海底地形對不同時間尺度巖漿供給變化的響應

贠曉瑞 李江海,? 吳桐雯 宋玨琛

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海底地形對不同時間尺度巖漿供給變化的響應

贠曉瑞1,2李江海1,2,?吳桐雯1,2宋玨琛1,2

1.造山帶與地殼演化教育部重點實驗室, 北京大學地球與空間科學學院, 北京 100871; 2.北京大學石油與天然氣研究中心, 北京 100871

利用有限差分數(shù)值模擬方法, 恢復洋中脊地形的形成過程, 模型中巖漿供給按一定的時間周期和幅度規(guī)律性地變化。結果表明: 只有當巖漿供給變化周期的時間尺度大于在洋中脊同一側形成兩條斷層的時間間隔時, 才能影響海底地形的形成過程并被記錄。結合數(shù)值模擬實驗結果和不同類型洋中脊的地形特征, 認為快速擴張洋中脊是唯一可能在地形上記錄到米蘭科維奇氣候周期(偏心率(100ka)、傾斜度(41ka)和歲差(23ka)) 3 個時間尺度巖漿變化周期的洋中脊類型, 中速擴張洋中脊和部分巖漿供給充足慢速擴張洋中脊的地形可能與 100ka 尺度的巖漿供給變化周期有關, 大部分慢速擴張洋中脊海底地形不受 100ka 及以下的巖漿供給變化周期影響。

洋中脊; 斷層; 巖漿供給; 氣候變化周期

以全球變化為核心的地球系統(tǒng)科學是當前研究熱點[1], 作為板塊邊界的大洋中脊是研究地球系統(tǒng)相互作用的重要場所。漸新世以來, 冰川周期引起的全球海平面變化幅度最大可以達到上百米[2], 如此大幅度的海平面變化通過影響海底壓強來影響洋中脊巖漿的熔融速率和 CO2等氣體的釋放量[3]。在冰期, 海平面降低導致洋中脊壓力減小、巖漿熔融加劇以及巖漿供給增加, 并且釋放更多的 CO2等溫室氣體, 導致溫度升高, 并加快冰期向間冰期的轉換[4]。這一涉及巖漿供給變化與全球氣候變化相互反饋作用的過程是否能夠在深海地形中得以記錄, 是近來研究中頗具爭議性的問題[2?3,5?6], 其核心內(nèi)容是多長時間尺度的巖漿變化周期能夠影響海底地形的形成過程。

按照一定間距、平行于洋中脊走向排布的深海山脊是擴張中心最主要的海底構造特征, 一般認為這種深海山脊是洋中脊附近正斷層活動形成的[7?10], 這些深海山脊在平行洋中脊走向上的連續(xù)性整體上隨著洋中脊擴張速率的增加而加強[11]。對快速擴張洋中脊(擴張速率>120mm/a)——南太平洋洋中脊的研究表明, 橫穿洋中脊的地形剖面上具有 100ka 的頻譜峰值, 并與全球海平面變化以及南極冰芯記錄的 CO2隨時間變化頻譜特征吻合[3]。Katz 等[2]通過對中速擴張洋中脊——智利洋中脊(擴張速率為 50~60mm/a)和南極洲?澳大利亞洋中脊(擴張速率為 60~80mm/a)的穿軸地形剖面分析, 甚至發(fā)現(xiàn)100, 41 和 23 ka 3 個頻譜峰值, 并認為這與 3 個穩(wěn)定的米蘭科維奇氣候周期(偏心率(100ka)、傾斜度(41ka)和歲差(23ka))相對應, 從而指出深海地形能夠記錄全球氣候的變化。但是, Goff[12]和 Olive 等[13]指出, 橫穿中速擴張洋中脊(60mm/a)的地形頻譜峰值 100ka 代表的是 3km 左右的平均斷層間距, 而不是巖漿供給變化周期。Olive 等[13]通過地球動力學數(shù)值模擬, 恢復了深海山脊的形成過程, 發(fā)現(xiàn)在沒有氣候周期引起的巖漿供給波動條件下, 模擬結果也能與全球洋中脊地形較好地吻合。也有人指出Olive 等建立的模型沒有考慮巖漿噴出對海底地形的影響, 從而有一定的局限性[14]。

