超慢速擴(kuò)張洋中脊的海底地形分段特征研究

摘" 要：為研究超慢速擴(kuò)張洋中脊的地形分段特征和中心形態(tài)的變化，該文使用多波束水深數(shù)據(jù)，對(duì)西南印度洋中脊（10°～70°E）和加克洋中脊（7°W～102°E）進(jìn)行二級(jí)洋中脊的分段和地形地貌測(cè)量，分別劃分出71和19個(gè)二級(jí)洋脊段。測(cè)量結(jié)果說(shuō)明，西南印度洋中脊和加克洋中脊的巖漿上涌單元間隔、洋脊段沿軸地形起伏變化、中央裂谷寬度和高度的平均值都大于擴(kuò)張更快的洋中脊。超慢速擴(kuò)張洋中脊的二級(jí)分段長(zhǎng)度與沿軸地形起伏呈正相關(guān)，巖漿供給強(qiáng)度是擴(kuò)張中心形態(tài)變化的主要控制因素。

關(guān)鍵詞：超慢速擴(kuò)張洋中脊；海底地形；分段性；巖漿供給；多波束水深數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：P736.1" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）21-0028-04

Abstract： In order to study the topographic segmentation characteristics and central morphological changes of the ultra-slow expanding mid-ocean ridge， the multi-beam bathymetric data are used in this paper. The segmentation and topography of the secondary mid-ocean ridge of the southwest Indian Ocean ridge （10°～ 70°E） and the Gakkelmid-ocean ridge （7°W ～ 102°E） are measured， and 71 and 19 secondary ocean ridge segments are divided respectively. The measured results show that the interval of magmatic upwelling units， the relief of the ocean ridge along the axis， and the average width and height of the central rift are larger than those of the faster expanding Gakkelmid-ocean ridge. The second-order segment length of the ultra-slow expanding mid-ocean ridge is positively correlated with the relief of the topography along the axis， and the magma supply intensity is the main controlling factor for the morphological change of the expansion center.

Keywords： ultra-slow expanding mid-ocean ridge; seafloor topography; segmentation; magma supply; multi-beam bathymetric data

洋中脊形成了約占全球面積70%的海洋地殼，是板塊構(gòu)造中重要的離散型板塊邊界，也是研究地球深部的窗口。在平面上，洋中脊擴(kuò)張中心在沿軸方向上被轉(zhuǎn)換斷層和非轉(zhuǎn)換不連續(xù)帶（Non-TransformDiscontinuity，NTD）所錯(cuò)斷，形成10～100 km長(zhǎng)的洋脊段[1]，洋中脊的分段性反映了在離散板塊邊界處巖漿增生過(guò)程的三維性質(zhì)[2]，是理解洋中脊巖漿供給分布的基礎(chǔ)和重要切入點(diǎn)[3]。超慢速擴(kuò)張洋中脊（全擴(kuò)張速率小于20 mm/a）作為全球洋中脊系統(tǒng)擴(kuò)張速率最緩慢的端元，其分段性特征與經(jīng)典的快速-慢速端元洋中脊模型有所不同[4]，造成這些差異的主要原因是其獨(dú)特的巖漿和構(gòu)造活動(dòng)[5]。本文選擇超慢速擴(kuò)張洋中脊中最長(zhǎng)的西南印度洋中脊（Southwest India Ridge，SWIR）和第二長(zhǎng)的北極加克洋中脊（Gakkel Ridge，GR）為研究區(qū)，二者的總長(zhǎng)度約占全球洋中脊系統(tǒng)總長(zhǎng)度的15%。基于水深數(shù)據(jù)，根據(jù)Macdonald等人的分段性研究方法，對(duì)SWIR（10°～70°E）、GR（7°W～102°E）的二級(jí)分段與地形地貌特征進(jìn)行了研究，對(duì)于了解超慢速擴(kuò)張洋中脊的二級(jí)分段構(gòu)造形式、擴(kuò)張中心地形地貌和巖漿供給的變化有著重要的意義。

