东南印度洋中脊(108°—134°E区域)断层构造与岩浆活动关系

东南印度洋脊(Southeast Indian Ridge, 简称SEIR)是中速扩张洋中脊, 在其中的108°—134°E区域的全扩张速率为72~76 mm·a ^-1。但在接近澳大利亚-南极洲不整合带(Australian-Antarctic Discordance, 简称AAD)区内, 海底地貌沿洋中脊的变化强烈, 其变化范围涵盖了从慢速到快速扩张洋中脊上常见的例子, 且出现了明显的地球物理与地球化学异常, 说明洋中脊在AAD区附近的岩浆供应量极不均匀。文章定量分析了高精度多波束测深数据, 计算了洋中脊不同段的地形坡度、断层比例以及平面与剖面的岩浆参数M值, 结合研究区内剩余地幔布格重力异常以及洋中脊轴部地球化学指标Na_8.0、Fe_8.0等资料, 分析与讨论了研究区的断层构造与岩浆活动特征的关系。研究发现, 东南印度洋脊108°—134°E区域的B区(在AAD区内)及C5段(在AAD区外西侧)发育有大量的海洋核杂岩, 而且B区的海洋核杂岩单体规模更大, 其中最大的位于B3区, 沿洋中脊扩张方向延伸约50km。研究结果首次系统性地显示, 相比东南印度洋的其他区域, B和C5异常区具有偏低的平面与剖面M值、偏高的断层比例、偏正的地幔布格重力异常以及偏高的Na_8.0值与偏低的Fe_8.0值, 这些异常特征可能反映了B区和C5段的岩浆初始熔融深度较浅以及岩浆熔融程度较低, 因此导致其岩浆供应量异常少, 形成较薄的地壳。研究结果同时表明, 在岩浆供应量极少的洋中脊, 构造伸展作用有利于海洋核杂岩的发育, 导致地壳进一步减薄。     

西南印度洋中脊岩石地球化学特征及其岩浆作用研究

作为超慢速扩张脊的代表,西南印度洋中脊(SWIR)因其独一无二的地形地貌特征、洋壳结构、洋壳增生机制、岩浆和热液活动以及深部动力学过程,近30年来成为国内外研究的热点区域。基于近年来对SWIR玄武岩、辉长岩及橄榄岩的岩石学和地球化学研究成果总结,重点探讨了沿SWIR轴向(大尺度)以及单个洋脊分段(小尺度)的岩石地球化学变化特征及其影响因素,阐述了SWIR的岩浆供应及洋壳增生模式。其中,在9°～16°E斜向扩张脊,以构造作用为主的洋脊扩张模式导致了更宽的洋壳增生带和显著的地球化学异常;而在50°～51°E脊段,发育了强烈的火山活动,其成因机制包括克洛泽热点与洋中脊相互作用、微热点、古老熔融事件的残留地幔再熔融等几种观点。此外,西南印度洋中脊龙旂热液区(～49.7°E)的最新研究表明,其热液循环路径与拆离断层的发育密不可分,热液流体循环最深可达莫霍面以下6 km。因此,在今后的一段时间,应进一步加强SWIR不同空间尺度地幔源区性质、洋中脊构造与岩浆作用过程、热点-洋中脊相互作用和岩浆-热液活动与成矿等主要科学问题的研究。     

