李三忠 ,索艷慧 ,余 珊 ,趙淑娟 ,戴黎明 ,曹花花 ,張 臻 ,劉為勇,張國堙

(1.海底科學與探測技術教育部重點實驗室,山東 青島 266100;2.中國海洋大學 海洋地球科學學院,山東 青島 266100;3.國家海洋局 第二海洋研究所,國家海洋局海底科學重點實驗室,浙江 杭州 310012)

0 引 言

洋中脊熱液活動是在洋中脊巖漿活動、構造作用等控制的熱液系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)與能量交換的過程,伴隨極端的生物地球化學作用、成礦作用。它現(xiàn)今表現(xiàn)為熱能驅(qū)動下洋殼的熱液循環(huán)和熱傳輸,而傳輸和循環(huán)的主要通道為巖石圈基巖及基巖中廣泛發(fā)育的斷裂和裂隙。但是,洋底演化歷史期間的海底熱液區(qū)的分布位置及范圍,不但受控于洋中脊熱源的分布位置與變遷,還受控于區(qū)域洋底構造特征與演化,這包括了熱液成礦區(qū)的洋中脊擴張方式、斷層性質(zhì)、斷層組合規(guī)律、裂隙開閉過程、構造演化過程,以及區(qū)域應力場與斷層–裂隙、熱源三者間的相互作用關系。

以往大洋中脊熱液噴口的綜合調(diào)查主要集中在快速擴張的太平洋、中速擴張的大西洋和超慢速擴張的北冰洋洋中脊和一些弧后盆地,相關構造研究也已取得巨大進展。而超慢速擴張的西南印度洋研究較少。近來在西南印度洋洋中脊發(fā)現(xiàn)的熱液噴口(Bach et al.,2002;Tao et al.,2012)引起了國際關注。但是,以往在西南印度洋洋中脊的研究主要側(cè)重重力、磁力和地震等各種調(diào)查(Tao et al.,2012)、熱點與洋中脊相互作用(張濤等,2011)以及巖石學、年代學和地球化學方面(Zhou and Dick,2013),精細的構造研究極少(阮愛國等,2010;Liang et al.,2013;Zhang et al.,2011;Zhao et al.,2013)。為此,本文側(cè)重對典型勘探區(qū)洋殼淺部結(jié)構、斷層的主要性質(zhì)、組合規(guī)律及活動時間等構造特征進行詳細研究。主要手段是根據(jù)不同構造類型的構造地貌分析,探討西南印度洋洋中脊勘探區(qū)的斷裂組合規(guī)律,分區(qū)分塊分帶進行洋中脊生長過程、形成機制的詳細分析,其中主要研究內(nèi)容包括:(1)西南印度洋洋中脊構造地貌及其分段性,通過分區(qū)分塊分帶的構造地貌分析,多尺度劃分不同地貌類型,在洋中脊環(huán)境劃分次級構造類型,對洋中脊進行 4級分段性劃分,確定分段構造特征,探討不同構造地貌的成因機制。(2)西南印度洋洋中脊多尺度斷裂構造解析,結(jié)合多學科綜合信息,側(cè)重從水深數(shù)據(jù)開展斷裂生長行為定性分析,揭示不同演化階段的洋殼結(jié)構、現(xiàn)今幾何學結(jié)構,建立該區(qū)構造幾何學模型。(3)西南印度洋洋中脊構造過程,主要收集磁條帶、年代學資料,確定洋中脊演化歷史,收集相關地球化學資料,探討可能的洋中脊–地幔柱相互作用、周期性海洋核雜巖過程、假斷層形成和洋中脊拓展過程,為建立洋中脊、熱點與熱液成礦三者間的時空關系奠定構造基礎。

1 區(qū)域洋底背景與演化

西南印度洋脊(SWIR)是南極洲板塊和非洲板塊的分界線,東起羅德里格斯(Rodrigues)三聯(lián)點(RTJ),西至布維(Bouvet)三聯(lián)點(BTJ),全長 7700 km(Patriat et al.,1997,圖1)。沿軸水深變化較大,但其全擴張速率較低,約為 1.2～1.8 cm/a,沿軸變化不大(Sauter and Cannat,2010),平均擴張速率為1.4 cm/a,屬于超慢速擴張洋中脊,且多為斜向擴張。前人將西南印度洋中脊粗略地分成多級多個段落:在 Shaka轉(zhuǎn)換斷層和 15°E之間,斜向擴張方向最大,擴張方向與擴張軸夾角高達 51°,也被稱為斜向超級擴張段,平均水深約4000 m(Dick et al.,2003);在16°E和25°E之間長約600 km的洋中脊段則被稱為正向超級擴張段,平均水深約3500 m(Dick et al.,2003);再往東,洋中脊被Du Toit,Andrew Bain,Marion和Prince Edward轉(zhuǎn)換斷層錯移了1200 km;繼續(xù)向東,洋中脊被Prince Edward,Discovery II,Indomed和Gallieni轉(zhuǎn)換斷層分割為三個次級段,擴張以 25°的角度斜交洋中脊總體方向,長約2200 km,軸部平均水深 3200 m左右,兩側(cè)為較為寬闊的水下隆起(Georgen et al.,2001),在這個寬闊隆起段中部,Discovery和Indomed轉(zhuǎn)換斷層之間的水深達3600 m,較鄰區(qū)深,在Gallieni轉(zhuǎn)換斷層和64°E之間擴張方向和洋中脊正向擴張方向的斜交角度達 30°,被Atantls II,Novara和Melville轉(zhuǎn)換斷層和非轉(zhuǎn)換斷層不連續(xù)帶分割,且洋中脊發(fā)生巨大的錯移(Sauter et al.,2001),而該隆起東部的 Melville轉(zhuǎn)換斷層和69°E之間的軸部水深最深達4730 m;最西部是被緊密間隔性轉(zhuǎn)換斷層分割的,介于 BTJ到 10°E之間,擴張方向和洋中脊正向擴張方向的交角為 9°,也為斜向擴張脊(Sauter and Cannat,2010)。

