劉守金, 林間, 羅怡鳴

東南印度洋中脊(108°—134°E區(qū)域)斷層構(gòu)造與巖漿活動關(guān)系*

劉守金1, 3, 林間1, 2, 羅怡鳴1, 3

1. 中國科學院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室(南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301; 2. Department of Geology and Geophysics, Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA 02543, USA; 3. 中國科學院大學, 北京 100049

東南印度洋脊(Southeast Indian Ridge, 簡稱SEIR)是中速擴張洋中脊, 在其中的108°—134°E區(qū)域的全擴張速率為72~76 mm·a–1。但在接近澳大利亞-南極洲不整合帶(Australian-Antarctic Discordance, 簡稱AAD)區(qū)內(nèi), 海底地貌沿洋中脊的變化強烈, 其變化范圍涵蓋了從慢速到快速擴張洋中脊上常見的例子, 且出現(xiàn)了明顯的地球物理與地球化學異常, 說明洋中脊在AAD區(qū)附近的巖漿供應量極不均勻。文章定量分析了高精度多波束測深數(shù)據(jù), 計算了洋中脊不同段的地形坡度、斷層比例以及平面與剖面的巖漿參數(shù)值, 結(jié)合研究區(qū)內(nèi)剩余地幔布格重力異常以及洋中脊軸部地球化學指標Na8.0、Fe8.0等資料, 分析與討論了研究區(qū)的斷層構(gòu)造與巖漿活動特征的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn), 東南印度洋脊108°—134°E區(qū)域的B區(qū)(在AAD區(qū)內(nèi))及C5段(在AAD區(qū)外西側(cè))發(fā)育有大量的海洋核雜巖, 而且B區(qū)的海洋核雜巖單體規(guī)模更大, 其中最大的位于B3區(qū), 沿洋中脊擴張方向延伸約50km。研究結(jié)果首次系統(tǒng)性地顯示, 相比東南印度洋的其他區(qū)域, B和C5異常區(qū)具有偏低的平面與剖面值、偏高的斷層比例、偏正的地幔布格重力異常以及偏高的Na8.0值與偏低的Fe8.0值, 這些異常特征可能反映了B區(qū)和C5段的巖漿初始熔融深度較淺以及巖漿熔融程度較低, 因此導致其巖漿供應量異常少, 形成較薄的地殼。研究結(jié)果同時表明, 在巖漿供應量極少的洋中脊, 構(gòu)造伸展作用有利于海洋核雜巖的發(fā)育, 導致地殼進一步減薄。

東南印度洋脊; 澳大利亞-南極洲不整合帶; 海底斷層; 巖漿參數(shù)值; 海洋核雜巖; 多波束測深; 剩余地幔布格重力異常

海洋板塊的擴張發(fā)生在大洋中脊, 由巖漿侵入與構(gòu)造拉伸來完成。在海底擴張過程中, 隨著洋殼向洋中脊兩側(cè)擴張, 構(gòu)造作用形成裂谷、正斷層與低角度拆離斷層等構(gòu)造。巖漿作用與構(gòu)造作用的比值影響著洋中脊的巖石圈溫度、巖石圈強度、地貌特征以及斷層構(gòu)造等。海洋核雜巖(oceanic core complex, 簡稱OCC)由低角度拆離斷層將下地殼或上地幔的輝長巖、橄欖巖等基性和超基性巖石拆離到地表而形成(Tucholkeet al, 1998)。定義巖漿在擴張作用中所占的比值為巖漿參數(shù), 簡稱值。海底斷層在各種擴張環(huán)境下都存在(Shaw et al, 1996; Lavier et al, 2002; Buck et al, 2005; Behn et al, 2008; Olive et al, 2010), 但OCC僅出現(xiàn)在值范圍在0.3~0.5的區(qū)域(Tucholkeet al, 2008)。目前全球共發(fā)現(xiàn)約200處OCC, 絕大多數(shù)發(fā)育在慢速或超慢速擴張脊, 如大西洋中脊(Mid-Atlantic Ridge, MAR)、西南印度洋脊(Southwest Indian Ridge, SWIR)及弧后盆地(Ohara et al, 2001; Ciazela et al, 2015)。此外, 部分OCC發(fā)育在中速擴張脊, 如中印度洋脊(Central Indian Ridge, CIR)、智利洋中脊(Chile Ridge)和東南印度洋脊(Southeast Indian Ridge, SEIR)(Christie et al, 1998; Okino et al, 2004)。

