西南印度洋構(gòu)造地貌與構(gòu)造過程

李三忠 ,索艷慧 ,余 珊 ,趙淑娟 ,戴黎明 ,曹花花 ,張 臻 ,劉為勇,張國(guó)堙

(1.海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100;2.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院,山東 青島 266100;3.國(guó)家海洋局 第二海洋研究所,國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012)

0 引 言

洋中脊熱液活動(dòng)是在洋中脊巖漿活動(dòng)、構(gòu)造作用等控制的熱液系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)與能量交換的過程,伴隨極端的生物地球化學(xué)作用、成礦作用。它現(xiàn)今表現(xiàn)為熱能驅(qū)動(dòng)下洋殼的熱液循環(huán)和熱傳輸,而傳輸和循環(huán)的主要通道為巖石圈基巖及基巖中廣泛發(fā)育的斷裂和裂隙。但是,洋底演化歷史期間的海底熱液區(qū)的分布位置及范圍,不但受控于洋中脊熱源的分布位置與變遷,還受控于區(qū)域洋底構(gòu)造特征與演化,這包括了熱液成礦區(qū)的洋中脊擴(kuò)張方式、斷層性質(zhì)、斷層組合規(guī)律、裂隙開閉過程、構(gòu)造演化過程,以及區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)與斷層–裂隙、熱源三者間的相互作用關(guān)系。

以往大洋中脊熱液噴口的綜合調(diào)查主要集中在快速擴(kuò)張的太平洋、中速擴(kuò)張的大西洋和超慢速擴(kuò)張的北冰洋洋中脊和一些弧后盆地,相關(guān)構(gòu)造研究也已取得巨大進(jìn)展。而超慢速擴(kuò)張的西南印度洋研究較少。近來(lái)在西南印度洋洋中脊發(fā)現(xiàn)的熱液噴口(Bach et al.,2002;Tao et al.,2012)引起了國(guó)際關(guān)注。但是,以往在西南印度洋洋中脊的研究主要側(cè)重重力、磁力和地震等各種調(diào)查(Tao et al.,2012)、熱點(diǎn)與洋中脊相互作用(張濤等,2011)以及巖石學(xué)、年代學(xué)和地球化學(xué)方面(Zhou and Dick,2013),精細(xì)的構(gòu)造研究極少(阮愛國(guó)等,2010;Liang et al.,2013;Zhang et al.,2011;Zhao et al.,2013)。為此,本文側(cè)重對(duì)典型勘探區(qū)洋殼淺部結(jié)構(gòu)、斷層的主要性質(zhì)、組合規(guī)律及活動(dòng)時(shí)間等構(gòu)造特征進(jìn)行詳細(xì)研究。主要手段是根據(jù)不同構(gòu)造類型的構(gòu)造地貌分析,探討西南印度洋洋中脊勘探區(qū)的斷裂組合規(guī)律,分區(qū)分塊分帶進(jìn)行洋中脊生長(zhǎng)過程、形成機(jī)制的詳細(xì)分析,其中主要研究?jī)?nèi)容包括:(1)西南印度洋洋中脊構(gòu)造地貌及其分段性,通過分區(qū)分塊分帶的構(gòu)造地貌分析,多尺度劃分不同地貌類型,在洋中脊環(huán)境劃分次級(jí)構(gòu)造類型,對(duì)洋中脊進(jìn)行 4級(jí)分段性劃分,確定分段構(gòu)造特征,探討不同構(gòu)造地貌的成因機(jī)制。(2)西南印度洋洋中脊多尺度斷裂構(gòu)造解析,結(jié)合多學(xué)科綜合信息,側(cè)重從水深數(shù)據(jù)開展斷裂生長(zhǎng)行為定性分析,揭示不同演化階段的洋殼結(jié)構(gòu)、現(xiàn)今幾何學(xué)結(jié)構(gòu),建立該區(qū)構(gòu)造幾何學(xué)模型。(3)西南印度洋洋中脊構(gòu)造過程,主要收集磁條帶、年代學(xué)資料,確定洋中脊演化歷史,收集相關(guān)地球化學(xué)資料,探討可能的洋中脊–地幔柱相互作用、周期性海洋核雜巖過程、假斷層形成和洋中脊拓展過程,為建立洋中脊、熱點(diǎn)與熱液成礦三者間的時(shí)空關(guān)系奠定構(gòu)造基礎(chǔ)。

1 區(qū)域洋底背景與演化

西南印度洋脊(SWIR)是南極洲板塊和非洲板塊的分界線,東起羅德里格斯(Rodrigues)三聯(lián)點(diǎn)(RTJ),西至布維(Bouvet)三聯(lián)點(diǎn)(BTJ),全長(zhǎng) 7700 km(Patriat et al.,1997,圖1)。沿軸水深變化較大,但其全擴(kuò)張速率較低,約為 1.2～1.8 cm/a,沿軸變化不大(Sauter and Cannat,2010),平均擴(kuò)張速率為1.4 cm/a,屬于超慢速擴(kuò)張洋中脊,且多為斜向擴(kuò)張。前人將西南印度洋中脊粗略地分成多級(jí)多個(gè)段落:在 Shaka轉(zhuǎn)換斷層和 15°E之間,斜向擴(kuò)張方向最大,擴(kuò)張方向與擴(kuò)張軸夾角高達(dá) 51°,也被稱為斜向超級(jí)擴(kuò)張段,平均水深約4000 m(Dick et al.,2003);在16°E和25°E之間長(zhǎng)約600 km的洋中脊段則被稱為正向超級(jí)擴(kuò)張段,平均水深約3500 m(Dick et al.,2003);再往東,洋中脊被Du Toit,Andrew Bain,Marion和Prince Edward轉(zhuǎn)換斷層錯(cuò)移了1200 km;繼續(xù)向東,洋中脊被Prince Edward,Discovery II,Indomed和Gallieni轉(zhuǎn)換斷層分割為三個(gè)次級(jí)段,擴(kuò)張以 25°的角度斜交洋中脊總體方向,長(zhǎng)約2200 km,軸部平均水深 3200 m左右,兩側(cè)為較為寬闊的水下隆起(Georgen et al.,2001),在這個(gè)寬闊隆起段中部,Discovery和Indomed轉(zhuǎn)換斷層之間的水深達(dá)3600 m,較鄰區(qū)深,在Gallieni轉(zhuǎn)換斷層和64°E之間擴(kuò)張方向和洋中脊正向擴(kuò)張方向的斜交角度達(dá) 30°,被Atantls II,Novara和Melville轉(zhuǎn)換斷層和非轉(zhuǎn)換斷層不連續(xù)帶分割,且洋中脊發(fā)生巨大的錯(cuò)移(Sauter et al.,2001),而該隆起東部的 Melville轉(zhuǎn)換斷層和69°E之間的軸部水深最深達(dá)4730 m;最西部是被緊密間隔性轉(zhuǎn)換斷層分割的,介于 BTJ到 10°E之間,擴(kuò)張方向和洋中脊正向擴(kuò)張方向的交角為 9°,也為斜向擴(kuò)張脊(Sauter and Cannat,2010)。