已有研究表明,西南印度洋的演化和岡瓦納大陸的裂解密切相關(Ben-Avraham et al.,1995;Livermore and Hunter,1996)。西南印度洋在Andrew Bain和Prince Edward轉(zhuǎn)換斷層之間的極其復雜的破碎帶記錄了整個西南印度洋的擴張歷史(Bernard et al.,2005),在Prince Edward和Dicsovery II轉(zhuǎn)換斷層之間的最老磁條帶年齡為155 Ma,是非洲板塊和Nubian與Somalian新板塊之間的彌散性離散邊界(Chu and Gordan,1999;Royer et al.,2006;Stamps et al.,2008)?，F(xiàn)今介于 9°E和 25°E之間的正向超級擴張段也至少起始于83 Ma(Bergh and Barrett,1980),且西南印度洋中脊西側(cè)1000 km和東側(cè)2500 km受鄰近快速擴張脊驅(qū)動,分別向南西和北東方向發(fā)生了拓展(Patriat et al.,1997),且向南西與北東向的洋中脊拓展速率分別為1.5 cm/a和3.5 cm/a(Royer et al.,1988);但這兩段與岡瓦納大陸裂解無關。RTJ在約71 Ma與約 52 Ma期間不斷頻繁地向北東向躍遷,并導致西南印度洋板塊格局重組和新的軸部不連續(xù)性,在Gallieni和Melville轉(zhuǎn)換斷層之間出現(xiàn)高度的分段性(Dyment,1993),其洋中脊分段長度在30～45 km之間,錯斷在25～40 km之間(Sauter et al.,2002);期間,某種重要變化也導致了 Andrew Bain破碎帶的總體彎曲特點。西南印度洋中脊最東部的 Melville轉(zhuǎn)換斷層與RTJ之間形成于印度洋最近約40 Ma的一次重大調(diào)整之后,再沒有受到大規(guī)模錯移(Sclater et al.,1981)?？傮w上看,西南印度洋高度分段部分的彎曲破碎帶形態(tài)的年齡都小于 40 Ma,與板塊的穩(wěn)定運動有關(Bernard et al.,2005)。但最新的磁條帶異常發(fā)現(xiàn),約24 Ma左右,西南印度洋擴張速率由3 cm/a降為1.5 cm/a,但對擴張方向影響較小,只是局部改變了板塊邊界的幾何形態(tài)(Baines et al.,2007)。

西南印度洋中脊的巖石類型及分布、火山活動過程、巖石圈形變特征、洋殼厚度和性質(zhì)、海水下滲和洋殼變質(zhì)、交代作用等研究始于1987年10月到12月ODP118航次。該航次選擇在西南印度洋脊AtlanticⅡ破碎帶(57°E)進行鉆探,其中在 AtlanticⅡ破碎帶東側(cè)的海洋核雜巖上的 735B孔上鉆遇輝長巖,揭示了下部洋殼的不均一性。之后,國際 Inter-Ridge研究組織把超慢速擴張洋脊,包括西南印度洋脊和北冰洋的 Gakkel洋中脊,列為其兩個十年(1994～2003年、2004～2013年)研究計劃的首要研究內(nèi)容,并規(guī)劃參與了多個針對 SWIR超慢速擴張洋脊的調(diào)查航次,在地形地貌、海底構造、巖石學、水文環(huán)境、地球物理和熱液水體異常等方面已取得了一系列成果。這些成果為本文研究提供了大量基礎資料。

2 洋底構造地貌單元與特征

洋底地貌地形與構造密切相關,由于洋底很少受到像陸地上的風化剝蝕等影響,因而總體上反映了構造地貌(morphotectonics或 morphostructure)的特征,因而洋底地貌是構造地貌的本征反映?，F(xiàn)今可以通過多種手段獲得精細的洋底構造地貌,如TOBI(Towed Ocean Bottom Instrument)側(cè)掃聲納、深水多波束、淺地層剖面、海底視像技術等。本文使用的水深數(shù)據(jù)為 Smith和 Sandwell 最新版本(12.1)的 1’×1’衛(wèi)星測高反演數(shù)據(jù)(圖1,Smith and Sandwell,1997),部分詳細構造劃分基于項目大洋航次數(shù)據(jù)解釋,沿洋中脊部分區(qū)段基于前人100 m×100 m網(wǎng)格間距的船測多波束數(shù)據(jù)(Cannat et al.,1999)。將多波束水深數(shù)據(jù)與衛(wèi)星測高水深數(shù)據(jù)進行對比,發(fā)現(xiàn)最新版本的衛(wèi)星測高反演數(shù)據(jù)置信度可以達到96%(張濤等,2011)。以往從全球海底地貌角度,常將海底地貌劃分為以下幾大類:相連的全球性洋中脊、被洋中脊分割的深海平原(深海盆地)、疊加在深海海盆上的復雜成因的各類海山群或海山鏈、切割洋中脊的轉(zhuǎn)換斷層和對應伸入深海平原(深海盆地)的破碎帶、海溝(俯沖帶)。這種劃分有利于探討單一洋盆的從生到死的幾個到幾十個百萬年時間尺度的對稱或不對稱增生方式和過程,但難以探討更為復雜、精細、更短時間尺度的海底構造演化過程,特別是洋中脊構造過程。本文目的是探討區(qū)域尺度洋盆或局部洋中脊的精細構造演化,因此,試圖打破這種傳統(tǒng)劃分原則,探討服務區(qū)域或局部洋底演化研究的洋底地貌單元的一種新劃分原則。

