于志騰,李家彪*,丁巍偉,張 潔,2,梁裕揚,朱 磊
(1.國家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州,310012; 2.浙江大學 地球科學系,浙江 杭州,310027;3.中國大洋礦產資源研究開發協會,北京,100860)
大洋核雜巖與拆離斷層研究進展*1
于志騰1,李家彪1*,丁巍偉1,張 潔1,2,梁裕揚1,朱 磊3
(1.國家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州,310012; 2.浙江大學 地球科學系,浙江 杭州,310027;3.中國大洋礦產資源研究開發協會,北京,100860)
大洋核雜巖和拆離斷層是洋中脊中發育的重要構造,被廣泛關注。拆離斷層一般為長期活動的,低角度的,大斷距的正斷層,絕大多數形成于慢速和超慢速擴張洋中脊的內側角上,其將地殼深部和上地幔的物質拆離到海底面形成大洋核雜巖。大洋核雜巖因其表面發育了窗棱構造,在多波束圖像上更容易識別。大洋核雜巖所處的地殼年齡較年輕,為0~10 Ma。洋中脊半擴張速率約為10 mm/a,具有不對稱擴張的特點,有拆離斷層的一側擴張速率更快。在大洋核雜巖取得的巖芯中代表性巖石為輝長巖,地震資料解釋認為大洋核雜巖下具有一個大的輝長巖侵入體。發育大洋核雜巖和拆離斷層的區域有升高的布格重力異常,高的P波速度和抬升的莫霍面。拆離斷層起源于巖漿供給不足的區域,大多在大洋中脊洋脊段(segment)的末端,其演化會受到上地幔輝長巖體侵入的影響,通過旋轉鉸鏈的模式進行。總結了全球大洋核雜巖和拆離斷層的分布情況,討論了其巖石特征、地球物理場特征,探討其成因機制和演化模式,并探討了未來的研究方向。
拆離斷層;大洋核雜巖;窗棱構造;輝長巖;P波速度;不對稱擴張;巖漿供給;起源與演化
在傳統的洋中脊模型中,擴張中心處巖漿的充分供給和兩側朝向擴張中心的短斷距高角度的正斷層共同導致了新洋殼的產生[1]。然而,在慢速擴張或超慢速擴張洋中脊,有拆離斷層(detachment faults)發育的洋中脊是新洋殼形成的另一種模式。大洋拆離斷層是發育在洋脊段末端內側角上的、長時間活動(1~2 Ma)的、大斷距(>10 km)的、低角度(15°~30°)的正斷層[2-4]。大洋中拆離斷層一般與大洋核雜巖(Oceanic core complexes)相伴相生。大洋核雜巖是由拆離斷層將地殼深部和上地幔的物質拆離到洋底表面并在表面形成窗棱構造的一種特殊的穹狀構造單元[1,5]。Buck[6]最早稱其為核雜巖塊體,Tucholke等[5]稱其為大洋變質核雜巖,國內學者稱之為海洋核雜巖[7]。Cann等[8]在大西洋30°N第一次將大洋核雜巖從地貌上清晰地標識出來后,一系列的大洋核雜巖在慢速和超慢速擴張洋中脊被發現,它們成為大洋中脊研究的焦點之一,它們的形成演化也是未來IODP 10年發展計劃中的重要科學問題之一[9]。
低角度的拆離斷層已經被認為是一個重要的洋脊擴張過程[10],超過20多個拆離斷層面被研究[11-15]。大洋核雜巖和拆離斷層暴露了地殼深部和上地幔的物質,是直接觀察地球深部結構的窗口[16],在新生洋殼的產生和演化中起著重要的作用,并且可以觀察洋中脊內部巖漿活動與構造運動之間的相互作用。大洋核雜巖和拆離斷層的發現,豐富了洋中脊擴張類型,非對稱的擴張模式與傳統的對稱擴張的洋脊有著明顯的不同,對認識地球深部結構、擴張中心巖漿供給、熱液循環和成礦作用具有重要意義,它們可能在慢速和超慢速擴張洋中脊的擴張中發揮著更為重要的作用。盡管對于大洋核雜巖和拆離斷層的研究已經引起國外學者足夠多的重視,然而在國內的研究還停留在較為基礎的階段。近年隨著對西南印度洋研究工作的深入,對于大洋核雜巖和拆離斷層的研究才逐漸增多。我們在總結前人研究的基礎上,著重介紹它們的地貌特征、巖石特征、地球物理場特征、擴張模式,探討其起源與演化,引出亟待解決的科學問題,并對以后的研究方向和研究方法做一定的展望。
1.1 地形地貌特征
大洋核雜巖暴露的區域表面的幾何特征和拆離斷層的表面特征可以通過多波束圖像和側掃聲納圖像很好地呈現出來。拆離斷層系統在多波束圖像上的特征:1)一條與磁異常條帶平行的山脊,定義為線形山脊[1],也稱為脫離帶,標志著拆離斷層的開端;2)相對窄的沉降地殼;3)包含窗棱構造的穹狀平坦區域(大洋核雜巖);4)末端[5]。如圖1所示。圖1中表示的是4個不同區域的典型的大洋核雜巖構造:北大西洋13°N大洋核雜巖,北大西洋15°45′N西洋大洋核雜巖,Kane Megamullion和Atlantis Massif。
