東南印度洋中脊(108°—134°E區(qū)域)斷層構(gòu)造與巖漿活動(dòng)關(guān)系*

劉守金, 林間, 羅怡鳴

東南印度洋中脊(108°—134°E區(qū)域)斷層構(gòu)造與巖漿活動(dòng)關(guān)系*

劉守金1, 3, 林間1, 2, 羅怡鳴1, 3

1. 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301; 2. Department of Geology and Geophysics, Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA 02543, USA; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

東南印度洋脊(Southeast Indian Ridge, 簡(jiǎn)稱SEIR)是中速擴(kuò)張洋中脊, 在其中的108°—134°E區(qū)域的全擴(kuò)張速率為72~76 mm·a–1。但在接近澳大利亞-南極洲不整合帶(Australian-Antarctic Discordance, 簡(jiǎn)稱AAD)區(qū)內(nèi), 海底地貌沿洋中脊的變化強(qiáng)烈, 其變化范圍涵蓋了從慢速到快速擴(kuò)張洋中脊上常見(jiàn)的例子, 且出現(xiàn)了明顯的地球物理與地球化學(xué)異常, 說(shuō)明洋中脊在AAD區(qū)附近的巖漿供應(yīng)量極不均勻。文章定量分析了高精度多波束測(cè)深數(shù)據(jù), 計(jì)算了洋中脊不同段的地形坡度、斷層比例以及平面與剖面的巖漿參數(shù)值, 結(jié)合研究區(qū)內(nèi)剩余地幔布格重力異常以及洋中脊軸部地球化學(xué)指標(biāo)Na8.0、Fe8.0等資料, 分析與討論了研究區(qū)的斷層構(gòu)造與巖漿活動(dòng)特征的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn), 東南印度洋脊108°—134°E區(qū)域的B區(qū)(在AAD區(qū)內(nèi))及C5段(在AAD區(qū)外西側(cè))發(fā)育有大量的海洋核雜巖, 而且B區(qū)的海洋核雜巖單體規(guī)模更大, 其中最大的位于B3區(qū), 沿洋中脊擴(kuò)張方向延伸約50km。研究結(jié)果首次系統(tǒng)性地顯示, 相比東南印度洋的其他區(qū)域, B和C5異常區(qū)具有偏低的平面與剖面值、偏高的斷層比例、偏正的地幔布格重力異常以及偏高的Na8.0值與偏低的Fe8.0值, 這些異常特征可能反映了B區(qū)和C5段的巖漿初始熔融深度較淺以及巖漿熔融程度較低, 因此導(dǎo)致其巖漿供應(yīng)量異常少, 形成較薄的地殼。研究結(jié)果同時(shí)表明, 在巖漿供應(yīng)量極少的洋中脊, 構(gòu)造伸展作用有利于海洋核雜巖的發(fā)育, 導(dǎo)致地殼進(jìn)一步減薄。

東南印度洋脊; 澳大利亞-南極洲不整合帶; 海底斷層; 巖漿參數(shù)值; 海洋核雜巖; 多波束測(cè)深; 剩余地幔布格重力異常

海洋板塊的擴(kuò)張發(fā)生在大洋中脊, 由巖漿侵入與構(gòu)造拉伸來(lái)完成。在海底擴(kuò)張過(guò)程中, 隨著洋殼向洋中脊兩側(cè)擴(kuò)張, 構(gòu)造作用形成裂谷、正斷層與低角度拆離斷層等構(gòu)造。巖漿作用與構(gòu)造作用的比值影響著洋中脊的巖石圈溫度、巖石圈強(qiáng)度、地貌特征以及斷層構(gòu)造等。海洋核雜巖(oceanic core complex, 簡(jiǎn)稱OCC)由低角度拆離斷層將下地殼或上地幔的輝長(zhǎng)巖、橄欖巖等基性和超基性巖石拆離到地表而形成(Tucholkeet al, 1998)。定義巖漿在擴(kuò)張作用中所占的比值為巖漿參數(shù), 簡(jiǎn)稱值。海底斷層在各種擴(kuò)張環(huán)境下都存在(Shaw et al, 1996; Lavier et al, 2002; Buck et al, 2005; Behn et al, 2008; Olive et al, 2010), 但OCC僅出現(xiàn)在值范圍在0.3~0.5的區(qū)域(Tucholkeet al, 2008)。目前全球共發(fā)現(xiàn)約200處OCC, 絕大多數(shù)發(fā)育在慢速或超慢速擴(kuò)張脊, 如大西洋中脊(Mid-Atlantic Ridge, MAR)、西南印度洋脊(Southwest Indian Ridge, SWIR)及弧后盆地(Ohara et al, 2001; Ciazela et al, 2015)。此外, 部分OCC發(fā)育在中速擴(kuò)張脊, 如中印度洋脊(Central Indian Ridge, CIR)、智利洋中脊(Chile Ridge)和東南印度洋脊(Southeast Indian Ridge, SEIR)(Christie et al, 1998; Okino et al, 2004)。

