北大西洋Mohns洋中脊擴(kuò)張地殼構(gòu)造特征的研究

王立明，胡毅，張濤，王瑜，許江

（1.國(guó)家海洋局第三海洋研究所海洋與海岸地質(zhì)環(huán)境開放實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361005；2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州 310012；3.廈門理工學(xué)院，福建廈門 361005）

北大西洋Mohns洋中脊擴(kuò)張地殼構(gòu)造特征的研究

王立明1，胡毅1，張濤2，王瑜3，許江1

（1.國(guó)家海洋局第三海洋研究所海洋與海岸地質(zhì)環(huán)境開放實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361005；2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州 310012；3.廈門理工學(xué)院，福建廈門 361005）

北大西洋Mohns洋中脊是很重要的擴(kuò)張帶。中國(guó)第五次北極科學(xué)考察的重點(diǎn)之一就是獲取Mohns洋中脊的磁力數(shù)據(jù)。通過獲得的磁力和以往的重力與地震資料，研究洋中脊的擴(kuò)張、地殼構(gòu)造特征及厚度。這些研究有助于更好地理解地球上重要的地質(zhì)過程、海底擴(kuò)張和殼幔相互作用。

Mohns洋中脊；地殼構(gòu)造；厚度；磁異常

1 引言

Mohns洋中脊位于挪威－格陵蘭海中心，從南側(cè)Jan Majen破碎帶延伸至北側(cè)Knipovich洋中脊的走向?yàn)镹60°，全長(zhǎng)大約580 km。洋中脊跟擴(kuò)張方向垂直，為NNW－SSE（見圖1）。在漸新世，主要運(yùn)動(dòng)變化出現(xiàn)在拉布拉多海擴(kuò)張停止和相對(duì)于歐亞板塊的格陵蘭板塊逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。擴(kuò)張方向開始是北向110°～120°，全擴(kuò)張速率從2.5 cm／a下降到0.5 cm／a。隨后，擴(kuò)張速率緩慢增加到現(xiàn)在的1.8 cm／a，整個(gè)階段由9 Ma減少為5 Ma。擴(kuò)張方向仍然為北向110°，跟揚(yáng)馬延島破碎帶走向接近［1—2］。

軸向山谷寬度范圍為8～15 km。沿著Mohns洋中脊水深范圍從南端的2.8 km到北端的3.2 km，即軸向山谷平均深度向著東北方是增加的。認(rèn)為洋中脊淺海南端是由伴隨著熱點(diǎn)洋中脊相互作用產(chǎn)物熔融異常引起的。這種相互作用可能的證據(jù)源自于區(qū)域?qū)游龀上裱芯?。它揭示了?00～300 km深的Sv波速度從相對(duì)朝洋中脊西南端低速度到東北端高速度沿著洋中脊的變化。這反常構(gòu)造是由冰島熱點(diǎn)相互作用引起的，但是也推測(cè)在揚(yáng)馬延島下方有獨(dú)特的地幔柱存在的緣故［3—4］。

軸向山谷海底具有傾斜隆起特征，被認(rèn)為是火山脊或是斷層。這些傾斜構(gòu)造是密集地震活動(dòng)位置。到達(dá)水深3 500 m的深水盆地交替為盆地海底以上達(dá)到頂點(diǎn)的傾斜隆起。局部層析成像研究關(guān)注其中構(gòu)造，揭示了在斷陷古肩和傾斜隆起下方地震速度比在軸向山谷和周邊深水盆地下方更高［5］。

2 磁力數(shù)據(jù)采集和處理

中國(guó)第五次北極科學(xué)綜合考察“雪龍”號(hào)極地科考船首次穿越北方航道，到達(dá)北大西洋挪威－格陵蘭海進(jìn)行科學(xué)作業(yè)。此次考察的重點(diǎn)任務(wù)之一是對(duì)Mohns洋中脊進(jìn)行磁力調(diào)查。通過調(diào)查采集到了寶貴的數(shù)據(jù)。

此次調(diào)查主要在圖1中黑框及附近海域，測(cè)線布設(shè)如圖2中所示。通過對(duì)磁力調(diào)查數(shù)據(jù)處理，并結(jié)合NGDC網(wǎng)站下載的磁力數(shù)據(jù)［6］，得到了Mohns洋中脊的磁異常（見圖2，圖中黑色線是測(cè)線調(diào)查位置）。再經(jīng)過磁異常小波分解，獲得了區(qū)域磁力異常，并在此基礎(chǔ)上反演，最終繪得了磁性基底（見圖3）。從圖2可以看出，Mohns洋中脊有較高的正磁異常，顯示出較強(qiáng)的磁條帶特征，且以洋中脊為軸線，磁條帶正負(fù)異常相互對(duì)稱和相互間隔。由圖3的區(qū)域磁異常反演的磁性基底可發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域最深磁性基底達(dá)到8 km，Mohns洋中脊約為5 km，并且軸線兩側(cè)逐漸變深。

圖1 挪威－格陵蘭海水深地形及洋中脊位置圖Fig.1 The bathymetric chart and the location map of mid-ocean ridge in the Norwegian-Greenland Sea

