印度洋北部馬克蘭增生楔泥火山分布及主控因素探討

龔建明，廖 晶，張 莉，何擁軍，翟 濱，孟 明，成海燕

(1.青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071；2.海洋國家實(shí)驗(yàn)室 海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3.自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；4.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760；5.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 海洋學(xué)院，北京 100083；6.中國冶金地質(zhì)總局 青島地質(zhì)勘查院，山東 青島 266061)

1 概 述

全球泥火山的分布及其主控因素研究認(rèn)為，密度倒置和構(gòu)造活動(dòng)是控制泥火山的主要因素[1-5]。鶯歌海盆地泥火山的主控因素研究同樣認(rèn)為[6-12]，紅河走滑斷裂帶的持續(xù)活動(dòng)和該區(qū)快速的沉積作用是形成該海域泥底辟數(shù)量多、規(guī)模大的沉積構(gòu)造條件。

馬克蘭增生楔的泥火山主要分布在巴基斯坦和伊朗海岸線南北附近的陸域和海域[13-16]，共計(jì)發(fā)現(xiàn)77處，其中陸域55處，海域22處。在陸域55處泥火山中，巴基斯坦占48處，伊朗占7處。在海域22處泥火山/泥底辟中，巴基斯坦占14處，伊朗占8處(表1、圖1)。從圖1中可以看出，馬克蘭增生楔的泥火山分布極不均勻，主要集中在巴基斯坦東部陸域和海域，尤其是在奧耐馳—奈爾(Ornach-Nal)走滑斷層西側(cè)，其數(shù)量和規(guī)模均大于伊朗。另外，海域泥火山主要分布在中、上陸坡的背斜脊上[17]，而在下陸坡(水深>800 m)由于水合物層阻止了深部流體向上運(yùn)移而很少[18]。馬克蘭增生楔泥火山的研究歷史雖然較長，但總體研究程度較低。為了探討低角度俯沖背景下活動(dòng)大陸邊緣泥火山的分布及其主控因素，本文通過對比分析，從密度倒置的沉積地層格架、走滑斷層、匯聚速率等方面探討了馬克蘭增生楔泥火山的成因機(jī)制。

表1馬克蘭增生楔泥火山分布特征(據(jù)文獻(xiàn)[13-16]修改)

Table1DistributioncharacteristicsofmudvolcanoesinMakranaccretionarywedge(after references of [13-16])

泥火山分布區(qū)巴基斯坦陸域海域伊朗陸域海域泥火山數(shù)量/處481478與泥火山有關(guān)的斷層類型 走滑斷層為主逆沖斷層、走滑斷層走滑斷層為主逆沖斷層

2 區(qū)域地質(zhì)概況

位于印度洋北部的馬克蘭增生楔是阿拉伯板塊低角度俯沖到歐亞板塊之下形成的，呈E—W向展布。從海域變形前緣(水深約3 000 m)到陸上火山弧，馬克蘭增生楔寬約500 km，其中，海域增生楔寬度大于100 km。從伊朗的東南到巴基斯坦的西南海岸馬克蘭增生楔長約800 km，主要由第三系的大量褶皺和逆沖斷層組成，近E—W向展布的海域泥火山/泥底辟主要分布在與逆沖斷層有關(guān)的上述褶皺脊上[18]。馬克蘭增生楔西側(cè)為右旋走滑的米納卜斷裂系，東側(cè)為左旋走滑的奧耐馳—奈爾斷裂系[19-20](圖1)。目前，阿拉伯板塊以小于2°和30～50 mm/a的俯沖速度由南往北俯沖到歐亞板塊之下，兩大板塊的平均匯聚速率為4.0 cm/a，其中，西側(cè)為3.65 cm/a，東側(cè)為4.2 cm/a，增生楔之上沉積物厚度高達(dá)7 000 m以上[19]。

圖1 印度洋北部馬克蘭增生楔大地構(gòu)造位置及泥火山分布圖(據(jù)文獻(xiàn)[17-18]) Fig.1 Geotectonic location and distribution map of mud volcanoes in the Makran accretionary wedge(after references of[17-18])