1 地質(zhì)背景

東南印度洋脊西起印度洋的羅德里格斯三聯(lián)點(diǎn)(Rodrigues Triple Junction, RTJ), 東至太平洋的麥格理三聯(lián)點(diǎn)(Macquarie Triple Junction, MTP), 總長(zhǎng)約6000km。本文的研究區(qū)為SEIR的108°—134°E區(qū)域, 位于澳大利亞與南極洲之間。本文沿用Weissel等(1971)對(duì)澳大利亞以南的SEIR洋脊段的分段與命名方式, 將研究區(qū)劃分為3個(gè)區(qū)域(圖1): A區(qū)(約128°—137°E區(qū)域, 包括A1段); B區(qū)(約120°— 127°E區(qū)域, 又稱澳大利亞-南極洲不整合帶AAD, 包括B3、B4、B5段); C區(qū)(約108°—120°E區(qū)域, 包括C1—C5段)。

圖1 研究區(qū)水深及構(gòu)造圖 黑色點(diǎn)線表示洋中脊的位置。OCC的位置用黃色星號(hào)表示。近南北向的線表示轉(zhuǎn)換斷層, 破碎帶和非轉(zhuǎn)換不連續(xù)帶．黃色框線表示洋中脊分段及多波束水深數(shù)據(jù)的范圍。紅點(diǎn)和黃色短線是計(jì)算M值剖面的位置

SEIR為中速擴(kuò)張洋中脊, 全擴(kuò)張速率約為72~76mm·a–1(Weissel et al, 1971)。然而研究區(qū)內(nèi)洋中脊軸部地貌與分段涵蓋了從慢速到快速擴(kuò)張洋中脊的特征(Macdonald et al, 1990; Lin et al, 1990; Dick et al, 2003)。其中A1與C1段表現(xiàn)為類似東太平洋洋隆(East Pacific Rise, EPR)快速擴(kuò)張洋中脊典型的軸部洋隆; 而B(niǎo)區(qū)以及C4與C5段具有慢速擴(kuò)張洋中脊典型的深谷特征, 如大西洋中脊和西南印度洋脊。此外, 在研究區(qū)各分段洋中脊兩側(cè)的地貌亦存在明顯差異: 在B3與B4段, 除了平行于洋中脊軸部的線狀洋嶺外, 還發(fā)育垂直于洋中脊的窗欞狀海洋核雜巖。

值得注意的是, 研究區(qū)內(nèi)各洋脊段的擴(kuò)張速率相近, 卻具有非常不同的地貌特征與斷層形式, OCC也僅在少數(shù)區(qū)域觀測(cè)到。本文通過(guò)計(jì)算海底各分段的M值以及剩余地幔布格重力異常(residual mantle Bouguer anomaly, RMBA), 結(jié)合地球化學(xué)數(shù)據(jù), 綜合分析研究區(qū)的巖漿與構(gòu)造作用, 探究斷層發(fā)育與OCC的形成模式。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文采用自由空氣重力異常(free-air gravity anomaly, FAA)(圖2a)、沉積物厚度(圖 2b)與地殼年齡(圖2c)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算剩余地幔布格重力異常RMBA, 用水深數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算斷層的坡度, 并用圖3所示方法計(jì)算平面與剖面值。

水深資料包括全球水深和局部多波束水深數(shù)據(jù)(圖1、4)。本文所用的全球水深數(shù)據(jù)來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校V1版本(圖1; SRTM15_PLUS V1, https://topex.ucsd.edu/WWW_html/srtm30_plus.html), 通過(guò)15"網(wǎng)格來(lái)表示。

多波束水深數(shù)據(jù)(網(wǎng)格為100m×100m)來(lái)自海洋地球科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)(Marine Geoscience Data System, MGDS, http://www.marine-geo.org/index.php)與美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心(National Geophysical Data Center, NGDC, https://www.ngdc.noaa.gov)。多波束水深數(shù)據(jù)覆蓋本研究區(qū)洋中脊軸兩側(cè)共100~150km(圖１)。