1 地質(zhì)背景

東南印度洋脊西起印度洋的羅德里格斯三聯(lián)點(Rodrigues Triple Junction, RTJ), 東至太平洋的麥格理三聯(lián)點(Macquarie Triple Junction, MTP), 總長約6000km。本文的研究區(qū)為SEIR的108°—134°E區(qū)域, 位于澳大利亞與南極洲之間。本文沿用Weissel等(1971)對澳大利亞以南的SEIR洋脊段的分段與命名方式, 將研究區(qū)劃分為3個區(qū)域(圖1): A區(qū)(約128°—137°E區(qū)域, 包括A1段); B區(qū)(約120°— 127°E區(qū)域, 又稱澳大利亞-南極洲不整合帶AAD, 包括B3、B4、B5段); C區(qū)(約108°—120°E區(qū)域, 包括C1—C5段)。

圖1 研究區(qū)水深及構(gòu)造圖 黑色點線表示洋中脊的位置。OCC的位置用黃色星號表示。近南北向的線表示轉(zhuǎn)換斷層, 破碎帶和非轉(zhuǎn)換不連續(xù)帶．黃色框線表示洋中脊分段及多波束水深數(shù)據(jù)的范圍。紅點和黃色短線是計算M值剖面的位置

SEIR為中速擴張洋中脊, 全擴張速率約為72~76mm·a–1(Weissel et al, 1971)。然而研究區(qū)內(nèi)洋中脊軸部地貌與分段涵蓋了從慢速到快速擴張洋中脊的特征(Macdonald et al, 1990; Lin et al, 1990; Dick et al, 2003)。其中A1與C1段表現(xiàn)為類似東太平洋洋隆(East Pacific Rise, EPR)快速擴張洋中脊典型的軸部洋隆; 而B區(qū)以及C4與C5段具有慢速擴張洋中脊典型的深谷特征, 如大西洋中脊和西南印度洋脊。此外, 在研究區(qū)各分段洋中脊兩側(cè)的地貌亦存在明顯差異: 在B3與B4段, 除了平行于洋中脊軸部的線狀洋嶺外, 還發(fā)育垂直于洋中脊的窗欞狀海洋核雜巖。

值得注意的是, 研究區(qū)內(nèi)各洋脊段的擴張速率相近, 卻具有非常不同的地貌特征與斷層形式, OCC也僅在少數(shù)區(qū)域觀測到。本文通過計算海底各分段的M值以及剩余地幔布格重力異常(residual mantle Bouguer anomaly, RMBA), 結(jié)合地球化學數(shù)據(jù), 綜合分析研究區(qū)的巖漿與構(gòu)造作用, 探究斷層發(fā)育與OCC的形成模式。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文采用自由空氣重力異常(free-air gravity anomaly, FAA)(圖2a)、沉積物厚度(圖 2b)與地殼年齡(圖2c)數(shù)據(jù)來計算剩余地幔布格重力異常RMBA, 用水深數(shù)據(jù)來計算斷層的坡度, 并用圖3所示方法計算平面與剖面值。

水深資料包括全球水深和局部多波束水深數(shù)據(jù)(圖1、4)。本文所用的全球水深數(shù)據(jù)來自加州大學圣地亞哥分校V1版本(圖1; SRTM15_PLUS V1, https://topex.ucsd.edu/WWW_html/srtm30_plus.html), 通過15"網(wǎng)格來表示。

多波束水深數(shù)據(jù)(網(wǎng)格為100m×100m)來自海洋地球科學數(shù)據(jù)系統(tǒng)(Marine Geoscience Data System, MGDS, http://www.marine-geo.org/index.php)與美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(National Geophysical Data Center, NGDC, https://www.ngdc.noaa.gov)。多波束水深數(shù)據(jù)覆蓋本研究區(qū)洋中脊軸兩側(cè)共100~150km(圖１)。

