李園潔， 魏東平， 劉青松

1 中國科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100049 2 中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 北京　100049 3 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京　100029 4 青島國家海洋科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室， 青島　266061

南大西洋洋中脊板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程：古地磁的約束

李園潔1,2， 魏東平1,2， 劉青松3,4*

1 中國科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100049 2 中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 北京100049 3 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京100029 4 青島國家海洋科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室， 青島266061

摘要海底磁異常的形態(tài)與洋中脊兩側(cè)板塊的微運(yùn)動(dòng)或變形密切相關(guān).因此，這方面的研究可為確定板塊運(yùn)動(dòng)的演化歷史、小尺度的動(dòng)力學(xué)過程以及洋中脊分段的機(jī)制等提供重要約束.本文對南大西洋一段洋中脊(31°S—34.5°S)兩側(cè)的磁異常的偏度進(jìn)行了系統(tǒng)研究.結(jié)果表明研究區(qū)域內(nèi)擴(kuò)張方向并不總是垂直于洋中脊走向，并且研究區(qū)域不同剖面的擴(kuò)張方向也不一致，具體表現(xiàn)為從北向南，平均擴(kuò)張方向逐漸增加，依次為33.6°±5.3°、62.8°±13.0°以及94.3°±8.0°.這表明洋中脊的傾斜擴(kuò)張機(jī)制具有復(fù)雜性，初步解釋應(yīng)該與轉(zhuǎn)換斷層的剪切應(yīng)力增加有關(guān).深部輝長巖層傾斜和擴(kuò)張速率不對稱性對海底磁異常偏度的影響值得深入研究.另外，由北向南確定的歐拉極向東移動(dòng)，表明洋中脊兩側(cè)的板塊在6.5 Ma期間存在劇烈形變.

關(guān)鍵詞板塊運(yùn)動(dòng)；古地磁；海洋磁異常

1引言

在地質(zhì)歷史時(shí)期，地球磁場經(jīng)歷了多次極性倒轉(zhuǎn)，洋中脊兩側(cè)噴發(fā)的巖漿冷卻時(shí)，可以記錄到當(dāng)時(shí)地球磁場的信息.隨后巖漿冷卻形成洋殼，并向洋中脊兩邊擴(kuò)張，在洋中脊兩側(cè)形成正負(fù)極性相間的磁異常條帶(Vine and Matthews，1963).洋中脊兩側(cè)的磁異常條帶不僅攜帶有地球磁場倒轉(zhuǎn)、磁場強(qiáng)度以及年齡等信息(Cox，1969；Harrison，1976；Cande and Kent，1992；Gee et al.，2000；Pouliquen et al.，2001)，而且通過分析洋中脊磁條帶的擴(kuò)張方向，可以深入研究兩個(gè)板塊之間、板塊內(nèi)部微小的相對運(yùn)動(dòng)或變形(Martinez et al.，1991).

目前，觀測板塊運(yùn)動(dòng)與構(gòu)造變形微變化的主要方法包括全球定位系統(tǒng)(GPS)(孟國杰，2001；金雙根，2003；任雅奇，2012)、鉆孔(Hurst et al.，1994；Horst et al.，2011)以及磁異常分析等(Murton and Parson，1993).GPS方法只能研究最近幾十年來全球板塊的相對運(yùn)動(dòng)(孟國杰，2001；金雙根，2003；任雅奇，2012).鉆孔獲取的資料可以得到運(yùn)動(dòng)或變形的年齡，但是數(shù)據(jù)比較分散，成本也高(Hurst et al.，1994；Horst et al.，2011).海底磁異常帶連續(xù)記錄了過去160 Ma洋中脊兩側(cè)板塊運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)過程，其磁異常帶序列具有年代學(xué)意義，數(shù)據(jù)也較為連續(xù)(Cande and Kent，1992；Murton and Parson，1993；Gradstein et al.，2004).通過研究海底磁異常記錄，可以獲得洋中脊兩側(cè)板塊的微運(yùn)動(dòng)或變形，這對研究板塊運(yùn)動(dòng)的演化歷史，以及小尺度的動(dòng)力學(xué)過程及洋中脊分段的機(jī)制等具有重要的科學(xué)意義.

南大西洋洋中脊兩側(cè)的磁異常條帶具有對稱性好和異常易識(shí)別等特點(diǎn)(Cande and Kent，1992).本文研究將重點(diǎn)聚焦南大西洋的一段洋中脊(31°S—34.5°S，12°W—16°W).該區(qū)域地形地貌條件復(fù)雜，從深窄的中央裂谷到寬緩的軸上凸起都有分布，既有慢速擴(kuò)張洋中脊典型特點(diǎn)，也有快速擴(kuò)張洋中脊的特征(Fox et al.，1991)，是研究板塊間微小相對運(yùn)動(dòng)的理想?yún)^(qū)域.在該研究區(qū)域，美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)收錄了20世紀(jì)70年代到90年代觀測的磁異常數(shù)據(jù)(http:∥www.ngdc.noaa.gov/mgg/geodas/trackline.html)，測線密度和數(shù)據(jù)精度高.