圖1 西南印度洋區(qū)域洋底構造格局Fig.1 Regional tectonic map of the Southwest Indian Ocean

2.1 地貌單元劃分原則

根據(jù)西南印度洋構造地貌特征及其對稱性,本文劃分了七級構造地貌單元(圖2和圖3)。首先,從整個印度洋出發(fā),根據(jù)最新一個“增生期”的區(qū)域洋盆演化一致性的差異(馬宗晉等,1998),本文將印度洋劃分為3個一級構造地貌單元,該單元不同于“增生區(qū)”(馬宗晉等,1998)的概念。本文研究區(qū)涉及其中兩個,即東南印度洋洋盆(I)和西南印度洋洋盆(II)(圖2)。然后,對西南印度洋盆地以不同洋中脊生成的洋殼和具有不同走向的轉(zhuǎn)換斷層、特定擴張方向轉(zhuǎn)變事件的年齡、特定異常事件形成并疊加在正常擴張洋殼上的地貌(如地幔柱或熱點)為原則,進一步劃分為8個二級構造地貌單元(圖1),除一個彌散性的熱點相關的異常Conrad隆起–Madagascar海臺–Crozet海臺等單元外,其余 7個從南往北分別是:>120 Ma的南側(cè)洋殼地貌(II-1)、>80 Ma的南側(cè)洋殼地貌(II-2)、>40 Ma的南側(cè)洋殼地貌(II-3)、<40 Ma的洋殼地貌(II-4)、>40 Ma的北側(cè)洋殼地貌(II-5)、>80 Ma的北側(cè)洋殼地貌(II-6)和>120 Ma的北側(cè)洋殼地貌(II-7)。

圖2 西南印度洋三級洋底構造地貌劃分與水深分布Fig.2 Third-order seafloor morphotectonic division and bathymetric map of the Southwest Indian Ocean

圖3 西南印度洋Indomed和Gallieni轉(zhuǎn)換斷層間的洋中脊構造分段(下圖為沿軸地形,詳見2.8節(jié))Fig.3 Segmentation of the mid-oceanic ridge between Indomed and Gallieni transform faults of the SW Indian Ocean(the curves are axial ridge-parallel topography,details seen in section 2.8)

隨后,本文側(cè)重小于 40 Ma的洋殼地貌(II-4),以大型轉(zhuǎn)換斷層和其間的洋中脊構造地貌的相似性,將研究區(qū)劃分為4個三級構造地貌單元(即西南印度洋中脊的一級分段,圖1和圖2),自西向東分別是:Prince Edwards 和Andrew Bain轉(zhuǎn)換斷層以西的超級洋中脊段(II-4-1)、Andrew Bain和Discovery II轉(zhuǎn)換斷層間的超級洋中脊段(II-4-2)、Discovery II和Gallieni間的超級洋中脊段(II-4-3)和Gallieni轉(zhuǎn)換斷層以東的超級洋中脊段(II-4-4)。它們具有不同的擴張速率,且擴張方向和洋中脊具有不同的交角。

之后,選擇Discovery II和Gallieni轉(zhuǎn)換斷層間的超級洋中脊段(II-4-3),以次級轉(zhuǎn)換斷層為界,將該三級構造地貌單元再劃分了3個四級構造地貌分段(即西南印度洋中脊的二級分段,圖3):Indomed破碎帶以西兩個(II-4-3-1和 II-4-3-2);以東一個(II-4-3-3),且較長。

為了詳細了解洋中脊宏觀行為,可以進一步根據(jù)該段微構造地貌,將 Indomed破碎帶以東(II-4-3-3)的洋中脊段自南向北劃分為三個五級微構造地貌單元,分別為:北側(cè)地貌單元(II-4-3-3-1)、中央裂谷地貌單元(II-4-3-3-2)和南側(cè)地貌單元(II-4-3-3-3)。

以中央裂谷地貌單元(II-4-3-3-2)為例,根據(jù)洋中脊走向變化和火山巖等為原則,可以自西向東精細劃分為3個六級構造地貌單元(即西南印度洋中脊的三級分段,圖2和圖3):正向擴張地貌單元(II-4-3-3-2-1)、斜向裂谷地貌單元(II-4-3-3-2-2)和斜列擴張地貌單元(II-4-3-3-2-3)。

因為洋殼都起源于洋中脊,為了詳細了解洋中脊微觀行為,以斷裂組合樣式、傾向、走向等構造特征和微地貌特征為原則,選擇斜列擴張地貌單元(II-4-3-3-2-3),最終自西向東劃分為3個七級構造地貌單元(即圖3中洋中脊三級分段的斜列擴張地貌成因類型的細分),分別稱為:直線型雁列式組合段(II-4-3-3-2-3-1)、斜線型雁列式組合段(II-4-3-3- 2-3-2)和斜線型側(cè)列式組合裂谷段(II-4-3-3-2-3-3)。

此外,還區(qū)分出與洋中脊行為不同的構造地貌單元,如與熱點或地幔柱相關的構造地貌,它們往往疊加在不同的構造單元之上,可以單獨編號(圖2)。本文重點討論 Crozet熱點和馬達加斯加熱點,表現(xiàn)為深海臺地。它們可以和洋中脊發(fā)生脊–柱相互作用,從而表現(xiàn)出一些特殊的微構造地貌,如 35°E～40°E之間的串珠狀離軸火山或長垣地貌。

2.2 一級構造地貌單元

(1)東南印度洋地形(I)

該構造地貌單元水深一般在4000 m以上,東北角水深大于5000 m。而西南角水深相對較淺,與受熱點影響有關;總體地貌以破碎帶較長、走向NE向為顯著特征(圖2)。

(2)西南印度洋地形(II)

該構造地貌單元水深一般在3000 m以上,一些異常地貌水深多在1000～2000 m之間。受復雜構造影響可進一步分成多級別和多類型的構造地貌單元。總體地貌以破碎帶曲折且較長、走向NNE向(新的洋殼區(qū))和SN向或NNW向(老的洋殼區(qū))為顯著特征(圖2)。

2.3 二級構造地貌單元

(1)>120 Ma的南側(cè)洋殼地貌(II-1)