卡尔斯伯格脊 60°~61°E洋脊段多波束后向散射特征及其对构造与岩浆作用强度的指示

多波束声纳数据可以有效记录海底地形地貌和底质特征信息。本文利用船载多波束数据对慢速扩张的卡尔斯伯格脊60°~61°E洋脊段的典型构造地貌单元的后向散射强度特征进行了研究,在此基础上,分析了该洋脊段的构造和岩浆作用强度特征。结果表明,洋脊段I以构造拉张作用占主导,脊轴及附近后向散射强度为-29 dB左右,裂谷壁高差可达1 200 m以上,裂谷内断裂发育,裂谷侧翼高度与裂谷宽度的比值为78.7~126.2,裂谷两侧翼部线性构造较少,但轴向正断层面更宽,倾角更小;与洋脊段裂谷中段相比,末端火山活动频率较低但喷发规模较大,火山机构数量和体积也更大,且可发育深大断裂获取深部热源。洋脊段II以岩浆作用占主导,脊轴及附近后向散射强度达-35 dB,裂谷内轴向火山脊发育,裂谷壁高差小于500 m,裂谷侧翼高度与裂谷宽度的比值为77.6~116.8,裂谷两侧翼部线性构造数量众多、长宽比较大且呈近似对称,相邻线性构造之间沉积物广泛分布。通过提取挖掘与底质属性密切相关的多波束后向散射强度数据,结合海底地形地貌的分析,可以为洋中脊的构造和岩浆作用强度的定量研究提供有效的证据。     

西南印度洋脊50.5°E火山喷发高地是热点与洋中脊相互作用的产物吗?

观察西南印度洋脊(SWIR)27洋段(据Cannat等(1999)洋脊分段及命名)高分辨率多波束资料,发现其50.5°E轴部为一火山喷发高地,总体地形特征似乎类似受热点影响的洋脊。对该段洋脊地形作了详细分析,并结合受热点影响洋脊具有的一般特征,从地形地貌、地球物理场、岩石地球化学等方面分析了该段洋脊受热点影响的可能性。地形上缺少轴外地形表达,两翼也没有不对称现象;岩石地球化学上最普遍分布的仍是正常MORB。再者,在Crozet热点的相对运动历史轨迹上没有留下明显的痕迹,因此,其对相关洋脊产生有效影响的可能性并不大。综合SWIR 27洋段各方面特征,可说明其确实受某种因素影响,导致岩浆通量相比邻近洋段有大幅增加,但这种因素可能不是受热点影响,而是与大西洋中脊(MAR)上三段轴部地形异常的洋脊一样,是产生于由不均一地幔导致的洋脊局部岩浆增加。     

南海西南次海盆与超慢速扩张西南印度洋中脊地壳结构对比

近年来对西南印度洋中脊的研究显示,超慢速扩张(全扩张率:12~18mm·yr~(-1))的西南印度洋中脊包含岩浆增生型和非岩浆增生型两种截然不同的地壳结构。岩浆增生型中脊段表现为轴向的海底隆起,通常具有较低的地幔布格重力异常和较强的磁性,地壳厚度较大;非岩浆增生型中脊段通常水深较深,缺乏转换断层,发育拆离断层和高角度正断层,具有较高的地幔布格重力异常和微弱的磁性,大量蛇纹石化的地幔橄榄岩出露海底,火成岩地壳较薄甚至不存在。南海西南次海盆具有较慢速扩张率(全扩张率:50~35mm·yr~(-1)),其接近消亡洋中脊中央部分的地壳厚度也较薄,也有可能存在蛇纹石化地幔,具有超慢速扩张脊非岩浆增生段的特点。     

西菲律宾海盆的构造沉积特征及对海盆演化的指示——来自地球物理大断面的证据

菲律宾海发育了全球最典型的沟弧盆体系,新老俯冲系统众多,是研究大洋板块扩张过程的理想场所。本文主要利用2015年中科院海洋所在西菲律宾海采集的1400km地球物理大断面,并结合最新的重力数据,对比、分析了西菲律宾海内部古扩张中心(中央海盆裂谷)和残留弧(九州-帕劳海脊)的沉积地貌和地壳结构特征。研究表明:(1)中央海盆裂谷内部发育远洋沉积为主的沉积物,沉积层序分布不均,局部盆地内沉积物厚度可达300m。九州-帕劳海脊附近发育与火山碎屑物源有关的厚层沉积物;(2)以129°30′E处的转换断层为界,裂谷东西部洋壳结构分别体现"慢速"和"快速"扩张特征,东部洋壳岩浆供应较少,厚度较小,断裂较为发育,其附近可能发生水岩作用;西部洋壳岩浆供应较多,厚度较大,结构相对均一;盆地西部的小规模地幔柱可能控制了裂谷东西部不同洋壳结构的发育;(3)九州-帕劳海脊内的角度不整合面代表岛弧裂解事件,张裂与挤压构造共同发育反映了裂解过程的复杂性。     