本文通過二維黏?彈?塑性動力學數(shù)值模擬, 探討洋中脊附近地形的形成過程。與前人模型[13,15?16]不同的是, 本文模型中不僅考慮洋中脊附近正斷層的形成和發(fā)育過程, 也模擬巖漿噴出對地形的影響。通過將模型結果與不同構造背景下的洋中脊地形特征進行對比, 探討巖漿供給變化對不同類型洋中脊地形的影響。

1 洋中脊擴張過程的數(shù)值模擬方法

Cannat 等[17]認為, 洋中脊附近的構造特征是巖漿?構造相互作用的結果。文獻[15,18?20]中基于值理論, 成功地恢復洋中脊不同類型的海底構造特征。值代表巖漿作用占板塊擴張影響因素的權重, 若=1, 表示板塊擴張完全取決于巖漿作用; 若=0, 表示板塊擴張全部由斷層作用驅(qū)動完成, 沒有巖墻的增生過程。

本文建立的模型基于值理論。是瞬時值, 而不是某個時段的平均值?？紤]到由海平面周期變化引起的巖漿供給速率的變化, 本文模型中值呈周期性的變化:

其中, Δ為巖漿供給變化幅度, 由海平面變化引起的 Δ值約為 0.1[2];為巖漿供給的周期, 可以在10~500ka 范圍內(nèi)變化;表示時間(模型參數(shù)見圖1)。值隨時間周期性地變化, 當<1 時, 斷層作用和巖墻增生同時發(fā)生; 當>1 時, 板塊的擴張全部由巖墻的增生作用完成。對冰島和東非兩個陸表擴張中心的觀測結果也證明, 只有當>1 時才會有巖漿噴出[21]。本文模型中定義=1 時, 巖墻增生的速率和板塊擴張速率相等。為了保證物質(zhì)的體積守恒, 在本文模型中設置巖漿噴出的速度為

ext= ((? 1)××)/ext,

其中,是洋中脊處的巖石圈厚度(km),是全擴張速率(cm/a),ext是巖漿噴發(fā)的范圍(km2)。

本文利用 FLAC (fast Lagrangian analysis of con-tinua)有限差分法來解二維黏?彈?塑性連續(xù)性物質(zhì)的物質(zhì)和動量守恒公式[22?24]。在模型的左右邊界施加 25mm/a 的水平速度, 上邊界是自由邊界, 下邊界施加靜巖壓力; 物質(zhì)遵守無水輝綠巖的流變學性質(zhì)[25], 在 600℃以上表現(xiàn)為彈?塑性變形, 600℃以下表現(xiàn)為黏性變形; 從地表往下, 溫度場隨著深度線性地增加, 在洋中脊處增加的速率最快, 從而模擬洋中脊三角形狀的巖石圈結構(圖 1)。對模型最中央的單元施加一定的應力, 使其以 2×的速度加寬, 從而模擬巖墻的擴張過程; 為了模仿斷層的形成過程, 物質(zhì)的內(nèi)聚力隨著應變值的增加而減小[24,26]。其他邊界條件的設置和物質(zhì)的物理參數(shù)見圖 1, 其中=0.95,=5km, 裂谷深度表示裂谷最深處與平均深度(局部均衡面)之間的距離; 巖墻增生的速率dike=(0,,) ×。