位于Conrad隆起以南,水深總體小于4000 m,局部有離軸火山錐。洋中脊總體近 EW 走向,形成于120 Ma之前,死亡的轉(zhuǎn)換斷層和相應的破碎帶為NE 走向(圖2)。

(2)>80 Ma的南側(cè)洋殼地貌(II-2)

位于Marion、Delcano、Crozet熱點群以南,總體水深大于4000 m。洋中脊總體也近EW走向,形成于80～120 Ma之間,死亡的轉(zhuǎn)換斷層和相應的破碎帶也為SN走向(圖2)。

(3)>40 Ma的南側(cè)洋殼地貌(II-3)

Delcano和 Crozet等三個高原或臺地的年代學結(jié)果表明,形成于 70 Ma左右。Delcano和 Crozet等三個高原相對洋中脊位置分別是坐軸、偏軸和離軸,水深相對>40 Ma的北側(cè)洋殼地貌水深較淺,可能與Crozet和Delcano熱點有關(圖2)。

(4)<40 Ma的洋殼地貌(II-4)

自西向東,洋中脊寬度逐漸變窄,水深總體淺于 3000 m,由中部向南北兩側(cè)水深加深,且北側(cè)水深明顯大于南側(cè)水深。研究區(qū)洋中脊可以被大型轉(zhuǎn)換斷層劃分為三個超級分段。東段次級轉(zhuǎn)換斷層等間距密集分布,地形和坡度變化較大;中西兩段轉(zhuǎn)換斷層相對稀少,且貫通性較差,地形和坡度變化不如東段明顯,可能與Madagascar熱點與<40 Ma的洋中脊相互作用有關(圖2)。

(5)>40 Ma的北側(cè)洋殼地貌(II-5)

>40 Ma的北側(cè)洋殼地貌位于<40 Ma的洋殼地貌以北,水深總體大于 4000 m,西部和東部水深大于 4000 m(圖2)。

(6)>80 Ma的北側(cè)洋殼地貌(II-6)

中部疊加有Madagascar水下臺地,高原水深淺于3000 m,且中段有一些離軸火山和Madagascar臺地相連。未見洋中脊,但磁條帶總體也近EW走向,形成于80～120 Ma之間,死亡的轉(zhuǎn)換斷層和相應的破碎帶也為 SN走向。Madagascar高原或臺地的年代學結(jié)果表明,其形成于90 Ma左右(圖2)。

(7)>120 Ma的北側(cè)洋殼地貌(II-7)

主要分布于非洲大陸以東和Madagascar水下臺地以西,中部水深總體大于5000 m,地形相對平坦。年代學表明,形成于120～140 Ma之間,死亡的轉(zhuǎn)換斷層和相應的破碎帶也為NNE走向,記錄了西南印度洋的早期演化歷史(圖2)。

2.4 三級構造地貌單元

(1)Prince Edwards 和Andrew Bain以西的超級洋中脊段(II-4-1)

整體長度較長,被次級轉(zhuǎn)換斷層分割為 6段,是正向擴張脊段,中部總體上水深偏淺,其北部水深最深大于5000 m。脊軸地貌特征具有與太平洋海隆相似的最寬闊的地形地貌,和超慢速擴張脊不吻合,是西南印度洋最為異常的脊段,可能與 Marion和Madagascar熱點的額外巖漿供應有關。但它還具有中央裂谷,這點又和慢速-超慢速擴張脊特征類似(圖2)。

(2)Andrew Bain和Discovery間的超級洋中脊段(II-4-2)

一般來說,超慢速擴張脊其地形都是陡峭的地形,坡度較大,且中央裂谷顯著,但是這段超級洋中脊段出現(xiàn)異常,地形相對平緩,坡度較小,異常的中央裂谷地形水深在3000 m左右,顯示出快速擴張脊的特點,這種地形地貌和地幔柱–洋中脊相互作用顯著的冰島類似,可能表明有異常巖漿的加入(圖2)。

(3)Discovery和 Gallieni間的超級洋中脊段(II-4-3)

這段洋中脊也是異常的中央裂谷地形,水深也在3000 m左右,但是異常寬度沒有Andrew Bain和Discovery間的超級洋中脊段的顯著,可能表明額外巖漿供給相對少(圖2、3)。

(4)Gallieni以東的超級洋中脊段(II-4-4)

該超級洋中脊段為正常的中央裂谷地形,水深也在4000 m左右,次級轉(zhuǎn)換斷層極其發(fā)育,至少6個四級段,密集且近等間距分布(圖2)。

2.5 四級構造地貌單元

(1)Indomed破碎帶以西(II-4-3-1和II-4-3-2)

相對東側(cè)這兩個單元較窄,中部洋中脊相對水深較大,但兩側(cè)水深相對東側(cè)單元變淺,可能與Madagascar高原密切相關。

(2)Indomed破碎帶以東(II-4-3-3)

總體特征是中部為一個相對高地形區(qū)域,形成年齡小于10 Ma。向兩側(cè)水深逐漸加深,年齡逐漸變大。

2.6 五級構造地貌單元

(1)北側(cè)地貌單元(II-4-3-3-1)

北側(cè)水深由3000 m向北逐漸加深到4000 m,西部發(fā)育幾條 NNE向的破碎帶,東部海山分布復雜,精細地貌表現(xiàn)為雁列式的海山排列。

(2)中央裂谷地貌單元(II-4-3-3-2)

中央地形相對高起,這與洋殼年輕有關,地殼沒有經(jīng)受充分冷卻,水深在2000 m到3000 m左右,中部發(fā)育不連續(xù)的裂谷,單個裂谷表現(xiàn)為菱形,類似拉分盆地,與洋中脊的拓展連接有關。

(3)南側(cè)地貌單元(II-4-3-3-3)