馬克蘭增生楔由狹窄的陸架(寬10～15 km)、寬闊的陸坡(寬約120 km)以及變形前緣構(gòu)成。其中，陸坡又按照水深、坡度及構(gòu)造特征劃分為上、中、下3個(gè)單元。上陸坡寬40 km，水深100～1 000 m，坡度較陡(7°)，海底凹凸不平，伸展斷層較發(fā)育，靠近陸架發(fā)育南傾的犁式正斷層，傾角可達(dá)40°，平行于海岸線。中陸坡寬15～20 km，水深1 000～1 500 m，坡度很緩，僅有1°，地形平坦，伸展斷層和泥底辟發(fā)育。下陸坡寬50～60 km，水深2 000～3 000 m，坡度較緩(1°～2°)，緊閉背斜和疊瓦狀逆沖斷層發(fā)育，呈E—W向排列分布，其中，巴基斯坦一側(cè)的馬克蘭增生楔海域與逆沖斷層有關(guān)的E—W向背斜達(dá)6條之多。

據(jù)5口井的鉆井資料和地震剖面解釋成果，馬克蘭增生楔海域沉積地層主要由二部分組成，其中，下部地層主要由喜馬拉雅濁流層和半遠(yuǎn)洋泥質(zhì)層組成(M1)，厚度約4 000 m，時(shí)代為漸新世—中新世[19-20]；而上部地層主要由馬克蘭砂組成(M2)，物源來自北部的增生楔風(fēng)化侵蝕。上、下二套地層之間為不整合面(M)[18]。

3 密度倒置控制泥火山的分布

對比研究顯示，鶯歌海盆地沉積速率最高可達(dá)1 370 m/Ma[21]，下部泥巖層厚度大于10 000 m，海底之下3 000 m的地層壓力梯度高達(dá)18～22 kPa/m，因此，密度倒置、高沉積速率等沉積特征是鶯歌海盆地泥底辟和泥火山產(chǎn)生的必要條件[6-12]。

同樣，在馬克蘭增生楔中部海岸帶附近，中新世發(fā)育了3套較厚層的半遠(yuǎn)洋泥巖，而上新世以來馬克蘭增生楔表現(xiàn)為快速沉降、快速充填，沉積了一套相對較粗的馬克蘭砂, 沉積速率高達(dá)400 m/Ma[22](圖2)。馬克蘭增生楔這種密度倒置的沉積地層格架為該區(qū)泥底辟和泥火山的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。由于下部的半遠(yuǎn)洋泥質(zhì)層具有“東厚西薄”而上部的馬克蘭砂具有“東薄西厚”之特征，加之上部的馬克蘭砂沉積速率很高，因此，馬克蘭增生楔東部的泥火山和泥底辟的數(shù)量比西部更多，規(guī)模更大(圖1)。

4 走滑斷層控制泥火山的分布

前人研究結(jié)果顯示[9-10,12,23]，走滑斷層對泥火山的分布具有控制作用。例如：鶯歌海盆地兩翼發(fā)育兩條右旋走滑基底大斷裂，其中，紅河斷裂帶的剪切運(yùn)動(dòng)在漸新世以左行剪切活動(dòng)為主，中新世則轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂倚屑羟谢顒?dòng)為主，這種構(gòu)造演變特征導(dǎo)致在鶯歌海盆地中部坳陷帶形成多組近南北向呈雁行排列的張裂帶, 進(jìn)而為塑性泥底辟上侵及流動(dòng)提供了外部通道條件, 促進(jìn)泥底辟成群成帶分布, 形成現(xiàn)今近南北向雁行排列的展布格局[10,12,23]。

圖2 馬克蘭增生楔地層柱狀圖 (據(jù)文獻(xiàn)[22]) Fig.2 Schematic stratigraphic column of the Makran accretionary prism (after reference [12])