本文首先對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差和信號(hào)處理，獲得高信噪比的磁異常剖面，然后利用Modmag磁異常條帶正演軟件(Mendel et al.，2005)，對這個(gè)區(qū)域多條磁異常剖面進(jìn)行模擬，并與實(shí)測剖面進(jìn)行對比，進(jìn)一步確定出擬合程度最好的擴(kuò)張方向的范圍，并討論擴(kuò)張模式、動(dòng)力學(xué)過程及運(yùn)動(dòng)學(xué)過程等.

2磁異常數(shù)據(jù)的預(yù)處理及正演

南大西洋31°S—34.5°S之間的洋中脊附近存在多種地貌，并且由于存在轉(zhuǎn)換斷層和間斷區(qū)右旋平移，洋中脊被分成幾段(Grindlay et al.，1991)，這些轉(zhuǎn)換斷層和間斷區(qū)由北向南依次為31°15′S間斷區(qū)、Cox斷裂帶、33°30′S間斷區(qū)和Meteor斷裂帶.以這些間斷區(qū)和斷裂帶為邊界，可將研究區(qū)域分為3個(gè)小區(qū)域：區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3(圖1a).由測深圖(圖1a)，區(qū)域1和區(qū)域3洋中脊的脊軸上存在1～2 km深的中央裂谷，這是慢速擴(kuò)張洋中脊典型的地形特征，而區(qū)域2洋中脊的脊軸上地形變化比較平緩，是快速擴(kuò)張洋中脊的典型地形特征(MacDonald et al.，1991).目前認(rèn)為研究區(qū)域的洋中脊處在(30～80 mm·a-1)和慢速擴(kuò)張(<30 mm·a-1)的分界上.

處于Cox斷裂帶和Meteor斷裂帶的洋中脊分別平移了92 km和69 km，在兩個(gè)斷裂區(qū)的狹窄深谷的走向都為80°.位于33°30′S的間斷區(qū)洋中脊軸移動(dòng)了30 km，31°15′S處的間斷區(qū)洋中脊軸偏移大約10 km，在這兩個(gè)間斷區(qū)存在傾斜走向的海盆，在研究區(qū)的磁異常數(shù)據(jù)來自NGDC收錄的20世紀(jì)70年代—90年代的十幾次磁異常觀測成果.這些數(shù)據(jù)來源于不同的機(jī)構(gòu)，為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理之前需要進(jìn)行誤差分析.依據(jù)Quesnel等(2009)提出的方法，數(shù)據(jù)分析主要包括以下幾個(gè)步驟：1)時(shí)間和位置誤差的校正.每條測線的采集時(shí)間都要檢查，去掉重復(fù)或者錯(cuò)誤的時(shí)間記錄；2)地核場和外部場的校正.用綜合模型4(CM4)作為參考場，估計(jì)出地核場和外部場；3)航海數(shù)據(jù)篩選.一些測線的磁異常和總磁場數(shù)據(jù)恒定地增加或減少，或者與緯度成一定比例等，刪掉這樣的測線.另外，刪掉或改正跳躍點(diǎn)、奇異點(diǎn)和其他手寫錯(cuò)誤.為提高信噪比，采用余弦錐帶通濾波器進(jìn)行濾波(Schouten and McCamy，1972)，完全壓制小于2.5 km和大于150 km、保留5.0～100 km成分.

圖1　研究區(qū)域測深圖(a)和磁異常平面圖(b)(b)中藍(lán)色直線表示洋中脊位置，黑色實(shí)線表示磁異常剖面位置.Fig.1　Bathymetry (a) and magnetic anomaly field (b) for the study area In (b), blue solid line mark location of the mid-ocean ridge, and black solid lines (A1A1′, B1B1′, C1C1′) indicate locations of magnetic anomaly profiles used in the modeling.

31°15′S以雁陣式排列，在33°30′S以大約45°傾斜于洋中脊(Fox et al.，1991；Carbotte et al.，1991).

經(jīng)過預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)可以用來直接繪制區(qū)域磁異常平面圖(圖1b).采用最小曲率法的網(wǎng)格化方法，網(wǎng)格間隔0.5 km×0.6 km.文中所用到的剖面是從磁異常圖上直接截取垂直于洋中脊的剖面，這種做法的優(yōu)勢是在磁異常圖上比較容易追蹤磁異常的延展，為剖面圖上的磁異常年齡的界定提供很大的方便，另外在平面圖上可以清晰地看到西部32.5°S附近和東部邊緣31.5°附近都有非條帶分布的負(fù)磁異常，可能是局部異常，這對磁異常的解釋增加了復(fù)雜性，因此截取的剖面會(huì)避開這兩個(gè)局部異常.

對三個(gè)區(qū)域不同剖面利用Modmag軟件進(jìn)行正演模擬(Mendel et al.，2005)，Modmag軟件是一種基于Matlab的程序，具有直觀化、高效等優(yōu)點(diǎn)，用戶需要輸入的參數(shù)包括擴(kuò)張速率、不對稱率、軸上跳躍、擴(kuò)張方向和磁源層的厚度、磁化強(qiáng)度以及地磁場的磁偏角和磁傾角等.這里的擴(kuò)張方向是順時(shí)針到正北向的角度.洋殼被磁化的部分稱為磁源體，其厚度相對于磁異常條帶延伸的長度非常小，因此可以看作是長度無限延伸厚度一定的二維磁源層.Modmag軟件相對其他正演模擬的模型(Vine，1966；Schouten，1971；Cande and Kent，1976)的一大優(yōu)勢在于加入了地形的影響，這樣，磁源層的橫切面為多個(gè)不規(guī)則多邊形組成(Mendel et al.，2005)更符合實(shí)際情況.