南側(cè)地貌單元的西部也發(fā)育幾條 NNE向的破碎帶,但不明顯,東部海山分布在精細的地貌圖上也表現(xiàn)為雁列式的海山排列。因此,南側(cè)的地貌格局和北側(cè)地貌單元的格局基本對稱、類似,是洋中脊對稱生長的表現(xiàn),但是水深總體相對北側(cè)較淺,主體水深在 2000 m到 3000 m,這可能和南部的Crozet熱點相關。

2.7 六級構造地貌單元

(1)正向擴張地貌單元(II-4-3-3-2-1):擴張方向和洋中脊段垂直。

(2)斜向裂谷地貌單元(II-4-3-3-2-2):裂谷軸和上一級次的洋中脊總體走向斜交。

(3)斜列擴張地貌單元(II-4-3-3-2-3):裂谷軸在該段由幾個斜列的裂谷組成(圖3)。

2.8 七級構造地貌單元

(1)直線型雁列式組合段(II-4-3-3-2-3-1)

表現(xiàn)為兩側(cè)平行洋中脊的主斷層基本平行洋中脊展布,但斜交洋中脊的斷層隨著洋中脊不斷擴張,斜交斷層不斷向兩側(cè)外移,導致斜交斷層呈雁列式,但它們的中心依然沿一條直線分布(圖3)。

(2)斜線型雁列式組合段(II-4-3-3-2-3-2)

表現(xiàn)為兩側(cè)平行洋中脊的主斷層基本平行洋中脊展布,呈雁列式展布;斜交洋中脊的斷層隨著洋中脊不斷擴張,斜交斷層也不斷向兩側(cè)外移,導致斜交斷層也呈雁列式,它們的中心沿一條斜線分布(圖3)。

(3)斜線型側(cè)列式組合裂谷段(II-4-3-3-2-3-3)

表現(xiàn)為兩側(cè)平行洋中脊的主斷層基本平行洋中脊展布,呈側(cè)列式展布;斜交洋中脊的斷層隨著洋中脊不斷擴張,斜交斷層不斷向兩側(cè)外移,導致斜交斷層呈雁列式,它們的中心也沿一條斜線分布(圖3)。

根據(jù)調(diào)查精細程度,每個七級構造地貌單元還可以進一步細分微地貌類型,如Sauter et al.(2002)劃分的平頂海山(flat-topped seamounts)、丘狀臺地(hummocky terrains)和平緩巖流(smooth flows)及構造發(fā)育區(qū)(tectonised area),在不同的區(qū)段這四種為地貌所占比例是變化,通常以一種或某兩種為主。這種非常精細的為地貌劃分對研究擴張速率低于 10 mm/a洋中脊的生長行為和增生方式非常有用。

2.9 異常構造地貌單元

(1)大火成巖省地形

主要表現(xiàn)為相對周邊洋殼水深較淺,面積較大的臺地,相對高差在2000～3000 m。研究區(qū)內(nèi)有最北部的Madagascar海臺、中部的Delcano和Crozet海臺、最南部的 Conrad隆起(圖2)。本文將現(xiàn)今這些已經(jīng)離散的海底臺地歸為二級構造地貌單元。研究表明,它們與Kerguelen海臺曾經(jīng)是連在一起的,與岡瓦納大陸的裂解密切相關。水深一般淺于2000 m。它們主體形成在老于80 Ma的洋殼之上,表明其形成較早。Conrad隆起等異常地貌單元以4000 m水深線為界,核部淺于3000 m水深,總體構成一個三角形水下高原或臺地。年代學研究表明,形成于90 Ma左右(圖2)。

(2)串珠狀海山

主要分布在Discovery破碎帶西側(cè),水深2000 m的海山呈串珠狀,它們坐落在3000 m水深的海底長垣臺地上,后者空間上明顯表現(xiàn)為與馬達加斯加脊具有相關性。最南端對應著Marion熱點,這個熱點年齡在83.6 Ma(Müller et al.,1993)。但這些串珠狀海山也形成在新的洋殼上的現(xiàn)象表明,Madagascar脊可能始終不斷向洋中脊供給過巖漿。

(3)海洋核雜巖地形

已有調(diào)查表明,西南印度洋中脊出露了大量超基性巖,在洋底超基性巖的出露都和海洋核雜巖的拆離剝露機制有關。特別是在慢速和超慢速擴張脊比較普遍。主要分布在兩種微構造環(huán)境:①平行洋中脊與斜交洋中脊的斷裂交叉部位;②轉(zhuǎn)換斷層和洋中脊交接部位,一般在內(nèi)側(cè)角位置。前者受擴張脊周期性擴張影響,可以出現(xiàn)離軸的多階段海洋核雜巖;后者則通常只見孤立的海洋核雜巖,且在拆離斷層面上,海底視像資料和精細多波束資料都可以揭示出大型窗棱構造。

(4)假斷層成因地形

在Discovery和Indomed破碎帶之間的洋中脊存在假斷層,是洋中脊拓展過程中形成的。從結(jié)構看,總體表現(xiàn)為 X形態(tài),即西側(cè)偏南的近東西向洋中脊向東生長和東側(cè)偏北的NEE向洋中脊向西生長,錯位連接過程中形成的,對應著斜列的海山或槽型地貌。

