洋中脊分段性研究.docx
- 文档编号:29322946
- 上传时间:2023-07-22
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:354.63KB
洋中脊分段性研究.docx
《洋中脊分段性研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《洋中脊分段性研究.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
洋中脊分段性研究
洋中脊分段性研究
洋中脊分段性探讨
摘要
随着深海地质探测技术的发展与不断进步,关于洋中脊构造的研究取得了突出的进展,在洋中脊分段性方面的研究也取得了显著的成效。
研究发现,不同的大洋中脊具有不一样的扩张速率,同时都具有分段性特征。
大洋中脊分段性可划分为4个等级,1级间断是转换断层,可使洋中脊错断距离大于30km,长度可达1000km左右,寿命达10Ma;2~4级间断主要变为叠覆扩展中心、斜向剪切带、火山间隔和横向段错等,这些间断出现在转换断层之间,使洋中脊错位的距离较1级间断逐渐减少,且2~4级区段的长度也越来越小,存在的寿命也逐步缩短,至4级区段时,洋中脊区段长度一般小于10km,存在的寿命也缩短至100~10000a。
不同学者对大洋中脊分段性机制提出了不同的观点,本文也以大西洋为例,叙述了大西洋洋中脊的分段拓展过程。
关键词:
大洋中脊;分段性;分段拓展
0前言
20世纪80年代后期以来,随着深海地质探测技术的不断进步与完善,关于大洋中脊的构造研究取得了显著的进展,在洋中脊的分段性研究方面取得了显著成效[1-3],研究发现,不同大洋的洋中脊具有不同的扩张速率,它们被转换断层和非转换断层分割成了长度不等的许多段,尤其是大西洋洋中脊的分段特别明显[4]。
洋中脊的扩张速率差异较大,最慢速率可小于12mm/a,而超快速扩张脊的速率可达500mm/a。
但是无论是哪种扩张脊,都具有分段性特点,分段机制也均与洋中脊的扩展、叠接、跃迁或废弃及死亡过程有密切的关系,其中拓展、叠接过程又可受到多种动力因素的影响和控制[5]。
Macdonald等[2]较为系统的论述了洋中脊分段结构及其层次性,他们在综合分析快速扩展洋中脊(东太平洋)和慢速扩展洋中脊(印度洋和大西洋)分段结构的基础上,根据洋中脊走向上的不同规模和样式的间断,将洋中脊分段性划分为4级(见图1)。
其中,1级间断是转换断层,使洋中脊的错位距离大于30km,1级洋中脊区段的长度可达1000km左右,存在寿命为10Ma。
2~4级间断主要变为叠覆扩展中心、斜向剪切带、火山间隔和横向段错等(见图1),这些间断出现在转换断层之间,使洋中脊错位的距离较1级间断逐渐减少。
2~4级区段的长度也越来越小,存在的寿命也逐步缩短,至4级区段时,洋中脊区段长度一般小于10km,存在的寿命也缩短至100~10000a。
相对较长的洋中脊区段通过相邻的较短区段的不断损耗而逐渐增长,因此使得长区段的洋中脊的长度和寿命不断增加,而短区段的洋中脊会在一定时间内损耗完毕。
表1是洋中脊分段结构及其层次性的较为系统的论述。
在横向上,大多数洋中脊分段主要与洋中脊内部谷地相关,特别是熔岩集中喷发的轴向火山脊;而在纵向上,各段洋中脊的中部裂谷表现为中间宽、两端逐渐变窄,中部岩浆热和地热梯度也比两端和边缘高[6]。
洋中脊的分段主要特征可概括为以下几点:
(1)洋中脊分段现象具有普遍性特征,无论是慢速还是快速扩张脊,其分段结构和分段机制促使人们重新认识洋中脊的复杂性构造,如马总晋等人提出的不同大洋的构造增生期、洋脊的石化与洋脊的跃迁等一系列复杂过程[7]。
(2)不同段的岩浆及其动力学过程的差异对洋中脊分段特征起控制作用,这种差异性也致使不同区段洋中脊的热液系统和地化特征明显不同,并使洋中脊生物系统发生不同程度的分异[6]。
(3)大西洋洋壳重建和洋中脊分段性研究成果促进了整个洋中脊的宏观分段拓展研究过程。
根据其不同区段内的转换断层错位方向的规律性变化、时间间隔以及1~4级洋中脊区段的拓展增值过程分析表明,它有可能与全球或者洲际性的动力学背景的重要变化、岩浆囊的间歇式上升涌动和轴向迁移有密切关系[5]。
据此类推,印度洋和太平洋的洋中脊也可能有与大西洋类似甚至比其更为丰富的分段结构。
例如在东太平洋洋脊不仅划分出以左旋或右旋错切为主的分段,还发现无地震和有地震的洋中脊区段[6]。