已有研究表明,西南印度洋的演化和岡瓦納大陸的裂解密切相關(guān)(Ben-Avraham et al.,1995;Livermore and Hunter,1996)。西南印度洋在Andrew Bain和Prince Edward轉(zhuǎn)換斷層之間的極其復(fù)雜的破碎帶記錄了整個(gè)西南印度洋的擴(kuò)張歷史(Bernard et al.,2005),在Prince Edward和Dicsovery II轉(zhuǎn)換斷層之間的最老磁條帶年齡為155 Ma,是非洲板塊和Nubian與Somalian新板塊之間的彌散性離散邊界(Chu and Gordan,1999;Royer et al.,2006;Stamps et al.,2008)?，F(xiàn)今介于 9°E和 25°E之間的正向超級(jí)擴(kuò)張段也至少起始于83 Ma(Bergh and Barrett,1980),且西南印度洋中脊西側(cè)1000 km和東側(cè)2500 km受鄰近快速擴(kuò)張脊驅(qū)動(dòng),分別向南西和北東方向發(fā)生了拓展(Patriat et al.,1997),且向南西與北東向的洋中脊拓展速率分別為1.5 cm/a和3.5 cm/a(Royer et al.,1988);但這兩段與岡瓦納大陸裂解無(wú)關(guān)。RTJ在約71 Ma與約 52 Ma期間不斷頻繁地向北東向躍遷,并導(dǎo)致西南印度洋板塊格局重組和新的軸部不連續(xù)性,在Gallieni和Melville轉(zhuǎn)換斷層之間出現(xiàn)高度的分段性(Dyment,1993),其洋中脊分段長(zhǎng)度在30～45 km之間,錯(cuò)斷在25～40 km之間(Sauter et al.,2002);期間,某種重要變化也導(dǎo)致了 Andrew Bain破碎帶的總體彎曲特點(diǎn)。西南印度洋中脊最東部的 Melville轉(zhuǎn)換斷層與RTJ之間形成于印度洋最近約40 Ma的一次重大調(diào)整之后,再?zèng)]有受到大規(guī)模錯(cuò)移(Sclater et al.,1981)?？傮w上看,西南印度洋高度分段部分的彎曲破碎帶形態(tài)的年齡都小于 40 Ma,與板塊的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)有關(guān)(Bernard et al.,2005)。但最新的磁條帶異常發(fā)現(xiàn),約24 Ma左右,西南印度洋擴(kuò)張速率由3 cm/a降為1.5 cm/a,但對(duì)擴(kuò)張方向影響較小,只是局部改變了板塊邊界的幾何形態(tài)(Baines et al.,2007)。

西南印度洋中脊的巖石類型及分布、火山活動(dòng)過程、巖石圈形變特征、洋殼厚度和性質(zhì)、海水下滲和洋殼變質(zhì)、交代作用等研究始于1987年10月到12月ODP118航次。該航次選擇在西南印度洋脊AtlanticⅡ破碎帶(57°E)進(jìn)行鉆探,其中在 AtlanticⅡ破碎帶東側(cè)的海洋核雜巖上的 735B孔上鉆遇輝長(zhǎng)巖,揭示了下部洋殼的不均一性。之后,國(guó)際 Inter-Ridge研究組織把超慢速擴(kuò)張洋脊,包括西南印度洋脊和北冰洋的 Gakkel洋中脊,列為其兩個(gè)十年(1994～2003年、2004～2013年)研究計(jì)劃的首要研究?jī)?nèi)容,并規(guī)劃參與了多個(gè)針對(duì) SWIR超慢速擴(kuò)張洋脊的調(diào)查航次,在地形地貌、海底構(gòu)造、巖石學(xué)、水文環(huán)境、地球物理和熱液水體異常等方面已取得了一系列成果。這些成果為本文研究提供了大量基礎(chǔ)資料。

2 洋底構(gòu)造地貌單元與特征

洋底地貌地形與構(gòu)造密切相關(guān),由于洋底很少受到像陸地上的風(fēng)化剝蝕等影響,因而總體上反映了構(gòu)造地貌(morphotectonics或 morphostructure)的特征,因而洋底地貌是構(gòu)造地貌的本征反映。現(xiàn)今可以通過多種手段獲得精細(xì)的洋底構(gòu)造地貌,如TOBI(Towed Ocean Bottom Instrument)側(cè)掃聲納、深水多波束、淺地層剖面、海底視像技術(shù)等。本文使用的水深數(shù)據(jù)為 Smith和 Sandwell 最新版本(12.1)的 1’×1’衛(wèi)星測(cè)高反演數(shù)據(jù)(圖1,Smith and Sandwell,1997),部分詳細(xì)構(gòu)造劃分基于項(xiàng)目大洋航次數(shù)據(jù)解釋,沿洋中脊部分區(qū)段基于前人100 m×100 m網(wǎng)格間距的船測(cè)多波束數(shù)據(jù)(Cannat et al.,1999)。將多波束水深數(shù)據(jù)與衛(wèi)星測(cè)高水深數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)最新版本的衛(wèi)星測(cè)高反演數(shù)據(jù)置信度可以達(dá)到96%(張濤等,2011)。以往從全球海底地貌角度,常將海底地貌劃分為以下幾大類:相連的全球性洋中脊、被洋中脊分割的深海平原(深海盆地)、疊加在深海海盆上的復(fù)雜成因的各類海山群或海山鏈、切割洋中脊的轉(zhuǎn)換斷層和對(duì)應(yīng)伸入深海平原(深海盆地)的破碎帶、海溝(俯沖帶)。這種劃分有利于探討單一洋盆的從生到死的幾個(gè)到幾十個(gè)百萬(wàn)年時(shí)間尺度的對(duì)稱或不對(duì)稱增生方式和過程,但難以探討更為復(fù)雜、精細(xì)、更短時(shí)間尺度的海底構(gòu)造演化過程,特別是洋中脊構(gòu)造過程。本文目的是探討區(qū)域尺度洋盆或局部洋中脊的精細(xì)構(gòu)造演化,因此,試圖打破這種傳統(tǒng)劃分原則,探討服務(wù)區(qū)域或局部洋底演化研究的洋底地貌單元的一種新劃分原則。

圖1 西南印度洋區(qū)域洋底構(gòu)造格局Fig.1 Regional tectonic map of the Southwest Indian Ocean