3擴(kuò)張方向的估計(jì)

3.1估計(jì)擴(kuò)張方向的方法

一般認(rèn)為海底磁異常形狀主要由地磁場方向和磁源層受到剩余磁化的方向及走向決定的(Cande and Kent，1976；Schouten and Cande，1976)，雖然構(gòu)造旋轉(zhuǎn)(Verosub and Moores，1981)、地核場強(qiáng)度變化(Cande et al.，1978)、化學(xué)剩磁(Raymond and LaBrecque,1987)和熱黏剩磁(Arkani，1989)等也都有可能使磁異常形狀變得不對稱，也就是產(chǎn)生偏態(tài)，但這些因素對偏態(tài)度異常的影響還存在爭議(Roest et al.，1992)，不是主要的作用，因此，正演模型中不考慮這部分的影響.對于穿過洋中脊或年輕洋殼的剖面，通常認(rèn)為剩余磁化的方向與研究區(qū)域現(xiàn)在地球磁場的方向平行(Mendel et al.，2005).因此，正演模擬簡化磁異常的形狀主要由地磁場和磁源層的走向確定.

在正演模型中，擴(kuò)張方向垂直于磁源層的走向，而實(shí)際觀測剖面不一定總平行于擴(kuò)張方向.磁測剖面的走向與擴(kuò)張方向之差，這里稱為傾斜度.為分析擴(kuò)張方向或傾斜度的變化對磁異常剖面的影響，使用CK92地磁極性年表建立極性倒轉(zhuǎn)模型(Cande and Kent，1992).根據(jù)測深圖，研究區(qū)域的洋殼平均深度大約為3 km，模型中的磁源層取深度3 km，厚度0.5 km.計(jì)算的地磁場偏角-25.06°，磁傾角-62.86°.磁源體軸上受到13 A/m的磁化，軸下的磁化強(qiáng)度為7 A/m，觀測剖面走向?yàn)?2°，可得到隨著傾斜度由-72°(擴(kuò)張方向0°)以20°為增量增加到88°(擴(kuò)張方向160°)的磁異常曲線的變化圖(圖2a).隨著傾斜度絕對值的變大，磁異常的形狀偏態(tài)越明顯，而傾斜度趨于0，或擴(kuò)張方向接近剖面走向，磁異常形狀越趨于對稱.可見擴(kuò)張方向的選取對磁異常形狀的影響非常明顯，因此正演模擬與實(shí)測曲線比較時(shí)，以改變不同的擴(kuò)張方向值為基礎(chǔ)，改變擴(kuò)張速率、不對稱性等參數(shù)，以獲得磁異常的形狀實(shí)測曲線較吻合的結(jié)果.

為評(píng)估正演軟件模擬的磁異常曲線與實(shí)測曲線的吻合程度，本文用曲線的相關(guān)系數(shù)來表示.相關(guān)系數(shù)反映的是兩個(gè)變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度，而模擬曲線與實(shí)測結(jié)果之間應(yīng)該具有一致性變化，存在正相關(guān)關(guān)系，因此用相關(guān)系數(shù)表示兩者之間的吻合程度比較合理，相關(guān)系數(shù)越接近1表示吻合程度越好.一條剖面不同擴(kuò)張方向時(shí)模擬得到一系列的相關(guān)系數(shù)，這些相關(guān)系數(shù)理論上滿足正態(tài)分布，越接近真實(shí)擴(kuò)張方向越靠近正態(tài)分布的峰值，而遠(yuǎn)離真實(shí)擴(kuò)張方向就越趨向正態(tài)分布的小概率事件.利用不同擴(kuò)張方向的剖面的相關(guān)系數(shù)滿足正態(tài)分布的特性就可估計(jì)出擴(kuò)張方向的范圍.具體步驟如下：

(1) 對不同擴(kuò)張方向的剖面進(jìn)行正演模擬，與實(shí)測結(jié)果比較，求出相關(guān)系數(shù)；

(2) 得到一個(gè)剖面不同擴(kuò)張方向時(shí)的一系列相關(guān)系數(shù)；

(3) 對這些相關(guān)系數(shù)進(jìn)行正態(tài)分布擬合，得到總體均值及95%置信區(qū)間范圍，即主要擴(kuò)張方向及范圍.

圖2b為研究區(qū)域內(nèi)的一條典型的磁異常剖面A1-A1′，剖面長度大約300 km，最早年齡為6.5 Ma，磁異常特征明顯，比較容易識(shí)別出異常1-異常3′，洋中脊兩側(cè)的磁異常具有不對稱性，每個(gè)倒轉(zhuǎn)時(shí)期內(nèi)異常的形狀存在偏態(tài)，這種偏態(tài)度主要由地磁場的方向和磁源體的走向決定的，研究區(qū)域內(nèi)地磁場方向是確定的，磁源體的走向與擴(kuò)張方向垂直，因此這種偏態(tài)度主要由擴(kuò)張方向確定.