此外,Severinghaus等[8]和Tucholke等[1]重点研究了洋中脊1、2级间断面及其区段的地貌、地质构造特征,并在综合分析洋中脊(特别是大西洋洋中脊)分段现象的基础上,阐明了洋中脊1、2级间断面附近,沿间断面走向两错位洋中脊之间的内侧和外侧在地貌、地壳建造和构造样式等方面存在明显差异。
内侧属于构造和岩浆运动相对强烈区段,而外侧是构造和岩浆运动相对不活动区段,大多数地震集中于间断面的内侧区段部分;内侧地壳比外侧地壳薄,其建造主要是由下地壳和地幔质的深成岩、超铁镁质岩石组成,而外侧是以玄武岩为主。
因此,内侧的岩石圈的地壳密度比外侧大,且内侧的次级断裂多表现为不规则的弧形延伸、尖灭消失和旋转组合等,而外侧的次级断裂表现为平行洋中脊的线性延伸(见图2)。
总之,洋中脊构造的4级分段不断得到证实,尤其是1、2级分段已得到不同学者的广泛认可,但在分段机制等问题上,不同学者有不同的认识。
1洋中脊分段原理分析
针对洋中脊的分段现象,不同学者提出了不同的假说模式,试图解释其分段扩展增长过程。
其中,Schouten等[9]提出将洋中脊划分为稳定的扩展单元,在大西洋洋中脊大致为50km,东太平洋洋中脊大致为80km。
这些单元的深部由均匀分布的瑞利泰勒(Rayleigh—Taylor)重力不稳定性控制,使低密度的地幔熔岩发生底辟现象,上升通过高密度的上覆地幔。
地幔熔岩的连续性底辟上升和减压,导致了洋中脊的分段扩展。
Hey等[10]在1986年提出另一种模型考虑由洋中脊轴向的地貌起伏差异所产生的重力扩展,在不连续面附近,具有更大的重力扩展力的洋脊段会增长,有些区段缩短。
除此之外,Macdnald等[2]依据洋中脊分段结构特征,提出地幔岩浆周期性脉动上涌导致了洋中脊分段的岩浆供应模型,其基本内容包括:
在洋中脊下部有一个来自于上地幔的轴向熔岩库,受围岩性质、构造环境和温压条件的不均与性影响,熔岩库顶面上涌的高度和速度有所差异,使离地壳表面越浅的区段,岩浆供应越充足,成为一段洋中脊的膨胀域或发源地,而向两端岩浆逐渐耗尽。
主体岩浆囊在上升过程中,受到不同性质围岩的吸热、分解和隔挡等作用,逐步分化为不同级别的熔岩流中心,每个不同规模熔岩流中心对应于一个分段级别的洋中脊发源地(见图3),导致洋中脊分段扩展。
熔岩的连续注入使局部岩浆喷发,或从上升源向周围迁移,导致轴向岩浆囊沿走向扩展。
岩浆的侧向迁移由于离岩浆填充中心越来越远而丧失了扩展压力而逐步停滞。
因此,岩浆囊在洋中脊下一定深度沿走向扩展延伸。
其轴向洋中脊的间断发生在远离岩浆源的远端,形成以岩浆膨胀源为中心的洋中脊分段现象。
此外,Macdonald等[2]还提出了分段扩展的断裂增值模式,来解释为何长区段的洋中脊不断增长,而短区段的逐渐损耗的现象。
洋中脊相当于巨型断裂,根据断裂力学分析,对于一条孤立的断裂而言,断裂端点的扩展力随着断裂长度的增加而增加。
远场板块应力引起洋中脊断裂增值的近场应力变化,据估算这种应力变化范围为20~250MPa之间。
因此,在相同的远场应力作用下,长区段的洋中脊的两端不断扩展增长,而短区段洋中脊端点则可能逐渐地损耗变短。
他们以东太平洋9°N附近的洋中脊分段结构为实例模型,模拟计算在张性远场应力作用下,不同长度的断裂之间的相对扩展增值和损耗过程,结果表明可较好地解释长区段洋中脊扩展增长,短区段损耗减少的现象。
2相关图(表)解
图1洋中脊分段层次图解[2]
A和B分别为快速和缓慢扩展洋中脊分段结构。
S1,S2,S3,S4和D1,D2,D3,D4分别为1,2,3,4级洋中脊区段和间隔。
1级间断表现为转换断层;2级间断在快速和缓慢扩展洋中脊上分别表现为叠覆扩展中心和斜向剪切带;3级间断在快速进而缓慢扩展洋中脊上分别表现为小的叠覆扩展中心和火山群间隔;4级间断在快速和缓慢扩展洋中脊上分别表现为小于1km的横向错断或弯曲偏离和火山群内部的火山间隔
图2北大西洋洋中脊大西洲断层带附近的分段现象及断裂展布[8]
图3洋中脊分段的演讲上涌模式图[2]
A为地幔上升导致洋中脊分段图,当洋中脊下部软流圈上升到30~60km时,由于绝热减压导致部分熔融,在熔岩与残余固体一起上升的途中,由于速度差异,导致不同程度的分割,形成1~3级分段现象;B和C为岩浆上涌导致洋中脊分段图,分别表示快速(B)和缓慢(C)扩展洋中脊;左边表示被4级不连续面分割的洋中脊走向分割剖面,右边分别表示垂直洋中脊的剖面图。
