西南印度洋中脊地質(zhì)構(gòu)造對地幔部分熔融的影響：深海橄欖巖尖晶石成分證據(jù)

陳 靈，初鳳友，朱繼浩，董彥輝，余 星，王 巍，李正剛

國家海洋局海底科學重點實驗室／國家海洋局第二海洋研究所，杭州 310012

0 引言

洋中脊地幔在上涌過程中發(fā)生減壓熔融，產(chǎn)生的熔體上升形成洋殼。由于礦物的熔融條件不同，地幔熔融以部分熔融形式進行［1］。作為地球上最重要的物質(zhì)遷移過程之一，地幔部分熔融及熔體遷移是全球洋中脊研究的熱點問題［2］。地幔部分熔融程度受地?；瘜W成分、溫度、洋中脊幾何形態(tài)、擴張速率以及地質(zhì)構(gòu)造等多種因素的影響［3－6］。西南印度洋中脊（SWIR）屬典型的慢速－超慢速擴張洋中脊（擴張速率14～18mm／a），轉(zhuǎn)換斷層普遍發(fā)育，洋脊分段性明顯［7－8］。本文深海橄欖巖樣品由中國“大洋一號”調(diào)查船2010年使用電視抓斗采集，采樣區(qū)位于Gallieni轉(zhuǎn)換斷層與Gazelle轉(zhuǎn)換斷層之間的洋脊段（52°20′-53°30′E，長90km，分段編號為24），洋脊擴張速率14mm／a［7］（圖1）。由于采樣區(qū)附近未發(fā)現(xiàn)熱點，在小區(qū)域范圍內(nèi)（90km）可認為地幔化學成分及溫度是均一的［9］。此外，不同于附近其他洋脊段，洋脊段24走向（近東西向）與洋脊擴張方向（近南北向）垂直，為垂向擴張，排除了洋脊斜向擴張對地幔部分熔融程度的影響［7］。因此，洋脊段24是探討轉(zhuǎn)換斷層、洋脊分段性等地質(zhì)構(gòu)造特征與地幔部分熔融程度關(guān)系的理想場所。深海橄欖巖作為洋中脊地幔部分熔融的殘留體，其尖晶石Cr＃（Cr／（Cr＋Al））隨地幔部分熔融程度的增大而增大，是地幔部分熔融程度的有效指標［10－11］。筆者主要通過橄欖巖的尖晶石成分，從地質(zhì)構(gòu)造的角度探討地幔部分熔融。

1 分析測試與結(jié)果

樣品為二輝橄欖巖，部分站位的樣品出現(xiàn)巖漿脈體，由于巖漿脈體和斜長石的出現(xiàn)表明橄欖巖可能遭受后期低溫低壓再平衡及地幔熔體的改造作用，使橄欖巖不再代表單純的熔融殘留體，因此選擇研究區(qū)不包含巖漿脈體的6個站位的橄欖巖樣品進行研究［12－13］（圖1b），每個站位的樣品制作2件（總計12件）光薄片用于巖相學鑒定。鏡下觀察未見斜長石，礦物組成主要包括斜方輝石、單斜輝石、橄欖石和蛇紋石，尖晶石在這些樣品中普遍存在。未蝕變的尖晶石在單偏光鏡下顯示褐黃色，蝕變的尖晶石呈現(xiàn)不透明黑色。尖晶石顆粒裂隙發(fā)育，以他形不規(guī)則葉片狀為主，也可出現(xiàn)蠕蟲狀結(jié)構(gòu)和港灣狀結(jié)構(gòu)，多被橄欖石蝕變形成的蛇紋石包圍。部分尖晶石沿顆粒邊緣或裂隙發(fā)生蝕變，在電子背散射圖像下呈現(xiàn)高亮邊緣線，而未蝕變的尖晶石在電子背散射圖像下亮度相對較暗（圖2）。未受蝕變影響的尖晶石顆粒中心部位可作為殘留地幔組分，用于指示地幔部分熔融程度［14］。