自由空氣重力異常數(shù)據(jù)是由衛(wèi)星測(cè)高結(jié)合船測(cè)數(shù)據(jù)獲得的1′×1′全球海洋重力異常數(shù)據(jù)(圖2a; https://topex.ucsd.edu/marine_grav/mar_grav.html)(Sandwell et al, 2014)。當(dāng)波長(zhǎng)超過(guò)25~30km·h–1, FAA與船測(cè)重力異常數(shù)據(jù)吻合(Neumann et al, 1993)。研究區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)換斷層、破碎帶以及脊軸裂谷具有明顯的自由空氣重力異常負(fù)值(圖2a)。自由空氣重力異常FAA可以反映地形中短波長(zhǎng)起伏狀況。研究區(qū)AAD內(nèi), FAA在短距離內(nèi)存在較大的數(shù)值差異, 從重力角度可以看出AAD區(qū)內(nèi)復(fù)雜的地形地貌狀態(tài)。

本文使用的沉積物厚度數(shù)據(jù)是來(lái)自NGDC的5′×5′全球沉積物厚度網(wǎng)格化數(shù)據(jù)(圖2b; https:// www.ngdc.noaa.gov/mgg/sedthick)(Divins, 2003); 該數(shù)據(jù)是綜合了沉積物等厚圖、深海鉆探計(jì)劃(Deep Sea Drilling Project, DSDP)和大洋鉆探計(jì)劃(Ocean Drilling Program, ODP)鉆井資料以及地震數(shù)據(jù)等而獲得的。研究區(qū)內(nèi), 沿SEIR的沉積物約100~150m; 而在SEIR以南的區(qū)域, 越靠近南極洲大陸的地區(qū)沉積物越厚, 最厚達(dá)460m(圖2b)。研究區(qū)多波束水深覆蓋區(qū)域, 沉積物厚度相對(duì)較小。沉積物覆蓋作用會(huì)使洋中脊系統(tǒng)斷層坡度變小。偏小的沉積物厚度有利于斷層的準(zhǔn)確識(shí)別。

地殼年齡數(shù)據(jù)采用2′×2′全球海洋地殼年齡數(shù)據(jù)(Müller et al, 2008)。相比6′×6′的版本(Müller et al, 1997), 2′×2′版本增加了新的船測(cè)數(shù)據(jù), 填補(bǔ)了南印度洋數(shù)據(jù)空缺的部分。研究區(qū)的地殼年齡范圍為0~22Ma(圖2c)。

圖2 研究區(qū)的自由空氣重力異常(a)、沉積物厚度(b)與年齡(c)等值線圖 黑色粗線代表洋中脊。圖c中的數(shù)字為年齡

2.2 方法

2.2.1 巖漿參數(shù)值計(jì)算

在研究區(qū)各分段內(nèi), 我們截取垂直于洋中脊的剖面, 先識(shí)別并計(jì)算剖面中每條斷層。剖面中各斷塊的斷層面在水平方向上的投影長(zhǎng)度為f, 各斷塊除去斷層面剩余部分在水平方向上的投影長(zhǎng)度即m。對(duì)剖面各斷層f進(jìn)行累積求和(∑f), 進(jìn)而求得∑f占整個(gè)剖面長(zhǎng)度的比例為, 然后計(jì)算巖漿占擴(kuò)張的比值(值), 即=1-(圖3)。同理, 各分段在平面上的巖漿作用比例(即平面值)可由斷層坡度面所占總面積的比例獲得。

圖3 巖漿參數(shù)M值計(jì)算卡通圖 a. 垂直于不含OCC的洋中脊剖面; b. 垂直于含OCC的洋中脊剖面?；疑怪本匦伪硎狙笾屑馆S部巖漿注入的位置。箭頭代表斷塊的位錯(cuò)方向。剖面修改自Smith(2013)。其中

2.2.2 剩余地幔布格重力異常

本研究采用Parker (1993)的方法來(lái)計(jì)算地幔布格重力異常(mantle Bouguer gravity anomaly, MBA)。假定沉積物深度每增加100m, 沉積物密度增加15 kg·m–3(Cowie et al, 1990; Wang et al, 2011)。此外, 假定海水、地殼、地幔的密度分別為1030、2700、3300kg·m–3。從FAA中減掉水-沉積物界面、沉積物-地殼界面以及地殼-地幔界面的重力效應(yīng), 即可得到MBA。隨后, 從MBA中再去除由于巖石圈冷卻而引起的重力效應(yīng)(也稱熱校正), 獲得RMBA。計(jì)算巖石圈冷卻效應(yīng)時(shí), 考慮了各點(diǎn)在垂直方向的一維熱傳導(dǎo)(Turcotte et al, 2014)以及該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地殼年齡(Müller et al, 2008)。設(shè)定板塊表面溫度為0℃, 100km深處的溫度為1350℃, 熱擴(kuò)散系數(shù)為 3.5×10–5·℃-1。根據(jù)公式(1)可將三維地幔溫度場(chǎng)轉(zhuǎn)換為三維密度變化場(chǎng)。

