加拉帕戈斯三聯(lián)點北部巖石層的開裂

H.Schouten D.K.Smith L.G.J.Montesi Wenlu Zhu E.M.Klein

加拉帕戈斯三聯(lián)點北部巖石層的開裂

H.Schouten D.K.Smith L.G.J.Montesi Wenlu Zhu E.M.Klein

加拉帕戈斯三聯(lián)點是由科科斯板塊、納斯卡板塊和太平洋板塊在加拉帕戈斯微板塊處匯聚形成的脊－脊－脊型三向連接構造。在科科斯—納斯卡裂谷的大部分內(nèi)斜坡以北區(qū)域，長約250km、寬約50km的西北—東南向的火山巖裂谷橫插在東太平洋海隆的南北向海山上。在過去的4百萬年中，東北—西南向的東太平洋海隆為一系列的較小裂谷提供了條件，使得那些小裂谷通常與東太平洋海隆共同形成三聯(lián)點，而且與正在擴張的科科斯—納斯卡裂谷有50～100km的距離。本文假設該裂谷的位置是由壓力控制的，并且壓力與占主導作用的科科斯—納斯卡裂谷相關，隨著與東太平洋海隆的距離增大而增大。我們推測，在科科斯—納斯卡裂谷的南側(cè)也曾有類似的短暫性的裂谷發(fā)生，并且曾有助于旋轉(zhuǎn)的加拉帕戈斯微板塊的初期形成（大約是1.5百萬年）。

加拉帕戈斯三聯(lián)點 板塊邊界 巖石層應力

引言

海洋中三聯(lián)點處的分散式變形說明，巖石層板塊在其邊界快速演變時經(jīng)歷了有重要意義的內(nèi)部變形過程（如見Lonsdale，1988；Mitchell，1991；Mitchell and Livermore，1998）。變形的性質(zhì)對于巖石層如何對應力做出響應有重要的約束。本文中，我們對加拉帕戈斯三聯(lián)點（GTJ）的分散式變形的運動學歷史和 性狀 （Birdet al，1999；kleinet al，2005；Lonsdale，1988；Scarle and Francheteau，1986；Zonenshainet al，1980）進行了研究。該三聯(lián)點區(qū)域揭示出應力和板塊邊界之間基本的相互作用很有可能同時影響洋中脊和陸地上的構造。

Lonsdale（1988）提出，加拉帕戈斯三聯(lián)點是由4個裂谷組成的，分別是東太平洋海隆、初始裂谷、科科斯—納斯卡裂谷和加拉帕戈斯—納斯卡裂谷（這里專門指迪茨深裂谷），這4個裂谷將旋轉(zhuǎn)的加拉帕戈斯微板塊圍起（如圖1a）?？瓶扑埂{斯卡裂谷的末端（赫斯海溝）目前沒有與東太平洋海隆交叉；相反，在1°10′N 和2°40′N 有兩個脊－脊－脊（RRR）交匯點，在此處迪茨（Dietz）深裂谷和初始裂谷都與東太平洋海隆交匯。

Lonsdale（1988）的加拉帕戈斯三聯(lián)點模型，直到約1.5百萬年時，都有簡單的大板塊脊－脊－脊三聯(lián)點，當時迪茨深裂谷在東太平洋海隆處發(fā)育，形成了較短的、東西向的擴張中心。隨著時間的推移，迪茨深裂谷向東北延展，逐步到達科科斯—納斯卡裂谷的南端。加拉帕戈斯微板塊完全自身運動，即在大約1百萬年時圍繞垂直軸順時針旋轉(zhuǎn)。初始裂谷也在那時開始張裂。