對于俯沖角度同樣較低的地中海海嶺來講，位于地中海海嶺中、西部長500 km的窄條帶泥火山的分布同樣與走滑斷層有關(guān)[24-25]。該區(qū)已發(fā)現(xiàn)的大部分泥火山分布在壓扭性右旋剪切斷層和逆沖斷層之間[26-27]。不僅如此，位于地中海海嶺東部的阿那克西曼海山(Anaximander Mountains)附近的泥火山同樣受到走滑斷層的控制，其中，5個(gè)大型泥火山的展布方向受該區(qū)走滑斷層的控制，均為NE—SW向[28](表2)。地中海海嶺中—西部和東部泥火山對比結(jié)果顯示，東部由于存在阿那克西曼海山，俯沖地層時(shí)代較老，匯聚速率較低，泥火山數(shù)量較少，主要受走滑斷層控制；而在地中海海嶺中、西部海域，俯沖地層年輕，匯聚速率高，泥火山數(shù)量多，主要受走滑斷層和逆沖斷層的雙重控制。同樣，位于西班牙加的斯灣(Gulf of Cádiz)南部的泥火山也受該區(qū)走滑斷層的控制[29]，泥火山的展布方向與走滑斷層一致，均為NW—SE向。

表2地中海海嶺中—西部和東部泥火山特征及控制因素對比(據(jù)文獻(xiàn)[28]修改)

Table2Comparisonsinmudvolcanofeaturesandcontrollingfactorsbetweenmid-westandnorthernofMediterraneanRidge(after reference [28])

地中海海嶺中-西部(Olimpi泥火山地區(qū))東部(Anaximander Mountains泥火山地區(qū))泥火山數(shù)量多少匯聚速率高,25～35 mm/a低,13 mm/a俯沖地層年輕,半遠(yuǎn)洋沉積物老,固結(jié)的巖石主控因素走滑斷層+逆沖斷層走滑斷層為主

前已述及，馬克蘭增生楔東、西兩側(cè)發(fā)育有大型的走滑斷層系(圖1)，而且東側(cè)海域的小默里脊也存在走滑斷層，特別是馬克蘭增生楔東側(cè)陸域的泥火山集中分布在走滑斷層附近[30-31]。其中，巴基斯坦一側(cè)的左旋走滑斷層控制了泥火山呈NE—SW向分布，而伊朗一側(cè)的右旋走滑斷層控制了泥火山呈NW—SE向分布。由此可見，馬克蘭增生楔東、西兩側(cè)的走滑斷層控制了馬克蘭增生楔東、西兩側(cè)的泥火山的展布，特別是陸域泥火山的分布。

5 匯聚速率控制泥火山的分布

密度倒置、高沉積速率以及走滑斷層是馬克蘭增生楔泥火山或泥底辟分布的控制因素[20,30-31]。然而，從地中海海嶺匯聚速率與泥火山的對比關(guān)系來看(表2)，匯聚速率高的中—西部，其泥火山數(shù)量明顯多于匯聚速率低的東部地區(qū)，因此，可以認(rèn)為，匯聚速率對地中海海嶺泥火山的分布具有控制作用。馬克蘭增生楔的匯聚速率(均值為40 mm/a)不僅高于地中海海嶺的匯聚速率(均值為24 mm/a)，而且東部匯聚速率(4.2 cm/a)高于西部匯聚速率 (3.65 cm/a)(圖1)。結(jié)合同屬低角度俯沖背景的地中海海嶺泥火山與匯聚速率的研究結(jié)果認(rèn)為，馬克蘭增生楔東部泥火山數(shù)量大于西部泥火山數(shù)量與板塊匯聚速率往東增加有關(guān)，而且匯聚速率的增加與奧耐馳—奈爾斷裂帶的左旋走滑斷裂活動(dòng)有關(guān)[14]。

泥火山的分布不僅受控于匯聚速率，而且受控于板塊俯沖的位置。隨著阿拉伯板塊不斷俯沖到歐亞板塊之下，俯沖帶后端的地層不斷抬升遭受剝蝕，其下的泥底辟不斷上升而成為泥火山，這類泥火山往往平行于俯沖前緣，而分布在海域的中、上陸坡或者海岸帶之上[20,32-33]。