其中, ?為密度變化,0和0分別為100km深度處的參考地幔的溫度和密度,為熱擴(kuò)散系數(shù)。

3 結(jié)果

3.1 斷層坡度

本文采用Young(1978)方法處理水深數(shù)據(jù)獲得相應(yīng)區(qū)域的坡度。對(duì)比水深與坡度(圖4、5), 高坡度區(qū)(坡度≥10°)集中分布在以下3類區(qū)域: 1)相鄰洋脊段連接處附近, 如轉(zhuǎn)換斷層(見(jiàn)C2、C5段中的例子), 非轉(zhuǎn)換不連續(xù)帶(C3、B3例子); 2)洋中脊軸部裂谷帶(C5、B3例子); 3)洋中脊兩翼大規(guī)模發(fā)育OCC的區(qū)域(B3、B4、C5例子)。其他高坡度值區(qū)位于洋中脊條帶狀海嶺與零星海山發(fā)育區(qū)(C1、B5錐狀火山區(qū))。

洋中脊環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單, 造成高坡度地形的因素較少, 主要是構(gòu)造作用導(dǎo)致。因而計(jì)算斷層所占比例可以通過(guò)確定斷層在各區(qū)段中的坡度頻率分布來(lái)確定。通過(guò)截取剖面, 確定各區(qū)段典型斷層對(duì)應(yīng)的坡度, 再通過(guò)坡度的累積頻率確定包含斷層的坡度比例范圍(圖6)。

我們對(duì)比了高斯分布、指數(shù)分布、Gamma分布、Logistic分布、三參數(shù)Burr分布等超過(guò)10種常見(jiàn)的分布模型對(duì)坡度數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果, 得出三參數(shù)分布的分布函數(shù)具有最好的擬合優(yōu)度(圖6, 式2)。

其中,、、為參數(shù),為坡度(°)。

3.2 斷層比例與M值

坡度頻率分布的結(jié)果表明, 各區(qū)段超過(guò)99%的坡度值在0°~40°之間。各區(qū)段中典型斷裂對(duì)應(yīng)的坡度在15°~30°之間(圖5)。本文以坡度≥10°作為斷層坡度的標(biāo)準(zhǔn), 結(jié)合各區(qū)段累積概率密度公式, 計(jì)算各區(qū)段斷層所占比例。計(jì)算結(jié)果去除非擴(kuò)張斷層因素(如轉(zhuǎn)換斷層、洋中脊軸部裂谷等)造成的各區(qū)段高坡度所占比例(從C1到A1分別為10%、50%、60%、30%、20%、20%、5%、10%、20%), 最后獲得各區(qū)段的平面值。其中, 將坡度≥10°比例的上下50%作為斷裂范圍的上下限。

圖4 研究區(qū)各段水深圖(每子圖的上方)及坡度圖(子圖的下方) 黑色箭頭代表洋中脊軸部位置及走向, 黑色圈指示OCCs高坡度區(qū), 紅色箭頭指示OCCs. 白色線為剖面所在位置

圖5 剖面的位置與水深(a)、剖面斷裂位置(b)和坡度剖面(c) 黑色箭頭表示主要斷層的位置和范圍

圖6 研究區(qū)各分段坡度頻率圖 研究區(qū)各段坡度被分為1000等份。黑點(diǎn)代表各分段坡度的頻率, 曲線為三參數(shù)分布的擬合結(jié)果。陰影表示坡度≥10°區(qū)域的比例

OCC區(qū)域內(nèi)坡度≥10°的比例占OCC面積的3.3%~8.6%, 大于OCC所在的洋脊段的平均比例。因而在發(fā)育OCC的C5、B3、B4、B5段, 對(duì)OCC和斷裂比例分別統(tǒng)計(jì), 扣除重復(fù)部分后匯總得到最終斷裂比例, 并計(jì)算得到相應(yīng)平面值(圖7b、圖8e)。此外, 在有多波束數(shù)據(jù)的各分段區(qū)域, 截取49條垂直各段洋中脊的剖面(圖1), 結(jié)合3D水深圖逐一識(shí)別每條剖面斷裂并統(tǒng)計(jì)其所占比例, 從而計(jì)算各剖面值, 并以50%作為剖面斷裂識(shí)別誤差(圖7b、圖8e)。