海洋核杂岩形成机制及其热液硫化物成矿意义

海洋核杂岩是近年来新提出的洋底构造样式,其主要产出于慢速-超慢速扩张洋中脊轴两侧,目前在中大西洋脊、西南印度洋脊、中印度洋脊以及东南印度洋脊均发现海洋核杂岩。海洋核杂岩以其表面梳状构造为主要的探测特征,其构造要素还包括平行于洋脊轴的拆离断层、上盘后期正断层等;其岩石组合以出露于洋底的地幔岩石为主。海洋核杂岩的发育与慢速-超慢速洋脊的扩张速率、岩浆补给和拆离断层的发育有关:慢速-超慢速扩张洋脊的岩浆补给不足以平衡洋脊扩张所带来的空间应变量,从而以在薄弱带发育拆离断层来弥补,并继而使拆离断层下盘的地幔岩石出露洋底表面,形成海洋核杂岩。海洋核杂岩的发育经历了发育初期、发展期、成熟期和衰亡期等周期。海洋核杂岩为洋底热液硫化物矿床的发育提供了物质来源、热液通道等有利条件,或将是热液硫化物矿床发育的有利构造条件,是一种新的远离洋脊轴的热液系统。     

东北印度洋85°E海脊的性质和起源:综述和新认识

85°E海脊是东北印度洋一条重要的线性基底隆起,形成于中生代印度板块北漂过程中的构造和岩浆活动。海脊的结构、性质和起源蕴含了东印度洋扩张和印度板块北漂过程的关键信息,然而目前对其构造属性和形成演化的认识存在较大争议。分析了85°E海脊及邻区的重磁异常特征,结合前人对海脊外部形貌、内部结构、深部构造以及东印度洋板块重建的研究成果,探讨了海脊的性质和起源。结果表明,85°E海脊的形成是热点活动、洋脊扩张、转换断层、扩张中心跃迁以及板块汇聚远程效应等多种地质过程综合作用的结果。海脊呈现明显的构造分段性,不同分段的结构、性质和成因机制不同。12°N以北的海脊形成于板内热点型岩浆作用;2°～12°N的海脊与NW-SE向和N-S向两期海底扩张的边界高度吻合,是白垩纪东印度洋扩张中心调整和板块重组的产物;2°N以南的阿法纳西-尼基廷海山是随着海底扩张逐渐侵位的热点型海脊,可能与2°N以北的海脊不存在成因上的关联。分析认为,2°～12°N的海脊中段是未来部署地球物理测量、进一步确认海脊性质和成因的关键区域。通过深海钻探揭示海脊不同分段的物质组成和形成时代,是破解85°E海脊的性质和起源、白垩纪印度洋板块重建事件以及热点-洋中脊相互作用机制等重大地质问题的关键途径。     

西南印度洋49°～56°E洋脊段的热液羽状流:来自深水中的氦同位素异常证据

海水中的氦同位素能对海底热液活动进行有效示踪。本文对在西南印度洋49°~56°E洋脊段采集的5条CTD拖曳剖面共14件深水样品进行了氦氖同位素分析。通过分析水体中存在的氦同位素异常,探讨调查区热液异常的特征和热液羽状流的分布。分析表明,5条CTD剖面均存在δ3He异常,其中CTD7-2(位置:37.927°S、49.412°E,水深2 140m,离底高度100m)的δ3He值最大,达到49.2%。根据δ3He分布特征,认为调查区内存在至少6处热液羽状流,其中37.927°S、49.412°E以西数千米范围内可能存在海底热液喷口。     