1" 地質(zhì)背景

SWIR西起布維三聯(lián)點(diǎn)（Bouvet Triple Junction，BTJ），向東延伸至羅得里格斯三聯(lián)點(diǎn)（Rodrigues Triple Junction，RTJ），以Andrew Bain轉(zhuǎn)換斷層為界，東段走向NE-SW，西段走向近東西，走向與擴(kuò)張方向呈現(xiàn)約為60°的夾角，呈牛角狀向西開(kāi)口、向東尖滅，是南極洲板塊和非洲板塊的離散型板塊邊界（圖1）。SWIR全長(zhǎng)約7 700 km，主體水深范圍一般為-5 000～-2 000 m，除轉(zhuǎn)換斷層外最深處約-6 000 m，離軸200 km范圍內(nèi)洋殼的水深范圍-6 922～780 m，擴(kuò)張速率橫向變化很小，西段略快于東段，全擴(kuò)張速率僅為14～16 mm/a。SWIR發(fā)育凱爾蓋朗、克洛澤、馬里昂等活動(dòng)熱點(diǎn)，洋盆內(nèi)分布有恩德比、納塔爾、厄加勒斯、馬達(dá)加斯加和克洛澤等深海盆地以及眾多未命名的海山。SWIR中央裂谷的巖漿活動(dòng)總體較弱，洋底廣泛出露蛇紋巖化橄欖巖，洋脊軸部自西向東被一系列大型南北向轉(zhuǎn)換斷層所錯(cuò)斷，基底巖石主要由玄武巖、橄欖巖和輝長(zhǎng)巖構(gòu)成，轉(zhuǎn)換斷層附近出露地幔物質(zhì)——蛇紋石化橄欖巖，較大斷裂區(qū)段還出露輝長(zhǎng)巖。

GR是北冰洋中脊系統(tǒng)的一部分，是北美板塊和歐亞板塊之間的構(gòu)造板塊邊界，長(zhǎng)約1 800 km，山脊西端通過(guò)Lena海溝、Molly轉(zhuǎn)換斷層與Knipovich洋中脊相接，東端直到拉普捷夫海的大陸邊緣。GR是全球擴(kuò)張速率最慢的洋中脊，全擴(kuò)張速率由西端的14.6 mm/a向東至拉普捷夫海減小為6.3 mm/a，洋脊的南側(cè)擴(kuò)張速率比北側(cè)略快，是全球洋中脊擴(kuò)張系統(tǒng)的端元。GR遠(yuǎn)離熱點(diǎn)，沒(méi)有被任何轉(zhuǎn)換斷層錯(cuò)斷，但該山脊卻存在一些方向不同、火山發(fā)育程度不同的區(qū)段，根據(jù)磁異常幅值、巖漿活動(dòng)強(qiáng)度、巖石樣本類型的不同，前人研究時(shí)將GR的西部（85°E以西）分成3個(gè)構(gòu)造，即巖漿帶：從Lena海溝開(kāi)始的西部火山區(qū)（Western Volcanic Zone，WVZ，6°30′W～3°30′E）、中部稀疏巖漿區(qū)（Sparsely Magmatic Zone，SMZ，3°30′E～29°E）和東部火山區(qū)（Eastern Volcanic Zone，EVZ，29°E～85°E）。

2" 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1" 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用的船測(cè)多波束水深數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、德國(guó)和日本近30 a來(lái)航次采集的數(shù)據(jù)，高分辨率船測(cè)多波束數(shù)據(jù)已經(jīng)基本覆蓋了整個(gè)研究區(qū)洋中脊沿軸區(qū)域。最后將獲取的多波束水深數(shù)據(jù)融合并重網(wǎng)格化為100 m×100 m的水深網(wǎng)格文件。

2.2" 研究方法

本文對(duì)洋脊段擴(kuò)張中心進(jìn)行了分段和測(cè)量（圖2），加粗黑色實(shí)線表示洋脊段軸線，黑線為對(duì)應(yīng)的離軸剖面，黑色虛線表示NTD中心，白色虛線表示裂谷邊界。沿軸剖面的測(cè)量參數(shù)包括洋脊段的長(zhǎng)度、平均水深和地形起伏，離軸剖面的測(cè)量參數(shù)包括裂谷寬度和高度。根據(jù)洋中脊軸部地形剖面進(jìn)行洋中脊的二級(jí)分段，洋脊段長(zhǎng)度是指分割后的洋脊段兩側(cè)局部地形最低點(diǎn)的沿軸距離，沿軸地形起伏是指沿軸地形剖面上洋脊段水深最淺處與兩側(cè)水深最深處連線的垂直距離（圖3）。裂谷寬度是指兩側(cè)裂谷壁沿離軸剖面的長(zhǎng)度（圖4），裂谷高度是指中央火山脊兩側(cè)谷底與谷頂高度差的平均值。少數(shù)洋脊段因較強(qiáng)的巖漿供給導(dǎo)致軸部中央裂谷未發(fā)育或中央裂谷形態(tài)變化較大難以界定，對(duì)此特殊類型的洋脊段未進(jìn)行離軸剖面測(cè)量。