2.1 地貌單元?jiǎng)澐衷瓌t

根據(jù)西南印度洋構(gòu)造地貌特征及其對(duì)稱性,本文劃分了七級(jí)構(gòu)造地貌單元(圖2和圖3)。首先,從整個(gè)印度洋出發(fā),根據(jù)最新一個(gè)“增生期”的區(qū)域洋盆演化一致性的差異(馬宗晉等,1998),本文將印度洋劃分為3個(gè)一級(jí)構(gòu)造地貌單元,該單元不同于“增生區(qū)”(馬宗晉等,1998)的概念。本文研究區(qū)涉及其中兩個(gè),即東南印度洋洋盆(I)和西南印度洋洋盆(II)(圖2)。然后,對(duì)西南印度洋盆地以不同洋中脊生成的洋殼和具有不同走向的轉(zhuǎn)換斷層、特定擴(kuò)張方向轉(zhuǎn)變事件的年齡、特定異常事件形成并疊加在正常擴(kuò)張洋殼上的地貌(如地幔柱或熱點(diǎn))為原則,進(jìn)一步劃分為8個(gè)二級(jí)構(gòu)造地貌單元(圖1),除一個(gè)彌散性的熱點(diǎn)相關(guān)的異常Conrad隆起–Madagascar海臺(tái)–Crozet海臺(tái)等單元外,其余 7個(gè)從南往北分別是:>120 Ma的南側(cè)洋殼地貌(II-1)、>80 Ma的南側(cè)洋殼地貌(II-2)、>40 Ma的南側(cè)洋殼地貌(II-3)、<40 Ma的洋殼地貌(II-4)、>40 Ma的北側(cè)洋殼地貌(II-5)、>80 Ma的北側(cè)洋殼地貌(II-6)和>120 Ma的北側(cè)洋殼地貌(II-7)。

圖2 西南印度洋三級(jí)洋底構(gòu)造地貌劃分與水深分布Fig.2 Third-order seafloor morphotectonic division and bathymetric map of the Southwest Indian Ocean

圖3 西南印度洋Indomed和Gallieni轉(zhuǎn)換斷層間的洋中脊構(gòu)造分段(下圖為沿軸地形,詳見2.8節(jié))Fig.3 Segmentation of the mid-oceanic ridge between Indomed and Gallieni transform faults of the SW Indian Ocean(the curves are axial ridge-parallel topography,details seen in section 2.8)

隨后,本文側(cè)重小于 40 Ma的洋殼地貌(II-4),以大型轉(zhuǎn)換斷層和其間的洋中脊構(gòu)造地貌的相似性,將研究區(qū)劃分為4個(gè)三級(jí)構(gòu)造地貌單元(即西南印度洋中脊的一級(jí)分段,圖1和圖2),自西向東分別是:Prince Edwards 和Andrew Bain轉(zhuǎn)換斷層以西的超級(jí)洋中脊段(II-4-1)、Andrew Bain和Discovery II轉(zhuǎn)換斷層間的超級(jí)洋中脊段(II-4-2)、Discovery II和Gallieni間的超級(jí)洋中脊段(II-4-3)和Gallieni轉(zhuǎn)換斷層以東的超級(jí)洋中脊段(II-4-4)。它們具有不同的擴(kuò)張速率,且擴(kuò)張方向和洋中脊具有不同的交角。

之后,選擇Discovery II和Gallieni轉(zhuǎn)換斷層間的超級(jí)洋中脊段(II-4-3),以次級(jí)轉(zhuǎn)換斷層為界,將該三級(jí)構(gòu)造地貌單元再劃分了3個(gè)四級(jí)構(gòu)造地貌分段(即西南印度洋中脊的二級(jí)分段,圖3):Indomed破碎帶以西兩個(gè)(II-4-3-1和 II-4-3-2);以東一個(gè)(II-4-3-3),且較長(zhǎng)。

為了詳細(xì)了解洋中脊宏觀行為,可以進(jìn)一步根據(jù)該段微構(gòu)造地貌,將 Indomed破碎帶以東(II-4-3-3)的洋中脊段自南向北劃分為三個(gè)五級(jí)微構(gòu)造地貌單元,分別為:北側(cè)地貌單元(II-4-3-3-1)、中央裂谷地貌單元(II-4-3-3-2)和南側(cè)地貌單元(II-4-3-3-3)。

以中央裂谷地貌單元(II-4-3-3-2)為例,根據(jù)洋中脊走向變化和火山巖等為原則,可以自西向東精細(xì)劃分為3個(gè)六級(jí)構(gòu)造地貌單元(即西南印度洋中脊的三級(jí)分段,圖2和圖3):正向擴(kuò)張地貌單元(II-4-3-3-2-1)、斜向裂谷地貌單元(II-4-3-3-2-2)和斜列擴(kuò)張地貌單元(II-4-3-3-2-3)。

因?yàn)檠髿ざ计鹪从谘笾屑?為了詳細(xì)了解洋中脊微觀行為,以斷裂組合樣式、傾向、走向等構(gòu)造特征和微地貌特征為原則,選擇斜列擴(kuò)張地貌單元(II-4-3-3-2-3),最終自西向東劃分為3個(gè)七級(jí)構(gòu)造地貌單元(即圖3中洋中脊三級(jí)分段的斜列擴(kuò)張地貌成因類型的細(xì)分),分別稱為:直線型雁列式組合段(II-4-3-3-2-3-1)、斜線型雁列式組合段(II-4-3-3- 2-3-2)和斜線型側(cè)列式組合裂谷段(II-4-3-3-2-3-3)。

此外,還區(qū)分出與洋中脊行為不同的構(gòu)造地貌單元,如與熱點(diǎn)或地幔柱相關(guān)的構(gòu)造地貌,它們往往疊加在不同的構(gòu)造單元之上,可以單獨(dú)編號(hào)(圖2)。本文重點(diǎn)討論 Crozet熱點(diǎn)和馬達(dá)加斯加熱點(diǎn),表現(xiàn)為深海臺(tái)地。它們可以和洋中脊發(fā)生脊–柱相互作用,從而表現(xiàn)出一些特殊的微構(gòu)造地貌,如 35°E～40°E之間的串珠狀離軸火山或長(zhǎng)垣地貌。

2.2 一級(jí)構(gòu)造地貌單元

(1)東南印度洋地形(I)

該構(gòu)造地貌單元水深一般在4000 m以上,東北角水深大于5000 m。而西南角水深相對(duì)較淺,與受熱點(diǎn)影響有關(guān);總體地貌以破碎帶較長(zhǎng)、走向NE向?yàn)轱@著特征(圖2)。

(2)西南印度洋地形(II)

該構(gòu)造地貌單元水深一般在3000 m以上,一些異常地貌水深多在1000～2000 m之間。受復(fù)雜構(gòu)造影響可進(jìn)一步分成多級(jí)別和多類型的構(gòu)造地貌單元。總體地貌以破碎帶曲折且較長(zhǎng)、走向NNE向(新的洋殼區(qū))和SN向或NNW向(老的洋殼區(qū))為顯著特征(圖2)。

2.3 二級(jí)構(gòu)造地貌單元

(1)>120 Ma的南側(cè)洋殼地貌(II-1)

