)形成了相對獨特的海拔高度，如夏威夷海山區(qū)、馬爾克斯-威克群山、麥哲倫海山區(qū)、馬紹爾海山和萊恩海山。中太平洋海山群無論是在海山排列形態(tài)上還是其走向上都與上述海山區(qū)有著顯著的差異,海山主要呈簇狀分布,且近EW向展布,多為孤立狀、雙峰狀、多頂狀平頂海山,是太平洋中海山呈簇狀分布密度最高的一個區(qū)域。研究表明有兩組走向幾近垂直的斷裂穿過該區(qū)域,一組是ENE向斷裂,另一組是NNW向斷裂,并且沿斷裂或在兩組斷裂的交叉部位發(fā)育了眾多的海山。該區(qū)海山的同位素年齡大致在65~120Ma之間,基底巖石主要由中白堊世的拉斑玄武巖及橄欖玄武巖組成,局部海山還見有新生代的堿性火山巖?；鹕交字系某练e物有晚白堊世的生物碎屑灰?guī)r、礁灰?guī)r、泥巖等,中始新世—中新世含超微化石的白堊,更新世—第四紀的有孔蟲砂、鈣質(zhì)軟泥等以及形成時代不清的燧石巖。海山頂面沉積物厚度不同,山頂及坡度較緩處沉積厚度較大。正是中太平洋海山群這種不同于太平洋其他海山區(qū)的獨特的分布形態(tài)和伸展方向及其構(gòu)造背景,造就了它今天在大洋研究中的特殊地位,引起了各國科學家的極大興趣。研究表明,中太平洋海山群地區(qū)是海山富鈷結(jié)殼廣泛分布的一個重點區(qū)域,也是迄今為止海山富鈷結(jié)殼資源調(diào)查和研究中最為關(guān)注的一個地區(qū),德國、俄國、美國、日本等國雖早已在該區(qū)對富鈷結(jié)殼進行了系統(tǒng)的調(diào)查,對富鈷結(jié)殼分布及其資源前景作了較為詳細的評價研究,但該區(qū)的研究工作遠未結(jié)束。目前,關(guān)于該區(qū)海山的火山巖漿活動的來源、差異及關(guān)系,它們又是如何影響著富鈷結(jié)殼的形成與分布,對富鈷結(jié)殼的形成到底有多大貢獻,還不是很清楚,通過了解中太平洋海山群眾多海山的起源過程及其所經(jīng)歷過的漂移歷史無疑將有助于回答上述問題。本文介紹了前人關(guān)于中太平洋海山群形成和漂移過程的認識,從板塊運動和幾何學角度出發(fā)探討了這些海山的漂移過程和海山生成的可能來源。1中太平洋火山群是熱點成因1946年Hess在夏威夷鏈南部17°~23°N、165°W~170°E之間的中太平洋海山群地區(qū)發(fā)現(xiàn)了平頂海山,并提出該區(qū)海山形成于前寒武紀的觀點。自此以后,中太平洋海山群受到了科學家極大的關(guān)注,并開始投入大量的人力與物力在該區(qū)開展各項調(diào)查研究工作,包括勘查、鉆探、取心等。20世紀50年代,Hamilton通過分析Hess海山、CapeJohnson海山等5座海山的資料后認為,中太平洋海山群的基底巖石主要是由白堊世的玄武巖組成,這一點直接否認了Hess最初提出的觀點。后來Morgan通過分析收集到的相關(guān)資料,認為它其實是土阿莫土—萊恩(Tuamotu-LineIslands)熱點鏈活動生成的海山的延伸部分。隨后在該區(qū)開展的DSDP航次為后來進一步對該區(qū)進行深入研究提供了很多寶貴的一手資料。通過對手頭資料的分析研究,DSDP研究組成員一致認為中太平洋海山群是由擴張中心附近北向移動的太平洋板塊上的火山形成的,這些海山在90Ma時在赤道附近下沉,并大膽地提出中太平洋海山群是熱點成因。80年代初,中太平洋海山群又一度被認為是起源于玻利尼西亞地幔柱省的Darwin隆起的一部分,但不久Menard發(fā)現(xiàn)Darwin隆起只是小笠原和馬里亞納海溝旁邊的西北太平洋中M20磁條帶所在的區(qū)域,后來又在該海山群的東邊發(fā)現(xiàn)了Mendocino/Surveyor斷裂組,這兩個發(fā)現(xiàn)對上述觀點顯然是一種很大的沖擊。