圖2　隨傾斜度的增加磁異常形狀的變化(a)以及典型磁異常剖面的年齡劃分(b)Fig.2　Change of shape of the magnetic anomaly with obliquity (a) and the age determination for typical profile (b)

3.2典型剖面正演模擬

三個(gè)研究區(qū)域中分別選擇不同的磁異常剖面進(jìn)行Modmag軟件正演模擬.圖3是區(qū)域1典型剖面A1-A1′不同擴(kuò)張方向的正演模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較.在不同擴(kuò)張方向的情況下，調(diào)整擴(kuò)張速率、速率不對稱性等參數(shù),使得正演模擬結(jié)果接近實(shí)測結(jié)果.模型的地磁場參數(shù)與之前的相同，洋中脊軸上磁化強(qiáng)度為10 A/m，與磁異常剖面的中央異常比較吻合，軸下即兩翼磁化強(qiáng)度設(shè)為7 A/m，觀測的異常存在高值也有低值，綜合取中間值.厚度設(shè)為0.5 km，深度范圍在2～4 km.區(qū)域1洋中脊平均擴(kuò)張速率為40 mm·a-1，存在不對稱性，東翼擴(kuò)張更快.比較不同擴(kuò)張方向的模擬剖面，擴(kuò)張方向?yàn)?0°時(shí)，中央異常與觀測的非常吻合，而其他擴(kuò)張方向情況，中央異常存在一定的偏差；所有剖面，東翼異常2模擬結(jié)果的幅值比實(shí)測的高很多，西翼的較吻合；洋脊兩側(cè)異常2′模擬的結(jié)果和觀測的異常形狀存在較大的差異；異常3、異常3′幅值較為吻合，變化規(guī)律一致，除了異常3′在東翼磁異常特征與實(shí)測不一致.

圖4是區(qū)域2典型剖面B3-B3′不同擴(kuò)張方向的正演模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較.平均擴(kuò)張速率42 mm·a-1，擴(kuò)張方向?yàn)?0°時(shí)，中央異常形狀偏態(tài)吻合得最好.異常2在兩側(cè)模擬結(jié)果比實(shí)測的幅值稍高.其他異常都較為吻合，除了異常3′在西翼磁異常特征與實(shí)測不一致.

區(qū)域3中C3-C3剖面擴(kuò)張方向分別為50°、70°、90°、110°建立正演模型(圖5)，模擬結(jié)果與觀測的磁異常進(jìn)行對比，擴(kuò)張方向?yàn)?0°的中央異常與觀測的結(jié)果最為吻合.異常2在東翼模擬結(jié)果的幅值比實(shí)測的值高，在西翼的模擬結(jié)果與實(shí)測的值較吻合；洋中脊兩側(cè)異常2′模擬的結(jié)果和觀測的異常形狀變化存在較大的差異；異常3、異常3′ 模擬的結(jié)果與實(shí)測的值相比，除了異常3′在西翼磁異常特征與實(shí)測不一致，其他變化規(guī)律基本一致，幅值也較為吻合.3.3區(qū)域擴(kuò)張方向的確定研究區(qū)域不同擴(kuò)張方向模擬的結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行對比，表示兩者之間吻合程度的相關(guān)系數(shù)與擴(kuò)張方向的變化存在一定的高斯關(guān)系(圖6).區(qū)域1 中模擬結(jié)果與觀測值之間的相關(guān)系數(shù)隨擴(kuò)張方向變化進(jìn)行正態(tài)分布的擬合，表示擬合程度的確定系數(shù)r2為0.858，擬合程度較好，表明相關(guān)系數(shù)與擴(kuò)張方向之間滿足正態(tài)分布.擬合的正態(tài)分布均值為29.0°±5.0°，正態(tài)分布的隨機(jī)變量關(guān)于均值對稱，擴(kuò)張方向?yàn)榫禃r(shí)，相關(guān)系數(shù)值最高，用均值表示最優(yōu)的擴(kuò)張方向29.0°±5.0°.區(qū)域2剖面相關(guān)系數(shù)和擴(kuò)張方向與正態(tài)分布進(jìn)行高斯擬合，確定系數(shù)r2為0.86，擬合程度好，可以用正態(tài)分布表示相關(guān)系數(shù)和擴(kuò)張方向之間的關(guān)系，均值72.0°±10.0°可表示為最優(yōu)擴(kuò)張方向.區(qū)域3中剖面模擬的相關(guān)系數(shù)和擴(kuò)張方向進(jìn)行高斯擬合，確定系數(shù)r2為0.98，擬合程度很好，相關(guān)系數(shù)和擴(kuò)張方向之間滿足正態(tài)分布，擬合的正態(tài)分布均值84.0°±2.0°，為最可能的擴(kuò)張方向.

圖3　區(qū)域1中A1-A1′剖面不同擴(kuò)張方向的正演模擬結(jié)構(gòu)與實(shí)測曲線的比較 (a) 擴(kuò)張方向10°； (b) 擴(kuò)張方向30°； (c) 擴(kuò)張方向50°； (d) 擴(kuò)張方向70°.Fig.4　Comparisons between magnetic forward modeling with changes of the spreading direction and observed anomaly of profile A1-A1′in area 1(a) Spreading direction is 10°; (b) Spreading direction is 30°; (c) Spreading direction is 50°; (d) Spreading direction is 70°.