圖1 （a）加拉帕戈斯三聯(lián)點的主要構造特征位置圖（據(jù)Karson et al，2002）。GMP—加拉帕戈斯微板塊；NGMP—北部加拉帕戈斯微板塊；ER—死裂谷；IR—初始裂谷；DDR—迪茨深裂谷；C－N—可可斯—納斯卡擴張中心；EPR—東太平洋海隆；TJ—三聯(lián)點。（b）初始裂谷的多波束測深圖。（c）死裂谷的多波束測深圖。陰影區(qū)—火山高地以及熔融流的區(qū)域。白色虛線—從火山高地東南向擴張的地塹。白色實線—100萬年等深線（據(jù)Lonsdale，1988）。紅線（原圖為彩色圖——譯注）圍起的矩形代表（b）圖和（c）圖的位置

要理解初始裂谷對于三聯(lián)點運動學方面的作用是比較困難的。Lonsdale（1988）和Lonsdale等（1992）認為，初始裂谷是較小的向西擴展的裂谷。相反，Klein等（2005）斷定，初始裂谷的開裂以東端為中心點。而且，以前所認為的單一加拉帕戈斯微板塊其實可由兩個反向旋轉(zhuǎn)的微板塊組成：Lonsdale提到的加拉帕戈斯微板塊的北部（北加拉帕戈斯微板塊）和該微板塊的其余部分。把Schouten等（1993）提出的邊緣驅(qū)動微板塊模型應用到他們提出的雙微板塊系統(tǒng)中，Klein等（2005）估計北加拉帕戈斯微板塊自從0.5百萬年形成之后一直以7°/a的速度在旋轉(zhuǎn)，這個旋轉(zhuǎn)角度太小，不能根據(jù)海底構造明確地分辨出。

Klein等（2005）同時提出，死裂谷是東北方向約100km處與初始裂谷平行的海槽。他們認為，死裂谷比初始裂谷范圍更大，而且加拉帕戈斯三聯(lián)點隨著科科斯—納斯卡裂谷南北部旋轉(zhuǎn)微板塊的發(fā)育和消失而經(jīng)歷了較長時間復雜的板塊重組過程。

我們對加拉帕戈斯三聯(lián)點的演化給出了新解釋。我們發(fā)現(xiàn)，在過去的4～5百萬年里，科科斯板塊上南北向的海山已經(jīng)消失，通過火山活動被一系列短壽命的西北—東南向小裂谷和相關的三聯(lián)點所覆蓋，但是沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)。我們認為，該裂谷的位置是由與科科斯—納斯卡裂谷相關的應力控制的，同時與東太平洋海隆的距離相關。我們推測在科科斯—納斯卡裂谷南側(cè)也發(fā)生過類似短壽命的裂谷活動，并且有助迪茨裂谷的發(fā)育以及加拉帕戈斯微板塊的形成（1.5百萬）。

1 北部三聯(lián)點

在初始裂谷的西端（圖1b），寬闊的火山高地從三聯(lián)點開始往東延伸15km，在東南方向形成較窄的地塹，地塹深度為200m，寬度大約4km（圖1b和圖2）。在東太平洋海隆上有大量的火山活動，因此產(chǎn)生了南北兩邊火山高地（Klein et al，2005）。死裂谷的完整形狀與初始裂谷相似：有火山高地以及覆蓋東太平洋海隆的熔融物，因此在東南方向形成地塹（圖1c和圖2）。這也表明火山凸起體西段曾經(jīng)是死裂谷與東太平洋海隆前期的交匯處。因為死裂谷比初始裂谷更深更寬，我們推斷早于裂谷消失的時間1.5百年前，有一個比較長的持續(xù)時間，可能大于0.5百萬年。如果死裂谷以邊緣驅(qū)動的微板塊為界，則其南部的巖石層應該可以觀測到有旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。然而，與在初始裂谷一樣，沒有觀測到任何海底構造旋轉(zhuǎn)的證據(jù)，這對Klein（2005）提出的在科科斯—納斯卡裂谷以北存在一系列旋轉(zhuǎn)的邊緣驅(qū)動微板塊的模型是挑戰(zhàn)。