圖1 采樣站位圖Fig.1 Location of the sample sites

尖晶石成分測試在國家海洋局海底科學重點實驗室的Jeol JXA－8100型電子探針上完成，加速電壓為15kV，測試電流為20nA，使用中國微束分析委員會研制的氧化組組合標樣進行定量分析，數(shù)據(jù)進行ZAF校正。每個站位的橄欖巖樣品測試4～11顆（總計42顆）尖晶石，結(jié)果見表1。

圖2 尖晶石電子背散射圖像Fig.2 Backscatter images of spinels

研究區(qū)6個站位尖晶石平均Cr＃的變化范圍為0.194～0.329（表1），位于全球深海橄欖巖中尖晶石（Cr＃為0.1～0.6）的低Cr＃區(qū)域；TiO2質(zhì)量分數(shù)為0.01%～0.09%，低于0.1%，而遭受后期巖漿作用影響的含斜長石橄欖巖中尖晶石TiO2質(zhì)量分數(shù)一般大于0.1%，可達2%以上，并且具有相對更高的Cr＃（圖3），由此可知本文樣品未遭受后期巖漿作用影響，可用于指示地幔部分熔融程度［13］。利用Hellebrand［10］的經(jīng)驗公式 F＝0.1ln（Cr＃）＋0.24計算出的地幔部分熔融程度為7.6%～13.0%，小于全球洋中脊的平均值（16%），并且不同站位間地幔部分熔融程度出現(xiàn)大幅度變化，可能與研究區(qū)特殊的地質(zhì)構(gòu)造對地幔部分熔融的影響有關(guān)［16］。

圖3 尖晶石Cr＃－w（TiO2）關(guān)系圖Fig.3 Diagram of Cr＃－w（TiO2）of spinel

2 討論

洋中脊地幔熔融是地幔絕熱上涌的減壓熔融過程，隨著壓力的降低，部分熔融程度逐漸增大。當?shù)蒯Ｉ嫌康浇乇頍徇吔鐚訒r，由于受到熱傳導造成的冷卻作用影響，上涌地幔溫度下降到地幔固相線以下，絕熱上涌遭到破壞，部分熔融作用停止［17］。因此部分熔融程度取決于地幔熔融開始到停止的深度范圍，然而地幔的起始和終止熔融深度的影響因素很多，包括地幔化學成分、溫度和熱傳導條件等，地幔易熔組分越多、溫度越高、熱傳導越慢則地幔熔融程度越大［3－6］。研究區(qū)附近未發(fā)現(xiàn)熱點（最近的Marion熱點離研究區(qū)1 600km左右），在不受熱點影響的前提下，地?；瘜W成分及潛在溫度在研究區(qū)小范圍內(nèi)（90km）可認為是均一的，因此地幔部分熔融程度主要受近地表熱傳導作用的影響［9，18］。近地表熱傳導作用受地質(zhì)構(gòu)造（轉(zhuǎn)換斷層和洋脊分段）和洋脊擴張速率的影響很大，筆者重點討論前者對地幔部分熔融的影響。

表1 不同站位橄欖巖樣品中尖晶石成分Table1 Compositions of spinels in the peridotites from different dredges

2.1 轉(zhuǎn)換斷層效應(yīng)

不同站位橄欖巖中所有尖晶石Mg＃與Cr＃關(guān)系見圖4。由圖可知，不同站位尖晶石Cr＃變化很大（0.18～0.38），每個站位尖晶石的平均Cr＃及對應(yīng)的部分熔融程度見表1。Ghose通過對大西洋MARK區(qū)Kane轉(zhuǎn)換斷層南部深海橄欖巖的研究發(fā)現(xiàn)，在Kane轉(zhuǎn)換斷層處橄欖巖中尖晶石平均Cr＃為0.17，而在遠離轉(zhuǎn)換斷層處最大可達0.41，相對應(yīng)的部分熔融程度從6.3%增大到15.1%［6］?；诓糠秩廴诔潭热绱舜蠓秶淖兓珿hose認為MARK區(qū)洋脊受轉(zhuǎn)換斷層效應(yīng)的影響，即轉(zhuǎn)換斷層處地幔熔融程度低于洋脊不連續(xù)帶（discontinuity）及洋脊分段中心［6］。