3 洋中脊分段性

從20世紀80年代以來,發(fā)現(xiàn)超快速擴張脊的擴張速率可達500 mm/a,超慢速擴張脊全擴張速率小于12 mm/a。無論是超快速、快速、中速、慢速,還是超慢速擴張脊都被轉(zhuǎn)換斷層和非轉(zhuǎn)換斷層不連續(xù)帶(non-transform discontinuities,NTD)分成許多段。關于 NTD的定義至今尚未明確,最早NTD是針對大西洋相對較窄的脊段提出的概念(Sempere et al.,1993;Lin et al.,1990;Tucholke and Lin,1994);而Sauter 將其應用到 SWIR,代表斜向擴張段(Sauter and Cannat,2010),但在 SWIR有些脊段并不適用(Dick et al.,2003)。但無論是大西洋中央裂谷較窄段還是 SWIR的斜向擴張段,它們都有一個共同特征就是巖漿供應量較少,所以,用巖漿供應量較少來定義 NTD比較合適。洋中脊的分段型式(segment pattern)主要原則是依據(jù)沿軸海底谷地深度的變化以及分段末端的軸部錯移(Cannat et al.,1999),同時可考慮軸部地幔布格重力異常(Sauter et al.,2002)、磁條帶特征(Kamesh et al.,2012)等。Sauter et al.(2002)對超慢速擴張脊水深的深部位作為分段處,具有一定寬度,這是基于“巖漿房(magma chamber)位于水深高部位(bathymetric high)”這個“現(xiàn)象”而劃分的。但是,本文認為應當相反,即將其劃分段落的中部水深較淺的部位作為分段處,非常類似盆地構造中的變換帶(transfer zone),這與Kamesh et al.(2012)對西北印度洋的劃分原則一致,是基于洋中脊巖漿生成與運聚“過程”而劃分的,因為洋中脊降壓部位多數(shù)為水深較深部位,因而該段容易發(fā)生降壓熔融產(chǎn)生巖漿,是真正的巖漿生成區(qū),而前人認為的“巖漿房”只不過是巖漿聚集區(qū),因為該區(qū)常常是斷裂末梢部位,是弱應力區(qū),因而也是流體(熱液和巖漿等)運聚的指向?？紤]到洋中脊過程的重要性,因而分段性研究涉及分段機制研究,其分段機制與洋中脊拓展(propagation)、疊接(overlapping)、躍遷(jumping)或廢棄(abandonment)、死亡過程密切相關,而拓展、疊接過程又受多種動力要素控制。因此,本文基于超慢速的西南印度洋洋中脊的構造地貌特征,主要討論超慢速洋中脊分段性及其拓展和疊接機制。

通過對快速拓展洋脊(東太平洋)和緩慢拓展洋脊(大西洋和印度洋)分段的綜合分析,并據(jù)切割洋脊的不同規(guī)模和樣式的間斷,傳統(tǒng)上洋脊分段特征可以劃分為4級(表1)。超慢速的西南印度洋洋中脊具有同樣的規(guī)律,應當和前文所詳細劃分出 7級的海盆區(qū)域構造地貌加以區(qū)別。因此,下述僅針對洋中脊構造地貌的分段型式做進一步歸納。其中,轉(zhuǎn)換斷層是洋中脊的 1級間斷,但其錯斷洋脊距離可達45 km(Gallieni轉(zhuǎn)換斷層以東)到500 km(Andrew Bain轉(zhuǎn)換斷層)不等,其長度介于30 km(Gallieni以東密集轉(zhuǎn)換斷層兩兩之間)到 1000 km(Indomed 和Gallieni轉(zhuǎn)換斷層之間),存在壽命可達10 個百萬年;洋中脊中的分段型式除轉(zhuǎn)換斷層外,在兩條轉(zhuǎn)換斷層之間還被疊接拓展中心、斜向剪切帶、火山間隔和橫向斷錯等分為 2～4級間斷,使洋中脊錯斷距離逐漸減少(圖1);2～4級區(qū)段的洋中脊長度也越來越小,存在的壽命也越來越短,直至 4級區(qū)段的洋中脊長度一般小于10 km,存在壽命為102～104a。但有的轉(zhuǎn)換斷層之間難以劃分 2～4級洋中脊段,如Gallieni和Atlantis II 轉(zhuǎn)換斷層之間。

表1 西南印度洋洋中脊不同級別的脊段特征Table1 Characteristics of segmentation of the Southwest Indian Ridge (SWIR)

總體上,較長的脊段往往由相鄰較短脊段的不斷損耗或拓展、連接而逐漸生長,以致于較長的脊段不斷增長其長度和壽命,而短脊段只能存在一定的時間范圍內(nèi);橫向上,大多數(shù)洋脊分段主要涉及到洋脊內(nèi)部谷地,特別是軸向火山脊;縱向上,各段洋脊的中央裂谷表現(xiàn)為中間寬、兩端漸窄,巖漿熱和地熱梯度在中部比兩端和邊緣高(馬宗晉等,1998)。

4 海底擴張、熱點活動和深部巖漿供應

4.1 磁條帶與海底擴張

磁條帶形成于洋中脊的對稱擴張(圖1),一般形成洋中脊兩側(cè)對稱的構造地貌,記錄了洋中脊擴張的百萬年分辨尺度的行為、過程和大洋整個演化歷史。磁條帶同樣被轉(zhuǎn)換斷層或非轉(zhuǎn)換斷層切割為多個段落,因而可以有效分辨洋中脊分段性,這種分段性也體現(xiàn)在洋底構造地貌的分段特征上。因而,磁條帶年齡可以有效用于厘定洋中脊構造地貌年齡。印度洋的磁條帶表明(Müller et al.,2008),洋中脊最早形成于140 Ma以來,主體形成于120 Ma以來(圖1),現(xiàn)今洋中脊高部位的洋殼年齡主要形成于10 Ma以來(圖2),洋中脊裂谷主要形成于 1～0 Ma期間。但是全球尺度磁條帶沒能精細與構造地貌進行詳細關聯(lián),因而是一個概略的演化歷史,沒有體現(xiàn)區(qū)域尺度洋盆的演化。

4.2 熱點活動及年代

印度洋熱點活動導致了一些異常的構造地貌。Marion熱點是一個潛在的最為古老的熱點(>183～184 Ma),形成了南非的 Karoo溢流玄武巖(Frey et al.,2000),也有可能形成了Madagascar的白堊紀溢流玄武巖的主體(Storey et al.,1995;Mahoney et al.,1991)。Madagascar東南在90 Ma時期是位于Marion地幔柱之上,該地幔柱古緯度為 45.3°+5.3°/–4.7°S,與觀察到的現(xiàn)今46°S,37.8°E的位置沒有太大差別。這可以看做是Marion地幔柱在最近90 Ma以來相對地磁極基本沒有移動的證據(jù)。隨后Madagascar發(fā)生雙峰式火山作用,該地幔柱 87.6 Ma開始在 Madagascar南部和 Marion島之間形成了 Madagascar脊,巖漿作用持續(xù)了 6個百萬年(Storey et al.,1995;Georgen et al.,2001;O’Neill et al.,2003)。