洋中脊分段性及其拓展和叠接机制

各种扩张速率下的洋中脊被转换断层和非转换断层分成许多段(长10到100km不等),而且这种岩浆活动和构造的分段特性在大西洋中脊表现特别明显。洋脊分段特征可以划分为4级。其中,转换断层是1级间断,其错断洋脊距离大于30km,其长度可达1000km左右,存在寿命可达10Ma。相邻转换断层之间的距离间隔也与扩张速率有关：扩张速率最慢处的距离间隔小于200km,中速一快速扩张脊为600～1000km,扩张速率大于140mm／a的脊段上未发现转换断层,总体上转换断层间距随扩张速率而增加。叠接拓展中心、斜向剪切带、火山间隔和横向断错等分别为2～4级间断,出现在两条转换断层之间,使洋中脊错断距离逐渐减少。2～4级区段的洋中脊长度也越来越小,存在的寿命也越来越短,直至4级区段的洋中脊长度一般小于10km,存在寿命为10^2～10^4a。这种分段性无论在超快速、快速、中速、慢速扩张脊,还是超慢速扩张脊都存在,其分段机制都与洋中脊拓展、叠接、跃迁(或废弃)、死亡过程密切相关,而拓展、叠接过程又受多种动力要素控制。正是洋中脊分段的动力机制控制了中央裂谷的存在与否。     

西南印度洋中脊51°E(#26洋脊段)地质特征及其对海底热液活动的指示

在海底多金属硫化物调查过程中，对于已知热液区需要精细地质填图工作，而这种填图往往存在覆盖面积较小、所包含的地质要素较少以及与区域构造作用和岩浆活动联系不足等问题。基于历年大洋航次在西南印度洋中脊#26洋脊段（51°E区域）所获得的深海光学拖曳系统的资料，结合高精度多波束水深数据，提出一种系统的底质热液异常划分原则，识别出热液蚀变岩石或角砾、疑似热液沉积物、热液生物及其遗骸富集和胶结碳酸盐4种底质热液异常类型。高分辨率海底地质填图结果表明，本区存在4处热液活动的异常区。#26洋脊段热液活动频率值为2～10，至少是全球海底热液活动频率经验公式的1.8倍以上。我们认为在超慢速扩张脊局部熔融异常或者发育非转换不连续带的洋脊段，可能存在更多的海底热液活动，也具有形成大型多金属硫化物矿床的潜力。     

全球三大洋底高原重力异常与地壳厚度特征及对比研究*

翁通爪哇高原、凯尔盖朗高原与沙茨基海隆是全球三大洋底高原, 是大量岩浆喷发到地表的结果, 火山面积分别达1.90×10⁶、1.25×10⁶、0.53×10⁶km²。本文详细分析了该三大洋底高原的地形、剩余地幔布格重力异常(residual mantle Bouguer anomaly, RMBA)与重力反演的相对地壳厚度, 并结合地质与地球化学特征约束进行对比研究。结果显示, 翁通爪哇高原、凯尔盖朗高原与沙茨基海隆分别高出周围海底约4.3、5、4km, 相应的地幔布格重力异常最大变化值分别为250、330、200mGal, 以及相应的相对地壳厚度变化分别为11、13、9km, 表明形成三大洋底高原的岩浆量远远大于正常洋中脊的岩浆量。此外, 三大洋底高原皆形成于洋中脊附近。Nd、Pb、Hf同位素比值分析表明, 翁通爪哇高原的玄武岩组分为洋岛玄武岩; 凯尔盖朗高原大部分类似于洋岛玄武岩, 并含有洋中脊玄武岩组分; 沙茨基海隆的玄武岩组分主要为东太平洋海隆正常洋中脊玄武岩, 却又存在少量位于全球洋岛玄武岩范围内。这些特征揭示了三大洋底高原可能形成于“地幔柱-洋中脊相互作用”。对此本文提出了两种模式: 一为洋中脊被地幔柱拖拽至其上方; 二为洋中脊之下的软流圈受到地幔柱影响, 从而产生超常熔融与超厚地壳。     