自由空氣重力異常數(shù)據(jù)是由衛(wèi)星測高結(jié)合船測數(shù)據(jù)獲得的1′×1′全球海洋重力異常數(shù)據(jù)(圖2a; https://topex.ucsd.edu/marine_grav/mar_grav.html)(Sandwell et al, 2014)。當波長超過25~30km·h–1, FAA與船測重力異常數(shù)據(jù)吻合(Neumann et al, 1993)。研究區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)換斷層、破碎帶以及脊軸裂谷具有明顯的自由空氣重力異常負值(圖2a)。自由空氣重力異常FAA可以反映地形中短波長起伏狀況。研究區(qū)AAD內(nèi), FAA在短距離內(nèi)存在較大的數(shù)值差異, 從重力角度可以看出AAD區(qū)內(nèi)復雜的地形地貌狀態(tài)。

本文使用的沉積物厚度數(shù)據(jù)是來自NGDC的5′×5′全球沉積物厚度網(wǎng)格化數(shù)據(jù)(圖2b; https:// www.ngdc.noaa.gov/mgg/sedthick)(Divins, 2003); 該數(shù)據(jù)是綜合了沉積物等厚圖、深海鉆探計劃(Deep Sea Drilling Project, DSDP)和大洋鉆探計劃(Ocean Drilling Program, ODP)鉆井資料以及地震數(shù)據(jù)等而獲得的。研究區(qū)內(nèi), 沿SEIR的沉積物約100~150m; 而在SEIR以南的區(qū)域, 越靠近南極洲大陸的地區(qū)沉積物越厚, 最厚達460m(圖2b)。研究區(qū)多波束水深覆蓋區(qū)域, 沉積物厚度相對較小。沉積物覆蓋作用會使洋中脊系統(tǒng)斷層坡度變小。偏小的沉積物厚度有利于斷層的準確識別。

地殼年齡數(shù)據(jù)采用2′×2′全球海洋地殼年齡數(shù)據(jù)(Müller et al, 2008)。相比6′×6′的版本(Müller et al, 1997), 2′×2′版本增加了新的船測數(shù)據(jù), 填補了南印度洋數(shù)據(jù)空缺的部分。研究區(qū)的地殼年齡范圍為0~22Ma(圖2c)。

圖2 研究區(qū)的自由空氣重力異常(a)、沉積物厚度(b)與年齡(c)等值線圖 黑色粗線代表洋中脊。圖c中的數(shù)字為年齡

2.2 方法

2.2.1 巖漿參數(shù)值計算

在研究區(qū)各分段內(nèi), 我們截取垂直于洋中脊的剖面, 先識別并計算剖面中每條斷層。剖面中各斷塊的斷層面在水平方向上的投影長度為f, 各斷塊除去斷層面剩余部分在水平方向上的投影長度即m。對剖面各斷層f進行累積求和(∑f), 進而求得∑f占整個剖面長度的比例為, 然后計算巖漿占擴張的比值(值), 即=1-(圖3)。同理, 各分段在平面上的巖漿作用比例(即平面值)可由斷層坡度面所占總面積的比例獲得。

圖3 巖漿參數(shù)M值計算卡通圖 a. 垂直于不含OCC的洋中脊剖面; b. 垂直于含OCC的洋中脊剖面?；疑怪本匦伪硎狙笾屑馆S部巖漿注入的位置。箭頭代表斷塊的位錯方向。剖面修改自Smith(2013)。其中

2.2.2 剩余地幔布格重力異常

本研究采用Parker (1993)的方法來計算地幔布格重力異常(mantle Bouguer gravity anomaly, MBA)。假定沉積物深度每增加100m, 沉積物密度增加15 kg·m–3(Cowie et al, 1990; Wang et al, 2011)。此外, 假定海水、地殼、地幔的密度分別為1030、2700、3300kg·m–3。從FAA中減掉水-沉積物界面、沉積物-地殼界面以及地殼-地幔界面的重力效應, 即可得到MBA。隨后, 從MBA中再去除由于巖石圈冷卻而引起的重力效應(也稱熱校正), 獲得RMBA。計算巖石圈冷卻效應時, 考慮了各點在垂直方向的一維熱傳導(Turcotte et al, 2014)以及該點對應的地殼年齡(Müller et al, 2008)。設(shè)定板塊表面溫度為0℃, 100km深處的溫度為1350℃, 熱擴散系數(shù)為 3.5×10–5·℃-1。根據(jù)公式(1)可將三維地幔溫度場轉(zhuǎn)換為三維密度變化場。