以上新的平面與剖面值的模擬結(jié)果與前人單條剖面值計(jì)算符合較好(Buck et al, 2005; Behn et al, 2008; Tucholke et al, 2008)。Buck等(2005)模擬對(duì)比了不同值與快速、中速、慢速擴(kuò)張洋中脊海底地形對(duì)應(yīng)關(guān)系, 得出SEIR的115°E(即C4段)附近剖面值約為0.95。而B(niǎo)ehn等(2008)的模擬結(jié)果則認(rèn)為SEIR的C4段(114.2°—114.3°E) 的剖面值約0.7~0.8。本文在C4段的剖面值結(jié)果與Behn等(2008)相符, 比Buck等(2005)的結(jié)果偏低約26%。在發(fā)育OCC的C5、B3和B4段內(nèi), 剖面值在0.3~0.6之間, 這與OCC僅出現(xiàn)在巖漿作用比例在0.3~0.5間的前人研究結(jié)果相一致(Tucholke et al, 2008; Behn et al, 2008)。我們所取50%剖面斷裂識(shí)別誤差而獲得剖面值, 能夠涵蓋或接近前人模擬結(jié)果, 因此這些新結(jié)果具有較高的可信度。

對(duì)于平面值, 可以假定在長(zhǎng)度為、寬度為的洋中脊平面區(qū)域內(nèi)(為平行洋中脊方向,為垂直洋中脊方向), 任意一條斷裂()邊界均可視由兩條曲線h()和g()組成,為長(zhǎng)度方向距離坐標(biāo)。再將同一橫坐標(biāo)下所有斷裂進(jìn)行合并, 那么整個(gè)區(qū)域斷層面可等同于一條存在有限間斷點(diǎn)長(zhǎng)度的單一帶狀形, 其中上下邊界為()和()。

由斷裂所合成條帶面積I可由兩條曲線的定積分表示, 即

方程(3)兩邊都除區(qū)域面積=×得到

根據(jù)積分中值定理, 即在區(qū)間0~內(nèi)至少存在一點(diǎn), 使得

方程(5)式左邊為合成斷裂的面積比例, 右邊為合成斷裂的線比例?？梢钥闯龊铣蓴嗔衙娣e比例取值I, 總是位于合成斷裂線比例I值域區(qū)間內(nèi)。當(dāng)斷裂均勻分布時(shí), 合成條帶較為均一且平直, 此時(shí)I與若干I的比例集中分布在1左右, 相應(yīng)平面值與若干剖面值之比集中分布1左右; 當(dāng)斷裂分布不均一, 如發(fā)育OCC和較大范圍相鄰斷裂間缺失間斷, 此時(shí)I與若干I之比零散分布在1左右, 相應(yīng)平面值與剖面值之比零散分布1左右。

由于計(jì)算平面值和剖面值的方法不同, 且在選取剖面過(guò)程中將斷層密集、斷層特征明顯的區(qū)域作為剖面優(yōu)選區(qū), 因而造成剖面值相對(duì)于平面值整體偏小。根據(jù)前文中平面斷裂與剖面斷裂比例接近于1的推導(dǎo)結(jié)果, 可以將平面值與剖面值二者點(diǎn)位相交部分和二者之間部分作為參考值范圍。相較于單獨(dú)應(yīng)用剖面值或單獨(dú)應(yīng)用平面值, 參考值更能進(jìn)一步除去可能的計(jì)算誤差, 即參考值更接近各洋中脊段的真實(shí)特點(diǎn)。平面值與剖面值在沿洋中脊方向上均表現(xiàn)出在AAD較鄰區(qū)的數(shù)值偏低的特點(diǎn)(圖7b、圖8e)。此外, 平面值、剖面值與RMBA有近乎一致的斜率(–0.0067·mGal–1)。值與RMBA顯示出的較強(qiáng)的負(fù)相關(guān), 在一定程度上反映了值與巖漿活動(dòng)的耦合關(guān)系, 即巖漿作用較強(qiáng)時(shí), 地殼偏厚, 造成RMBA負(fù)異常, 進(jìn)而反映為值增大。

平面值與剖面值主體均在0.5以上, 且二者之比在1~2之間, 表明洋中脊擴(kuò)張過(guò)程中巖漿為主導(dǎo)作用。而線斷裂比例與面斷裂比例之比可達(dá)2~10, 從另一方面表明微小的巖漿作用的擾動(dòng)可能引起斷裂組成上的巨大差異, 即斷裂對(duì)巖漿響應(yīng)敏感。理論模擬表明增加巖漿量對(duì)OCC發(fā)育具有終止作用, 與我們的觀測(cè)結(jié)果一致(Okino et al, 2004; Buck et al, 2005; Behn et al, 2008; Tucholke et al, 2008)。

3.3 RMBA重力異常與OCC的關(guān)系

我們?cè)趨^(qū)域尺度(圖7)和沿洋中脊軸向尺度上(圖8)對(duì)水深、RMBA、OCC、值、巖漿熔融作用等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。其中, 區(qū)域尺度數(shù)據(jù)點(diǎn)取樣分辨率為0.1°×0.1°。