圖2 （a）科科斯—納斯卡裂谷以北的多波束測深及整體海底地形圖（原圖為彩色圖——譯注）。紅色虛線—推測的北三聯(lián)點的跡線。（b）對（a）圖特征的解釋。黑色陰影—大范圍火山活動的輪廓線；淡灰色陰影區(qū)—科科斯—納斯卡裂谷；黑粗線—裂谷系；細黑線—線理；紅虛線—同（a）圖；SC—擴張中心；HD—赫斯海溝；TJ—三聯(lián)點；EPR—東太平洋海隆

在初始裂谷和死裂谷之間以及更東部的區(qū)域，我們觀察到有多個火山活動的洋中脊（圖1b，1c）沿著其走向變成了地塹。發(fā)現(xiàn)覆蓋并與南北向海山毗鄰的火山活動的西緣是與東太平洋海隆交匯的短壽命裂谷的蹤跡（圖2）。相關的地塹具有不同寬度，因此據(jù)推測開裂形成的時間長短也不同。在觀察到火山凸起體而沒有明顯地塹的地方，我們推斷火山活動發(fā)生在初始破裂的地方，之后破裂快速消失了。

因此看來，初始裂谷是最近形成的，而死裂谷是20多個東南向裂谷或是開裂之中最大的裂谷，這些裂谷往南或是往西擴張，相繼為東太平洋海隆南北擴張?zhí)峁┝藯l件。在西經(jīng)101°20′，文中推測的三聯(lián)點突然改變了擴張方向，由之前的向西擴張改為向南擴張。在101°35′，繼續(xù)向西擴張。我們發(fā)現(xiàn)更向西擴張的趨勢意味著存在相對靜止的三聯(lián)點，同時引起了在相對穩(wěn)定的區(qū)域持續(xù)時間更長的擴張，而向南擴張趨勢意味著擴張活動以及三聯(lián)點火山活動快速且不斷重復地往南進行。

2 裂谷相互作用的模型

我們假設，初始裂谷和其他死裂谷的開裂與始終未到達東太平洋海隆的科科斯—納斯卡裂谷的向西擴展有關。我們使用簡單的開裂相互作用模型來理解控制北三聯(lián)點位置的因素。初始的數(shù)值模型是用商用的有限元軟件 COMSOL Multiphysics（COMSOL，2006）構建在圖上的（圖3a）。該模型遵循的平面應力近似值適合長期缺乏表面負載的巖石層（Turcotte and Schubert，2002）。該近似值與Floyd等（2002）在赫斯海溝得到的應力相互作用研究中不一致，他們在時間尺度小于1 000年時把相互作用想象成一個半無限的空間，這樣就不會發(fā)生黏性松弛。

在我們的模型中，科科斯板塊和納斯卡板塊由矩形區(qū)近似給出。它們的西邊界，即東太平洋海隆沒有應力作用。該板塊被垂直于東太平洋海隆的主軸切割，該主軸也就是科科斯—納斯卡裂谷。當板塊與東太平洋海隆的距離達到D時，切割停止。板塊的運動速度會對模型中板塊的南北邊界產(chǎn)生影響，通過增加一個任意時間的增量來檢驗應力場。應力的幅度隨著時間和楊氏模量成正比例地變化，而與板塊厚度成反比。然而，應力模式仍然保持不變。我們把這種模式稱為應力增強圖，用缺失科科斯—納斯卡裂谷的情況下所預期的應力來對應力場進行規(guī)一化。

還用類似的模型解釋了位于沒有巖漿噴發(fā)的巖墻上方形成的地塹（Mastin and Pollard，1988；Pollard and Holzhausen，1979）。這種巖墻模型假設平面應變和負荷是由巖墻的內(nèi)部壓力造成的；相反，我們則認為平面應力和負荷是由較遠的位移引起的。在這兩種模型中，都會產(chǎn)生離軸的最大應力值。

在開裂前方發(fā)育有張力減小的區(qū)域，而沿著東太平洋海隆方向，距離裂谷末端正負1.4D的位置是張力最大的地方。在這些地方預計出現(xiàn)了沒有與正在擴展的科科斯—納斯卡裂谷相連的第一次張裂。在第一次張裂附近，沿著東太平洋海隆的應力減小，張裂隨著張力最大值往東南方向延展。如圖3b所示，沿著東太平洋海隆與張裂末端1.4D的地方相對于科科斯—納斯卡裂谷，與初始裂谷的位置更加一致。