其中, ?為密度變化,0和0分別為100km深度處的參考地幔的溫度和密度,為熱擴散系數(shù)。

3 結(jié)果

3.1 斷層坡度

本文采用Young(1978)方法處理水深數(shù)據(jù)獲得相應區(qū)域的坡度。對比水深與坡度(圖4、5), 高坡度區(qū)(坡度≥10°)集中分布在以下3類區(qū)域: 1)相鄰洋脊段連接處附近, 如轉(zhuǎn)換斷層(見C2、C5段中的例子), 非轉(zhuǎn)換不連續(xù)帶(C3、B3例子); 2)洋中脊軸部裂谷帶(C5、B3例子); 3)洋中脊兩翼大規(guī)模發(fā)育OCC的區(qū)域(B3、B4、C5例子)。其他高坡度值區(qū)位于洋中脊條帶狀海嶺與零星海山發(fā)育區(qū)(C1、B5錐狀火山區(qū))。

洋中脊環(huán)境相對簡單, 造成高坡度地形的因素較少, 主要是構(gòu)造作用導致。因而計算斷層所占比例可以通過確定斷層在各區(qū)段中的坡度頻率分布來確定。通過截取剖面, 確定各區(qū)段典型斷層對應的坡度, 再通過坡度的累積頻率確定包含斷層的坡度比例范圍(圖6)。

我們對比了高斯分布、指數(shù)分布、Gamma分布、Logistic分布、三參數(shù)Burr分布等超過10種常見的分布模型對坡度數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果, 得出三參數(shù)分布的分布函數(shù)具有最好的擬合優(yōu)度(圖6, 式2)。

其中,、、為參數(shù),為坡度(°)。

3.2 斷層比例與M值

坡度頻率分布的結(jié)果表明, 各區(qū)段超過99%的坡度值在0°~40°之間。各區(qū)段中典型斷裂對應的坡度在15°~30°之間(圖5)。本文以坡度≥10°作為斷層坡度的標準, 結(jié)合各區(qū)段累積概率密度公式, 計算各區(qū)段斷層所占比例。計算結(jié)果去除非擴張斷層因素(如轉(zhuǎn)換斷層、洋中脊軸部裂谷等)造成的各區(qū)段高坡度所占比例(從C1到A1分別為10%、50%、60%、30%、20%、20%、5%、10%、20%), 最后獲得各區(qū)段的平面值。其中, 將坡度≥10°比例的上下50%作為斷裂范圍的上下限。

圖4 研究區(qū)各段水深圖(每子圖的上方)及坡度圖(子圖的下方) 黑色箭頭代表洋中脊軸部位置及走向, 黑色圈指示OCCs高坡度區(qū), 紅色箭頭指示OCCs. 白色線為剖面所在位置

圖5 剖面的位置與水深(a)、剖面斷裂位置(b)和坡度剖面(c) 黑色箭頭表示主要斷層的位置和范圍

圖6 研究區(qū)各分段坡度頻率圖 研究區(qū)各段坡度被分為1000等份。黑點代表各分段坡度的頻率, 曲線為三參數(shù)分布的擬合結(jié)果。陰影表示坡度≥10°區(qū)域的比例

OCC區(qū)域內(nèi)坡度≥10°的比例占OCC面積的3.3%~8.6%, 大于OCC所在的洋脊段的平均比例。因而在發(fā)育OCC的C5、B3、B4、B5段, 對OCC和斷裂比例分別統(tǒng)計, 扣除重復部分后匯總得到最終斷裂比例, 并計算得到相應平面值(圖7b、圖8e)。此外, 在有多波束數(shù)據(jù)的各分段區(qū)域, 截取49條垂直各段洋中脊的剖面(圖1), 結(jié)合3D水深圖逐一識別每條剖面斷裂并統(tǒng)計其所占比例, 從而計算各剖面值, 并以50%作為剖面斷裂識別誤差(圖7b、圖8e)。

以上新的平面與剖面值的模擬結(jié)果與前人單條剖面值計算符合較好(Buck et al, 2005; Behn et al, 2008; Tucholke et al, 2008)。Buck等(2005)模擬對比了不同值與快速、中速、慢速擴張洋中脊海底地形對應關(guān)系, 得出SEIR的115°E(即C4段)附近剖面值約為0.95。而Behn等(2008)的模擬結(jié)果則認為SEIR的C4段(114.2°—114.3°E) 的剖面值約0.7~0.8。本文在C4段的剖面值結(jié)果與Behn等(2008)相符, 比Buck等(2005)的結(jié)果偏低約26%。在發(fā)育OCC的C5、B3和B4段內(nèi), 剖面值在0.3~0.6之間, 這與OCC僅出現(xiàn)在巖漿作用比例在0.3~0.5間的前人研究結(jié)果相一致(Tucholke et al, 2008; Behn et al, 2008)。我們所取50%剖面斷裂識別誤差而獲得剖面值, 能夠涵蓋或接近前人模擬結(jié)果, 因此這些新結(jié)果具有較高的可信度。