OCC所在區(qū)域水深范圍跨度較大, 平均水深3000~4000m, 相對(duì)整個(gè)區(qū)域, 水深偏淺; 單個(gè)OCC高程差在1000~2500m間(圖4a、圖7c)。而通常由典型正斷層造成的海嶺高程差值在100~500m之間, 如C1、C2、C3、A1; 部分落差較大的海嶺在1000m左右, 如C4區(qū) (圖4a)?？梢?jiàn)發(fā)育OCC的區(qū)域在高差上顯著區(qū)別于普通斷層作用造成的高差。

洋中脊軸部及其附近的RMBA值具有明顯的正異常, 距離洋中脊軸部越遠(yuǎn), RMBA越負(fù)。RMBA正異常主要集中在B區(qū)(AAD)和C區(qū)(C4、C5段)。在垂直于洋中脊的方向上, B區(qū)RMBA正異常的范圍遠(yuǎn)大于A區(qū)和C區(qū), 以20mGal 等值線范圍為例, B區(qū)是C4、C5寬度的2~6倍, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他區(qū)域?qū)挾?圖7a)。OCC集中分布在B區(qū)(AAD)和C5段, 其RMBA在20~70mGal之間, 比研究區(qū)平均RMBA高約40mGal(圖7a、c), 這與前人提出的OCC的RMBA偏正的結(jié)果相一致(Tucholke et al, 1998, 2008; Okino et al, 2004)。偏正的RMBA以及OCC都集中在B區(qū)(AAD)并向C區(qū)方向銳減。RMBA正異常和OCC分布不均勻可能反映了區(qū)域內(nèi)地幔不均一性或者洋中脊巖漿活動(dòng)的周期性(Tucholke et al, 1997; Bonattiet al, 2003; Olive et al, 2010)。在文章后面章節(jié), 我們對(duì)B區(qū)重力和OCC等異?？赡艿脑蜻M(jìn)行了初步分析。

圖7 研究區(qū)RMBA(a)、M值與RMBA的相關(guān)性(b)、RMBA與水深的相關(guān)性(c) 圖a中的白色圈線圈出了OCCs的范圍; 圖b中垂直誤差棒與水平誤差棒分別代表M值, RMBA的極值; 圖c中紅點(diǎn)表示研究區(qū)按0.1°×0.1°網(wǎng)格采樣的平均水深與平均RMBA的關(guān)系, 藍(lán)點(diǎn)代表OCC的平均水深與平均RMBA的關(guān)系, 垂直誤差棒與水平誤差棒分別為OCC區(qū)域RMBA的極值與水深的極值

圖8 研究區(qū)沿洋中脊的水深(a)、RMBA(b)、Na8.0(c)、Fe8.0(d)及平面和剖面M值(e)的剖面 黑色箭頭表示轉(zhuǎn)換斷層或者非轉(zhuǎn)換不連續(xù)帶的位置, 灰色虛線表示Na8.0值和Fe8.0值的變化趨勢(shì), 陰影表示發(fā)育OCC的洋脊段

洋中脊之下的地幔溫度、壓力與物質(zhì)組成是巖漿作用的主控因素, 與洋殼厚度、斷層發(fā)育與水深地貌具有緊密的聯(lián)系。B區(qū)、C5段附近洋中脊軸部水深顯著低于相鄰區(qū)域約1000m, 且RMBA高于相鄰區(qū)域10~50mGal(圖8a、b)。水深最深和RMBA最高值均出現(xiàn)在B區(qū)。Na8.0和Fe8.0是分別將Na2O(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和FeO(質(zhì)量分?jǐn)?shù))標(biāo)準(zhǔn)化到MgO(質(zhì)量分?jǐn)?shù)的8%)指標(biāo)因子, 二者常被用作衡量熔融程度和熔融平均壓力(Klein et al, 1987)。此外, Na8.0、Fe8.0在B區(qū)和C5段附近分別出現(xiàn)了區(qū)域極大值和極小值(圖8c、d)。在多波束數(shù)據(jù)覆蓋的區(qū)域, B區(qū)、C5段附近比A區(qū)和其余C區(qū)的剖面值與平面值均呈現(xiàn)出偏小的特點(diǎn)。

以洋中脊軸部地形為對(duì)比基準(zhǔn), 剖面值、Fe8.0與地形呈正相關(guān); Na8.0、RMBA與地形呈負(fù)相關(guān); 區(qū)域平面值與洋中脊地形整體呈正相關(guān)。Fe8.0反映了巖漿初始熔融的深度, 高Fe8.0值表明巖漿初始熔融深; 而Na8.0則反映了巖漿熔融程度, 高Na8.0值則表明巖漿熔融程度低(Klein et al, 1991; Géli et al, 2007)。