印度洋熱點引起了廣泛關注,有大量的年齡和古地磁資料可以約束其演化(表2,O’Neill et al.,2003)。Torsvik et al.(1998)認為Marion地幔柱起源于Madagascar西南部,年齡為83.6±1.6 Ma,據(jù)晚白堊世平均古地磁極得出其古經(jīng)、緯度為 5.3°E和45.3°S。Duncan and Hargraves (1990)據(jù) ODP 孔 115井(706、707和 715位置)報道了 Reunion熱點軌跡的一致線年齡,Vandamme and Courtillot (1990)提供了這些地點的古地磁結(jié)果。Hofmann et al.(2000)補充并總結(jié)了德干(Deccan)高原玄武巖的年齡,平均年齡為65.5 Ma。Courtillot et al.(1986)提供了Deccan的古地磁結(jié)果。

Kerguelen熱點被認為位于Kerguelen群島之下,即 49°S,69.5°N(Frey et al.,2000),位于 Kerguelen 的北端。高原長2300 km,被分割為三個大的區(qū)域。 北部Kerguelen高原僅僅出露三個地點,即Kerguelen、Heard和 MacDonald島?，F(xiàn)今的火山中心就在北部Kerguelen高原和Heard及MacDonald島上(Barling,1990)。年齡具有遞進關系,近來分別在最北端的位置1140和1139(Duncan,2002)獲得年齡為34 Ma和68 Ma。Duncan (2002)最近在中部高原獲得(位置1138)100.4±0.7 Ma的年齡。南部高原逐漸加深,年齡為 118～119 Ma(位置 1136,Duncan,2002)和 110～112 Ma(位置 749和 750,Coffin,2002)。Elan Bank微大陸位于南部高原的西緣,是一個不早于124 Ma的微大陸殘片。124 Ma時,印度次大陸正好位于Kerguelen地幔柱之上(Morgan,1981);Kerguelen高原對應著印度–澳大利亞板塊上Broken高原(>95 Ma,Duncan,2002;Houtz et al.,1977),兩者被東南印度洋中脊分割(O’Neill et al.,2003)。

4.3 洋中脊深部熔體供應方式

洋底的構造地貌主要受控于巖漿活動與構造活動的強弱對比,因此,深入了解洋中脊深部熔體供應方式對認識構造地貌的深部制約機制非常重要。通過地球物理手段,對洋中脊地幔布格重力異常(MBA)和 S波速度進行分析,可以建立洋中脊深部地殼和上地幔的密度(成分)結(jié)構和溫度結(jié)構。玄武巖地球化學中Na8值可以反映在MgO含量為8%時低壓分離結(jié)晶作用的程度,即可以用來判斷洋中脊熔體供應的變化;粗粒斜方輝石組成也是地幔熔融程度的很好的指示劑(Wang et al.,2013)。西南印度洋相關研究表明,已有大尺度(>200 km)地球化學和地球物理異常支持上述一級分段(Sauter and Cannat,2010)。其中,Indomed和 Gallieni轉(zhuǎn)換斷層之間的MBA低值異常被認為是 Crozet熱點和洋中脊發(fā)生相互作用所致(Sauter et al.,2009);Zhao et al.(2013)推測該段異常可能由拆離斷層或海洋核雜巖導致,拆離斷層為熱液對流提供了通道。本文認為在Prince Edward與Discovery II轉(zhuǎn)換斷層之間的MBA低值異?？赡苁荕adagascar脊與西南印度洋相互作用的結(jié)果。這一結(jié)果也與75 km深處層析成像揭示的較大的 S波負異常一致,為地幔熱區(qū)的反映(Debayle et al.,2005)。同時,這兩個異常洋中脊段的Na8值也相對較低,意味著地幔內(nèi)較高的部分熔融。而Indomed和Discovery II轉(zhuǎn)換斷層之間Na8值較高(Cannat et al.,2008;Klein and Langmuir,1987)。從剪切波速度分析,在Gallieni轉(zhuǎn)換斷層以東沿軸發(fā)生遞增,表明這段深部地幔較冷(Debayle and Lévêque,1997),Na8值也遞增,這說明向東地幔部分熔融程度的降低和巖漿供應量的降低。Fe8含量變化與Na8含量變化是負相關,該段 Fe8變化反映了相同的巖漿供應特征(Klein and Langmuir,1987);正因如此,62°E 以東洋中脊火山活動較少。其他沿軸地球化學異常,如Sm/Yb或CaO/Al2O3比值,也支持Gallieni轉(zhuǎn)換斷層以西的軸下地幔溫度較高這一結(jié)論(Font et al.,2007;Meyzen et al.,2003)。從Prince Edward轉(zhuǎn)換斷層以西,即連續(xù)的系列轉(zhuǎn)換斷層帶部位相同的研究表明,該段洋中脊巖漿供應量具有向西遞減;但再向西,正向超級擴張段巖漿供應量又突然增加,但巖漿供應量總體不如西南印度洋具有最厚地殼和熱地幔的中段高。

表2 印度洋熱點或海臺年齡和古緯度統(tǒng)計(據(jù)O’Neill et al.,2003補充)Table2 Summary of age and paleolatitude data of hotspots or plateaus in the Indian Ocean