圖4　區(qū)域2中B3-B3′剖面不同擴(kuò)張方向的正演模擬結(jié)構(gòu)與實(shí)測曲線的比較(a) 擴(kuò)張方向20°； (b) 擴(kuò)張方向40°； (c) 擴(kuò)張方向60°； (d) 擴(kuò)張方向80°.Fig.4　Comparisons between magnetic forward modeling with changes of spreading direction and observed anomaly of profile B3-B3′in area 2 (a) Spreading direction is 20°; (b) Spreading direction is 40°; (c) Spreading direction is 60°; (d) Spreading direction is 80°.

研究區(qū)域不同剖面的擴(kuò)張方向并不是一致的，三個(gè)小分區(qū)也有很大的不同(圖7a).區(qū)域1 的剖面確定的擴(kuò)張方向最大38.2°，最小8.7°.北部剖面的平均擴(kuò)張方向?yàn)?3.0°，而南部的三條剖面的擴(kuò)張方向均比較小.區(qū)域1的平均擴(kuò)張方向?yàn)?3.6°±5.3°.區(qū)域2內(nèi)的不同剖面最大擴(kuò)張方向?yàn)?2.0°，最小48.8°.幾條剖面的擴(kuò)張方向比較集中，平均擴(kuò)張方向?yàn)?2.8°±13.0°.區(qū)域3的最大擴(kuò)張方向?yàn)?03.7°，最小87.6°，平均擴(kuò)張方向94.3°±8.0°.由北到南，區(qū)域1到區(qū)域3洋中脊擴(kuò)張方向逐漸增大(圖7b).三段洋中脊的走向均為北偏東80°，平均擴(kuò)張方向與洋中脊軸夾角分別為46.4°±5.3°，17.3°±13.0°，-14.3°±8.0°.擴(kuò)張方向并不是完全垂直于洋中脊的.

圖5　區(qū)域3中C3-C3′剖面不同擴(kuò)張方向的正演模擬結(jié)構(gòu)與實(shí)測曲線的比較(a) 擴(kuò)張方向50°；(b)擴(kuò)張方向70°；(c)擴(kuò)張方向90°；(d)擴(kuò)張方向110°.Fig.5　Comparisons between magnetic forward modeling with changes of spreading direction and observed anomaly of profile C3-C3′ in area 3 (a) Spreading direction is 50°; (b) Spreading direction is 70°; (c) Spreading direction is 90°; (d) Spreading direction is 110°.

4討論

南大西洋洋中脊(31°S—34.5°S，12°W—16°W)兩側(cè)磁異常條帶為研究板塊邊界處的構(gòu)造動(dòng)力過程提供了重要的信息.在研究區(qū)域內(nèi)利用海底磁異常的偏度來估計(jì)出洋中脊擴(kuò)張方向，三個(gè)區(qū)域的結(jié)果表明擴(kuò)張方向傾斜于洋中脊.這種傾斜擴(kuò)張的機(jī)制可能與洋脊擴(kuò)張過程中的動(dòng)力學(xué)過程有關(guān).

4.1洋中脊傾斜擴(kuò)張的機(jī)制

目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)存在傾斜擴(kuò)張的洋中脊大部分分布在慢速或超慢速擴(kuò)張中心，如Reykjane洋中脊(Dauteuil and Brun，1993)，亞丁灣(Dauteuil et al.，2001)，一些大西洋洋中脊(Atwater and MacDonald，1977),西南印度洋(Cannat et al.，2006)等.對傾斜擴(kuò)張機(jī)制存在不同的觀點(diǎn)，主要有四種：裂縫模型、最小壓應(yīng)力作用、最小能量損耗和輝長巖層傾斜分布.

(1) 裂縫模型

洋中脊擴(kuò)張過程可用一個(gè)裂縫模型描述，巖漿上涌通道是一個(gè)線性彈性介質(zhì)中的充滿巖漿的裂縫(Abelson and Agnon，1997)，受到巖漿壓力和反平面剪切的綜合作用，主裂縫方向逐漸調(diào)整到圍墻上最小剪應(yīng)力方向，也就是洋脊擴(kuò)張方向.這種機(jī)制認(rèn)為傾斜擴(kuò)張可以看成是與擴(kuò)張方向斜交的一個(gè)裂縫向上擴(kuò)展的過程.一個(gè)擴(kuò)張軸上巖漿超壓大于遠(yuǎn)程拉伸作用并起到主導(dǎo)作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生傾斜擴(kuò)張.洋中脊軸的平面狀態(tài)(擴(kuò)張方向、洋中脊整體走向和脊段走向)是這種巖漿侵位驅(qū)動(dòng)力的指示.

洋中脊軸的平面狀態(tài)可以推導(dǎo)出洋中脊受到驅(qū)動(dòng)力狀態(tài).研究區(qū)域1中洋中脊延伸方向355.0°(Carbotte et al.，1991)，區(qū)域2、3洋中脊走向?yàn)?50.0°，二級(jí)不連續(xù)帶的走向趨勢33.0°，三個(gè)區(qū)域的擴(kuò)張方向3.3節(jié)已經(jīng)計(jì)算出.可以得到洋中脊軸上的動(dòng)力狀態(tài)(驅(qū)動(dòng)應(yīng)力率、壓力差異與遠(yuǎn)程構(gòu)造張力之比)(見表1).