3" 分段結(jié)果

3.1" 西南印度洋中脊分段結(jié)果

SWIR（10°～70°E）洋脊段地形地貌各參數(shù)變化如圖5所示，上方字母代表轉(zhuǎn)換斷層的名字。此區(qū)域整體上被轉(zhuǎn)換斷層分割為15個(gè)一級(jí)洋脊段（圖5a），轉(zhuǎn)換斷層調(diào)節(jié)的中脊位移量共計(jì)約2 700 km。除轉(zhuǎn)換斷層外，此洋中脊軸部長(zhǎng)度約為4 800 km，沿軸平均水深3 920±820 m，洋脊段平均水深變化如圖5（b）所示。在研究范圍內(nèi)共識(shí)別出71個(gè)二級(jí)洋脊段，平均每500 km有7.4個(gè)火山活動(dòng)中心，沿軸地形起伏變化如圖5（c）所示，整體變化較大，平均值為1 065±660 m，洋脊段長(zhǎng)度變化如圖5（d）所示，長(zhǎng)度范圍19～119 km。洋脊段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，沿軸起伏越大。巖漿上涌單元中心的平均距離雖然僅為59±33 km，但距離變化較大，中值為51 km，相鄰巖漿上涌單元中心最遠(yuǎn)距離可達(dá)200 km。洋脊段中心處裂谷的平均寬度15±5.9 km，末端平均寬度為17±4.5 km，沿軸裂谷寬度變化如圖5（e）所示。洋脊段中心處裂谷平均高度為710±300 m，末端平均高度為1 040±340 m，沿軸裂谷高度變化如圖5（f）所示。Andrew Bain轉(zhuǎn)換斷層是SWIR最長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換斷層，其斷距可達(dá)720 km，此轉(zhuǎn)換斷層兩側(cè)的洋中脊水深出現(xiàn)顯著差異（圖5（a））。此外在Andrew Bain轉(zhuǎn)換斷層以東，Gallieni轉(zhuǎn)換斷層西側(cè)的洋中脊沿軸水深較東側(cè)顯著變淺。根據(jù)上述水深的顯著變化，以Andrew Bain轉(zhuǎn)換斷層和Gallieni轉(zhuǎn)換斷層為分界線，將SWIR 10°～70°E自西向東分為SWIRⅠ、SWIRⅡ、SWIRⅢ 3個(gè)構(gòu)造地貌單元來(lái)分析。

SWIRⅠ區(qū)西起Shaka轉(zhuǎn)換斷層，東至Andrew Bain轉(zhuǎn)換斷層，洋脊總長(zhǎng)度約為1 200 km，分為2個(gè)一級(jí)洋脊段，18個(gè)二級(jí)洋脊段，沿軸平均水深略微低于整體，洋脊段的平均水深變化很小。除去西側(cè)2個(gè)較為特殊的斜向擴(kuò)張洋脊段之外，其他洋脊段的平均沿軸地形起伏僅為1 000 m，是SWIR變化最小的區(qū)域。在Shaka轉(zhuǎn)換斷層至DuToit轉(zhuǎn)換斷層之間的超級(jí)洋脊段，西段為斜向擴(kuò)張段，長(zhǎng)度約400 km，且走向與擴(kuò)張方向明顯斜交，有效擴(kuò)張速率極低（約7.8 mm/a），分段模式十分復(fù)雜；東段為近正向擴(kuò)張段，主要由緊密排列的較短洋脊段組成，水深最深處接近5 000 m，平均水深比斜向擴(kuò)張段淺約500 m，被NTD分割為平均長(zhǎng)度約46 km的洋脊段，低于SWIR整體均值。SWIRⅠ區(qū)洋脊段中心裂谷的平均寬度約為16 km，平均高度約為750 m，洋脊段末端裂谷的平均寬度約為16 km，平均高度約為750 m，均高于SWIR整體的平均值。