采樣站位離Gallieni轉(zhuǎn)換斷層的距離與部分熔融程度的關(guān)系如圖5所示，由近及遠依次為D1（22 km，10.4%）、D6（40km，12.3%）、D4（50km，13.0%）、D8（58km，10.6%）、D11（68km，9.2%）和D10（85km，7.6%）。隨著采樣站位離 Gallieni轉(zhuǎn)換斷層距離的增大，地幔部分熔融程度先增大，后減小，部分熔融程度最高的站位D4位于洋脊段24的中部，而部分熔融程度較低的站位D1和D10則分別位于Gallieni和Gazelle轉(zhuǎn)換斷層附近。由此可見，地幔部分熔融程度在空間上的變化受研究區(qū)2個轉(zhuǎn)換斷層的共同控制，使靠近2個轉(zhuǎn)換斷層處地幔部分熔融程度低于遠離轉(zhuǎn)換斷層處，其原因可能是轉(zhuǎn)換斷層處受近地表熱傳導冷卻作用影響顯著，淺層地幔溫度較低，地幔熔融相比遠離轉(zhuǎn)換斷層處終止于更深的深度，導致較低的地幔部分熔融程度［6］。此外，轉(zhuǎn)換斷層處巖石圈相對較厚，由加厚巖石圈形成的頂蓋效應(yīng)也可使地幔上涌停止于更深的深度，從而減小地幔部分熔融程度［19－20］。

轉(zhuǎn)換斷層效應(yīng)對地幔部分熔融程度的影響與轉(zhuǎn)換斷層的性質(zhì)有關(guān)，轉(zhuǎn)換斷層斷距越大，近地表的傳導熱損失越大，對地幔部分熔融的影響程度也就越大。Gallieni轉(zhuǎn)換斷層的斷距為105km，大于Gazelle轉(zhuǎn)換斷層（85km），因此與轉(zhuǎn)換斷層距離相同時，Gazelle轉(zhuǎn)換斷層對地幔部分熔融程度的影響應(yīng)該小于Gallieni轉(zhuǎn)換斷層［7］。但是，由圖5可知：D11站位與Gazelle轉(zhuǎn)換斷層的距離（26km）和D1站位與Gallieni轉(zhuǎn)換斷層的距離（22km）大致相等，但其地幔部分熔融程度（9.2%）卻小于 D1（10.4%）；D8站位的地幔部分熔融程度（10.6%）雖然與D1站位相當，但D8站位與Gazelle轉(zhuǎn)換斷層的距離（36km）要遠大于D1站位與Gallieni轉(zhuǎn)換斷層的距離。若D8站位及D11站位僅受Gazelle轉(zhuǎn)換斷層的影響，其地幔部分熔融程度應(yīng)該大于D1。為了解釋這種異?，F(xiàn)象，筆者給出兩種可能的推測：一是研究區(qū)西側(cè)轉(zhuǎn)換斷層缺失，而東側(cè)轉(zhuǎn)換斷層密集（圖1），由于Gazelle轉(zhuǎn)換斷層與東側(cè)其他轉(zhuǎn)換斷層的共同作用，使靠近Gazelle轉(zhuǎn)換斷層處表現(xiàn)出更低的地幔部分熔融程度；二是在D8站位和D11站位附近，可能存在一個次級轉(zhuǎn)換斷層即洋脊不連續(xù)帶，這個不連續(xù)帶在Gazelle轉(zhuǎn)換斷層的基礎(chǔ)上，使D8站位和D11站位地幔部分熔融程度進一步減小，導致研究區(qū)地幔部分熔融程度的變化偏離單純受轉(zhuǎn)換斷層影響的趨勢（圖5）。關(guān)于這兩種推測的進一步證實還需要地球物理等其他資料的支持。

圖4 研究區(qū)不同站位樣品中尖晶石Cr＃－Mg＃關(guān)系圖Fig.4 Diagram of Cr＃－Mg＃of spinel

2.2 洋脊分段

圖5 研究區(qū)各站位地幔部分熔融程度與離轉(zhuǎn)換斷層距離關(guān)系Fig.5 The relationship of the degree of mantle melting and distance from the transform fault