綜上, 在C5、B3、B4、B5段靠近洋中脊軸部的區(qū)域, RMBA明顯偏正, 偏正范圍與OCC發(fā)育的范圍基本吻合。研究區(qū)內(nèi)RMBA都偏正值, 反映了地殼偏薄或地幔偏重。在OCC發(fā)育的區(qū)域RMBA正異常達(dá)到極大值, 表明OCC發(fā)育的區(qū)域地殼最薄或地幔最重。

4 討論

B區(qū)(AAD)的RMBA具有顯著的正異常。OCC大規(guī)模發(fā)育, 反映了該區(qū)巖漿量少, 從而形成異常薄的地殼。折射地震研究也認(rèn)為AAD的地殼薄, 在AAD之下3.6km深度處P波速度可達(dá)7.8km·s–1(Kojima et al, 2003)。B區(qū)(AAD)的低Fe8.0值和高Na8.0值反映了巖漿產(chǎn)生的初始熔融深度偏淺和熔融程度偏低, 這與該區(qū)洋中脊軸部及兩側(cè)水深異常深的觀測(cè)相互支持, 印證了該區(qū)上地幔的低溫異常。Hayes(1976)認(rèn)為AAD之下的地幔存在著一個(gè)固定的“冷點(diǎn)”。Klein等(1988)基于同位素等研究認(rèn)為, 印度洋地幔和太平洋地幔在AAD發(fā)生匯聚, 引起地幔下涌, 因而導(dǎo)致各種異常。Gurnis等(1998)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果解釋為太平洋古俯沖板片在AAD之下的地幔殘留有未消亡的部分板片, 而使該區(qū)上地幔溫度異常偏低。無(wú)論哪一種機(jī)制, 均表明了可能是AAD之下的地幔溫度偏低而導(dǎo)致水深、RMBA以及地球化學(xué)的異常。

OCC通常被認(rèn)為是洋中脊斷層下盤(pán)不斷延展暴露、旋轉(zhuǎn)抬升而造成下地殼或者上地幔接近地表, 且僅出現(xiàn)在值為0.3~0.5時(shí)(Tucholke et al, 1998, 2008; Buck et al, 2005; Behn et al, 2008)。全球目前發(fā)現(xiàn)約200處OCC, 絕大多數(shù)位于偏冷且?guī)r漿供應(yīng)不足的慢速-超慢速擴(kuò)張洋中脊(如MAR), 少數(shù)位于中速擴(kuò)張洋中脊(如SEIR)和弧后盆地(Christie et al, 1998; Ohara et al, 2001; Ciazela et al, 2015)。盡管模擬結(jié)果及個(gè)別實(shí)例表明OCC可以產(chǎn)生于巖漿量相對(duì)較高及巖漿作用較強(qiáng)的環(huán)境(Escartín et al, 2003; Olive et al, 2010), 但基于AAD水深較深, 構(gòu)造作用強(qiáng)烈(剖面值和平面值偏低), 地殼偏薄(偏正RMBA)以及地球化學(xué)證據(jù), 我們認(rèn)為巖漿供應(yīng)不足是B區(qū)(AAD)大規(guī)模發(fā)育OCC的主要成因。由于AAD之下的上地幔較冷, 巖漿產(chǎn)出偏少, 巖石圈構(gòu)造作用偏強(qiáng), 導(dǎo)致B區(qū)(AAD)更容易形成OCC。

綜合水深、坡度、值、重力異常與地球化學(xué)等觀測(cè)與計(jì)算結(jié)果, 結(jié)合B區(qū)的地幔溫度異常, 我們提出研究區(qū)洋中脊的巖漿活動(dòng)模型如圖9。

圖9 研究區(qū)洋中脊的巖漿活動(dòng)模型 三角形表示上地幔部分熔融三角, 最上部淺藍(lán)色長(zhǎng)方體為地殼, 紅色粗線條為洋中脊軸部, 黑色粗箭頭為板塊擴(kuò)張方向

1) A、B、C區(qū)存在不同的初始熔融深度。在洋中脊軸部正下方的上地幔, B區(qū)的溫度比A區(qū), C區(qū)更低; A區(qū)和C區(qū)之下的地幔部分熔融深度更深, 而B(niǎo)區(qū)在較淺的深度處發(fā)生減壓熔融。

2) A、B、C區(qū)地幔熔融的巖漿, 不斷在洋中脊軸部存儲(chǔ)、運(yùn)移、侵位。B區(qū)相對(duì)于A區(qū)和C區(qū), 熔融發(fā)生時(shí)間晚, 熔融量較小, 因此巖漿供應(yīng)相對(duì)不足, 產(chǎn)生更薄的地殼。

3) 由于B區(qū)的地幔部分熔融程度低, 巖漿作用較弱, 導(dǎo)致構(gòu)造作用在擴(kuò)張作用的比例更大。斷層容易沿著已有斷裂繼續(xù)滑動(dòng), 有利于形成OCC。