表1　不同擴(kuò)張中心的平面特征及動(dòng)力狀態(tài)

注：φ表示垂直于整體洋脊走向的方向與擴(kuò)張方向的夾角，β表示不連續(xù)性，即整體洋脊走向與二級(jí)分段之間的夾角，R為驅(qū)動(dòng)應(yīng)力率，ΔP為巖漿壓力差異，ΔS為遠(yuǎn)程構(gòu)造張力.

圖6　擴(kuò)張方向與相關(guān)系數(shù)的高斯分布擬合(a) 區(qū)域1的 A1-A1′剖面； (b) 區(qū)域2的B3-B3′剖面； (c) 區(qū)域3的C3-C3′剖面.Fig.6　Gaussian relationship between the spreading direction and the correlation coefficient(a) Profile A1-A1′ in area 1; (b) Profile B3-B3′ in area 2; (c) Profile C3-C3′in area 3.

研究的三個(gè)區(qū)域內(nèi)洋中脊的ΔP/ΔS值均為負(fù)，ΔP<0，表明這個(gè)擴(kuò)張軸處于欠壓狀態(tài)，可能巖漿供應(yīng)貧乏.但是，重力資料表明區(qū)域2內(nèi)洋中脊中央存在“牛眼狀”的負(fù)的剩余地幔布格異常(RMBA)(Kuo and Forsyth，1988)，表明地殼厚度大，巖漿供應(yīng)充足.與結(jié)論中欠壓狀態(tài)不相符合.因此用這種巖漿壓力與遠(yuǎn)程構(gòu)造張力的機(jī)制不能完全解釋南大西洋洋中脊傾斜擴(kuò)張.

(2) 最小壓應(yīng)力作用

另外，洋脊傾向于垂直局部最小壓應(yīng)力方向也可能是洋中脊傾斜擴(kuò)張的一種機(jī)制.洋中脊和轉(zhuǎn)換斷層之間的應(yīng)力的變化以及巖石圈基底的剪切應(yīng)力變化會(huì)引起洋中脊軸的改變，產(chǎn)生不同走向的洋中脊(Oldenburg and Brune，1975).

地殼增生過程中巖墻侵入作用使其傾向于沿垂直于最小壓應(yīng)力的方向生長，在這種機(jī)制下，巖墻擴(kuò)展會(huì)在洋中脊段的末端產(chǎn)生彎曲構(gòu)造(MacDonald et al.，1988).東太平洋隆起南部的洋中脊上鉆孔采樣結(jié)果也表明超快速擴(kuò)張過程中，巖墻產(chǎn)生結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，地殼塊體向內(nèi)傾斜(Hurst et al.，1994；Horst et al.，2011).研究區(qū)域的磁異常平面圖上(圖1b)可以看到磁異常條帶并不是完全平行于洋中脊，可能存在傾斜的構(gòu)造，但是慢速擴(kuò)張洋中脊上最小壓應(yīng)力對巖墻侵入過程的影響，還需要更多證據(jù).

(3) 最小能量損耗

還有一種可能的機(jī)制是最小能量損耗，板塊邊界運(yùn)動(dòng)以使沿洋中脊和轉(zhuǎn)換斷層的能量損耗最小為原則(Vogt et al.，1969).根據(jù)Lachenbruch(1973,1976)，若傾斜擴(kuò)張，要使板塊邊界總長度最小，垂直洋中脊的擴(kuò)張速度會(huì)降低，導(dǎo)致上地幔變冷，黏性耗損更多；擴(kuò)張的阻力比沿轉(zhuǎn)換斷層剪切力的阻力大5～10倍時(shí)，近似垂直的洋中脊-轉(zhuǎn)換斷層分離板塊需要的能量最小.根據(jù)這種機(jī)制，產(chǎn)生傾斜擴(kuò)張的原因有板塊擴(kuò)張的阻力減小或沿轉(zhuǎn)換斷層的剪切應(yīng)力增加.

洋中脊擴(kuò)張過程的阻力與地殼厚度和地幔熱結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系(Laughton et al.，1979).地幔柱上涌，產(chǎn)生大量熔融或者強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)，降低平行于擴(kuò)張方向的阻力，可能產(chǎn)生傾斜擴(kuò)張.雖然研究區(qū)域附近存在Tristan da Cunha熱點(diǎn)，正的剩余重力異常(Kuo and Forsyth，1988)表明研究區(qū)域受到這個(gè)熱點(diǎn)的影響很小，并且目前也沒有地殼增厚的證據(jù).

此外，傾斜擴(kuò)張還需要沿轉(zhuǎn)換斷層的剪切阻力來彌補(bǔ)擴(kuò)張的阻力.新生成的巖石圈與冷的厚巖石圈結(jié)合可能局部增加轉(zhuǎn)換斷層剪切力(Fox and Gallo，1984)，但是目前這種機(jī)制解釋還不是很清楚.根據(jù)研究區(qū)域的自由空間異常資料(Neumannand Forsyth，1995)，Cox轉(zhuǎn)換斷層和33°30′S間斷區(qū)東西兩翼存在負(fù)異常的線性痕跡，Meteor轉(zhuǎn)換斷層負(fù)異常痕跡不是很明顯，但是斷裂帶由西向東逐漸變寬，這些異常表明研究區(qū)域存在重力坳陷，說明穿過主變形區(qū)的剪切應(yīng)力增加，為保持洋中脊和轉(zhuǎn)換斷層分配的能量損耗最小，板塊擴(kuò)張會(huì)產(chǎn)生傾斜.