西南印度洋中脊廣泛分布的轉(zhuǎn)換斷層將洋脊分為不同的洋脊段，研究區(qū)洋脊段24的2個分段界線為Gallieni轉(zhuǎn)換斷層和Gazelle轉(zhuǎn)換斷層。洋脊分段中心處站位D4、D6和D8的平均地幔部分熔融程度為12.0%，而分段邊緣站位D1、D11和D10為9.1%，地幔部分熔融程度的空間分布特征除了受轉(zhuǎn)換斷層的影響外，還可能與洋脊分段所導致的巖漿抽提（melt extration）的不均一性有關(guān)，即洋脊分段中心的巖漿抽提作用比洋脊段兩端更加強烈，使得分段中心處表現(xiàn)出更大的地幔部分熔融程度。這種沿洋脊軸方向上地幔部分熔融程度的差異在慢速-超慢速擴張洋脊表現(xiàn)得尤為明顯［21］。對于這一現(xiàn)象的發(fā)生有兩種可能的解釋：一是地幔部分熔融產(chǎn)生的巖漿在沿洋脊軸方向上向分段中心的運移；二是洋脊分段中心加強的地幔上涌［22］。但是巖漿的運移只能影響玄武巖所反映的地幔部分熔融程度，因為玄武巖代表了洋脊下整個地幔熔融區(qū)域的所有巖漿的平均成分，反映了地幔平均部分熔融程度，而橄欖巖大多來自于地幔熔融區(qū)域頂端，反映的是地幔的最大部分熔融程度［23］，作為地幔部分熔融殘留體，其反映的部分熔融程度不受巖漿運移的影響。而本文的地幔部分熔融程度由深海橄欖巖獲得，因此，洋脊分段對研究區(qū)地幔部分熔融程度的影響可能是通過分段中心加強的地幔上涌造成。由此可知，洋脊分段中心加強的地幔上涌和轉(zhuǎn)換斷層的冷卻效應(yīng)使地幔部分熔融程度分別增大和減小，正是這兩種機制的共同作用，導致研究區(qū)地幔部分熔融程度在空間上表現(xiàn)出從轉(zhuǎn)換斷層處向洋脊分段中心逐漸增大的特征。

2.3 轉(zhuǎn)換斷層對地幔部分熔融程度與全球洋脊擴張速率相關(guān)性的影響

地幔上涌速率能夠影響近地表傳導熱損失速率從而影響地幔部分熔融程度，上涌速率越快，地幔通過熱邊界層的時間越短，傳導熱損失越小，減壓熔融停止的深度越淺，部分熔融程度越大［24］。洋脊處地幔上涌由板塊擴張導致，因此地幔上涌速率與有效洋脊擴張速率正相關(guān)，后者為洋脊擴張速率在垂直于洋脊走向方向上的分量［4］。SWIR東部洋脊沿南北向擴張，總體來說，擴張方向與洋脊走向斜交，為明顯的斜向擴張，且Gazelle轉(zhuǎn)換斷層東側(cè)洋脊傾斜度（45°）大于 Gallieni轉(zhuǎn)換斷層西側(cè)（15°）［7］。研究區(qū)位于Gallieni轉(zhuǎn)換斷層和Gazelle轉(zhuǎn)換斷層之間，其洋脊走向不同于周圍其他區(qū)段的洋脊，大致為東西方向（圖1），因此為垂向擴張，其洋脊擴張速率14mm／a即為有效擴張速率。

圖6 不同洋脊尖晶石Cr＃－Mg＃關(guān)系圖Fig.6 Diagram of Mg＃－Cr＃ of spinel from different ridges