根據(jù)DSDP463號站位巖心的測年資料,中太平洋海山群最初形成于晚侏羅紀時期,120Ma時該海山群西部位于20°S、150°W處,到90Ma時隨太平洋板塊漂移到了12°S、160°W處,大約在60~70Ma時才穿過赤道,但北向漂移并未就此停止,而是繼續(xù)向北漂移,最后形成了現(xiàn)今看到的海山呈簇狀分布的中太平洋海山群。80年代中期,Winterer和Metzler通過分析中太平洋海山群的磁測資料,認為中太平洋海山群其實是一WSW—ENE向的雙列熱點火山鏈,它們在115Ma時位于20°~25°S附近。這一結(jié)論顯然與Morgan最初提出的熱點理論比較接近。Rea和Vallier認為,整個太平洋板塊在157~124Ma期間主要向南運動,到了早白堊紀(130~115Ma),隨著太平洋板塊在活動熱點上的移動,中太平洋海山群的主要隆起開始陸續(xù)形成;124~112Ma期間,該海山群隨太平洋板塊繼續(xù)往南運動但同時開始下沉,直到碰到珊瑚礁生長基線才停止下沉;124~97Ma期間,伴隨著中央盆地的火山作用,區(qū)域性海退抬高該海山群地臺到水氣界面形成喀斯特地貌;97~90Ma前后,太平洋板塊才開始向北運動,同時伴隨著海山的下沉。研究資料顯示太平洋板塊在120~115、110~95和80~65Ma期間曾發(fā)生過3次異常強烈的火山活動,可能正是這些強烈的火山活動造就了太平洋洋底現(xiàn)今復雜的構(gòu)造形態(tài)。Winterer在上述研究的基礎(chǔ)上提出了熱點成因說,認為中太平洋海山群的形成經(jīng)歷了一個漫長的漂移過程。來自DSDP和磁測資料的大量證據(jù)表明,這組板內(nèi)型海山最初是在南太平洋熱點匯集區(qū)(現(xiàn)今法屬波利尼西亞群島區(qū)附近)生成的,并非北太平洋的原生物,后來隨著太平洋板塊的運動而不斷漂移至今天的位置。Smoot通過對中太平洋群海山的分布形態(tài)和伸展方向及其復雜的構(gòu)造特征進行詳細的分析后,對其形成提出了另外的一種觀點,即滲漏斷裂成因,他認為中太平洋海山群海山并非如典型的夏威夷—皇帝海山鏈那樣隨海山年齡有序地排列成一鏈狀構(gòu)造,而是呈不規(guī)則的簇狀分布,各海山的年齡無規(guī)律可循,根本無法依據(jù)海山頂部水深和年齡追逐出一條鏈,也無代表太平洋板塊運動方向改變的標志性轉(zhuǎn)折存在,而且還有兩組斷裂正好橫穿該區(qū),且沿著這兩組斷裂及其交叉部位發(fā)育了大量的海山,再加上這些海山相互之間具有相似的地磁異常特征,證實它們具有相同或相似的來源,故認為這些海山可能是該區(qū)滲漏斷裂噴發(fā)出來的巖漿形成的,而并非通常所認為的由熱點活動形成的。2熱點追蹤的方法與背景前人對中太平洋海山群眾多海山的起源研究主要是從鉆探資料著手,分析其中巖石樣品的古緯度,再加上一些古地磁資料,純粹從地質(zhì)的角度推斷海山的漂移及其來源,而并未從板塊運動及幾何學的角度對其進行探討。但可喜的是,當前衛(wèi)星測高技術(shù)和高精度測深技術(shù)較前幾年已經(jīng)有了長足的發(fā)展,這為我們開展該項研究提供了有利的條件。Wessel等利用上述技術(shù)已確定了全球14675座海山的位置及相關(guān)的一些物理參數(shù),如空間異常、垂直重力梯度、海山高度、下部洋殼年齡等,其中有8882座海山分布在太平洋,占總海山數(shù)的60%之多。早在1963年Wilson就提出,海洋巖石圈在一個能產(chǎn)生大量巖漿的較熱的固定不動的地幔區(qū)域上作水平運動時可能會形成諸如天皇—夏威夷海山鏈的猜想,并提出了“熱點”的概念。后來Morgan又把Wilson的模式擴大到了太平洋中其他走向的島鏈,認為大量板內(nèi)島鏈的形成與熱點的活動密切相關(guān),并確定了太平洋中4條典型的熱點型海山鏈即路易斯維爾脊(Louisville)、土阿莫土島鏈、萊恩島鏈和天皇—夏威夷脊?