圖7　不同剖面的擴(kuò)張方向的范圍(a)及平均擴(kuò)張方向的示意圖(b)Fig.7　Range of spreading direction of different profiles (a) and sketch map of the spreading direction in three areas (b)

(4) 輝長巖層傾斜對淺部磁異常形態(tài)的影響

磁源層在水平和垂直兩個(gè)方向上相對于洋中脊軸運(yùn)動(dòng)(Gee and Kent，2007).在慢速和中等速率的洋中脊擴(kuò)張中心，兩側(cè)分布朝向擴(kuò)張軸的正斷層(Carbotte and MacDonald，1990).另外由于熔巖載荷(Schouten and Denham，2000)，洋殼中的噴出層相對洋中脊向外傾斜，席狀巖墻向外旋轉(zhuǎn)，但是熔巖堆積區(qū)域相對磁性層的厚度較窄，旋轉(zhuǎn)的角度比較有限，因此慢速擴(kuò)張洋中脊下的巖墻幾乎垂直于擴(kuò)張軸分布(Cann，1974)，洋殼上部分的旋轉(zhuǎn)對磁異常形態(tài)的影響不大.但是最近大量的研究表明(Dick et al.，1999；Allerton and Tivey，2001；Garcés and Gee，2007)，慢速擴(kuò)張洋中脊下存在輝長巖層的旋轉(zhuǎn)，傾斜分布的輝長巖層使得磁異常出現(xiàn)明顯的偏態(tài)度異常，比如輝長巖層傾斜1°可造成海底磁異常1°的偏態(tài)度(Cande et al.，1978).輝長巖層傾斜的界面與580 ℃等溫面形狀一樣(Cande and Kent，1976).根據(jù)研究區(qū)域的深度分布(Fox et al.，1991)和重力異常的分析結(jié)果(Kuo and Forsyth，1988；Neumann and Forsyth，1995)，在垂直于洋中脊方向上，洋殼下底界面的深度存在一定的梯度，表明研究區(qū)域的輝長巖層可能傾斜分布.另外洋中脊兩翼擴(kuò)張速率的不對稱性增加了區(qū)域洋中脊和轉(zhuǎn)換斷層及間斷區(qū)演化的復(fù)雜性.

綜合所述，用最小能量損耗能解釋研究區(qū)域內(nèi)洋中脊的傾斜擴(kuò)張，但是深部輝長巖層傾斜分布和擴(kuò)張速率不對稱性對海底磁異常的影響值得深入研究.

4.2歐拉極

巖石圈板塊之間的相對運(yùn)動(dòng)可用歐拉矢量表示，包括歐拉極的經(jīng)緯度坐標(biāo)和角速度.建立洋中脊兩側(cè)板塊的歐拉旋轉(zhuǎn)模型對于研究板塊之間的動(dòng)力學(xué)過程具有重要作用.

目前最新的板塊運(yùn)動(dòng)MORVEL模型(DeMets et al.，1990，2010)，將地球的巖石層分為25個(gè)板塊，研究區(qū)域位于南美板塊和努比亞(Nubia)板塊的邊界.根據(jù)MORVEL模型，過去3.16 Ma努比亞板塊以60.9°N，39.0°W的歐拉極并以0.295°/Ma的角速度逆時(shí)針向南美板塊旋轉(zhuǎn).

通過研究區(qū)域內(nèi)磁異常條帶的統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果(圖3—7)，過去6.5 Ma時(shí)間內(nèi)自北向南三個(gè)研究區(qū)域的洋中脊平均擴(kuò)張方向分別為：33.6°±5.3°，62.8°±13.0°，94.3°±8.0°，與洋中脊軸夾角分別為46.4°±5.3°，17.2°±13.0°，-14.3°±8.0°.通過這三個(gè)區(qū)域內(nèi)每條磁測剖面穿過洋中脊位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)及其確定出來的擴(kuò)張方向，對這些數(shù)據(jù)利用非線性最小二乘擬合方法，我們可以計(jì)算出該地區(qū)三個(gè)不同研究區(qū)域?qū)?yīng)的歐拉極(見表2)，其歐拉極坐標(biāo)分別為(44°N，134°W)，(58°N，72.6°W)，(12°N，11.5°W).