對于平面值, 可以假定在長度為、寬度為的洋中脊平面區(qū)域內(nèi)(為平行洋中脊方向,為垂直洋中脊方向), 任意一條斷裂()邊界均可視由兩條曲線h()和g()組成,為長度方向距離坐標。再將同一橫坐標下所有斷裂進行合并, 那么整個區(qū)域斷層面可等同于一條存在有限間斷點長度的單一帶狀形, 其中上下邊界為()和()。

由斷裂所合成條帶面積I可由兩條曲線的定積分表示, 即

方程(3)兩邊都除區(qū)域面積=×得到

根據(jù)積分中值定理, 即在區(qū)間0~內(nèi)至少存在一點, 使得

方程(5)式左邊為合成斷裂的面積比例, 右邊為合成斷裂的線比例?？梢钥闯龊铣蓴嗔衙娣e比例取值I, 總是位于合成斷裂線比例I值域區(qū)間內(nèi)。當斷裂均勻分布時, 合成條帶較為均一且平直, 此時I與若干I的比例集中分布在1左右, 相應平面值與若干剖面值之比集中分布1左右; 當斷裂分布不均一, 如發(fā)育OCC和較大范圍相鄰斷裂間缺失間斷, 此時I與若干I之比零散分布在1左右, 相應平面值與剖面值之比零散分布1左右。

由于計算平面值和剖面值的方法不同, 且在選取剖面過程中將斷層密集、斷層特征明顯的區(qū)域作為剖面優(yōu)選區(qū), 因而造成剖面值相對于平面值整體偏小。根據(jù)前文中平面斷裂與剖面斷裂比例接近于1的推導結(jié)果, 可以將平面值與剖面值二者點位相交部分和二者之間部分作為參考值范圍。相較于單獨應用剖面值或單獨應用平面值, 參考值更能進一步除去可能的計算誤差, 即參考值更接近各洋中脊段的真實特點。平面值與剖面值在沿洋中脊方向上均表現(xiàn)出在AAD較鄰區(qū)的數(shù)值偏低的特點(圖7b、圖8e)。此外, 平面值、剖面值與RMBA有近乎一致的斜率(–0.0067·mGal–1)。值與RMBA顯示出的較強的負相關(guān), 在一定程度上反映了值與巖漿活動的耦合關(guān)系, 即巖漿作用較強時, 地殼偏厚, 造成RMBA負異常, 進而反映為值增大。

平面值與剖面值主體均在0.5以上, 且二者之比在1~2之間, 表明洋中脊擴張過程中巖漿為主導作用。而線斷裂比例與面斷裂比例之比可達2~10, 從另一方面表明微小的巖漿作用的擾動可能引起斷裂組成上的巨大差異, 即斷裂對巖漿響應敏感。理論模擬表明增加巖漿量對OCC發(fā)育具有終止作用, 與我們的觀測結(jié)果一致(Okino et al, 2004; Buck et al, 2005; Behn et al, 2008; Tucholke et al, 2008)。

3.3 RMBA重力異常與OCC的關(guān)系

我們在區(qū)域尺度(圖7)和沿洋中脊軸向尺度上(圖8)對水深、RMBA、OCC、值、巖漿熔融作用等進行了統(tǒng)計分析。其中, 區(qū)域尺度數(shù)據(jù)點取樣分辨率為0.1°×0.1°。

OCC所在區(qū)域水深范圍跨度較大, 平均水深3000~4000m, 相對整個區(qū)域, 水深偏淺; 單個OCC高程差在1000~2500m間(圖4a、圖7c)。而通常由典型正斷層造成的海嶺高程差值在100~500m之間, 如C1、C2、C3、A1; 部分落差較大的海嶺在1000m左右, 如C4區(qū) (圖4a)?？梢姲l(fā)育OCC的區(qū)域在高差上顯著區(qū)別于普通斷層作用造成的高差。