，F(xiàn)在我們能看到的就是各種構(gòu)造活動在洋底留下的這些痕跡,即大量呈鏈狀排列和簇狀排列的海山,如何從現(xiàn)有的這些資料了解這些海山的形成過程是當前大家關(guān)注的一個問題。Backtracking方法和Hot-spotting方法就是在這種背景下提出來的,它們主要是從板塊運動和幾何學的角度來研究海山的形成。傳統(tǒng)的Backtracking方法是在已知熱點參考系中海山的年齡和描述板塊絕對運動的階段極條件下,由當前海山位置反推形成該海山的熱點源。但由于實際工作中確定水下靜止海山的年齡相當困難,到目前為止大概只有1%左右的海山通過測年知道了它們的年齡,而且開展此項測年工作的成本非常高,尤其在大洋上開展該項工作就更加困難,因而這種方法的使用受到極大的限制。后來為了滿足需要對該方法進行了相應(yīng)的拓展,利用其由同一熱點生成的海山的流線必相交于一點(熱點)這一特點,通過海山下面洋殼的年齡確定由同一熱點生成的海山的熱點源位置。與傳統(tǒng)Backtracking方法相比,拓展Backtracking方法的優(yōu)點是在不知道每座海山確切年齡的情況下可以根據(jù)海山下面洋殼的年齡設(shè)定上限進行追蹤。Hot-spotting方法是Wessel等提出的一種新的研究熱點型海山起源問題的方法,他們認為Backtracking方法把海山作為一個點來處理太理想化,海山顯然具有一定的半徑和高度。該方法的基本追蹤原理與上述Backtracking方法相似,不同的是它更多地考慮了海山的一些基本屬性,這些屬性與海山年齡相比較顯然容易得到。該方法的核心部分是它將海山形狀與其流線進行了褶積運算,根據(jù)運算生成的CVA圖像確定生成海山的熱點的位置。業(yè)已知道,CVA圖像上流線相交處肯定會顯得相對較亮,相交的流線數(shù)越多就越亮,這樣便可方便地確定某個區(qū)域熱點型海山的熱點源。Hot-spotting熱點追蹤法是一些基本幾何關(guān)系的應(yīng)用,能用來確定生成熱點型海山的熱點位置。這種方法在Hawaii、Bowie和Cobb熱點已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用。本文主要是通過將傳統(tǒng)Backtracking方法、拓展Backtracking方法和Hot-spotting方法這3種熱點追蹤方法應(yīng)用于中太平洋海山群,探討該海山群的可能來源從而分析其形成以來所經(jīng)歷過的漂移過程。Darwin、Heezen、Stetson和Allison海山呈近WNW向分布于中太平洋海山群的西部(圖2),根據(jù)40Ar/39Ar測年資料,這4座海山的年齡分別為119、123.1、98.5、110Ma。用傳統(tǒng)Backtracking方法對這4座海山(三角形)進行熱點追蹤計算,得到這4座海山的最后位置(星形)均位于現(xiàn)今法屬玻利尼西亞群島附近(圖3a),而且研究表明現(xiàn)今法屬玻利尼西亞群島區(qū)分布有6個熱點,即馬克薩斯(Marquesas)、社會(Society)、皮特克恩(Pitcairn)、奴奴土(Rurutu)、拉羅湯加(Rarotonga)和麥克唐納(Macdonald)熱點。從圖上來看,追蹤出來的熱點位置恰好在這6個熱點附近,盡管兩者有一定的偏差,我們有理由認為這兩者之間可能有一定的聯(lián)系。如圖3b是將拓展Backtracking方法應(yīng)用于中太平洋海山群的23座海山(包括圖3a中的4座海山)后得到的結(jié)果,顯然各海山的流線也在法屬玻利尼西亞熱點群附近相交,而且交點不止一個,這與上述用傳統(tǒng)Backtracking方法得到的結(jié)果接近。