6 討 論

根據(jù)鶯歌海盆地、地中海海嶺以及加的斯灣南部海區(qū)走滑斷層與泥火山或泥底辟的相互關(guān)系，推測馬克蘭增生楔東、西兩側(cè)的走滑斷層對泥火山或泥底辟同樣具有控制作用。從地中海海嶺板塊匯聚速率與泥火山數(shù)量對比關(guān)系來看，二者具有正相關(guān)關(guān)系。馬克蘭增生楔泥火山數(shù)量與板塊匯聚速率同樣具有正相關(guān)關(guān)系，即：東部匯聚速率高，泥火山數(shù)量多。研究表明， 洋殼在向陸殼俯沖的過程中，如果陸殼仰沖的絕對運(yùn)動(dòng)速率增加，則會(huì)導(dǎo)致洋殼的俯沖角度變小，高速運(yùn)動(dòng)的陸殼甚至?xí)竭^海溝形成低角度的俯沖帶[34-37]?？v觀馬克蘭增生楔板塊俯沖的演化歷史，自中更新世以來，馬克蘭海岸帶經(jīng)歷了抬升和張性斷裂活動(dòng)，抬升速率達(dá)1.5 mm/a[38]，海岸線不斷向海遷移，而海區(qū)的加積活動(dòng)一直持續(xù)到今天，說明歐亞板塊向阿拉伯板塊仰沖速度很高，這也許是造成阿拉伯板塊低角度俯沖的原因之一。同時(shí)，在中、上陸坡沉積了巨厚的馬克蘭砂，與早期沉積的喜馬拉雅半遠(yuǎn)洋泥質(zhì)沉積疊合，為該區(qū)泥底辟或泥火山的形成提供了必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)。

另外，馬克蘭增生楔東部存在小默里脊(Little Murray Ridge)和默里脊(Murrary Ridge)等海底高地。根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)[39]，推測這些海底高地阻礙了阿拉伯板塊俯沖下插到歐亞板塊之下，進(jìn)而在馬克蘭增生楔東部地區(qū)發(fā)育反向逆沖斷層控制泥火山或泥底辟的分布。相反，在馬克蘭增生楔的西部(瓜達(dá)爾港以西)，阿拉伯板塊俯沖下插到歐亞板塊之下的沉積物厚度可達(dá)3 000～4 000 m，下伏流體上升并圈閉在淺部地層中的可能性大[40]，因此，西部地區(qū)氣體滲漏和發(fā)育水合物的可能性更大。如果馬克蘭增生楔西部水合物分布比東部更廣，那么具有封蓋作用的水合物層可能會(huì)阻止深部流體進(jìn)一步向上運(yùn)移，造成水合物與泥底辟或泥火山呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

7 結(jié) 論

(1)馬克蘭增生楔下部的半遠(yuǎn)洋泥具有“東厚西薄”而上部的馬克蘭砂具有“東薄西厚”之特征，加之上部的馬克蘭砂沉積速率很高，因此，這種密度倒置的沉積地層格架為該區(qū)泥底辟或泥火山的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，而且東部的泥火山和泥底辟的數(shù)量和規(guī)模要多于和大于西部。

(2)對比分析鶯歌海盆地、地中海海嶺以及加的斯灣南部海區(qū)走滑斷層與泥火山或泥底辟的關(guān)系，認(rèn)為馬克蘭增生楔東、西兩側(cè)的走滑斷層對泥火山或泥底辟具有控制作用，特別東側(cè)的奧耐馳—奈爾左旋走滑斷裂對陸域泥火山的控制。

(3)馬克蘭增生楔的匯聚速率不僅高于地中海海嶺的匯聚速率，而且匯聚速率具有東部高于西部的特點(diǎn)；根據(jù)地中海海嶺匯聚速率與泥火山的關(guān)系推測，馬克蘭增生楔泥火山或泥底辟“東多西少”與板塊匯聚速率“東高西低”相對應(yīng)。

(4)阿拉伯板塊的低角度俯沖是否與歐亞板塊向阿拉伯板塊仰沖推進(jìn)的速度過快有關(guān)，水合物與泥底辟或泥火山是否呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，尚需進(jìn)一步的工作。