圖3 （a）簡單開裂模式中的應力增強（原圖為彩色圖——譯注）。暖色（紅到黃）是增加的張應力，冷色（藍綠色到紫羅蘭）是減小的張應力。應力增強是通過沒有張裂的情況下的應力場來進行規(guī)一化的。等值線范圍從0到0.4，間隔是0.02。D代表開裂末端到自由邊界的距離。張應力最大值發(fā)生在正負1.4 D的地方。（b）地形圖上壓力增強等值線。開裂模型的末端與科科斯—納斯卡裂谷的末端重合，而且該模型旋轉(zhuǎn)了一定角度使得與擴張中心的方向一致。初始裂谷位于東太平洋海隆張應力最大值的地方。TJ代表三聯(lián)點

在我們的模型中，板塊厚度為恒量。隨著與東太平洋海隆的距離增大，如果考慮板塊厚度增加，這大體上會增加東太平洋海隆的應力，而不會大幅度改變最大應力值的位置。同樣在模型中，根據(jù)幾何學的知識，我們把東太平洋海隆的邊界認定為無應力。這樣就在初始裂谷的地方產(chǎn)生了更加強烈的張應力，因為東太平洋海隆走向的改變（圖1；Lonsdale et at，1992）將會加強張應力。

在我們的數(shù)值模擬中，科科斯—納斯卡裂谷末端的區(qū)域是張力減小的，也許存在更加復雜的巖漿噴出情況。在這個區(qū)域，東太平洋海隆并沒有典型的快速擴張洋中脊的隆起形態(tài)（Lonsdale，1977，1988；Searle and Francheteau，1986）。相反，它看起來更像是慢速擴張的洋脊，具有地壘和地塹形態(tài)。這種形態(tài)是否是正在擴張的科科斯—納斯卡裂谷引起張力的產(chǎn)物還有待今后進一步研究確定。

3 討論

在標志著科科斯—納斯卡裂谷擴展的大陡坡的正北區(qū)域，有一長達250km、寬50km的西北—東南向裂谷，在其西段有火山活動，并且與東太平洋海隆產(chǎn)生的海山交匯（圖2）。這也表明，科科斯—納斯卡裂谷以北50～100km區(qū)域，東太平洋海隆產(chǎn)生的巖石層從4百萬年前開始擴張了一系列的小裂谷，擴張大致變成了南北走向。

圖4 （a～e）加拉帕戈斯三聯(lián)點在過去2百萬年中的演化示意圖（原圖為彩色圖——譯注）。DDR—迪茨深裂谷，IR—初始裂谷，ER—死裂谷，淺陰影區(qū)—科科斯—納斯卡裂谷，黑色陰影區(qū)—大量火山活動的區(qū)域，粗實線—擴張裂谷。近連續(xù)跳躍的初始裂谷型裂谷發(fā)生在科科斯—納斯卡裂谷以北。相反，三聯(lián)點南部和迪茨深裂谷是穩(wěn)定的，并且在1.5百萬年中一直是旋轉(zhuǎn)的加拉帕戈斯微板塊的邊界。在1.5百萬年時，原生的迪茨深裂谷和死裂谷在科科斯—納斯卡裂谷兩側(cè)成對稱分布。（f）黑線（1.4D）—估計的北三聯(lián)點的跡線（紅虛線，圖2）和科科斯—納斯卡裂谷末端跡線的裂谷坡（虛線，圖2）之間的南北距離。點劃線（D）—預測的科科斯—納斯卡裂谷末端至東太平洋海隆之間的距離。這表明死裂谷和初始裂谷的壽命更長，因為科科斯—納斯卡裂谷末端緩慢遠離東太平洋海隆。另外，其他影響東太平洋海隆的因素也許控制了它的穩(wěn)定性。GMP—加拉帕戈斯微板塊