位于Conrad隆起以南,水深總體小于4000 m,局部有離軸火山錐。洋中脊總體近 EW 走向,形成于120 Ma之前,死亡的轉(zhuǎn)換斷層和相應(yīng)的破碎帶為NE 走向(圖2)。

(2)>80 Ma的南側(cè)洋殼地貌(II-2)

位于Marion、Delcano、Crozet熱點(diǎn)群以南,總體水深大于4000 m。洋中脊總體也近EW走向,形成于80～120 Ma之間,死亡的轉(zhuǎn)換斷層和相應(yīng)的破碎帶也為SN走向(圖2)。

(3)>40 Ma的南側(cè)洋殼地貌(II-3)

Delcano和 Crozet等三個(gè)高原或臺(tái)地的年代學(xué)結(jié)果表明,形成于 70 Ma左右。Delcano和 Crozet等三個(gè)高原相對(duì)洋中脊位置分別是坐軸、偏軸和離軸,水深相對(duì)>40 Ma的北側(cè)洋殼地貌水深較淺,可能與Crozet和Delcano熱點(diǎn)有關(guān)(圖2)。

(4)<40 Ma的洋殼地貌(II-4)

自西向東,洋中脊寬度逐漸變窄,水深總體淺于 3000 m,由中部向南北兩側(cè)水深加深,且北側(cè)水深明顯大于南側(cè)水深。研究區(qū)洋中脊可以被大型轉(zhuǎn)換斷層劃分為三個(gè)超級(jí)分段。東段次級(jí)轉(zhuǎn)換斷層等間距密集分布,地形和坡度變化較大;中西兩段轉(zhuǎn)換斷層相對(duì)稀少,且貫通性較差,地形和坡度變化不如東段明顯,可能與Madagascar熱點(diǎn)與<40 Ma的洋中脊相互作用有關(guān)(圖2)。

(5)>40 Ma的北側(cè)洋殼地貌(II-5)

>40 Ma的北側(cè)洋殼地貌位于<40 Ma的洋殼地貌以北,水深總體大于 4000 m,西部和東部水深大于 4000 m(圖2)。

(6)>80 Ma的北側(cè)洋殼地貌(II-6)

中部疊加有Madagascar水下臺(tái)地,高原水深淺于3000 m,且中段有一些離軸火山和Madagascar臺(tái)地相連。未見洋中脊,但磁條帶總體也近EW走向,形成于80～120 Ma之間,死亡的轉(zhuǎn)換斷層和相應(yīng)的破碎帶也為 SN走向。Madagascar高原或臺(tái)地的年代學(xué)結(jié)果表明,其形成于90 Ma左右(圖2)。

(7)>120 Ma的北側(cè)洋殼地貌(II-7)

主要分布于非洲大陸以東和Madagascar水下臺(tái)地以西,中部水深總體大于5000 m,地形相對(duì)平坦。年代學(xué)表明,形成于120～140 Ma之間,死亡的轉(zhuǎn)換斷層和相應(yīng)的破碎帶也為NNE走向,記錄了西南印度洋的早期演化歷史(圖2)。

2.4 三級(jí)構(gòu)造地貌單元

(1)Prince Edwards 和Andrew Bain以西的超級(jí)洋中脊段(II-4-1)

整體長(zhǎng)度較長(zhǎng),被次級(jí)轉(zhuǎn)換斷層分割為 6段,是正向擴(kuò)張脊段,中部總體上水深偏淺,其北部水深最深大于5000 m。脊軸地貌特征具有與太平洋海隆相似的最寬闊的地形地貌,和超慢速擴(kuò)張脊不吻合,是西南印度洋最為異常的脊段,可能與 Marion和Madagascar熱點(diǎn)的額外巖漿供應(yīng)有關(guān)。但它還具有中央裂谷,這點(diǎn)又和慢速-超慢速擴(kuò)張脊特征類似(圖2)。

(2)Andrew Bain和Discovery間的超級(jí)洋中脊段(II-4-2)

一般來(lái)說(shuō),超慢速擴(kuò)張脊其地形都是陡峭的地形,坡度較大,且中央裂谷顯著,但是這段超級(jí)洋中脊段出現(xiàn)異常,地形相對(duì)平緩,坡度較小,異常的中央裂谷地形水深在3000 m左右,顯示出快速擴(kuò)張脊的特點(diǎn),這種地形地貌和地幔柱–洋中脊相互作用顯著的冰島類似,可能表明有異常巖漿的加入(圖2)。

(3)Discovery和 Gallieni間的超級(jí)洋中脊段(II-4-3)

這段洋中脊也是異常的中央裂谷地形,水深也在3000 m左右,但是異常寬度沒有Andrew Bain和Discovery間的超級(jí)洋中脊段的顯著,可能表明額外巖漿供給相對(duì)少(圖2、3)。

(4)Gallieni以東的超級(jí)洋中脊段(II-4-4)

該超級(jí)洋中脊段為正常的中央裂谷地形,水深也在4000 m左右,次級(jí)轉(zhuǎn)換斷層極其發(fā)育,至少6個(gè)四級(jí)段,密集且近等間距分布(圖2)。

2.5 四級(jí)構(gòu)造地貌單元

(1)Indomed破碎帶以西(II-4-3-1和II-4-3-2)

相對(duì)東側(cè)這兩個(gè)單元較窄,中部洋中脊相對(duì)水深較大,但兩側(cè)水深相對(duì)東側(cè)單元變淺,可能與Madagascar高原密切相關(guān)。

(2)Indomed破碎帶以東(II-4-3-3)

總體特征是中部為一個(gè)相對(duì)高地形區(qū)域,形成年齡小于10 Ma。向兩側(cè)水深逐漸加深,年齡逐漸變大。

2.6 五級(jí)構(gòu)造地貌單元

(1)北側(cè)地貌單元(II-4-3-3-1)

北側(cè)水深由3000 m向北逐漸加深到4000 m,西部發(fā)育幾條 NNE向的破碎帶,東部海山分布復(fù)雜,精細(xì)地貌表現(xiàn)為雁列式的海山排列。

(2)中央裂谷地貌單元(II-4-3-3-2)

中央地形相對(duì)高起,這與洋殼年輕有關(guān),地殼沒有經(jīng)受充分冷卻,水深在2000 m到3000 m左右,中部發(fā)育不連續(xù)的裂谷,單個(gè)裂谷表現(xiàn)為菱形,類似拉分盆地,與洋中脊的拓展連接有關(guān)。

(3)南側(cè)地貌單元(II-4-3-3-3)

南側(cè)地貌單元的西部也發(fā)育幾條 NNE向的破碎帶,但不明顯,東部海山分布在精細(xì)的地貌圖上也表現(xiàn)為雁列式的海山排列。因此,南側(cè)的地貌格局和北側(cè)地貌單元的格局基本對(duì)稱、類似,是洋中脊對(duì)稱生長(zhǎng)的表現(xiàn),但是水深總體相對(duì)北側(cè)較淺,主體水深在 2000 m到 3000 m,這可能和南部的Crozet熱點(diǎn)相關(guān)。