為了探討全球洋脊擴張速率與地幔部分熔融程度的相關(guān)性，將尖晶石與其他不同擴張速率洋中脊的深海橄欖巖中尖晶石Cr＃數(shù)據(jù)對比。由圖6可知，快速擴張?zhí)窖笾屑笻ess Deep尖晶石Cr＃最高，超慢速擴張北冰洋Gakkel洋脊尖晶石Cr＃則較低，由于轉(zhuǎn)換斷層的影響，研究區(qū)尖晶石Cr＃出現(xiàn)較大范圍的變化，研究區(qū)部分站位及 MARK（mid－Atlantic Ridge near Kane fracture zone）區(qū)域Kane轉(zhuǎn)換斷層處尖晶石Cr＃甚至低于超慢速擴張北冰洋Gakkel洋脊。在剔除研究區(qū)D1、D8、D11和D10 4個受轉(zhuǎn)換斷層影響顯著的站位后，對剩余的站位D4和D6中的尖晶石Cr＃求平均值，并將其對應(yīng)的地幔部分熔融程度與來自不同擴張速率非轉(zhuǎn)換斷層處的樣品做對比，結(jié)果表明，洋中脊地幔部分熔融程度隨洋脊擴張速率的降低而降低，在快速擴張洋脊部分熔融程度變化不明顯，而在擴張速率小于25 mm／a時，部分熔融程度下降的速率顯著增快。為了驗證這種剔除轉(zhuǎn)換斷層影響后的變化趨勢是否符合基本的觀測事實，將其與全球洋脊地殼厚度變化模型對比發(fā)現(xiàn)，其變化趨勢與全球洋脊地殼厚度隨洋脊擴張速率的變化相一致（圖7）。而圖7中地殼厚度變化模型由地球物理熱模擬所獲得，可見本文部分熔融變化趨勢符合地球物理模型。此外，從地球動力學的角度看，洋脊地殼厚度由洋脊下巖漿供應(yīng)量決定，慢速擴張脊地幔部分熔融大多停止于大于30km深處，而快速擴張脊則遠小于30km，使得快速擴張脊下出現(xiàn)更大的地幔部分熔融區(qū)域，導致更大的地幔部分熔融程度，從而為洋殼的形成提供更多的巖漿，因此，快速擴張洋脊平均地殼厚度應(yīng)該大于慢速擴張洋脊［27］。綜上所述，本文由非轉(zhuǎn)換斷層處尖晶石Cr＃計算的地幔部分熔融程度隨洋脊擴張速率的變化趨勢能夠很好地與全球洋脊地殼厚度隨洋脊擴張速率的變化模型相符合（圖7），可見在利用尖晶石Cr＃探討全球洋脊擴張速率與地幔部分熔融程度的相關(guān)性時，應(yīng)該注意轉(zhuǎn)換斷層的影響，通過對轉(zhuǎn)換斷層效應(yīng)的校正，能夠更準確地反映洋脊擴張速率與地幔部分熔融程度的相關(guān)性。

圖7 洋脊擴張速率與地幔部分熔融程度以及地殼厚度關(guān)系Fig.7 Relationship of the degree of mantle melting and crustal thickness with the full spreading rate of ocean ridge

3 結(jié)論

西南印度洋中脊Gallieni轉(zhuǎn)換斷層與Gazelle轉(zhuǎn)換斷層之間的洋脊段由尖晶石Cr＃所指示的地幔部分熔融程度在空間上的變化主要受轉(zhuǎn)換斷層控制，由于轉(zhuǎn)換斷層的冷卻作用以及洋脊分段中心加強的巖漿抽提作用的影響，靠近轉(zhuǎn)換斷層處地幔部分熔融程度低于洋脊分段中心。研究區(qū)斷距較小的Gazelle轉(zhuǎn)換斷層相對于Gallieni轉(zhuǎn)換斷層表現(xiàn)出更強的轉(zhuǎn)換斷層效應(yīng)，表明Gazelle轉(zhuǎn)換斷層附近可能存在次級轉(zhuǎn)換斷層，此外，Gazelle轉(zhuǎn)換斷層東部密集分布的轉(zhuǎn)換斷層也是造成這種異常的可能原因。由于轉(zhuǎn)換斷層效應(yīng)可以使同一擴張速率的洋脊地幔部分熔融程度出現(xiàn)大幅度的變化，在研究地幔部分熔融程度與洋脊擴張速率的相關(guān)性時，通過對轉(zhuǎn)換斷層效應(yīng)的校正，能夠更準確地反映地幔部分熔融程度隨洋脊擴張速率的變化趨勢。

中國大洋115－21航次為本文提供樣品以及多波束地形數(shù)據(jù)，在此表示感謝。

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