大洋核雜巖在多波束圖像上的特征是:1)范圍寬闊、外形呈穹狀、沿著擴張方向延伸;2)表面有擦痕,可形成向斜和背斜,其軸部方向與磁異常條帶平行,稱為窗棱構造,可以延伸幾米到幾百米的距離不等[12,15,17-18]。大洋核雜巖和拆離斷層規模大多在數十千米的量級,大洋核雜巖的穹狀面通常比周圍洋底的平均深度淺1~2 km[16],穹狀面大小通常在15~32 km2的范圍變化,拆離斷層的下盤面積通常在約100~400 km2變化[5],在大洋核雜巖的擦痕表面末端呈現出5°~15°的傾角。

圖1 大洋核雜巖和拆離斷層的多波束圖像和側掃聲吶圖像[4,19,20-21]Fig.1 The multibeam bathymetry image and sidescan sonar imagery of OCCs and detachment faults on the mid-ocean ridges[4,19,20-21]
對全球范圍內發現的大洋核雜巖和拆離斷層進行匯總,發現它們通常出現在超慢速、慢速和中速擴張的洋中脊區域,在快速擴張的洋中脊區域還沒有發現大洋核雜巖[16],見表1。

表1 全球已確定的大洋核雜巖分布列表Table 1 The Global distribution of oceanic core complexes
1.1.1 大西洋區域
大西洋中脊(MAR)30°N區的大洋核雜巖和拆離斷層是最早被識別的區域[8]。在北大西洋13°N區,Smtih等[22]認為這里附近分布著4個大洋核雜巖構造,其中一個典型構造如圖1a所示;在Fifteen-Twenty斷裂帶和Marathon斷裂帶之間的14°00′~16°30′N區,Smith等[23]認為此區的大洋核雜巖構造有40多個,其中一個典型構造如圖1b所示;在23°N區,發現了Kane Megamullion[4-5,24],如圖1c所示;在30°N區,發現研究最為深入的大洋核雜巖構造之一:Atlantis Massif[8,25-26],如圖1d所示。在南大西洋5°S區域也有發現大洋核雜巖構造,該大洋核雜巖經過后期的裂谷作用,被分成了東西兩部分[27]。
1.1.2 印度洋區域
在超慢速擴張的西南印度洋中脊(SWIR)的57°E地區,Atlantis Bank是最早在超慢速擴張洋中脊發現的大洋核雜巖[28-29];Cannat等[30]指出在西南印度洋的61°~67°E有4%的區域被窗棱表面覆蓋;在64°E也發現了大洋核雜巖:Fuji Dome[31]。在中印度洋中脊(CIR)的5°S[32]和25°15′S[33]區域也有發現大洋核雜巖。在東南印度洋中脊(SEIR)的澳大利亞-南極不整合帶(AAD)區域,Okino等[10]做了大量的研究,在不對稱擴張的區域發現了拆離斷層。
1.1.3 太平洋區域
在太平洋的菲律賓海地區,Ohara等[34]在Parece Vela盆地發現了大規模的窗棱構造,這些窗棱構造,與其他慢速和超慢速洋中脊發育的大洋核雜巖的窗棱構造相比,規模更大,從脫離帶到末端,拆離斷層延伸寬度約為125 km,它們的表面形態有很多相似之處。在菲律賓海的Parece Vela盆地和澳大利亞-南極不整合帶發現的大洋核雜巖是目前在中速擴張洋中脊僅有發現的2處,具有重要的研究價值。
對全球已發現的大洋核雜巖和拆離斷層區域與地殼年齡和洋脊擴張速率聯系起來(圖2和圖3),其中,洋脊擴張速率數據來自http:∥www.earthbyte.org[39],洋脊邊界數據來自ftp:∥ig.utexas.edu/pub/PLATES/Data/[40]。從圖中發現它們存在地區洋脊的擴張速率約為10 mm/a,地殼年齡為0~10 Ma。為何它們大部分分布在擴張速度較慢的擴張洋脊上,這可能與相對于快速的擴張洋脊,慢速擴張的洋脊更容易發生巖漿供給不足的情況,而巖漿供給不足是拆離斷層發育的一個重要因素,下文將有更詳細的闡述。大洋核雜巖和拆離斷層存在的廣泛性說明它們是在慢速擴張洋脊中的一個重要過程,對它們的研究可以加深我們對海底擴張和新洋殼產生的理解。

圖2 大洋核雜巖和拆離斷層(白色星星)隨洋脊擴張速率的分布[39-40]Fig.2 The distribution of OCCs and detachment faults (white stars) along with the spreading rates of mid-ocean ridges[39-40]