與上述4座海山不同的是我們只知道這23座海山生成時的大概時期,而并不知道它們各自確切的年齡,就是它們下面洋殼的年齡我們也不甚清楚,因而在進行追蹤計算時,根據(jù)Wessel等提供的關(guān)于太平洋海山的資料,假設(shè)其為145Ma(圖3b)。這樣得到的流線比知道確切年齡時要長了一點,但熱點的位置沒變。用Hot-spotting方法對中西太平洋海山(195°E以西)進行了追蹤計算,得到了相應(yīng)的CVA圖像(圖4a)。從圖上看顯然有3個高亮的“X”,根據(jù)現(xiàn)有的資料,北邊最亮最明顯的“X”自然為夏威夷熱點所在的位置,往南依次為法屬玻利尼西亞熱點群和Louisville熱點。相比較之下,CVA圖像中法屬玻利尼西亞熱點群的“X”就顯得稍微模糊和混亂一點,無法準確地定位其中心點的位置,這一點也正好與該區(qū)多熱點的情況相符合。圖4b是中太平洋海山群551座海山的追蹤結(jié)果,從CVA圖像上來看,惟一可辨的“X”位于法屬玻利尼西亞熱點群周圍,與圖4a相比,該“X”在亮度上顯然弱于前者,而且也更模糊和混亂一些。雖然從圖上沒法確定一個諸如夏威夷熱點那樣的中心點,但與上述兩種追蹤方法得到的結(jié)果相近。3中太平洋的火山鏈的形成和構(gòu)造根據(jù)Backtracking和Hot-spotting海山追蹤方法得到的結(jié)果(圖3、4),我們認為中太平洋海山群的生成與現(xiàn)今法屬玻利尼西亞群島區(qū)的6個熱點的活動有關(guān)。無論是用傳統(tǒng)Backtracking方法和拓展Backtracking方法得到的熱點源的位置(圖3b),還是用Hot-spotting方法得到的CVA圖像的高亮“X”的位置(圖4b),均位于法屬玻利尼西亞熱點群(一個多熱點同位素異常區(qū))附近,與現(xiàn)今6個熱點的位置之間有一點偏差。引起這個偏差有多方面的因素,如文中用到的6個熱點的位置是當前的位置,這與100Ma前的位置肯定會有差異,因為熱點并非是固定不動的;追蹤時所用的描述太平洋板塊運動的階段極欠精確;使用的海山資料本身也存在一定的誤差等等。因而,上述結(jié)果應(yīng)該是合理的,它的形成與南太平洋的法屬玻利尼西亞熱點群有關(guān)。宏觀上,該區(qū)域的眾多海山呈不規(guī)則的簇狀分布,但這種不規(guī)則狀分布的現(xiàn)象并不能否定上述結(jié)論。Tarduno和Gee等針對這一現(xiàn)象曾經(jīng)進行過相應(yīng)的研究,認為之所以出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象主要是因為這些海山并不是源于同一熱點,而是幾個熱點共同起作用的結(jié)果,如果只是一個熱點起作用而形成的話就會顯示像天皇—夏威夷海嶺那樣有規(guī)律的年齡遞減現(xiàn)象。再加上太平洋板塊漂移過程中方向的改變,使本應(yīng)該規(guī)則排列的海山鏈變得復雜起來,但在萊恩群島和馬紹爾群島還是可以看出海山鏈的走向,而且這些海山位于明顯屬于海山鏈構(gòu)造的夏威夷群島和馬紹爾群島之間,處于萊恩群島的北西向延伸方向上,與熱點成因的板內(nèi)火山作用關(guān)系密切。Tarduno對中太平洋海山Allison和Resolution基底玄武巖的古地磁進行研究后發(fā)現(xiàn),Resolution海山碳酸鹽巖的古緯度為14.6°S,Allison海山的古緯度為14.2°S,這一緯度值顯然與本文模擬的結(jié)果比較接近。同時還有證據(jù)表明,從早白堊紀到維克特階期(112.2Ma),中太平洋海山群隨著太平洋板塊曾經(jīng)發(fā)生過向西南方向的運動,但到晚維克特階期(約110Ma)時,海山群最南沒有超過25°S,之后開始向西北漂移直至今天的位置。Winterer等對中太平洋海山群的研究結(jié)果以及相關(guān)的DSDP鉆探資料均表明太平洋板塊在早