图中比例尺只具有示意性质、的相对意义
图4大西洋洋中脊宏观扩展分段图解[6]
1.洋中脊与转换断层的切错关系;2.作为分段边界的大型转换断层;3.无大型转换断层的(推测)分段边界;4~9.表示洋壳最老年龄值和洋脊裂开时间差异的洋中脊分段,各段内数值表示洋壳存在的时间范围(Ma);①~⑦表示洋中脊分段编号
表1不同级别的脊段特征[2]
3大西洋洋中脊的分段扩展过程
Fairhead等[11]和Nunberg等[12]在综合分析地球卫星探测、磁异常和海岸地质资料额基础上,通过对中南大西洋洋壳的重建,提出了中南大西洋洋中脊的差异性裂开及从南向北逐步分段扩展的构造过程。
中南大西洋洋中脊裂开过程中伴随有阶段性的旋转和走滑,导致洋中脊扩展方向和强度在时间和空间上发生变化,使南美洲和非洲大陆内部伴随有次级裂开伸展和走滑变形。
因此,他们将南大西洋从南向北的裂开扩展过程划分为4个阶段:
(1)在150~130Ma之间,南大西洋洋中脊最早在南美洲南端开始裂开,并逐渐向北扩展,至130Ma左右,扩展延伸至38°S附近,引起南美洲大陆南部几个盆地的伸展和右旋走滑变形,而这种伸展和走滑变化又导致洋中脊进一步向北扩展。
(2)在130~126.5Ma之间,洋中脊裂开向北延伸至28°S附近。
(3)在126.5~118.7Ma之间,洋中脊破裂扩展至赤道以南附近。
(4)在118.7Ma之后,赤道大西洋洋中脊才开始破裂,真正的小型洋盆形成于100Ma左右。
综合上述资料,结合中南大西洋洋中脊和转换断层的错位关系以及几条大型转换断层带分析,可将上述
(1)
(2)两个阶段形成的洋壳合并,并考虑到洋壳形成在洋中脊裂开之后,可将中南大西洋洋壳和洋中脊构造分为3大段(图4—①~③)。
南部第1段洋中脊裂开于150~125Ma,南端(50°S附近)最早的破裂点,以一条大型转换断层为界,北端洋中脊点位于28°S附近。
也以一条大型转换断层为边界。
宏观上洋脊与转换断层的错位关系表现为以左旋为主,仅在局部范围内出现右旋(图4—①);南部第2段洋中脊约裂开于125~100Ma,包括28°S~10°S之间的洋脊段,两端均以大型转换断层为界,宏观上洋中脊与转换断层的错位关系表现为以右旋为主,明显跟其它两段(图4—②)有所区别。
赤道附近洋中脊(包括10°S至10°N)大致裂开于100Ma左右,转换断层左旋切错洋中脊,错位距离明显大于其它区段,并表现为离赤道越近位移越大的趋势。
两端的大型边界转换断层明显不平行,显示出赤道两侧附近的洋中脊扩展方向存在较大差异(图4—③)。
根据不同学者的研究显示,赤道附近洋中脊的扩展速率要低于南大西洋的扩展速率。
与此类似,这里也将北大西洋洋中脊分为4段(图4—④~⑦),每段裂开扩展时间也和中南大西洋类似,各段间具有明显的差异。
整体上仍然显示从南向北的逐步分段扩展趋势,只是裂开的时间为180Ma左右,比南段的150Ma还要早。
每段两端的边界基本上也表现为大型转换断层,只是最北两段的分界面没有大型转换断层,这可能与最北段洋壳的年龄资料的精确度有关。
宏观上洋中脊和转换断层之间的错位关系与南大西洋不同,各段洋中脊整体上表现为向东或向西突出的弧形。
例如,在第④段弧顶向西突出,段两端附近转换断层切错洋中脊的方向相反,即南左旋北右旋(图4—④);而第⑤段弧顶却向东侧突出,第⑥和第⑦段又分别向西和向东突出(图4—⑤~⑦)。
以上大西洋宏观分段表明,在4级分段的基础上,可将大西洋洋中脊进一步划分为7个超1级区段,每个超1级区段比1级区段规模要大的多,至少大一个数量级,而存在寿命也长一个数量级,可达100Ma以上;整个大西洋洋中脊在其形成过程中(180Ma以来),并非一蹴而就,而是逐步地分段扩展的结果;大西洋洋中脊在100Ma之前,表现为南北两段各自逐渐裂开拓展,在100Ma左右,南北大西洋洋中脊才开始相连通,作为整体贯通洋脊的扩展则是在80Ma之后。
4相关问题
洋中脊构造的分段性特征引起了众多学者的关注和研究,但是在分段机制和过程以及推广应用方面还存在很多疑问和难题需要不断地探索和研究,主要包括:
(1)长区段的扩展岩浆来自于什么深度,是否比短区段的岩浆部位要深;
(2)当构造分段与地球化学分段以及岩石学分段由一致变为不一致时,影响因素有哪些,控制因素是否会发生变化,如果发生变化那么是如何变化的;
(3)洋中脊初始分段裂开和扩展增值是板块分离引起的被动反应,还是地幔岩浆上升导致的主动作用;