圖3 大洋核雜巖和拆離斷層(白色星星)隨洋殼年齡的分布[39-40]Fig.3 The distribution of the OCCs and detachment faults (white stars) along with crustal age[39-40]
1.2 巖石學特征
大洋核雜巖和與之相關的拆離斷層的下盤通常暴露出地幔巖石或者次火山的物質,如輝長巖和蛇紋石化的橄欖巖[22],也有升高的布格重力異常[41]。為了了解大洋核雜巖地區的巖石學特征,已經有3個在大洋核雜巖的表面取得了巖芯,分別是北大西洋中脊的15°45′N的IODP 1275D站位、北大西洋中脊30°N Atlantis Massif的IODP 1039D站位和西南印度洋中脊的Atlantis Bank ODP 735B站位,鉆井深度分別為200,1 415和1 500 m[42-44]。這些取得的巖芯都表明,巖芯的大部分為輝長巖,也有部分的蛇紋石化的橄欖巖,很少有玄武巖的存在。其中,1039D站位和735B站位巖芯內巖石類型變化如圖4所示[21,48],mbsf為巖芯距離洋底面的深度(meter below seafloor)。在北大西洋中脊的30°N的Atlantis Massif的穹狀面進行的IODP鉆探,取得巖芯中,認為其中91.4%的巖芯是輝長巖,5.7%是少量的超基性巖石,2.9%的是拉斑玄武巖或輝綠巖[43],如圖4。1309D站位的鉆探結果可以推斷大洋核雜巖下有一個大的輝長巖侵入體。在對西南印度洋Atlantis Bank進行的ODP鉆探取得的巖芯分析認為,其中76%為輝長巖、橄欖石輝長巖、橄長巖,24%為氧化的輝長巖和少量的長英脈體,氧化的輝長巖分布于整個巖芯,集中在上部的1 100 m[44-45],如圖4。Dick等[28]認為Atlantis Bank大洋核雜巖暴露的輝長巖和橄欖巖至少有35 km,方向與擴張方向平行,在ODP 735B取得的輝長巖內也發現了高溫塑性變形的構造。在Atlantis Bank的深潛器調查發現,拆離斷層的表面暴露大量的氧化的輝長巖[46]。Devey等[47]在南大西洋中脊5°S區的條痕狀表面取樣,得到了橄欖巖,還有小數量的輝長巖。Reston等[27]同樣在該區的陡坡上取得了輝長巖。Macleod等[20]對北大西洋中脊15°45′N的調查認為,該地區大洋核雜巖的下盤暴露著蛇紋巖化的斜方橄欖巖、純橄欖巖和橄長巖,在末端區域有輝長巖;深潛器Shinkai 6500號在窗棱構造表面取樣也證實其主要暴露的是輝長巖和地幔橄欖巖[13]。因此,輝長巖是大洋核雜巖和拆離斷層的一個重要的組成部分,它們暴露出更深部的巖石,存在一個大的輝長巖侵入體。

圖4 1039D和735B巖芯內巖石類型變化圖[21,48]Fig.4 Summary of lithology in boreholes 1039D and 735B[21,48]
1.3 地球物理綜合特征
大洋核雜巖存在的地區通常會有高的重力異常值。在移除自由空氣重力異常中地形的影響因素后,大洋核雜巖處仍然會呈現10~20毫伽的高的布格重力異常[5,11-13],這說明大洋核雜巖下的地殼更薄。Blackman等[49]在研究Atlantis Massif的重力資料時,發現大洋核雜巖區域有明顯的升高的布格重力異常。沿著大洋核雜巖的重力模型可以用來估測表面的密度分布。許多學者認為穹狀面下的巖層密度比其他有火山塊體覆蓋的區域密度高200~400 kg/m-3,高的密度帶發生在穹狀面下[12,31,50-51]。在大洋核雜巖下和相鄰塊體之間密度分布的不同可能是輝長巖與火山巖密度差異的一種體現。
在大洋核雜巖和拆離斷層處所做的地震測線,揭示出在穹頂面下的P波速度更快,莫霍面有明顯的抬升[52-53]。從Dannowski等[52]在北大西洋22°19′N的大洋核雜巖區域做的OBH測線的地震解釋結果可知(圖5):從擴張中心到拆離斷層發育地區大約5~7 km的范圍內,P波速度增加很快,從2.3 m/s增加到4.5 m/s。拆離斷層發育的部分下部的地殼P波速度更快,在1.5 km的范圍內P波速度增加到了7 km/s,這與我們認為的大洋核雜巖下有大的輝長巖體相一致[53]。Ohara等[53]對Paece Vela盆地的地殼P波速度結構分析后認為有擦痕表面的地殼更薄,變化從3.4~5.5 km,P波速度變化更快,達到>6 km/s。Planert等[54]在南大西洋的地震探測結果也證實在拆離斷層窗棱構造下的淺地層有升高的P波速度(6~7 km/s),支持了輝長巖體的存在。在脫離帶下的速度更低,也說明拆離斷層剛發育時的地殼速度低,而后由于拆離斷層的作用,輝長巖的侵入使拆離面下的P波速度更快。

