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1、洋中脊分段性探讨 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；24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24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
2、10010000a。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
3、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。24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。24
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10010000a。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
5、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14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
6、，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
7、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
8、的瑞利泰勒（RayleighTaylor）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
9、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
10、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20250M Pa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9N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2A和B分别为
11、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2A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3060km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
12、速度差异，导致不同程度的分割，形成13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61. 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；49.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）；表示洋中脊分段编号表1 不同级别的脊段特征23 大西洋洋中脊的分段扩展过程Fairhead等11和Nunberg等12在
13、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150130Ma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38S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1301
14、26.5Ma之间，洋中脊裂开向北延伸至28S附近。（3） 在126.5118.7Ma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）。南部第1段洋中脊裂开于150125Ma，南端（50S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28S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
15、位关系表现为以左旋为主，仅在局部范围内出现右旋（图4）；南部第2段洋中脊约裂开于125100Ma，包括28S10S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）有所区别。赤道附近洋中脊（包括10S至10N）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）。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），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