2.7 六級(jí)構(gòu)造地貌單元

(1)正向擴(kuò)張地貌單元(II-4-3-3-2-1):擴(kuò)張方向和洋中脊段垂直。

(2)斜向裂谷地貌單元(II-4-3-3-2-2):裂谷軸和上一級(jí)次的洋中脊總體走向斜交。

(3)斜列擴(kuò)張地貌單元(II-4-3-3-2-3):裂谷軸在該段由幾個(gè)斜列的裂谷組成(圖3)。

2.8 七級(jí)構(gòu)造地貌單元

(1)直線型雁列式組合段(II-4-3-3-2-3-1)

表現(xiàn)為兩側(cè)平行洋中脊的主斷層基本平行洋中脊展布,但斜交洋中脊的斷層隨著洋中脊不斷擴(kuò)張,斜交斷層不斷向兩側(cè)外移,導(dǎo)致斜交斷層呈雁列式,但它們的中心依然沿一條直線分布(圖3)。

(2)斜線型雁列式組合段(II-4-3-3-2-3-2)

表現(xiàn)為兩側(cè)平行洋中脊的主斷層基本平行洋中脊展布,呈雁列式展布;斜交洋中脊的斷層隨著洋中脊不斷擴(kuò)張,斜交斷層也不斷向兩側(cè)外移,導(dǎo)致斜交斷層也呈雁列式,它們的中心沿一條斜線分布(圖3)。

(3)斜線型側(cè)列式組合裂谷段(II-4-3-3-2-3-3)

表現(xiàn)為兩側(cè)平行洋中脊的主斷層基本平行洋中脊展布,呈側(cè)列式展布;斜交洋中脊的斷層隨著洋中脊不斷擴(kuò)張,斜交斷層不斷向兩側(cè)外移,導(dǎo)致斜交斷層呈雁列式,它們的中心也沿一條斜線分布(圖3)。

根據(jù)調(diào)查精細(xì)程度,每個(gè)七級(jí)構(gòu)造地貌單元還可以進(jìn)一步細(xì)分微地貌類型,如Sauter et al.(2002)劃分的平頂海山(flat-topped seamounts)、丘狀臺(tái)地(hummocky terrains)和平緩巖流(smooth flows)及構(gòu)造發(fā)育區(qū)(tectonised area),在不同的區(qū)段這四種為地貌所占比例是變化,通常以一種或某兩種為主。這種非常精細(xì)的為地貌劃分對(duì)研究擴(kuò)張速率低于 10 mm/a洋中脊的生長(zhǎng)行為和增生方式非常有用。

2.9 異常構(gòu)造地貌單元

(1)大火成巖省地形

主要表現(xiàn)為相對(duì)周邊洋殼水深較淺,面積較大的臺(tái)地,相對(duì)高差在2000～3000 m。研究區(qū)內(nèi)有最北部的Madagascar海臺(tái)、中部的Delcano和Crozet海臺(tái)、最南部的 Conrad隆起(圖2)。本文將現(xiàn)今這些已經(jīng)離散的海底臺(tái)地歸為二級(jí)構(gòu)造地貌單元。研究表明,它們與Kerguelen海臺(tái)曾經(jīng)是連在一起的,與岡瓦納大陸的裂解密切相關(guān)。水深一般淺于2000 m。它們主體形成在老于80 Ma的洋殼之上,表明其形成較早。Conrad隆起等異常地貌單元以4000 m水深線為界,核部淺于3000 m水深,總體構(gòu)成一個(gè)三角形水下高原或臺(tái)地。年代學(xué)研究表明,形成于90 Ma左右(圖2)。

(2)串珠狀海山

主要分布在Discovery破碎帶西側(cè),水深2000 m的海山呈串珠狀,它們坐落在3000 m水深的海底長(zhǎng)垣臺(tái)地上,后者空間上明顯表現(xiàn)為與馬達(dá)加斯加脊具有相關(guān)性。最南端對(duì)應(yīng)著Marion熱點(diǎn),這個(gè)熱點(diǎn)年齡在83.6 Ma(Müller et al.,1993)。但這些串珠狀海山也形成在新的洋殼上的現(xiàn)象表明,Madagascar脊可能始終不斷向洋中脊供給過巖漿。

(3)海洋核雜巖地形

已有調(diào)查表明,西南印度洋中脊出露了大量超基性巖,在洋底超基性巖的出露都和海洋核雜巖的拆離剝露機(jī)制有關(guān)。特別是在慢速和超慢速擴(kuò)張脊比較普遍。主要分布在兩種微構(gòu)造環(huán)境:①平行洋中脊與斜交洋中脊的斷裂交叉部位;②轉(zhuǎn)換斷層和洋中脊交接部位,一般在內(nèi)側(cè)角位置。前者受擴(kuò)張脊周期性擴(kuò)張影響,可以出現(xiàn)離軸的多階段海洋核雜巖;后者則通常只見孤立的海洋核雜巖,且在拆離斷層面上,海底視像資料和精細(xì)多波束資料都可以揭示出大型窗棱構(gòu)造。

(4)假斷層成因地形

在Discovery和Indomed破碎帶之間的洋中脊存在假斷層,是洋中脊拓展過程中形成的。從結(jié)構(gòu)看,總體表現(xiàn)為 X形態(tài),即西側(cè)偏南的近東西向洋中脊向東生長(zhǎng)和東側(cè)偏北的NEE向洋中脊向西生長(zhǎng),錯(cuò)位連接過程中形成的,對(duì)應(yīng)著斜列的海山或槽型地貌。