2 數(shù)值模擬結果

為了探討巖漿供給變化對噴出巖層的影響, 本文在模型中用標記層[27]來追蹤噴發(fā)物質(zhì)的分布, 結果如下。1)在保持巖漿供給變化周期一致的情況下, 隨著巖漿供給變化幅度增大(圖 2(a1)~(a3)), 噴出巖層的厚度逐漸增大。Sinton 等[28]的研究表明, 海底單次巖漿噴發(fā)量隨著擴張速率增大而減小。如果單次巖漿噴發(fā)量能夠反映巖漿供給變化幅度, 那么本文結果顯示, 在一定范圍內(nèi), 隨著擴張速率增加, 噴出巖層的厚度將逐漸減小, 這與觀測結果[29]相吻合。2)在保持巖漿供給變化幅度一致的情況下, 隨著巖漿供給變化周期增大(圖 2(b1)~(b3)), 噴出層的分布逐漸變得不連續(xù), 也與觀測結果[30]相吻合。

圖1 洋中脊擴張過程數(shù)值模擬的模型設置(a)與模擬結果((b)和(c))

地形剖面和巖石圈變形是驗證模擬結果的最直接證據(jù)。為了更好地與觀測結果對比, 我們對模型計算得到的地形曲線進行斷層特征識別。結果表明, 當巖漿供給周期小于 140ka 時, 斷層的平均間距都是 3.4km, 不受巖漿供給變化周期影響, 而地形頻譜曲線上僅顯示 3.4km的距離周期, 沒有體現(xiàn)巖漿周期對地形的影響(圖 3)。當巖漿供給周期超過 140ka 后, 斷層間距將受到巖漿供給周期的影響, 并且二者線性相關, 相關系數(shù)即為板塊擴張速率。這一結果與沒有考慮巖漿噴出作用的模擬結果[13,16]相似: 在巖漿供給變化周期小于洋中脊同一側兩個斷層代表的時間間隔情況下, 巖漿供給變化周期不會影響海底斷層之間的間距。斷層的平均間距主要受的平均值和巖石圈結構的影響[15,18]。在本文模型的設置中,的平均值為 0.9, 洋中脊處的巖石圈厚度為 5km。在洋中脊兩側 5km 范圍內(nèi), 巖石圈厚度逐漸增大, 巖石圈底界與水平面的夾角為 45°, 模擬計算得到的斷層平均間距為 3.4km, 所代表的時間為 140ka。改變上述 3 個關鍵參數(shù)(值、洋中脊處的巖石圈厚度以及巖石圈隨遠離洋中脊增厚的速率)中的任何一個, 會得到不同的平均斷層間距, 可與全球不同構造位置的洋中脊特征[16,18]對比。

3 討論

3.1 巖漿供給變化周期對慢速擴張洋中脊不同構造位置的影響

為了與模擬結果對比, 本文對中印度洋洋中脊10o45′S 附近的地形曲線進行頻譜分析, 討論巖漿供給變化周期對海底地形的影響。作為研究案例的洋中脊段長度為 67km, 全擴張速率為 37.3mm/a, 屬于典型的慢速擴張洋中脊[31]。本文采用的多波束地形數(shù)據(jù)[31]是韓國海洋局大地航次(R/V ONNURI)在 2010—2013 年的航次中獲得的, 精度為 50 m, 數(shù)據(jù)覆蓋洋中脊兩側 30km 范圍。參照文獻[2], 本文采用傅立葉頻譜分析方法。

(a1)~(a3)顯示不同巖漿供給變化幅度, (b1)~(b3)顯示不同巖漿供給變化周期; 黑色區(qū)域為巖墻增生區(qū), 箭頭指示增生方向

(a)中灰色區(qū)域表示當巖漿供給變化周期大于140 ka時, 斷層間距與變化周期線性相關, 相關系數(shù)為板塊擴張速率

地形頻譜分析的目的是將連續(xù)的地形起伏數(shù)據(jù)通過空間域轉化為頻率域數(shù)據(jù), 以便分析其中是否存在特定的周期性變化。為此, 我們在研究區(qū)洋中脊的中段和末端分別選取兩條與洋中脊走向正交的地形曲線(圖 4(a))。在進行頻譜分析之前, 先對地形曲線進行預處理: 1)為了減小低頻信號對地形曲線的影響, 去掉波長大于 10km 的長波趨勢(圖 4 (b)); 2)對 50m 精度的原始地形數(shù)據(jù)進行插值處理, 使采樣點精度達到 10 m。