(4)导致洋中脊长段增长和短段耗损以及小段新生的各因素之间有什么样的相互作用;
(5)洋中脊分段性与大陆构造、板块构造以及全球性的构造分段有什么联系;
(6)印度洋和东太平洋的分段扩展机制又是如何,它们与大西洋的分段扩展机制有何联系和区别。
5小结
本文介绍的是具有普遍意义的洋中脊分段现象、分段结构层次和分段过程研究,揭示了大洋中脊在形成发展过程中所存在的各种时空间断及其与洋脊轴向扩展和侧向伸展作用之间的多层次关系,这种分段现象会对大陆构造乃至全球构造的分段结构研究产生重要的影响。
不同学者对于洋中脊分段的机制具有不同的观点和假说,本文主要重点介绍了岩浆供应模型和断裂增值模型,比较详细地论述了洋中脊初始阶段的热状态、热动力和热流变过程,为洋中脊分段的成因提供了一种较为可接受的解释。
大西洋洋壳重建和洋中脊分段扩展研究比较系统而有规律,因此可初步反演其整个洋中脊的宏观分段过程。
尽管大西洋中脊超1级区段扩展延伸的解释还有待深入,但是根据其不同区段内转换断层错位方向的规律性变化、时间间隔和1~4洋中脊区段的扩展增值过程分析,不难推测它可能与全球动力学背景的重要变化、岩浆囊的间歇式上涌和轴向的迁移有紧密关系。
以此类推,太平洋和印度洋的洋中脊也可能存在着宏观上的分段结构,其表现形式可能较大西洋更为丰富。
经典文献
1.Tucholke,B.E.andJ.Lin,Ageologicalmodelforthestructureofridgesegmentsinslowspreadingoceancrust.JournalofGeophysicalResearch,1994.99(B6):
p.11937-11,958.
2.MacDonald,K.C.,D.S.Scheirer,andS.M.Carbotte,Mid-oceanridges:
Discontinuities,segmentsandgiantcracks.Science,1991.253(5023):
p.986.
3.马宗晋,杜品仁,现今地壳运动问题.1995:
地质出版社.
4.陈永顺,张有学,尹安,海底扩张和大洋中脊动力学问题概述.地球的结构,演化和动力学.北京:
高等教育出版社,2003:
p.283-317.
5.李三忠等,洋中脊分段性及其拓展和叠接机制.海洋地质动态,2004.20(011):
p.19-28.
6.吴树仁,陈庆宣,洋脊分段研究进展.地质科技情报,1998.17(002):
p.1-6.
7.马宗晋,李存梯,全球洋底增生构造及其演化.中国科学:
D辑,1998.28(002):
p.157-165.
8.Severinghaus,J.P.andK.C.Macdonald,Highinsidecornersatridge-transformintersections.MarineGeophysicalResearch,1988.9(4):
p.353-367.
9.Schouten,H.,K.D.Klitgord,andJ.A.Whitehead,Segmentationofmid-oceanridges.Nature,1985.317(6034):
p.225-229.
10.Hey,R.,etal.,SeaBeam/Deep-Towinvestigationofanactiveoceanicpropagatingriftsystem,Galapagos95.5W.JournalofGeophysicalResearch,1986.91(B3):
p.3369-3393.
11.Fairhead,J.andR.Binks,DifferentialopeningoftheCentralandSouthAtlanticOceansandtheopeningoftheWestAfricanriftsystem.Tectonophysics,1991.187(1-3):
p.191-203.
12.Nurnberg,D.andR.D.Muller,ThetectonicevolutionoftheSouthAtlanticfromLateJurassictopresent.Tectonophysics,1991.191(1-2):
p.27-53.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 洋中脊 分段 研究