圖5 P波速度隨洋殼深度變化圖[52]Fig.5 P-wave velocity versus depth profiles[52]
1.4 拆離斷層的擴張模式
在傳統的洋中脊擴張模型中,有2種擴張模式:對稱擴張和不對稱擴張[2]。對稱擴張的模式已經被廣泛研究,洋脊受到巖漿充分供給的作用,在兩側形成了高角度的斷層和對稱的深海丘陵。隨著對拆離斷層的研究,不對稱擴張的模式被重視起來。Okino等[10]對澳大利亞-南極不整合帶的研究認為:拆離斷層在其演化過程中扮演著重要的角色,表明該區域有很少的巖漿供給和極其不對稱的擴張。Escartín等[23]認為北大西洋12°30′~35°00′N 50%的地區都是不對稱擴張的。拆離斷層通常發育在非轉換不連續帶的內側角,導致內側角擴張速率比外側角更快,使拆離斷層可以延伸到非轉換不連續帶更老的一側[10],使非連續不轉換帶的間距變短,如圖6所示,在西南印度洋Atlantis Bank處的大洋核雜巖發現了這種現象[29]。古地磁的證據也證明了這一點,在澳大利亞-南極不整合斷裂帶區域發現的拆離斷層區域有明顯的不對稱擴張的特點,有拆離斷層的一側磁異常條帶之間的范圍更大[10]。Smith等[55]通過對大西洋中脊15°~35°N的地震研究發現在斷距大于5 km的地區,66%的地震事件是發生在內側角的,顯示出內側角地殼更薄,這也與不對稱擴張的觀念相符合。不對稱擴張可以作為發育拆離斷層和大洋核雜巖的重要特征之一,這種模式受到巖漿供給和構造作用的雙重影響,需要進一步的研究才能明白它們之間的相互關系。

圖6 拆離斷層的不對稱擴張示意圖[29]Fig.6 A modle of asymmetric spreading of detachment faults[29]
2.1 巖漿供給
大多數學者認為大洋核雜巖和拆離斷層更容易發生在巖漿供給不足的區域,像在快速擴張的東太平洋洋脊是不太可能有大洋核雜巖構造,除非有特殊的條件才能發生[16-17]。Cannat等[38]在西南印度洋洋脊東部的巖漿供給不足的地方發現了39處波痕狀的表面,認為擦痕表面的形成需要在全球洋脊巖漿供給平均值一半的地方,拆離斷層底層進一步地削弱才能形成。Cannat等[30]對西南印度洋脊和Smith等[22]對北大西洋的13°N區域的研究發現,大洋核雜巖和拆離斷層可以發生在洋脊段的任何地方。Escartín等[56]對大西洋15°45′N區域研究認為,巖漿供給不足并不是拆離斷層發生的必需條件,拆離斷層可以起源于巖漿供給豐富的地區。基于此,Olive等[3]對大洋核雜巖和拆離斷層的形成進行數值模擬分析,注意到它們的形成受到脆性巖石圈巖漿的侵入的影響,而脆韌性轉換帶下的巖漿的侵入是對于大洋核雜巖的發育沒有影響的,大洋核雜巖之所以能夠在巖漿侵入多的地方形成,是因為巖漿侵入是發生在韌性的軟流圈內的,對于大洋核雜巖的發育影響很小,這就解釋了大洋核雜巖能夠出露在巖漿供給多的地方。因此我們可以認為,大洋核雜巖和拆離斷層的形成最開始是受到巖漿供給的變少,地殼冷卻造成的。
2.2 大洋核雜巖和拆離斷層的起源
巖漿供給和動力過程的時空變化的多樣性,導致了大洋核雜巖構造上的多樣性,基于此,許多學者提出了不同的模型。Escartín[56]通過對拆離斷層表面取得的巖石進行分析發現,斷層下盤巖石大多是沒有變形的橄欖巖和被輝綠巖墻切割的輝長巖,顯示出很少的脆性和與熔巖有關的變形,所以認為拆離斷層起源于淺的、冷的巖石圈,在巖漿活動的時期仍然活動,輝長巖隨著拆離斷層的發育侵入到地殼,提供一定的熱源,如圖7a。Tucholke等[5]認為由拆離斷層形成的大洋核雜巖起源于巖石圈的底部,拆離斷層一側的不對稱擴張和拆離斷層的發育導致暴露出深部巖石圈的物質,如圖7b。Dick等[28]認為,拆離斷層可能起源于靠近擴張中心的巖漿供給富足的地方或者附近,在拆離斷層的持續的巖漿過程導致暴露出高溫變形的輝長巖,如圖7c。在大洋核雜巖表面發現了大量來自巖石圈深部的物質,而鉆井資料和拖網資料都顯示出其下存在著輝長巖侵入體,可以認為大洋核雜巖已經將深部物質拆離出洋底面,下地殼很有可能已經拆離到洋底面,巖漿供給的減少也是拆離斷層發育的特征之一。因此,Tucholke等的觀點更為合理,也被廣泛接受。