3 洋中脊分段性

從20世紀(jì)80年代以來(lái),發(fā)現(xiàn)超快速擴(kuò)張脊的擴(kuò)張速率可達(dá)500 mm/a,超慢速擴(kuò)張脊全擴(kuò)張速率小于12 mm/a。無(wú)論是超快速、快速、中速、慢速,還是超慢速擴(kuò)張脊都被轉(zhuǎn)換斷層和非轉(zhuǎn)換斷層不連續(xù)帶(non-transform discontinuities,NTD)分成許多段。關(guān)于 NTD的定義至今尚未明確,最早NTD是針對(duì)大西洋相對(duì)較窄的脊段提出的概念(Sempere et al.,1993;Lin et al.,1990;Tucholke and Lin,1994);而Sauter 將其應(yīng)用到 SWIR,代表斜向擴(kuò)張段(Sauter and Cannat,2010),但在 SWIR有些脊段并不適用(Dick et al.,2003)。但無(wú)論是大西洋中央裂谷較窄段還是 SWIR的斜向擴(kuò)張段,它們都有一個(gè)共同特征就是巖漿供應(yīng)量較少,所以,用巖漿供應(yīng)量較少來(lái)定義 NTD比較合適。洋中脊的分段型式(segment pattern)主要原則是依據(jù)沿軸海底谷地深度的變化以及分段末端的軸部錯(cuò)移(Cannat et al.,1999),同時(shí)可考慮軸部地幔布格重力異常(Sauter et al.,2002)、磁條帶特征(Kamesh et al.,2012)等。Sauter et al.(2002)對(duì)超慢速擴(kuò)張脊水深的深部位作為分段處,具有一定寬度,這是基于“巖漿房(magma chamber)位于水深高部位(bathymetric high)”這個(gè)“現(xiàn)象”而劃分的。但是,本文認(rèn)為應(yīng)當(dāng)相反,即將其劃分段落的中部水深較淺的部位作為分段處,非常類似盆地構(gòu)造中的變換帶(transfer zone),這與Kamesh et al.(2012)對(duì)西北印度洋的劃分原則一致,是基于洋中脊巖漿生成與運(yùn)聚“過程”而劃分的,因?yàn)檠笾屑菇祲翰课欢鄶?shù)為水深較深部位,因而該段容易發(fā)生降壓熔融產(chǎn)生巖漿,是真正的巖漿生成區(qū),而前人認(rèn)為的“巖漿房”只不過是巖漿聚集區(qū),因?yàn)樵搮^(qū)常常是斷裂末梢部位,是弱應(yīng)力區(qū),因而也是流體(熱液和巖漿等)運(yùn)聚的指向?？紤]到洋中脊過程的重要性,因而分段性研究涉及分段機(jī)制研究,其分段機(jī)制與洋中脊拓展(propagation)、疊接(overlapping)、躍遷(jumping)或廢棄(abandonment)、死亡過程密切相關(guān),而拓展、疊接過程又受多種動(dòng)力要素控制。因此,本文基于超慢速的西南印度洋洋中脊的構(gòu)造地貌特征,主要討論超慢速洋中脊分段性及其拓展和疊接機(jī)制。

通過對(duì)快速拓展洋脊(東太平洋)和緩慢拓展洋脊(大西洋和印度洋)分段的綜合分析,并據(jù)切割洋脊的不同規(guī)模和樣式的間斷,傳統(tǒng)上洋脊分段特征可以劃分為4級(jí)(表1)。超慢速的西南印度洋洋中脊具有同樣的規(guī)律,應(yīng)當(dāng)和前文所詳細(xì)劃分出 7級(jí)的海盆區(qū)域構(gòu)造地貌加以區(qū)別。因此,下述僅針對(duì)洋中脊構(gòu)造地貌的分段型式做進(jìn)一步歸納。其中,轉(zhuǎn)換斷層是洋中脊的 1級(jí)間斷,但其錯(cuò)斷洋脊距離可達(dá)45 km(Gallieni轉(zhuǎn)換斷層以東)到500 km(Andrew Bain轉(zhuǎn)換斷層)不等,其長(zhǎng)度介于30 km(Gallieni以東密集轉(zhuǎn)換斷層兩兩之間)到 1000 km(Indomed 和Gallieni轉(zhuǎn)換斷層之間),存在壽命可達(dá)10 個(gè)百萬(wàn)年;洋中脊中的分段型式除轉(zhuǎn)換斷層外,在兩條轉(zhuǎn)換斷層之間還被疊接拓展中心、斜向剪切帶、火山間隔和橫向斷錯(cuò)等分為 2～4級(jí)間斷,使洋中脊錯(cuò)斷距離逐漸減少(圖1);2～4級(jí)區(qū)段的洋中脊長(zhǎng)度也越來(lái)越小,存在的壽命也越來(lái)越短,直至 4級(jí)區(qū)段的洋中脊長(zhǎng)度一般小于10 km,存在壽命為102～104a。但有的轉(zhuǎn)換斷層之間難以劃分 2～4級(jí)洋中脊段,如Gallieni和Atlantis II 轉(zhuǎn)換斷層之間。

表1 西南印度洋洋中脊不同級(jí)別的脊段特征Table1 Characteristics of segmentation of the Southwest Indian Ridge (SWIR)

總體上,較長(zhǎng)的脊段往往由相鄰較短脊段的不斷損耗或拓展、連接而逐漸生長(zhǎng),以致于較長(zhǎng)的脊段不斷增長(zhǎng)其長(zhǎng)度和壽命,而短脊段只能存在一定的時(shí)間范圍內(nèi);橫向上,大多數(shù)洋脊分段主要涉及到洋脊內(nèi)部谷地,特別是軸向火山脊;縱向上,各段洋脊的中央裂谷表現(xiàn)為中間寬、兩端漸窄,巖漿熱和地?zé)崽荻仍谥胁勘葍啥撕瓦吘壐?馬宗晉等,1998)。

4 海底擴(kuò)張、熱點(diǎn)活動(dòng)和深部巖漿供應(yīng)

4.1 磁條帶與海底擴(kuò)張

磁條帶形成于洋中脊的對(duì)稱擴(kuò)張(圖1),一般形成洋中脊兩側(cè)對(duì)稱的構(gòu)造地貌,記錄了洋中脊擴(kuò)張的百萬(wàn)年分辨尺度的行為、過程和大洋整個(gè)演化歷史。磁條帶同樣被轉(zhuǎn)換斷層或非轉(zhuǎn)換斷層切割為多個(gè)段落,因而可以有效分辨洋中脊分段性,這種分段性也體現(xiàn)在洋底構(gòu)造地貌的分段特征上。因而,磁條帶年齡可以有效用于厘定洋中脊構(gòu)造地貌年齡。印度洋的磁條帶表明(Müller et al.,2008),洋中脊最早形成于140 Ma以來(lái),主體形成于120 Ma以來(lái)(圖1),現(xiàn)今洋中脊高部位的洋殼年齡主要形成于10 Ma以來(lái)(圖2),洋中脊裂谷主要形成于 1～0 Ma期間。但是全球尺度磁條帶沒能精細(xì)與構(gòu)造地貌進(jìn)行詳細(xì)關(guān)聯(lián),因而是一個(gè)概略的演化歷史,沒有體現(xiàn)區(qū)域尺度洋盆的演化。

4.2 熱點(diǎn)活動(dòng)及年代

印度洋熱點(diǎn)活動(dòng)導(dǎo)致了一些異常的構(gòu)造地貌。Marion熱點(diǎn)是一個(gè)潛在的最為古老的熱點(diǎn)(>183～184 Ma),形成了南非的 Karoo溢流玄武巖(Frey et al.,2000),也有可能形成了Madagascar的白堊紀(jì)溢流玄武巖的主體(Storey et al.,1995;Mahoney et al.,1991)。Madagascar東南在90 Ma時(shí)期是位于Marion地幔柱之上,該地幔柱古緯度為 45.3°+5.3°/–4.7°S,與觀察到的現(xiàn)今46°S,37.8°E的位置沒有太大差別。這可以看做是Marion地幔柱在最近90 Ma以來(lái)相對(duì)地磁極基本沒有移動(dòng)的證據(jù)。隨后Madagascar發(fā)生雙峰式火山作用,該地幔柱 87.6 Ma開始在 Madagascar南部和 Marion島之間形成了 Madagascar脊,巖漿作用持續(xù)了 6個(gè)百萬(wàn)年(Storey et al.,1995;Georgen et al.,2001;O’Neill et al.,2003)。