加拉帕戈斯三聯(lián)點在過去2百萬年中的演化示意圖展示在圖4（a～e）中?；跀?shù)值模擬的結果，我們預測每個張裂以及科科斯—納斯卡裂谷北部地塹的張裂起初位置都是在東太平洋海隆。隨著張裂向西擴展，火山噴發(fā)形成了局部的火山高地以及火山流覆蓋在海底。目前，在初始裂谷的火山高地比附近的洋脊低，這也表明比起初始裂谷，東太平洋海隆的熔融也許會優(yōu)先發(fā)生。如果科科斯—納斯卡裂谷末端與東太平洋海隆保持恒定的距離D，最大張應力的點將會穩(wěn)定在1.4D的地方，而穩(wěn)定的三聯(lián)點將會遠離科科斯—納斯卡裂谷末端，移動速度是裂谷擴張速度的一半。在某些點，穩(wěn)定的三聯(lián)點往北移動的距離太大以至于不能夠繼續(xù)擴展，新的裂谷將會開始往南擴展，從而形成脊－脊－脊三聯(lián)點。當裂谷靠近東太平洋海隆時，三聯(lián)點將會快速消失，沿著東太平洋海隆的最大張應力點將會靠近裂谷。相反，當裂谷遠離東太平洋海隆時，三聯(lián)點將會保持原有的最佳形態(tài)繼續(xù)張裂，結果形成了類似于初始裂谷或是死裂谷尺度的地塹。圖4f展示了之前基于北部三聯(lián)點從科科斯—納斯卡裂谷末端開始運動的軌跡的南北距離，預測的在過去5百萬年中從裂谷末端到東太平洋海隆的距離（裂谷坡，圖2）。

該數(shù)值模擬預測在加拉帕戈斯微板塊形成之前，在科科斯—納斯卡裂谷以南存在張裂的鏡像條帶和地塹。是什么因素促使了加拉帕戈斯微板塊形成還是個未知數(shù)。Lonsdale（1988）提出，迪茨深裂谷是由東太平洋海隆附近的火山引起的。我們同樣注意到死裂谷與初始的迪茨深裂谷在同一個時期存在，而且與科科斯—納斯卡裂谷相距同樣的距離（圖4e）。這同樣也證明了與科科斯—納斯卡裂谷引起的變形之間的聯(lián)系，反過來也說明當最近的一次張裂變成迪茨深裂谷時，即1.5百萬年之前，類似的跳躍性張裂在科科斯—納斯卡裂谷南部發(fā)生。迪茨深裂谷從納斯卡板塊與加拉帕戈斯微板塊分離，促進了邊緣驅(qū)動的微板塊旋轉(zhuǎn)的開始。迪茨的偏移運動也許是受到大量海山的輔助作用（Lonsdale，1988），這些海山有效地阻塞了迪茨深裂谷處的三聯(lián)點，促進了巖漿噴發(fā)以及迪茨深裂谷往北擴張運動。目前，還沒有數(shù)據(jù)來證明早于迪茨深裂谷形成之前是否存在多種剪切交叉的裂谷成對稱分布。

在其他的三聯(lián)點也有報道存在分布式海底形變。比如，在慢速擴張的西南印度洋中脊與中速擴張的中印度洋中脊和東南印度洋中脊交匯處的羅德里格斯三聯(lián)點，Mitchell（1991）就報道存在橫切中印度海脊海山的“橫向”線性構造區(qū)，這種情況與本文中描述的很類似。三聯(lián)點的地質(zhì)以及我們對與延展的科科斯—納斯卡裂谷相關的應力的力學模擬已揭示出，基本力學負荷與控制該三聯(lián)點以及其他三聯(lián)點板塊邊緣發(fā)展的大延展裂谷有關。

譯自：Geology.May 2008.36（5）：339～342

原題：Cracking of lithosphere north of the Galapagos triple junction

（國家海洋局第二海洋研究所 陳 升譯；陶春輝校；呂春來復校）