圖7 拆離斷層起源的模型圖[56]Fig.7 A model of the origination of detachment faults[56]
2.3 大洋核雜巖和拆離斷層的演化
對于拆離斷層的演化,學者做了很多的研究[2,5,19,23,57]。Tuchaolke等[5]最早提出了拆離斷層的演化模式,他們認為拆離斷層在脆韌性轉換帶下的塑性帶形成一個正斷層,且正斷層繼續發育直到被后來的巖漿活動中斷,形成新的斷層。另一種觀點認為有2種模式的拆離斷層[23,57],一種是暴露出大洋核雜巖的拆離斷層,另一種是表面覆蓋著相對一系列的較小的塊體的拆離斷層。2種拆離斷層通過一個旋轉鉸鏈(Rolling Hinge)的機制形成[6],它們的不同之處在于斷層是否能夠被“鎖住”(lock up),如果斷層被鎖住,就會在拆離斷層表面形成一系列的新斷層,叫做竹筏狀塊體(rafted blocks);如果沒有被鎖住,在洋脊段的末端,斷層會繼續滑脫形成大洋核雜巖,如圖8[57]。從這個意義上看來,拆離斷層存在的區域可能比現在所發現的拆離斷層的區域大得多,更多的拆離斷層可能是埋藏于基底下,辨別它們更加困難,而且當拆離斷層延伸到整個段的時候是否會被后期增強的巖漿作用所代替也是不明確的。“鎖住”所控制的是斷層能否活動,如果“鎖住”就意味著不活動,會形成新的斷層和一些列的竹筏狀塊體;沒有“鎖住”就意味著活動,斷層進一步發育形成大洋核雜巖。根據傳統的摩爾-庫倫條件,斷層在傾角是35°以下才能夠繼續活動,在實際發育的拆離斷層,這個角度可能會更低。圖9為推測的大洋核雜巖和拆離斷層的內部結構[57],可以與圖1(a)中的側掃聲吶圖像很好得對應起來,在洋脊段末端巖漿供給少,發育大洋核雜巖,而在洋脊段中心巖漿增多,不容易暴露出大洋核雜巖。

圖8 拆離斷層形成的旋轉鉸鏈(Rolling Hinge)模型[57]Fig.8 The Rolling Hinge model of the formation of detachment faults[57]

圖9 發育大洋核雜巖和拆離斷層的慢速擴張洋脊段末端的地殼結構[57]Fig.9 The crustal structure of segment end on the slow-spreading ridges, where the OCCs and detachment faults developed[57]
大洋中脊是觀察地球內部結構的窗口,而大洋核雜巖和拆離斷層是大洋中脊中重要的組成部分,大洋中脊附近廣泛發育的大洋核雜巖和拆離斷層為我們展示了一種新的地貌形。隨著研究的深入,關于它們的構造、成因、演化還有許多問題亟需解決。
1)巖漿供給量與大洋核雜巖和拆離斷層形成之間的關系還是需要進一步地研究。巖漿供給的減少是否是拆離斷層形成的關鍵因素?還是拆離斷層的發育導致了巖漿供給的變化?這些都需要更多的地球物理資料、數值模擬和物理模擬研究來證實。
2)大洋核雜巖和拆離斷層的發育通常會和熱液活動聯系起來,對于它們的熱液通道、形成機理等研究,可以對大洋礦產調查具有重要的指示意義。
3) 在大洋核雜巖形成的擴張洋脊兩側的構造仍不清晰,尤其對于外側角的巖石圈結構和特性研究很少,需要進一步地研究。
4) 南海存在著大量的殘留擴張洋脊,其上有大量沉積物覆蓋,在沉積層下是否也存在著大洋核雜巖和拆離斷層,如果存在將對南海演化歷史的重建具有重要的作用。
5)大洋和大陸的核雜巖和拆離斷層在形成機理和演化有何不同?對于大陸裂解和海底擴張它們的作用是如何的?
[1] SMITH D K, ESCARTN J, SCHOUTEN H, et al. Active long-lived faults emerging along slow-spreading Mid-Ocean Ridges[J]. Oceanography, 2012, 25(1): 94-99.
[3] OLIVE J A, BEHN M D, TUCHOLKE B E. The structure of oceanic core complexes controlled by the depth-distribution of magma emplacement[J]. Nature Geoscience, 2010, 3(7): 491-495.