印度洋熱點(diǎn)引起了廣泛關(guān)注,有大量的年齡和古地磁資料可以約束其演化(表2,O’Neill et al.,2003)。Torsvik et al.(1998)認(rèn)為Marion地幔柱起源于Madagascar西南部,年齡為83.6±1.6 Ma,據(jù)晚白堊世平均古地磁極得出其古經(jīng)、緯度為 5.3°E和45.3°S。Duncan and Hargraves (1990)據(jù) ODP 孔 115井(706、707和 715位置)報(bào)道了 Reunion熱點(diǎn)軌跡的一致線年齡,Vandamme and Courtillot (1990)提供了這些地點(diǎn)的古地磁結(jié)果。Hofmann et al.(2000)補(bǔ)充并總結(jié)了德干(Deccan)高原玄武巖的年齡,平均年齡為65.5 Ma。Courtillot et al.(1986)提供了Deccan的古地磁結(jié)果。

Kerguelen熱點(diǎn)被認(rèn)為位于Kerguelen群島之下,即 49°S,69.5°N(Frey et al.,2000),位于 Kerguelen 的北端。高原長(zhǎng)2300 km,被分割為三個(gè)大的區(qū)域。 北部Kerguelen高原僅僅出露三個(gè)地點(diǎn),即Kerguelen、Heard和 MacDonald島。現(xiàn)今的火山中心就在北部Kerguelen高原和Heard及MacDonald島上(Barling,1990)。年齡具有遞進(jìn)關(guān)系,近來(lái)分別在最北端的位置1140和1139(Duncan,2002)獲得年齡為34 Ma和68 Ma。Duncan (2002)最近在中部高原獲得(位置1138)100.4±0.7 Ma的年齡。南部高原逐漸加深,年齡為 118～119 Ma(位置 1136,Duncan,2002)和 110～112 Ma(位置 749和 750,Coffin,2002)。Elan Bank微大陸位于南部高原的西緣,是一個(gè)不早于124 Ma的微大陸殘片。124 Ma時(shí),印度次大陸正好位于Kerguelen地幔柱之上(Morgan,1981);Kerguelen高原對(duì)應(yīng)著印度–澳大利亞板塊上Broken高原(>95 Ma,Duncan,2002;Houtz et al.,1977),兩者被東南印度洋中脊分割(O’Neill et al.,2003)。

4.3 洋中脊深部熔體供應(yīng)方式

洋底的構(gòu)造地貌主要受控于巖漿活動(dòng)與構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)弱對(duì)比,因此,深入了解洋中脊深部熔體供應(yīng)方式對(duì)認(rèn)識(shí)構(gòu)造地貌的深部制約機(jī)制非常重要。通過地球物理手段,對(duì)洋中脊地幔布格重力異常(MBA)和 S波速度進(jìn)行分析,可以建立洋中脊深部地殼和上地幔的密度(成分)結(jié)構(gòu)和溫度結(jié)構(gòu)。玄武巖地球化學(xué)中Na8值可以反映在MgO含量為8%時(shí)低壓分離結(jié)晶作用的程度,即可以用來(lái)判斷洋中脊熔體供應(yīng)的變化;粗粒斜方輝石組成也是地幔熔融程度的很好的指示劑(Wang et al.,2013)。西南印度洋相關(guān)研究表明,已有大尺度(>200 km)地球化學(xué)和地球物理異常支持上述一級(jí)分段(Sauter and Cannat,2010)。其中,Indomed和 Gallieni轉(zhuǎn)換斷層之間的MBA低值異常被認(rèn)為是 Crozet熱點(diǎn)和洋中脊發(fā)生相互作用所致(Sauter et al.,2009);Zhao et al.(2013)推測(cè)該段異常可能由拆離斷層或海洋核雜巖導(dǎo)致,拆離斷層為熱液對(duì)流提供了通道。本文認(rèn)為在Prince Edward與Discovery II轉(zhuǎn)換斷層之間的MBA低值異常可能是Madagascar脊與西南印度洋相互作用的結(jié)果。這一結(jié)果也與75 km深處層析成像揭示的較大的 S波負(fù)異常一致,為地幔熱區(qū)的反映(Debayle et al.,2005)。同時(shí),這兩個(gè)異常洋中脊段的Na8值也相對(duì)較低,意味著地幔內(nèi)較高的部分熔融。而Indomed和Discovery II轉(zhuǎn)換斷層之間Na8值較高(Cannat et al.,2008;Klein and Langmuir,1987)。從剪切波速度分析,在Gallieni轉(zhuǎn)換斷層以東沿軸發(fā)生遞增,表明這段深部地幔較冷(Debayle and Lévêque,1997),Na8值也遞增,這說(shuō)明向東地幔部分熔融程度的降低和巖漿供應(yīng)量的降低。Fe8含量變化與Na8含量變化是負(fù)相關(guān),該段 Fe8變化反映了相同的巖漿供應(yīng)特征(Klein and Langmuir,1987);正因如此,62°E 以東洋中脊火山活動(dòng)較少。其他沿軸地球化學(xué)異常,如Sm/Yb或CaO/Al2O3比值,也支持Gallieni轉(zhuǎn)換斷層以西的軸下地幔溫度較高這一結(jié)論(Font et al.,2007;Meyzen et al.,2003)。從Prince Edward轉(zhuǎn)換斷層以西,即連續(xù)的系列轉(zhuǎn)換斷層帶部位相同的研究表明,該段洋中脊巖漿供應(yīng)量具有向西遞減;但再向西,正向超級(jí)擴(kuò)張段巖漿供應(yīng)量又突然增加,但巖漿供應(yīng)量總體不如西南印度洋具有最厚地殼和熱地幔的中段高。

表2 印度洋熱點(diǎn)或海臺(tái)年齡和古緯度統(tǒng)計(jì)(據(jù)O’Neill et al.,2003補(bǔ)充)Table2 Summary of age and paleolatitude data of hotspots or plateaus in the Indian Ocean