對于整個西南印度洋的巖漿供應模式,目前存在多種爭論(Sauter and Cannat,2010)。但至少基于擴張速率和熔體量關系的洋中脊下地幔上升的絕熱降壓模式(White et al.,2001)、Bown and White (1994)的擴張速率相關聯(lián)的巖石圈楔角角流模式和 Reid and Jackson (1981)角流模式都不適用于西南印度洋。White et al.(2001)提出的非集中式地幔上涌模式可以解釋西南印度洋中部熱地幔和東部冷地幔異常,但和地球物理和地球化學證據(jù)不一致。為此,Cannat et al.(2008)提出了一個非集中式地幔上涌的替代模式。然而這些模式都基于該區(qū)地幔源區(qū)在化學上和礦物組成上均一的這樣一個假設。Niu and O’Hara(2008)提出地幔成分的不均一性也可以導致熔體生產(chǎn)率大尺度的變化。但這種地幔源區(qū)初始不均一性和相關熔融機制的研究主要集中在西南印度洋東西兩端的對比(Sauter and Cannat,2010),中部沒有詳細討論。

洋中脊是地球散熱的主要場所,大約 70%的巖漿作用發(fā)生在這里(Standish and Sims,2010)。對于超慢速洋中脊軸部巖漿聚集(集中)過程(Sauter et al.,2004),正常情況下與快速、中速洋中脊軸部的巖漿集結(jié)過程集中式(淺表可達3 km的渠道式、管道式)噴發(fā)或溢出不同,占全球洋中脊 1/3的超慢速擴張脊的巖漿可能是沿著斷裂系統(tǒng)彌散性噴發(fā)或溢流(Standish and Sims,2010),軸部大量斷崖、后傾地幔塊體和參差的海底地形也不允許淺表以渠道式溢流超過1 km以外。其過程主要受斷裂孕育和生長過程制約,而且?guī)r漿供應量小,擴張伸展導致超慢速擴張脊的增生過程不是受巖漿控制,而是表現(xiàn)為構造增生,因而超慢速擴張脊相對發(fā)育地幔橄欖巖。但是,這是一種正常狀態(tài)。

西南印度洋中部的調(diào)查表明,它雖然是一個無巖漿增生脊段,但也存在大量的洋中脊構造-巖漿過程,主要是異常熱的加入。這些異常熱主要來源于地幔柱或熱點與洋中脊的相互作用,其巖漿過程是深部和淺部兩種動力控制的。以往都是將這些地段的臺地或離軸火山當作是新的巖漿侵入,或者巖席侵入或側(cè)向巖墻侵入,但西南印度洋很多離軸火山或臺地,主要是早期死亡的熱點造成的。當前只是從地球化學角度揭示了熱點和洋中脊存在相互作用,但對相互作用的構造-巖漿細節(jié)過程并不清楚。西南印度洋的詳細多波束資料似乎表明,當熱點正位于洋中脊之上時,地幔柱巖漿可能沿超慢速洋中脊軸向遷移,從而表現(xiàn)在地形上以假斷層為邊界的楔形,一些巖漿遷移似乎也沿斷裂分布,超慢速擴張脊的密集轉(zhuǎn)換斷層又可能是巖漿沿軸遷移的障礙,而且斜向擴張和厚而冷的巖石圈可大大降低巖漿活動。但是,數(shù)值模擬表明,一些斷裂活動深達脆韌性轉(zhuǎn)換帶,巖漿易于沿軸部這個轉(zhuǎn)換帶沿軸發(fā)生深層遷移,同時淺部海洋核雜巖活動期間,拆離斷層角度不斷變小,地幔塊體的撓曲導致滲透率增加,促進了超慢速擴張脊的巖漿集中和沿先存長壽命的高角度斷裂就位(Buck et al.,2005;Tucholke et al.,2008),因而這個地段也是熱液噴口發(fā)育和現(xiàn)代成礦作用正發(fā)生的地段。

5 結(jié) 論

通過以上綜合研究,本文得出以下幾點新認識:

(1)西南印度洋中段可以劃分為 4個三級分段,從西向東分別被Prince Edwards 和Andrew Bain、Discovery II、Gallieni轉(zhuǎn)換斷層分割,分別反映為強熱點–洋中脊相互作用的擴張脊、弱熱點–洋中脊相互作用的擴張脊、正常超慢速擴張脊的三級構造地貌類型。每個三級分段可進一步劃分為3～4個四級分段。本文側(cè)重了Discovery II-Gallieni轉(zhuǎn)換斷層間四級分段的詳細劃分,其中第七級構造地貌單元有側(cè)列式裂谷(剪切帶)、雁列式裂谷、橫斷層帶等構造分割。

(2)超慢速擴張脊一般來說巖漿活動急劇減小,甚至在部分區(qū)域完全缺失(Dick et al.,2003)。熱源的減少限制了超慢速擴張洋中脊上熱液噴口的出現(xiàn)機率。西南印度洋洋中脊中段熱液噴口異常發(fā)育的原因是熱點與洋中脊的相互作用,該區(qū)熱點比較發(fā)育,洋中脊先后受Marion熱點、Crozet熱點、Conrad熱點的影響,曾經(jīng)經(jīng)歷了 3次洋中脊躍遷,時間分別為 80 Ma、60 Ma和40 Ma。

(3)西南印度洋存在多個多期熱點與洋中脊相互作用的過程,地幔柱巖漿可能沿超慢速洋中脊軸向遷移,從而表現(xiàn)在地形上為假斷層為邊界的楔形,一些巖漿遷移似乎也沿斷裂分布,超慢速擴張脊的密集轉(zhuǎn)換斷層又可能是巖漿沿軸遷移的障礙,而且斜向擴張和厚而冷的巖石圈可大大降低巖漿活動。

致謝:本文撰寫了兩年整,期間得到了很多專家的指點,悉尼大學Dietmar Müller教授和Sabin博士在2013年 9～11月李三忠訪問悉尼大學期間給予的指導,中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所肖文交研究員和另兩位匿名審稿人提出了建設性修改建議,在此一并致以特別感謝。

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