采用多窗譜分析法, 對選取的兩條剖面進行空間頻域分析。兩條取自同一段洋中脊的剖面在頻譜特征上具有明顯的差異。剖面 1 具有明顯的兩個距離峰值, 分別為 4500 和 2000m。以 19.6mm/a 為半擴張速率, 計算得到這兩個距離峰值對應的時間周期分別是 220 和 100ka, 這與前人對中速擴張洋中脊的頻譜分析結果[2]一致。剖面 2 具有一個明顯的5000m距離峰值, 對應的時間周期為 250ka。剖面2 的距離周期明顯大于剖面 1, 且兩條剖面都沒有小于 2000 m的距離周期(即 100 ka 的時間周期), 這與西北印度洋卡斯伯格洋中脊的頻譜分析結果[32]一致。同一洋中脊的不同構造位置顯示完全不同的地形特征, 表明慢速擴張洋中脊的穿軸剖面的地形特征主要受局部構造作用控制, 而不受全球海平面變化引起的巖漿供給變化周期控制。

3.2 巖漿供給變化周期對不同擴張速率洋中脊地形的影響

對不同構造位置的洋中脊海底地形的頻譜分析結果顯示, 快速擴張洋中脊具有明顯的 100ka[3]; 中速擴張洋中脊[2,32]和慢速擴張洋中脊的洋脊段中部(圖 4 中剖面 1)也具有明顯的 100ka 頻譜峰值, 這種峰值的產(chǎn)生是平均斷層間距對地形的影響還是巖漿供給變化周期對地形的影響, 目前存在爭議; 在慢速擴張洋中脊的末端, 洋中脊地形曲線沒有顯示100ka 左右的峰值, 但顯示與斷層間距相當?shù)姆逯?00 ka (圖4中剖面2)。

洋中脊構造?巖漿過程的地球動力學數(shù)值模擬結果顯示, 只有當巖漿供給周期大于斷層間距代表的時間周期時, 巖漿供給變化周期才會被海底地形頻譜記錄。受洋中脊巖石圈結構和巖漿供給速率的影響, 斷層間距隨著洋中脊的擴張速率增加而減小[11,33]。在快速擴張洋中脊, 正斷層規(guī)模較小, 平均斷層間距小于 500m[34], 代表的時間周期大約為30~40ka (圖5); 在中速擴張洋中脊, 斷層規(guī)模相對較大, 平均斷層間距為 2000m[8,35], 代表的時間周期為 80~100 ka(圖 5); 在慢速擴張洋中脊, 斷層規(guī)模沿洋中脊軸向差異較大[9,36?37], 在巖漿供給比較充足的洋脊段, 斷層平均間距為 2000m 左右, 代表的時間周期為 100~120ka, 而在洋中脊末端, 斷層的平均間距可以到達 5000m 甚至更長, 代表 200ka甚至更長的時間周期。

綜上所述, 偏心率(100 ka)、傾斜度(41 ka)和歲差(23ka)這 3 個穩(wěn)定的米蘭科維奇氣候周期在快速擴張洋中脊深海地形上顯示兩個甚至 3 個周期特征; 在中速擴張洋中脊和部分巖漿供給充足的慢速擴張洋中脊可能顯示偏心率周期(100ka), 但在頻譜特征上容易與正斷層平均間距的距離峰值混淆; 在大部分慢速擴張洋中脊, 偏心率、傾斜度和歲差不會在地形上有所顯示, 地形上顯示的距離距離峰值代表斷層的平均間距。數(shù)值模擬結果也顯示, 與巖漿供給變化周期直接相關的洋中脊噴發(fā)物質(zhì)(厚度為100m 級別)的分布相比, 慢速擴張洋中脊兩側的正斷層規(guī)模是影響海底地形的主要因素。