[4] CHEADLE M J, GRIMES C B. To fault or not to fault[J]. Nature Geoscience, 2010, 3(7): 454-456.
[5] TUCHOLKE B E, LIN J, KLEINROCK M C. Megamullions and mullion structure defining oceanicmetamorphic core complexes on the Mid-Atlantic Ridge[J]. Journal of Geophysical Research, 1998, 103(B5): 9857-9866.
[6] BUCK W R. Flexural rotation of normal faults[J]. Tectonics, 1988, 7(5): 959-973.
[7] LI S Z, LV H Q, HOU F H, et al. Oceanic Core Complex[J]. Marinegeology&Quaternarygeology, 26(1):47-52. 李三忠, 呂海青, 侯方輝, 等. 大洋核雜巖[J]. 海洋地質與第四紀地質, 2006, 26(1): 47-52.
[8] CANN J R, SMITH D K, MCALLISTER E, et al. Corrugated slip surfaces formed at North Atlantic ridge-transform intersections on the Mid-Atlantic Ridge[J]. Nature, 1997, 385(23): 329-332.
[9] BICKLE M, ARCULUS R, BARRETT P, et al. Illuminating Earth′s past, present, and future[J]. The Science Plan for the International Ocean Discovery Program 2013-2023. 2011: 42-43.
[10] OKINO K, MATSUDA K, CHRISTIE D M, et al. Development of oceanic detachment and asymmetric spreading at the Australian-Antarctic Discordance[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2004, 5(12): 1-22.
[11] TUCHOLKE B E, LIN J. A geological model for the structure of ridge segments in slow spreading ocean crust[J]. Journal of Geophysical Research:Solid Earth(1978-2012), 1994, 99(86): 11931-11958.
[12] BLACKMAN D K, CANN J R, JANSSEN B, et al. Origin of extensional core complexes: Evidence from the Mid-Atlantic Ridge at Atlantis Fracture Zone[J]. Journal of Geophysical Research, 1998, 103(B9): 21315-21333.
[13] FUJIWARA T, LIN J, MATSUMOTO T, et al. Crustal evolution of the Mid-Atlantic Ridge near the fifteen-twenty fracture zone in the last 5 Ma[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2003, 4(3): 1-25.
[14] RANERO C R, RESTON T J. Detachment faulting at ocean core complexes[J]. Geology, 1999, 27(11): 983-986.
[15] TUCHOLKE B E, J LIN, KLEINROCK M C, et al. Segmentation and crustal structure of the western Mid-Atlantic Ridge flank, 25°25′-27°10′N and 0-29 m. y.[J]. Journal of Geophysical Research, 1997, 102(B5): 10203-10223.
[16] BLACKMAN D K, CANALES J P, HARDING A. Geophysical signatures of oceanic core complexes[J]. Geophysical Journal International, 2009, 178(2): 593-613.
[17] JOHN B E, CHEADLE M J. Deformation and alteration associated with oceanic and continental detachment fault systems: Are they similar?[J]. Diversity of Hydrothermal Systems on Slow Spreading Ocean Ridges, 2010: 175-205.
[18] CANALES J P, TUCHOLKE B E, COLLINS J A. Seismic reflection imaging of an oceanic detachment fault: Atlantis megamullion (Mid-Atlantic Ridge, 30°10′N)[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2004, 222(2): 543-560.
[19] MACLEOD C J, SEARLE R C, MURTON B J, et al. Life cycle of oceanic core complexes[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2009, 287(3): 333-344.
[20] MACLEOD C J, CARLUT J, ESCARTN J, et al. Quantitative constraint on footwall rotations at the 15°45′N oceanic core complex, Mid-Atlantic Ridge: Implications for oceanic detachment fault processes[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2011, 12(5): 1-29.
[21] MORRIS A, GEE J S, PRESSLING N, et al. Footwall rotation in an oceanic core complex quantified using reoriented Integrated Ocean Drilling Program core samples[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2009, 287(1): 217-228.
[22] SMITH D K, CANN J R, ESCARTN J. Widespread active detachment faulting and core complex formation near 13° N on the Mid-Atlantic Ridg[J]. Nature, 2006, 442(7101): 440-443.
[23] SMITH D K, ESCARTN J, SCHOUTEN H, et al. Fault rotation and core complex formation: Significant processes in seafloor formation at slow-spreading mid-ocean ridges (Mid-Atlantic Ridge, 13°-15° N)[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2008, 9(3): 1-23.
[24] DICK H J B, TIVEY M A, TUCHOLKE B E. Plutonic foundation of a slow-spreading ridge segment: Oceanic core complex at Kane megamullion, 23°30′N, 45°20′W[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2008, 9(5): 1-44.
[25] BLACKMAN D K, KARSON J A, KELLEY D S, et al. Geology of the Atlantis Massif (Mid-Atlantic Ridge, 30° N): Implications for the evolution of an ultramafic oceanic core complex[J]. Journal of Geophysical Research, 2002, 23(5-6): 443 469.