南海西南次海盆洋中脊分段特征

通过对南海西南次海盆的古洋中脊地貌、重力、磁力异常的分析,确定是一个带有中央裂谷性质的古扩张中心,其转换断层两侧分别在地貌、重力、磁力上表现出不同的特征。根据这些特征,沿古洋中脊识别出4条转换断层,对所有转换断层的性质进行了分析,特别对第4条转换断层的性质做了详细探讨,认为该转换断层是西南次海盆中大陆裂谷与洋壳相互演化的一个转换带,这可能意味着该转换带两侧地壳结构属性会有所不同。     

西太平洋侏罗纪海洋地壳断裂特征及其成因机制*

侏罗纪洋壳为现存最古老的海洋地壳, 残留在地球表面上很少, 目前对于侏罗纪洋壳的断裂特征和构造变形了解很少。本文利用高分辨率的反射地震剖面精细解释了位于西太平洋的侏罗纪洋壳基底、沉积地层和断裂结构, 发现在研究区存在基底断层、沉积断层和垮塌断层三种类型的断裂构造, 并对其走向、倾角、断距等几何参数与变形特征进行了推测和定量研究。研究还发现, 基底断层是洋壳受到板块伸展拉张而产生的, 在后期海底沉积过程中持续发育并错断上覆沉积物, 在海底形成明显的断层陡坎。沉积断层是沉积地层自身重力作用的产物,受到沉积地层岩石性质的控制。垮塌断层是岩浆侵出或者侵入形成海山, 导致洋壳及其上覆沉积局部抬升并向两侧推移, 引起先存的基底断层和沉积断层重新错动产生的。研究区内切断洋壳基底和上覆沉积的活动断层的推测走向大体符合侏罗纪洋壳基底面起伏、重力异常骤变界面以及地磁异常条带等的走向, 表明这些断裂从侏罗纪洋中脊的海底扩张中演变而来, 并且持续活动至今。这些发育在古老洋壳上的断层能够长时间让水进入岩石圈并进入俯冲带及地球内部, 从而促进地球水循环。尽管目前尚未发现这些断裂产生大地震, 但这些断层可能随着板块俯冲而演变成俯冲带地震大断裂, 今后研究应该关注这类断层在靠近海沟之前的演化规律和潜在地震风险。     

联合重力异常和重力垂直梯度异常数据反演皇帝山海域海底地形

海底地形对开展海洋科学调查和研究十分重要。以多波束为主的回声测深技术测量成本高且效率低,几十年来仅实现了全球约20%的海床测绘。对于空白区（特别是深海区域）,可以借助重力异常和重力垂直梯度异常进行回归分析反演得到,但该方法得到的比例因子鲁棒性不强。为了解决这一问题,同时考虑到两种重力数据在表征海底地形长短波长的不同优势,本文结合滑动窗口赋权和稳健回归分析来反演海底地形。在太平洋皇帝山海域（35°～45°N,165°～175°E）的实验结果表明：在船测检核点处,本文构建模型的标准差为61.02 m,相比于单一重力数据反演模型,精度分别提高了14.92%（重力异常）和2.08%（重力垂直梯度异常）,能较好地反映皇帝海山链的地形走势。     

西太平洋大塔穆火山的重力导纳分析以及对其形成机制的启示

本文利用卫星重力数据和海底地形数据对大塔穆火山开展详细的重力导纳分析。结果显示大塔穆火山的岩石圈有效弹性厚度是1～3 km,指示火山形成于洋中脊之上,符合低重力异常和洋中脊三联点的构造背景。Airy均衡模型和岩石圈挠曲均衡模型推算的大塔穆火山的平均地壳厚度是11～17 km,最厚处拥有一个约30 km的地壳根,与实际地震观测结果基本一致。大塔穆火山的超厚洋壳不同于正常洋中脊,目前地幔柱与洋中脊相互作用是比较合理的成因模式。研究还发现大塔穆火山底下存在一个质量缺失的低密度区,这个区域可能是残留岩浆房造成的结果,与火山中心的地球化学特征、地震波速异常以及广泛的后期火山活动相吻合。另外,这个低密度区提供浮力支撑火山中心隆起,可能导致火山侧翼因差异性沉降而产生正断层。     