3 分析結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)［1］提到的海底水聽器與Mohns洋中脊平行布設(shè)，共8條地震測(cè)線，主頻在10 Hz氣槍震源以40 s間隔激發(fā)放炮獲得該海域的地震測(cè)量數(shù)據(jù)。在這8條單道地震反射剖面中（圖4是其中一條），離洋中脊較遠(yuǎn)的四條測(cè)線剖面有效反射界面可達(dá)到7 s左右，沉積層覆蓋厚度0.5～1.0 km，年齡在7.9～22.4 Ma之間，靠近洋中脊的4條反射剖面，只有少量或無(wú)沉積層覆蓋，年齡在0～4.4 Ma之間［1］。

由地球物理資料分析，在超低慢速率中，地殼的形成通常是很薄且變化的。Mohns洋中脊地殼的平均厚度在（4.0±0.5）km，遠(yuǎn)低于全球平均洋殼厚度，地溫大約在上地幔的1 280℃內(nèi)。

上地殼的平均厚度是（1.57±0.16）km，比平均地殼厚度薄0.55 km，并且有的整體地層尖滅。在離洋中脊軸線小于200 m且約500 m深薄層處，有約10 Ma老洋殼。這表明了在洋中脊軸上10 Ma老洋殼平均厚度從1.3～1.4 km增加至1.6 km。一旦熱液環(huán)流停止，孔隙度就緊密，某種意義上這個(gè)層也就消失。地震波速也從洋中脊軸線上由2.5 km／s增至3.0 km／s。由于地殼年代較近，基于地震引起形成的層面厚度與局部地區(qū)火山活動(dòng)及因此產(chǎn)生的噴發(fā)巖量有關(guān)。通過對(duì)磁異常、地震反射和折射數(shù)據(jù)分析，上地殼基底代表了噴發(fā)巖向巖脈的過渡，這一點(diǎn)相對(duì)年代較遠(yuǎn)的地殼而言在變更前是一致的。

圖2 北大西洋Mohns洋中脊磁異常Fig.2 Magnetic anomaly of Mohns mid-ocean ridge in the North Atlantic

圖3 北大西洋Mohns洋中脊磁性基底Fig.3 Magnetic basement of Mohns mid-ocean ridge in the North Atlantic

圖4 單道地震反射剖面［1］Fig.4 Single-channel reflection profile［1］

下地殼的平均厚度是（2.45±0.5）km，比平均海洋地殼薄2.53 km，這說明Mohns洋中脊觀測(cè)到的是薄地殼，而且這薄地殼厚度的變化控制了海洋地殼厚度的變化。在Mohns洋中脊的地殼均衡補(bǔ)償?shù)闹饕蚴怯上碌貧ず穸茸兓?。大部分基底高點(diǎn)對(duì)應(yīng)下地殼的局部增厚，而地槽則與局部地殼稀薄對(duì)應(yīng)。下地殼和上地幔的巖性折射速率P波最低為5.8 km／s，最高達(dá)到6.8 km／s，能與輝長(zhǎng)巖或蛇紋石化橄欖巖相吻合。平均上地幔速率（大約7.5 km／s）是異常緩慢的。類似的低速率通常只出現(xiàn)在低速度傳播中心內(nèi)年代較近的洋殼之下。極有可能的解釋是地殼斷層，且此處緩慢和超慢傳播速度更占優(yōu)勢(shì)，為濃熱巖漿進(jìn)入上層地幔打開通道。在上地幔循環(huán)流動(dòng)的巖漿形成的蛇紋石化是地震速率異常緩慢的原因。對(duì)于洋中脊出現(xiàn)的異常低速的不同解釋可能是上層地幔的各向異性，各向異性是由于流動(dòng)方向?yàn)檫h(yuǎn)離海嶺橄欖石晶體優(yōu)先排列所引起的；而這個(gè)結(jié)果可能造成平行測(cè)量海嶺和垂直測(cè)量海嶺速率之間出現(xiàn)5%的差異。

在洋中脊裂谷中心下方，上地幔的地震速率約為7.2 km／s。但是，離洋中脊軸僅15 km的裂谷邊緣，上地幔的速率在7.5～7.7 km／s之間。慢速率目前存在于上地幔和地殼基底中。地殼層面的基底呈現(xiàn)低密度，因此就不會(huì)在傳播中心下方形成化石；上地幔速率過低，因此預(yù)計(jì)其密度將低于傳播軸下方。在軸中位山谷地形都不均衡補(bǔ)償，但都受應(yīng)力于巖石圈或者巖流圈。此外，在Mohns洋中脊的軸上與離軸密度的變化可推斷得出，密度變化增加了均衡補(bǔ)償?shù)钠?，而不是補(bǔ)償所觀測(cè)到的海底地貌。Mohns洋中脊上，堅(jiān)硬的上地幔層在超慢傳播中心特別厚實(shí)；地殼的削薄深化了750℃等溫線，也加厚了巖石圈地幔的強(qiáng)力層。在Mohns洋中脊極有可能是由于裂縫程度較高和（或）位于地殼及上層地幔內(nèi)的蛇紋巖與軸向晶帶接近，從而產(chǎn)生脆韌性轉(zhuǎn)變的深度差異。