[26] KARSON J A, FRüH-GREEN G L, KELLEY D S, et al. Detachment shear zone of the Atlantis Massif core complex, Mid-Atlantic Ridge, 30° N[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2006, 7(6):1-29.
[27] RESTON T J, WEINREBE W, GREVEMEYER I, et al. A rifted inside corner massif on the Mid-Atlantic Ridge at 5° S[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2002, 200(73): 255-269.
[28] DICK H J B, NATLAN J H, ALT J C, et al. A long in situ section of lower oceanic crust: Results of ODP Leg 176 drilling at the Southwest Indian Ridge[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2000, 179(1): 31-51.
[29] BAINES A G, CHEADLE M J, JOHN B E, et al. The rate of oceanic detachment faulting at Atlantis Bank, SW Indian Ridge[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2008, 273(1-2): 105-114.
[30] CANNAT M, SAUTER D, MENDEL V, et al. Modes of seafloor generation at a melt-poor ultraslow-spreading ridge[J]. Geology, 2006, 34(7): 605-608.
[31] SEARLE R C, CANNAT M, FUJIOKA K, et al. FUJI Dome: A large detachment fault near 64 E on the very slow-spreading Southwest Indian Ridge[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2003, 4(8): 1-25.
[32] DROLIA R K, DEMETS C. Deformation in the diffuse India-Capricorn-Somalia triple junction from a multibeam and magnetic survey of the northern Central Indian ridge, 3-10 S[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2005, 6(9): 1-22.
[33] MITHELL N C, ESCARTN J, ALLERTON S. Detachment faults at Mid-Ocean Ridges garner interest[C]. Eos Transaction American Geophysical Union, 1998, 79(10): 125-127.
[34] OHARA Y, YOSHIDA T, KATO Y, et al. Giant Megamullion in the Parece Vela BackarcBasin[J]. Marine Geophysical Researches, 2001, 22(1): 47-61.
[35] deMARTIN B J, SOHN R A, PABLO CANALES J, et al. Kinematics and geometry of active detachment faulting beneath the Trans-Atlantic Geotraverse (TAG) hydrothermal field on the Mid-Atlantic Ridge[J]. Geology, 2007,35(8): 711-714.
[36] MIRANDA J M, SILVA P F, LOUREN?O N, et al. Study of the Saldanha Massif (MAR, 36°34′N): Constrains from rock magnetic and geophysical data[J]. Marine Geophysical Researches, 2002, 23(4): 299-318.
[37] BAINES A G, CHEADLE M J, DICK H J. Mechanism for generating the anomalous uplift of oceanic core complexes:Atlantis Bank,southwest Indian Ridge[J]. Geology, 2003,31(12): 1105-1108.
[38] CANNAT M, SAUTER D, ESCARTN J, et al. Oceanic corrugated surfaces and the strength of the axial lithosphere at slow spreading ridges[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2009, 288(1-2): 174-183.
[39] MüLLER R D, SDROLIAS M, GAINA C, et al. Age, spreading rates, and spreading asymmetry of the world's ocean crust[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2008, 9(4): 1-19.
[40] BIRD P. An updated digital model of plate boundaries[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2003, 4(3): 1-52.
[41] TUCHOLKE B E, BEHN M D, BUCK W R, et al. Role of melt supply in oceanic detachment faulting and formation of megamullions[J]. Geology, 2008, 36(6): 455-458.
[42] KELEMEN P B, KIKAWA E, MILLER D J, et al. Leg 209 summary: processes in a 20-km-thick conductive boundary layer beneath the Mid-Atlantic Ridge, 14°-16° N[C]∥Proceedings of the ocean drilling program, scientific results. College Station, TX: Ocean Drilling Program, 2007, 209: 1-33.
[43] BLACKMAN D K, ILDEFONSE B, JOHN B E, et al. Drilling constraints on lithospheric accretion and evolution at Atlantis Massif, Mid-Atlantic Ridge 30° N[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth (1978-2012), 2011, 116(B7):1-25.
[44] NATLAND J H, DICK H J B. Stratigraphy and composition of gabbros drilled in Ocean Drilling Program Hole 735B, Southwest Indian Ridge: a synthesis of geochemical data[C]∥Proceedings of the Ocean Drilling Program, Scientific Results. 2002, 176: 1-69.
[45] JOHN B E, FOSTER D A, MURPHY J M, et al. Determining the cooling history of in situ lower oceanic crust-Atlantis Bank, SW Indian Ridge[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2004, 222(1): 145-160.
[46] SCHWARTZ J J, JOHN B E, CHEADLE M J, et al. Cooling history of Atlantis Bank oceanic core complex: Evidence for hydrothermal activity 2.6 Ma off axis[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2009, 10(8): 1-28.