4 結論

本文通過數(shù)值模擬, 恢復海底地形的形成過程。根據(jù)模擬結果, 并結合不同類型洋中脊的地形特征, 得到以下結論。

1)在本文設置的模型中, 當巖漿供給變化周期小于 140ka 時, 巖漿供給變化周期不會影響地形特征; 當巖漿周期變化大于 140ka 時, 巖漿供給變化周期和擴張速率控制地形特征。特征周期值 140ka代表平均斷層間距與擴張速率的比值, 隨著擴張速率的增加而減小。

2)對中印度洋洋中脊地形曲線頻譜分析的結果顯示, 在洋中脊段中部, 頻譜圖上顯示 2km 的距離峰值, 而在洋中脊末端, 頻譜圖上顯示 5km 的距離峰值。這種距離周期峰值反映的只是局部斷層間距, 而不是全球的海平面變化特征。

3)綜合不同構造位置的頻譜分析和數(shù)值模擬實驗結果, 本文認為, 3 個穩(wěn)定的米蘭科維奇氣候周期(偏心率(100ka), 傾斜度(41ka)和歲差(23ka))在快速擴張洋中脊的地形上可能有明顯的響應; 在中速擴張洋中脊和部分慢速擴張洋中脊的海底地形上響應不明顯, 并且容易與斷層間距代表的距離峰值混淆; 在大部分慢速擴張洋中脊, 深海地形主要受正斷層控制, 幾乎不受偏心率(100ka)及以下的巖漿供給變化周期影響。

(a)原始地形數(shù)據(jù)[31]; (b)去掉長波趨勢處理后的數(shù)據(jù); (c)剖面 1 的原始地形數(shù)據(jù)[31]; (d)剖面 1 處理后數(shù)據(jù)的頻譜分析結果; (e)剖面 2 的原始地形數(shù)據(jù)[31]; (f)剖面 2 處理后數(shù)據(jù)的頻譜分析結果

黑色實線代表斷層間距隨洋中脊擴張速率的變化; 灰色實線代表不同的米蘭科維奇氣候周期; 黑色方塊、灰色方塊和黑色正方形分別代表智利洋中脊、南極洲?澳大利亞洋中脊和南太平洋洋中脊的頻譜峰值[3,8]

致謝 感謝北京大學地球與空間科學學院博士研究生劉仲蘭提供數(shù)值模擬方法以及對論文初稿提出的建設性意見。

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Seafloor Bathymetry Response to Different Time Scale of Magmatic Supply Fluctuation

YUN Xiaorui1,2, LI Jianghai1,2,?, WU Tongwen1,2, SONG Juechen1,2

1. Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution, Ministry of Education, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. Institute of Oil and Gas, Peking University, Beijing 100871

The finite-difference numerical simulation is used to reproduce the seafloor bathymetry near mid-ocean ridges. The magma supply in the model changes regularly with fluctuation period and amplitude. The results indicate that only when the magmatic supply fluctuation period is greater than the time interval between the formation of two faults on the same side of mid-ocean ridge, the formation process of the seafloor bathymetry can be influenced and recorded. Combined with numerical simulation results and different types of ocean ridge topography, this paper considers that the fast spreading mid-ocean ridge is the only ridges type that can record three magmatic supply fluctuation period of Milankovich cycles (eccentricity (100 ka), obliquity (41 ka) and precession (23 ka)) on the bathymetry. Bathymetry in mid-speed mid-ocean ridges and part of slow spreading mid-ocean ridges with sufficient magmatic supply may be related to the magmatic supply fluctuation period on the 100 ka time scale. seafloor bathymetry in most of the slow-spreading mid-ocean ridges is not affected by magmatic supply fluctuation period of 100 ka or less.

mid-ocean ridge; fault; magmatic supply; climate change

, E-mail: jhli@pku.edu.cn

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0503301)和大型油氣田及煤層氣開發(fā)國家科技重大專項(2016ZX05033002-007)資助

2018?04?14;

2018?05?07;

10.13209/j.0479-8023.2018.025

, E-mail: jhli@pku.edu.cn

2019?03?19