洋中脊軸部及其附近的RMBA值具有明顯的正異常, 距離洋中脊軸部越遠, RMBA越負。RMBA正異常主要集中在B區(qū)(AAD)和C區(qū)(C4、C5段)。在垂直于洋中脊的方向上, B區(qū)RMBA正異常的范圍遠大于A區(qū)和C區(qū), 以20mGal 等值線范圍為例, B區(qū)是C4、C5寬度的2~6倍, 遠遠大于其他區(qū)域?qū)挾?圖7a)。OCC集中分布在B區(qū)(AAD)和C5段, 其RMBA在20~70mGal之間, 比研究區(qū)平均RMBA高約40mGal(圖7a、c), 這與前人提出的OCC的RMBA偏正的結(jié)果相一致(Tucholke et al, 1998, 2008; Okino et al, 2004)。偏正的RMBA以及OCC都集中在B區(qū)(AAD)并向C區(qū)方向銳減。RMBA正異常和OCC分布不均勻可能反映了區(qū)域內(nèi)地幔不均一性或者洋中脊巖漿活動的周期性(Tucholke et al, 1997; Bonattiet al, 2003; Olive et al, 2010)。在文章后面章節(jié), 我們對B區(qū)重力和OCC等異?？赡艿脑蜻M行了初步分析。

圖7 研究區(qū)RMBA(a)、M值與RMBA的相關(guān)性(b)、RMBA與水深的相關(guān)性(c) 圖a中的白色圈線圈出了OCCs的范圍; 圖b中垂直誤差棒與水平誤差棒分別代表M值, RMBA的極值; 圖c中紅點表示研究區(qū)按0.1°×0.1°網(wǎng)格采樣的平均水深與平均RMBA的關(guān)系, 藍點代表OCC的平均水深與平均RMBA的關(guān)系, 垂直誤差棒與水平誤差棒分別為OCC區(qū)域RMBA的極值與水深的極值

圖8 研究區(qū)沿洋中脊的水深(a)、RMBA(b)、Na8.0(c)、Fe8.0(d)及平面和剖面M值(e)的剖面 黑色箭頭表示轉(zhuǎn)換斷層或者非轉(zhuǎn)換不連續(xù)帶的位置, 灰色虛線表示Na8.0值和Fe8.0值的變化趨勢, 陰影表示發(fā)育OCC的洋脊段

洋中脊之下的地幔溫度、壓力與物質(zhì)組成是巖漿作用的主控因素, 與洋殼厚度、斷層發(fā)育與水深地貌具有緊密的聯(lián)系。B區(qū)、C5段附近洋中脊軸部水深顯著低于相鄰區(qū)域約1000m, 且RMBA高于相鄰區(qū)域10~50mGal(圖8a、b)。水深最深和RMBA最高值均出現(xiàn)在B區(qū)。Na8.0和Fe8.0是分別將Na2O(質(zhì)量分數(shù))和FeO(質(zhì)量分數(shù))標準化到MgO(質(zhì)量分數(shù)的8%)指標因子, 二者常被用作衡量熔融程度和熔融平均壓力(Klein et al, 1987)。此外, Na8.0、Fe8.0在B區(qū)和C5段附近分別出現(xiàn)了區(qū)域極大值和極小值(圖8c、d)。在多波束數(shù)據(jù)覆蓋的區(qū)域, B區(qū)、C5段附近比A區(qū)和其余C區(qū)的剖面值與平面值均呈現(xiàn)出偏小的特點。

以洋中脊軸部地形為對比基準, 剖面值、Fe8.0與地形呈正相關(guān); Na8.0、RMBA與地形呈負相關(guān); 區(qū)域平面值與洋中脊地形整體呈正相關(guān)。Fe8.0反映了巖漿初始熔融的深度, 高Fe8.0值表明巖漿初始熔融深; 而Na8.0則反映了巖漿熔融程度, 高Na8.0值則表明巖漿熔融程度低(Klein et al, 1991; Géli et al, 2007)。

綜上, 在C5、B3、B4、B5段靠近洋中脊軸部的區(qū)域, RMBA明顯偏正, 偏正范圍與OCC發(fā)育的范圍基本吻合。研究區(qū)內(nèi)RMBA都偏正值, 反映了地殼偏薄或地幔偏重。在OCC發(fā)育的區(qū)域RMBA正異常達到極大值, 表明OCC發(fā)育的區(qū)域地殼最薄或地幔最重。