對(duì)于整個(gè)西南印度洋的巖漿供應(yīng)模式,目前存在多種爭(zhēng)論(Sauter and Cannat,2010)。但至少基于擴(kuò)張速率和熔體量關(guān)系的洋中脊下地幔上升的絕熱降壓模式(White et al.,2001)、Bown and White (1994)的擴(kuò)張速率相關(guān)聯(lián)的巖石圈楔角角流模式和 Reid and Jackson (1981)角流模式都不適用于西南印度洋。White et al.(2001)提出的非集中式地幔上涌模式可以解釋西南印度洋中部熱地幔和東部冷地幔異常,但和地球物理和地球化學(xué)證據(jù)不一致。為此,Cannat et al.(2008)提出了一個(gè)非集中式地幔上涌的替代模式。然而這些模式都基于該區(qū)地幔源區(qū)在化學(xué)上和礦物組成上均一的這樣一個(gè)假設(shè)。Niu and O’Hara(2008)提出地幔成分的不均一性也可以導(dǎo)致熔體生產(chǎn)率大尺度的變化。但這種地幔源區(qū)初始不均一性和相關(guān)熔融機(jī)制的研究主要集中在西南印度洋東西兩端的對(duì)比(Sauter and Cannat,2010),中部沒有詳細(xì)討論。

洋中脊是地球散熱的主要場(chǎng)所,大約 70%的巖漿作用發(fā)生在這里(Standish and Sims,2010)。對(duì)于超慢速洋中脊軸部巖漿聚集(集中)過程(Sauter et al.,2004),正常情況下與快速、中速洋中脊軸部的巖漿集結(jié)過程集中式(淺表可達(dá)3 km的渠道式、管道式)噴發(fā)或溢出不同,占全球洋中脊 1/3的超慢速擴(kuò)張脊的巖漿可能是沿著斷裂系統(tǒng)彌散性噴發(fā)或溢流(Standish and Sims,2010),軸部大量斷崖、后傾地幔塊體和參差的海底地形也不允許淺表以渠道式溢流超過1 km以外。其過程主要受斷裂孕育和生長(zhǎng)過程制約,而且?guī)r漿供應(yīng)量小,擴(kuò)張伸展導(dǎo)致超慢速擴(kuò)張脊的增生過程不是受巖漿控制,而是表現(xiàn)為構(gòu)造增生,因而超慢速擴(kuò)張脊相對(duì)發(fā)育地幔橄欖巖。但是,這是一種正常狀態(tài)。

西南印度洋中部的調(diào)查表明,它雖然是一個(gè)無(wú)巖漿增生脊段,但也存在大量的洋中脊構(gòu)造-巖漿過程,主要是異常熱的加入。這些異常熱主要來(lái)源于地幔柱或熱點(diǎn)與洋中脊的相互作用,其巖漿過程是深部和淺部?jī)煞N動(dòng)力控制的。以往都是將這些地段的臺(tái)地或離軸火山當(dāng)作是新的巖漿侵入,或者巖席侵入或側(cè)向巖墻侵入,但西南印度洋很多離軸火山或臺(tái)地,主要是早期死亡的熱點(diǎn)造成的。當(dāng)前只是從地球化學(xué)角度揭示了熱點(diǎn)和洋中脊存在相互作用,但對(duì)相互作用的構(gòu)造-巖漿細(xì)節(jié)過程并不清楚。西南印度洋的詳細(xì)多波束資料似乎表明,當(dāng)熱點(diǎn)正位于洋中脊之上時(shí),地幔柱巖漿可能沿超慢速洋中脊軸向遷移,從而表現(xiàn)在地形上以假斷層為邊界的楔形,一些巖漿遷移似乎也沿?cái)嗔逊植?超慢速擴(kuò)張脊的密集轉(zhuǎn)換斷層又可能是巖漿沿軸遷移的障礙,而且斜向擴(kuò)張和厚而冷的巖石圈可大大降低巖漿活動(dòng)。但是,數(shù)值模擬表明,一些斷裂活動(dòng)深達(dá)脆韌性轉(zhuǎn)換帶,巖漿易于沿軸部這個(gè)轉(zhuǎn)換帶沿軸發(fā)生深層遷移,同時(shí)淺部海洋核雜巖活動(dòng)期間,拆離斷層角度不斷變小,地幔塊體的撓曲導(dǎo)致滲透率增加,促進(jìn)了超慢速擴(kuò)張脊的巖漿集中和沿先存長(zhǎng)壽命的高角度斷裂就位(Buck et al.,2005;Tucholke et al.,2008),因而這個(gè)地段也是熱液噴口發(fā)育和現(xiàn)代成礦作用正發(fā)生的地段。

5 結(jié) 論

通過以上綜合研究,本文得出以下幾點(diǎn)新認(rèn)識(shí):

(1)西南印度洋中段可以劃分為 4個(gè)三級(jí)分段,從西向東分別被Prince Edwards 和Andrew Bain、Discovery II、Gallieni轉(zhuǎn)換斷層分割,分別反映為強(qiáng)熱點(diǎn)–洋中脊相互作用的擴(kuò)張脊、弱熱點(diǎn)–洋中脊相互作用的擴(kuò)張脊、正常超慢速擴(kuò)張脊的三級(jí)構(gòu)造地貌類型。每個(gè)三級(jí)分段可進(jìn)一步劃分為3～4個(gè)四級(jí)分段。本文側(cè)重了Discovery II-Gallieni轉(zhuǎn)換斷層間四級(jí)分段的詳細(xì)劃分,其中第七級(jí)構(gòu)造地貌單元有側(cè)列式裂谷(剪切帶)、雁列式裂谷、橫斷層帶等構(gòu)造分割。

(2)超慢速擴(kuò)張脊一般來(lái)說(shuō)巖漿活動(dòng)急劇減小,甚至在部分區(qū)域完全缺失(Dick et al.,2003)。熱源的減少限制了超慢速擴(kuò)張洋中脊上熱液噴口的出現(xiàn)機(jī)率。西南印度洋洋中脊中段熱液噴口異常發(fā)育的原因是熱點(diǎn)與洋中脊的相互作用,該區(qū)熱點(diǎn)比較發(fā)育,洋中脊先后受Marion熱點(diǎn)、Crozet熱點(diǎn)、Conrad熱點(diǎn)的影響,曾經(jīng)經(jīng)歷了 3次洋中脊躍遷,時(shí)間分別為 80 Ma、60 Ma和40 Ma。

(3)西南印度洋存在多個(gè)多期熱點(diǎn)與洋中脊相互作用的過程,地幔柱巖漿可能沿超慢速洋中脊軸向遷移,從而表現(xiàn)在地形上為假斷層為邊界的楔形,一些巖漿遷移似乎也沿?cái)嗔逊植?超慢速擴(kuò)張脊的密集轉(zhuǎn)換斷層又可能是巖漿沿軸遷移的障礙,而且斜向擴(kuò)張和厚而冷的巖石圈可大大降低巖漿活動(dòng)。

致謝:本文撰寫了兩年整,期間得到了很多專家的指點(diǎn),悉尼大學(xué)Dietmar Müller教授和Sabin博士在2013年 9～11月李三忠訪問悉尼大學(xué)期間給予的指導(dǎo),中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所肖文交研究員和另兩位匿名審稿人提出了建設(shè)性修改建議,在此一并致以特別感謝。

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