4) C5段同B區(qū)類似, 地殼偏薄或地幔偏重。但相對(duì)B區(qū)的大范圍地幔溫度異常, C5段的RMBA正異常范圍較小, 反映了地幔溫度異常的范圍較小(圖7a), 因而總體巖漿供應(yīng)量可能相對(duì)充足, 導(dǎo)致C5段的OCC在整體規(guī)模和單體最大規(guī)模上都比B區(qū)小。

5 結(jié)論

1) 在東南印度洋的研究區(qū), 擴(kuò)張速率較為均勻, 但海底地貌變化顯著。新的分析表明, 在B區(qū)(即AAD區(qū))和C5段中的平面值與剖面值均偏低, 說(shuō)明平均巖漿量供應(yīng)量較少, 構(gòu)造活動(dòng)相較鄰區(qū)偏強(qiáng)。

2) B區(qū)中的RMBA總體偏正值, 反映了地殼偏薄或地幔偏重。在OCC發(fā)育的區(qū)域RMBA正異常達(dá)到極大值, 表明OCC發(fā)育的區(qū)域地殼最薄或地幔最重。

3) B區(qū)的Fe8.0值偏低而Na8.0值偏高, 表明B區(qū)之下的地幔溫度可能偏低, 這可能是OCC大規(guī)模發(fā)育的原因。地幔偏冷導(dǎo)致巖漿供應(yīng)不足, 構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈, 使得OCC更容易形成。

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Variations in tectonic faulting and magmatism at the Southeast Indian Ridge at 108°-134°E

LIU Shoujin1, 3, LIN Jian1, 2, LUO Yiming1, 3

1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China; 2. Department of Geology and Geophysics, Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA 02543, USA; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

The Southeast Indian Ridge (SEIR) at 108°-134°E has a relatively constant intermediate full spreading rate of 72-76 mm·a–1but exhibits significant variations in seafloor tectonic faulting and magmatism. This section of the SEIR encompasses the Australian-Antarctic Discordance (AAD), shows a wide range of seafloor morphology similar to the diverse examples from slow- to fast-spreading ridges, and is associated with significant geophysical and geochemical anomalies. We used high- resolution multi-beam bathymetry data to calculate seafloor topographic slopes, ratio of fault scarp areas, map view and profile M factors. Combining residual mantle Bouguer anomaly and geochemical factors of Na8.0and Fe8.0, we analyzed the fault tectonics and magmatic characteristics in our study area. A large number of Oceanic Core Complexes (OCC) zones are observed in Zone B within the AAD and Segment C5 immediately to the west of the AAD. The OCC features in Zone B are in general larger in size than those of Segment C5. The largest OCC is located in Segment B3, which extends~50 km along the SEIR spreading direction. In comparison to other segments, Zone B and Segment C5 have more negative residual mantle Bouguer anomalies, higher Na8.0and lower Fe8.0, more fault scarp areas, and lower plane and profile M factors. These anomalies may reflect shallower initial mantle melting and lower degree of partial melting in Zone B and Segment C5, resulting in anomalously low magma supply, thin crust, and the development of OCC features when the magma supply is severely limited.

Southeast Indian Ridge; Australian-Antarctic Discordance; submarine faults; magma factor M; Oceanic Core Complex; multi-beam bathymetry; residual mantle Bouguer anomaly

date: 2018-10-19;

date: 2018-11-16.

Chinese Academy of Sciences Project (QYZDY-SSW-DQC005, Y4SL021001, YZ201325, YZ201534); National Natural Science Foundation of China (91628301, U1606401, 41706056); China Ocean Mineral Resources R&D Association (DY135-S2-1-04); National Key Research and Development Program of China (2018YFC0309800).

LIN Jian. E-mail: jlin@whoi.edu

P736

A

1009-5470(2019)04-0070-11

10.11978/2018110

http://www.jto.ac.cn

2018-10-19;

2018-11-16。

孫淑杰編輯

中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(QYZDY-SSW-DQC005); 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所所撥特聘研究員項(xiàng)目(Y4SL021001); 中國(guó)科學(xué)院科研裝備項(xiàng)目(YZ201325、YZ201534); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91628301、U1606401、41706056); 中國(guó)大洋協(xié)會(huì)項(xiàng)目(DY135-S2-1-04); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)(2018YFC0309800)

劉守金(1989—), 男, 山東沂水人, 在讀博士研究生, 主要從事海洋地質(zhì)研究。E-mail: shjliu@scsio.ac.cn

林間。E-mail: jlin@whoi.edu

*感謝Okino教授提供B3段多波束測(cè)深數(shù)據(jù); 感謝周志遠(yuǎn)博士、張帆博士對(duì)本文的討論與幫助。

Editor: SUN Shujie