4 討論

B區(qū)(AAD)的RMBA具有顯著的正異常。OCC大規(guī)模發(fā)育, 反映了該區(qū)巖漿量少, 從而形成異常薄的地殼。折射地震研究也認為AAD的地殼薄, 在AAD之下3.6km深度處P波速度可達7.8km·s–1(Kojima et al, 2003)。B區(qū)(AAD)的低Fe8.0值和高Na8.0值反映了巖漿產(chǎn)生的初始熔融深度偏淺和熔融程度偏低, 這與該區(qū)洋中脊軸部及兩側(cè)水深異常深的觀測相互支持, 印證了該區(qū)上地幔的低溫異常。Hayes(1976)認為AAD之下的地幔存在著一個固定的“冷點”。Klein等(1988)基于同位素等研究認為, 印度洋地幔和太平洋地幔在AAD發(fā)生匯聚, 引起地幔下涌, 因而導致各種異常。Gurnis等(1998)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果解釋為太平洋古俯沖板片在AAD之下的地幔殘留有未消亡的部分板片, 而使該區(qū)上地幔溫度異常偏低。無論哪一種機制, 均表明了可能是AAD之下的地幔溫度偏低而導致水深、RMBA以及地球化學的異常。

OCC通常被認為是洋中脊斷層下盤不斷延展暴露、旋轉(zhuǎn)抬升而造成下地殼或者上地幔接近地表, 且僅出現(xiàn)在值為0.3~0.5時(Tucholke et al, 1998, 2008; Buck et al, 2005; Behn et al, 2008)。全球目前發(fā)現(xiàn)約200處OCC, 絕大多數(shù)位于偏冷且?guī)r漿供應不足的慢速-超慢速擴張洋中脊(如MAR), 少數(shù)位于中速擴張洋中脊(如SEIR)和弧后盆地(Christie et al, 1998; Ohara et al, 2001; Ciazela et al, 2015)。盡管模擬結(jié)果及個別實例表明OCC可以產(chǎn)生于巖漿量相對較高及巖漿作用較強的環(huán)境(Escartín et al, 2003; Olive et al, 2010), 但基于AAD水深較深, 構(gòu)造作用強烈(剖面值和平面值偏低), 地殼偏薄(偏正RMBA)以及地球化學證據(jù), 我們認為巖漿供應不足是B區(qū)(AAD)大規(guī)模發(fā)育OCC的主要成因。由于AAD之下的上地幔較冷, 巖漿產(chǎn)出偏少, 巖石圈構(gòu)造作用偏強, 導致B區(qū)(AAD)更容易形成OCC。

綜合水深、坡度、值、重力異常與地球化學等觀測與計算結(jié)果, 結(jié)合B區(qū)的地幔溫度異常, 我們提出研究區(qū)洋中脊的巖漿活動模型如圖9。

圖9 研究區(qū)洋中脊的巖漿活動模型 三角形表示上地幔部分熔融三角, 最上部淺藍色長方體為地殼, 紅色粗線條為洋中脊軸部, 黑色粗箭頭為板塊擴張方向

1) A、B、C區(qū)存在不同的初始熔融深度。在洋中脊軸部正下方的上地幔, B區(qū)的溫度比A區(qū), C區(qū)更低; A區(qū)和C區(qū)之下的地幔部分熔融深度更深, 而B區(qū)在較淺的深度處發(fā)生減壓熔融。

2) A、B、C區(qū)地幔熔融的巖漿, 不斷在洋中脊軸部存儲、運移、侵位。B區(qū)相對于A區(qū)和C區(qū), 熔融發(fā)生時間晚, 熔融量較小, 因此巖漿供應相對不足, 產(chǎn)生更薄的地殼。

3) 由于B區(qū)的地幔部分熔融程度低, 巖漿作用較弱, 導致構(gòu)造作用在擴張作用的比例更大。斷層容易沿著已有斷裂繼續(xù)滑動, 有利于形成OCC。

4) C5段同B區(qū)類似, 地殼偏薄或地幔偏重。但相對B區(qū)的大范圍地幔溫度異常, C5段的RMBA正異常范圍較小, 反映了地幔溫度異常的范圍較小(圖7a), 因而總體巖漿供應量可能相對充足, 導致C5段的OCC在整體規(guī)模和單體最大規(guī)模上都比B區(qū)小。