布格異常是除去測(cè)量海床地形空間重力異常得到的結(jié)果，三維體的密度低于周遭低于平面2 km以下的橫臥離軸巖石，同時(shí)可能產(chǎn)生的局部效應(yīng)與噴發(fā)中心的存在相關(guān)聯(lián)［1，3—4］。

4 結(jié)論

通過分析研究表明，在超慢傳播的Mohns洋中脊，介于1～22 Ma年齡的洋殼測(cè)得的平均厚度約為4 km，比在大西洋中脊產(chǎn)生的平均地殼要薄1～2 km，而大西洋中脊的傳播速率要快30%～40%。地幔的溫度高達(dá)1 280℃。上地殼厚度大致保持不變，然而隨著地殼年齡的增加，層厚度增加。這種演變伴隨著速率增加，可高達(dá)10 Ma。下地殼的速率有一個(gè)非常小是類似的變化。上地殼的抗震結(jié)構(gòu)受到年代較近地殼熱液過程的劇烈影響，但是在10 Ma時(shí)停止了，這可能是由于封孔作用和地?zé)崽荻鹊臏p少。

離洋中脊軸處的上地幔平均速率（大約7.5 km／s）比在大西洋中脊傳播中心觀測(cè)到的平均速率要慢一些。這種低于平均值的現(xiàn)象也在其他緩慢傳播中心出現(xiàn)過。在裂谷軸之下，低速率的存在暗示著下地殼還沒有完全成形于裂谷軸，或者低速率存在于上層地幔及地殼基底中。

堅(jiān)硬的上地幔層位于裂谷軸之下，可能由于處在近軸區(qū)的地殼和上地幔內(nèi)出現(xiàn)較高程度的巖層斷裂和蛇紋巖，因而可能比在大西洋中脊厚實(shí)。這有助于解釋Mohns洋中脊的上地幔速率比大西洋中脊低的原因。

［1］ Klingelh?fer F，Géli L，Matias L，et al.Crustal structure of a super-slow spreading centre：a seismic refraction study of Mohns Ridge，72°N［J］.Geophys J Int，2000，141（2）：509－526.

［2］ Dauteuil O，Brun J P.Deformation partitioning in a slow spreading ridge undergoing oblique extension：Mohns Ridge，Norwegian Sea［J］.Tectonics，1996，15（4）：870－884.

［3］ Conley M M，Dunn R A.Seismic shear wave structure of the uppermost mantle beneath the Mohns Ridge［J］.Geochemistry Geophysics Geosystems，2011，12（10），doi：10.1029／2011GC003792.

［4］ Blackman D K，Nishimura C E，Orcutt J A.Seismoacoustic recordings of a spreading episode on the Mohns Ridge［J］.Journal of Geophysical Research，2000，105（B5）：10961－10973.

［5］ Jung W Y，Vogt P R.A gravity and magnetic anomaly study of the extinct Aegir Ridge，Norwegian Sea［J］.Journal of Geophysical Research，1997，102（B3）：5065－5089.

［6］ http：／／maps.ngdc.noaa.gov／viewers／geophysics／

Study on the characteristics of crustal structure in Mohns ridge expansion in the North Atlantic

Wang Liming1，Hu Yi1，Zhang Tao2，Wang Yu3，Xu Jiang1

（1.Coast and Ocean Environmental Geology Open Laboratory，Third Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Xiamen 361005，China；2.Second Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Hangzhou 310012，China；3.Xiamen University of Technology，Xiamen 361005，China）

Mohns ridge in the north of Atlantic Ocean is a very important expansive band.One of the key for the Fifth Chinese National Arctic Research Expedition is to acquire the magnetic data on Mohns ridge.According to the magnetic，gravity and seismic data，the Mohns ridge expansion，characteristics of crustal structure and thickness are researched.These studies contribute to better understanding of the earth's geological process，seafloor spreading and crust mantle.

Mohns ridge；crustal structure；thickness；magnetic anomaly

P736.1

A

0253-4193（2014）10-0056-05

2014-01-15；

2014-08-07。

南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估專項(xiàng)（CHINARE2014－03－03，CHINARE2014－04－03－04）；國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（41204100）；福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2013J05059）；國(guó)家海洋局青年海洋科學(xué)基金（2013338）；國(guó)家海洋局第三海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（海三科2011026）。

王立明（1978—），男，浙江省文成縣人，助理研究員，主要從事海洋地球物理與極地研究。E-mail：wlm＠tio.org.cn

王立明，胡毅，張濤，等.北大西洋Mohns洋中脊擴(kuò)張地殼構(gòu)造特征的研究［J］.海洋學(xué)報(bào)，2014，36（10）：56—60，doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.10.006

Wang Liming，Hu Yi，Zhang Tao，et al.Study on the characteristics of crustal structure in Mohns ridge expansion in the North Atlantic［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（10）：56—60，doi.10.3969／j.issn.0235-4193.2014.10.006