大洋中脊研究进展

洋中脊体系是地球表面最长的、连续的地形特征,也是地表最大的岩浆作用带。全球洋中脊系统总长约60 000 km,平均高2 000 m,宽2 000 m,占洋底总面积的33%。Macdonald 1982年将之分为3种类型:(1)慢速扩张脊(1～5 cm/a),如MAR;(2)中速扩张脊(5～9 cm/a),如EPR 21°N;(3)快速扩张脊     

大洋钻探第 176 航次

钻探表明 ,洋壳是一个由上而下的简单序列 ,即沉积岩、枕状玄武岩 (和辉绿岩 )以及位于上地幔岩石之上的巨厚辉长岩 ,其边界接近莫霍面的概念与事物的真实情况相距甚远。原来 ,洋壳的结构和厚度与洋中脊岩浆房中熔化的岩浆容积和扩张速度有关。对北大西洋科恩转换断层区的钻探工作查明 ,在扩张速度低的海脊中 ,洋壳下部辉长岩层的结构与岩浆和动力 (构造 )过程有关。拖网在该区发现的大量蛇纹石化橄榄岩碎片表明 ,洋壳第三层 (辉长岩 )的大部分是由蛇纹石组成的。尽管数个航次已成功地钻至这个岩层 ,但至今仍未获得完整的剖面。有了完整的剖…     

西南印度洋中脊50°E基性超基性岩石地球化学特征及其成因初探

西南印度洋中脊是典型的慢速扩张洋中脊之一。对采自西南印度洋中脊50°E附近的7件玄武岩和蛇纹石化橄榄岩样品所作的分析表明,基性玄武岩类SiO2含量为43.72%～48.40%,TiO2含量较少,为1.14%～1.52%;MgO含量为5.96%～10.98%;TFe2O3含量为4.55%～5.2%;Mg#值为0.53～0.64,里特曼指数σ为2.34～20.10。微量元素Zr/Nb和Y/Nb比值为显示N-MORB的性质,但是其他微量元素的比值(Ba/Nb,Ba/Th,La/Nb,Nb/U,Nb/Pb)均不显示正常洋中脊玄武岩的特征,微量元素原始地幔标准化蛛网图显示强烈富集K和Pb,亏损Nb,稀土元素显示较为平缓的分配模式。超基性蛇纹石化橄榄岩的主量元素特征为SiO2为38.91～45.49;TiO2含量为0.02～0.28;MgO含量很高,为36.87～40.61,TFe2O3含量为2.82～3.91,Mg#值为0.92～0.94。微量元素中Ni,Cr的含量很高,原始地幔标准化蛛网图显示橄榄岩强烈富集K和Pb,Ba,Th,La,Ce,Ti中等程度富集,而亏损Nb,Sr。稀土元素总量较低,标准化曲线显示轻稀土元素富集模式。结合地球化学特征及前人研究资料分析认为,西南印度洋中脊的基性岩和超基性岩属同源性质,其原始地幔物质可能为部分正常洋中脊亏损地幔混染了陆壳或远洋沉积物的结果。     

西南印度洋脊49.6°E热液区热液产物和玄武岩地球化学特征

利用X射线荧光法和ICP-MS等方法对取自超慢速扩张的西南印度洋脊(SWIR) 49.6°E热液区的热液产物和玄武岩样品进行元素地球化学特征分析研究,结果表明:(1)与亏损型洋中脊玄武岩(N-MORB)相比,研究区玄武岩样品的主量元素组成显示其偏碱性,而微量元素对比表明该区玄武岩明显富集Pb元素;(2)对热液产物的综合分析表明这些样品多为Fe-Si-Mn氧羟化物且都为热液来源;(3)热液产物的∑REE含量介于玄武岩和海水之间,经球粒陨石标准化的稀土元素(REE)分布模式均表现出Eu正异常和轻稀土(LREE)富集的特征。另外,本研究还表明,利用玄武岩和热液产物地球化学指标不仅能够模拟出以热液喷口为中心的元素地球化学晕,而且能反映出热液活动的影响范围。