5 結(jié)論

1) 在東南印度洋的研究區(qū), 擴張速率較為均勻, 但海底地貌變化顯著。新的分析表明, 在B區(qū)(即AAD區(qū))和C5段中的平面值與剖面值均偏低, 說明平均巖漿量供應量較少, 構(gòu)造活動相較鄰區(qū)偏強。

2) B區(qū)中的RMBA總體偏正值, 反映了地殼偏薄或地幔偏重。在OCC發(fā)育的區(qū)域RMBA正異常達到極大值, 表明OCC發(fā)育的區(qū)域地殼最薄或地幔最重。

3) B區(qū)的Fe8.0值偏低而Na8.0值偏高, 表明B區(qū)之下的地幔溫度可能偏低, 這可能是OCC大規(guī)模發(fā)育的原因。地幔偏冷導致巖漿供應不足, 構(gòu)造活動相對強烈, 使得OCC更容易形成。

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Variations in tectonic faulting and magmatism at the Southeast Indian Ridge at 108°-134°E

LIU Shoujin1, 3, LIN Jian1, 2, LUO Yiming1, 3

1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China; 2. Department of Geology and Geophysics, Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA 02543, USA; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

The Southeast Indian Ridge (SEIR) at 108°-134°E has a relatively constant intermediate full spreading rate of 72-76 mm·a–1but exhibits significant variations in seafloor tectonic faulting and magmatism. This section of the SEIR encompasses the Australian-Antarctic Discordance (AAD), shows a wide range of seafloor morphology similar to the diverse examples from slow- to fast-spreading ridges, and is associated with significant geophysical and geochemical anomalies. We used high- resolution multi-beam bathymetry data to calculate seafloor topographic slopes, ratio of fault scarp areas, map view and profile M factors. Combining residual mantle Bouguer anomaly and geochemical factors of Na8.0and Fe8.0, we analyzed the fault tectonics and magmatic characteristics in our study area. A large number of Oceanic Core Complexes (OCC) zones are observed in Zone B within the AAD and Segment C5 immediately to the west of the AAD. The OCC features in Zone B are in general larger in size than those of Segment C5. The largest OCC is located in Segment B3, which extends~50 km along the SEIR spreading direction. In comparison to other segments, Zone B and Segment C5 have more negative residual mantle Bouguer anomalies, higher Na8.0and lower Fe8.0, more fault scarp areas, and lower plane and profile M factors. These anomalies may reflect shallower initial mantle melting and lower degree of partial melting in Zone B and Segment C5, resulting in anomalously low magma supply, thin crust, and the development of OCC features when the magma supply is severely limited.

Southeast Indian Ridge; Australian-Antarctic Discordance; submarine faults; magma factor M; Oceanic Core Complex; multi-beam bathymetry; residual mantle Bouguer anomaly

date: 2018-10-19;

date: 2018-11-16.

Chinese Academy of Sciences Project (QYZDY-SSW-DQC005, Y4SL021001, YZ201325, YZ201534); National Natural Science Foundation of China (91628301, U1606401, 41706056); China Ocean Mineral Resources R&D Association (DY135-S2-1-04); National Key Research and Development Program of China (2018YFC0309800).

LIN Jian. E-mail: jlin@whoi.edu

P736

A

1009-5470(2019)04-0070-11

10.11978/2018110

http://www.jto.ac.cn

2018-10-19;

2018-11-16。

孫淑杰編輯

中國科學院前沿科學重點研究項目(QYZDY-SSW-DQC005); 中國科學院南海海洋研究所所撥特聘研究員項目(Y4SL021001); 中國科學院科研裝備項目(YZ201325、YZ201534); 國家自然科學基金項目(91628301、U1606401、41706056); 中國大洋協(xié)會項目(DY135-S2-1-04); 國家重點研發(fā)計劃專項(2018YFC0309800)

劉守金(1989—), 男, 山東沂水人, 在讀博士研究生, 主要從事海洋地質(zhì)研究。E-mail: shjliu@scsio.ac.cn

林間。E-mail: jlin@whoi.edu

*感謝Okino教授提供B3段多波束測深數(shù)據(jù); 感謝周志遠博士、張帆博士對本文的討論與幫助。

Editor: SUN Shujie