結(jié)果顯示由這三個(gè)區(qū)域確定的歐拉極與MORVEL模型給出的有所不同，其原因是本研究使用的地磁觀測資料與MORVEL模型所使用的相應(yīng)資料，對應(yīng)的地磁年代存在差別，同時(shí)也表明MORVEL模型所描述的全球板塊運(yùn)動(dòng)模式，對于該南大西洋洋中脊地區(qū)擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)的模擬結(jié)果，與實(shí)際觀測資料給出的最小二乘結(jié)果存在較大的誤差，也表明實(shí)際板塊運(yùn)動(dòng)的極端復(fù)雜性.地表觀測到的板塊邊界運(yùn)動(dòng)不僅僅簡單地包含有剛性塊體之間的相對運(yùn)動(dòng).目前普遍將地球板塊看作是完全剛性的塊體，同一個(gè)板塊上兩點(diǎn)的相對位置因而不會(huì)改變(Morgan，1968).但是實(shí)際情況并非如此.從宏觀角度上，南美板塊一方面受到洋中脊向西擴(kuò)張力的作用，另一方面還受到NAZCA板塊向東的擠壓作用(楊志根和朱文耀，2000)，板塊邊界存在一定的變形；從更小尺度看，洋中脊增生系統(tǒng)動(dòng)力活動(dòng)復(fù)雜，洋中脊軸存在的軸向拓展和側(cè)向伸展、復(fù)雜的斷裂構(gòu)造組合、不均勻的巖漿活動(dòng)、分段的復(fù)雜機(jī)制等(李三忠等，2009)，使得洋中脊兩側(cè)的板塊邊界存在相對的微運(yùn)動(dòng)和板內(nèi)的微變形等.因此，由北到南的三個(gè)區(qū)域確定的歐拉極向東移動(dòng)，反映了研究區(qū)域洋中脊兩側(cè)的板塊在最近的6.5 Ma期間，存在較為劇烈的形變.

表2　三個(gè)區(qū)域的歐拉極

5結(jié)論

利用正演模擬海底磁異常計(jì)算出南大西洋洋中脊的擴(kuò)張方向，結(jié)果表明洋中脊擴(kuò)張動(dòng)力學(xué)過程比原來推測的復(fù)雜得多.得出的結(jié)論有：

(1) 由轉(zhuǎn)換斷層和間斷帶劃分的三個(gè)區(qū)域，由北向南，區(qū)域內(nèi)洋中脊的擴(kuò)張方向有顯著的不同，與洋中脊的傾斜度分別為46.4°±5.3°，17.3°±13.0°，-14.3°±8.0°.

(2) 洋中脊的傾斜擴(kuò)張可能與轉(zhuǎn)換斷層的剪切應(yīng)力增加有關(guān).但是輝長巖層傾斜和擴(kuò)張速率不對稱性等對海底磁異常偏度的影響值得進(jìn)一步研究.

(3) 洋中脊兩側(cè)的板塊在6.5 Ma期間存在劇烈形變.

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(本文編輯何燕)

Paleomagnetic constraints on plate tectonic process at south mid-Atlantic ridge

LI Yuan-Jie1,2, WEI Dong-Ping1,2, LIU Qing-Song3,4*

1KeyLaboratoryofComputationalGeodynamics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China2CollegeofEarthScience,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China4LaboratoryforMarineGeology,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266061,China

AbstractShape of marine magnetic anomalies provides great information on micro movement or deformation of plates on both sides of the mid-ridge. Therefore, studies on morphology of marine magnetic anomalies provides crucial constraints for evolution history and small-scale dynamic process of the plate movement, as well as mechanisms for segmentation of spreading axes. In this paper, a systematic study on skewness of marine magnetic anomalies on both sides of the mid-oceanic ridge (31°S—34.5°S) in South Atlantic was conducted. Results showed that the spreading direction of plates isn′t perpendicular to the trend of the mid-oceanic ridge, and spreading directions for different profiles are inconsistent in three studied areas, and gradually increase (from 33.6°±5.3° to 62.8°±13°, and to 94.3°±8°) from north to south. This indicates that mechanism of the oblique spreading is complicated. Our preliminary interpretation is that this complexity is related to increasing in shear stress across transforms. Nevertheless, effects of tilting of gabbro and asymmetric spreading rates on the morphology of marine magnetic anomalies need more attentions. In addition, the eastward displacement of Euler poles in three studied areas indicates that significant deformation between plates on both sides of the mid-ridge occurred at about 6.5 Ma.

KeywordsPlate tectonic; Paleomagnetic; Marine magnetic anomaly

基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41474086，41174084)、中國科學(xué)院與國家外國專家局創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)國際合作伙伴計(jì)劃項(xiàng)目(KZZD-EW-TZ-19)、海岸帶地質(zhì)調(diào)查工程-大陸架科學(xué)鉆探項(xiàng)目(GZH201100202)、國家海洋局“全球變化與海氣相互作用”專項(xiàng)(GASI-GEOGE-03)資助.

作者簡介李園潔，女，1986年生，博士研究生，2009獲中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2012年獲該專業(yè)碩士學(xué)位，主要從事地球動(dòng)力學(xué)、古地磁方面的工作.E-mail:liyuanjie13b@mails.ucas.ac.cn *通訊作者劉青松，男，1972年生,回族,河北涿州市人,研究員.E-mail:qsliu@mail.iggcas.ac.cn

doi:10.6038/cjg20160515 中圖分類號(hào)P318

收稿日期2015-10-30，2016-03-23收修定稿

李園潔， 魏東平， 劉青松. 2016. 南大西洋洋中脊板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程：古地磁的約束. 地球物理學(xué)報(bào)，59(5):1705-1716,doi:10.6038/cjg20160515.

Li Y J, Wei D P, Liu Q S. 2016. Paleomagnetic constraints on plate tectonic process at south mid-Atlantic ridge.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(5):1705-1716,doi:10.6038/cjg20160515.