[47] DEVEY C W, GERMAN C R, HAASE K M, et al. The relationships between volcanism, tectonism, and hydrothermal activity on the Southern Equatorial Mid-Atlantic Ridge[J]. Diversity of Hydrothermal Systems on Slow Spreading Ocean Ridges, 2010, 188: 133-152.
[48] ILDENFONSE B, BLACKMAN D K, JOHN B E, et al. Oceanic core complexes and crustal accretion at slow-spreading ridges[J]. Geology, 2007, 35(7): 623-626.
[49] BLACKMAN D K, KARNER G D, SEARLE R C. Three-dimensional structure of oceanic core complexes: Effects on gravity signature and ridge flank morphology, Mid-Atlantic Ridge, 30° N[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2008, 9(6): 1-20.
[50] TUCHOLKE B E, JUIOKA K, ISHIHARA T, et al. Submersible study of an oceanic megamullion in the central North Atlantic[J]. Journal of Geophysical Research, 2001, 106(B8): 16145-16161.
[51] NOONER S L, SASAGAWA G S, BLACKMAN D K, et al. Constraints on crustal structure at the Mid-Atlantic Ridge from seafloor gravity measurements made at the Atlantis Massif[J]. Geophysical Research Letters, 2003, 30(8): 1446.
[52] DANNOWSKI A, GREVEMEYER I, RANERO C R, et al. Seismic structure of an oceanic core complex at the Mid-Atlantic Ridge, 22°19′N[J]. Journal of Geophysical Research, 2010, 115(B7): 1-15.
[53] OHARA Y, OKINO K, KASAHARA J. Seismic study on oceanic core complexes in the Parece Vela back-arc basin[J]. Island Arc, 2007, 16(3): 348-360.
[54] PLANERT L, FLUEH E R, TILMANN F, et al. Crustal structure of a rifted oceanic core complex and its conjugateside at the MAR at 5 S: implications for melt extraction duringdetachment faulting and core complex formation[J]. Geophysical Journal International, 2010, 181(1): 113-126.
[55] SMITH D K, ESCARTN J, CANNAT M, et al. Spatial and temporal distribution of seismicity along the northern Mid-Atlantic Ridge (15°~35° N)[J]. Journal of Geophysical Research, 2003, 108(B3): 1-22.
[57] RESTON T J, RANERO C R. The 3-D geometry of detachment faulting at mid-ocean ridges[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2011, 12(7): 1-19.
ProgressinResearchesonOceanicCoreComplexesandDetachmentFaults
YU Zhi-teng1,LI Jia-biao1,DING Wei-wei1,ZHANG Jie1,2,LIANG Yu-yang1,ZHU Lei3
(1.TheSecondInstituteofOceanography,SOA, Hangzhou 310012, China;2.ZhejiangUniversityDepartmentofEarthScience, Hangzhou 310027, China;3.ChinaOceanMineralResourcesResearchandDevelopmentAssociation, Beijing 100860, China)
Oceanic core complexes and detachment faults are important structures on mid-ocean ridges (MORs) and increasingly become a hot in recent decades. Oceanic core complexes have been widely identified from the multibeam bathymetry images due to their megmullion structure. Detachment faults are commonly long-lived low angle normal faults, and mostly occur at the inside corner of the slow or ultra-slow spreading ridges with dominant half-spreading rates of 0~10 mm. The detachment faults, with age range from 0Ma to 10Ma,are associated with asymmetric spreading, representing the spreading is faster and the detachment faults are active. Drilled cores obtained below the domes of oceanic core complexes indicate a giant gabbros incursion. Detachment faults are characterized by elevator residual Bouguer gravity anomaly, high P-wave velocity and uplifted Moho. It has been widely accepted that they would develop at the time when magma supply was limited, and would be controlled by the rolling-hinge model. In this paper, we systematically presented some aspects of oceanic core complexes and detachment faults, including their morphology, global distribution, lithology signatures, geophysical structure, evolutionary mechanism. Finally , we put forward some prospects on the research of oceanic core complexes and detachment faults in Chinese deep-sea geology and their research in the future.
oceanic core complexes; detachment faults; megamullion structure; gabbros; P-wave velocity; asymmetric spreading; magma supply; origin and evolution
September 09,2013
2013-09-12
國家自然科學基金重點項目——南海西南次海盆中脊3D地震成像及其構造演化(91028006);中國大洋協會十一五研究課題——西南印度洋中脊熱液壓OBS深部構造及其動力過程的綜合研究(DYXM-15-02-3-01);國家自然科學基金青年科學基金——南海東北部俯沖邊界構造演化特征(41206046)
于志騰(1988-),男,山東威海人,碩士研究生,主要從事海洋地質方面研究. E-mail: zhitengy@gmail.com
*通訊作者,E-mail:jbli@sio.org.cn
(陳 靖 編輯)
P736
A
1671-6647(2014)03-0415-12