SWIRⅡ區(qū)西起Andrew Bain轉(zhuǎn)換斷層，東至Gallieni轉(zhuǎn)換斷層，洋脊總長(zhǎng)度約為1 700 km，分為7個(gè)一級(jí)洋脊段，27個(gè)二級(jí)洋脊段。該區(qū)域沿軸平均水深遠(yuǎn)低于平均值，整體水深在SWIR中最淺，東西兩側(cè)的洋脊段平均水深變化較大，分段模式相對(duì)不規(guī)則。洋脊段平均地形起伏約為1 100 m，低于SWIR整體平均值。Andrew Bain轉(zhuǎn)換斷層和Discovery Ⅱ轉(zhuǎn)換斷層間的洋中脊段地形、洋脊段沿軸起伏、段長(zhǎng)度變化幅度較大，異常的中央裂谷地形水深在3 000 m左右，裂谷的寬度和高度呈上升趨勢(shì)但都遠(yuǎn)低于SWIR均值。Discovery Ⅱ轉(zhuǎn)換斷層至Indomed轉(zhuǎn)換斷層之間，洋中脊水深變化很小，洋脊段的平均長(zhǎng)度僅為30 km，平均沿軸起伏僅為580 m，裂谷的寬度和高度變化幅度卻相對(duì)較大。Indomed轉(zhuǎn)換斷層至Gallieni轉(zhuǎn)換斷層的超級(jí)洋脊段同時(shí)發(fā)育正向擴(kuò)張和斜向擴(kuò)張，全長(zhǎng)近600 km，軸部平均水深約為3 240 m，自西向東洋脊段平均水深、沿軸起伏、段長(zhǎng)度、裂谷寬度和高度均呈上升趨勢(shì)，中間缺少長(zhǎng)期活動(dòng)的轉(zhuǎn)換斷層。

SWIRⅢ區(qū)位于Gallieni轉(zhuǎn)換斷層至RTJ之間的區(qū)段，洋脊總長(zhǎng)度約為1 900 km，分為6個(gè)一級(jí)洋脊段，25個(gè)二級(jí)洋脊段，沿軸平均水深為SWIR最深，西側(cè)的洋脊段平均水深變化小于東側(cè)。此區(qū)段洋脊段的平均長(zhǎng)度最長(zhǎng)，自西向東隨水深加深，段長(zhǎng)度呈現(xiàn)出逐漸變短的趨勢(shì)，平均沿軸地形起伏最大，約為1 280 m，裂谷的平均寬度和高度略高于SWIR平均值。Gallieni轉(zhuǎn)換斷層至Melville轉(zhuǎn)換斷層段相比西側(cè)的地形隆起區(qū)水深顯著加深，并且發(fā)育密集的轉(zhuǎn)換斷層和斜向擴(kuò)張段。Melville轉(zhuǎn)換斷層至RJT是SWIR水深最深的區(qū)域，平均水深可達(dá)到4 730 m，最東側(cè)地形呈牛角狀向東間滅，分段特征不顯著。

3.2" 加克洋中脊分段結(jié)果

GR（7°W～102°E）洋脊段地形地貌各參數(shù)變化如圖5所示，東側(cè)沉積物較厚，紅色虛線是海底原始水深，下方黑色實(shí)線是去除沉積物后的海底地形數(shù)據(jù)。區(qū)段內(nèi)未發(fā)育轉(zhuǎn)換斷層，在研究范圍內(nèi)共識(shí)別出19個(gè)二級(jí)洋脊段（圖5（g）），洋中脊軸部長(zhǎng)度約為1 200 km，沿軸平均水深4 400±630 m，洋脊段平均水深變化如圖5 （h）所示。平均每500 km有7.9個(gè)火山活動(dòng)中心，沿軸地形起伏變化如圖5（i）所示，平均值為1 075±550 m。洋脊段長(zhǎng)度變化如圖5（j）所示，洋脊段長(zhǎng)度范圍15～113 km。GR和SWIR相似，洋脊段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，沿軸起伏越大，呈正相關(guān)性。巖漿上涌單元中心的平均距離為61±38 km，在研究區(qū)3個(gè)洋中脊的距離變化最大，中值為64 km，范圍為13～162 km。洋脊段中心處裂谷的平均寬度14±5.3 km，末端平均寬度為17±2.7 km，沿軸裂谷寬度變化如圖5 （k）所示。洋脊段中心處裂谷平均高度為850±380 m，末端平均高度為1 100±250 m，沿軸裂谷高度變化如圖5（l）所示。

從沿軸剖面圖上看（圖5（g）），作為世界上擴(kuò)張速率最慢的洋中脊，GR與SWIR沿軸地形特征仍有較大差別，為統(tǒng)一整體分段標(biāo)準(zhǔn)，本文將加克洋中脊軸部的大、小型火山同樣作為二級(jí)巖漿型洋脊段來(lái)分析。加克洋中脊軸部及兩側(cè)裂谷是連續(xù)的，由一系列平行于擴(kuò)張中心的洋脊段組成，無(wú)轉(zhuǎn)換斷層錯(cuò)斷，在62°E附近洋中脊出現(xiàn)一處明顯的錯(cuò)動(dòng)，主要由非轉(zhuǎn)換不連續(xù)的錯(cuò)動(dòng)以及斜向擴(kuò)張的方式完成，其他小型不連續(xù)帶一般錯(cuò)動(dòng)中脊的范圍在10 km之內(nèi)。GR自西向東地形差異明顯，WVZ中央裂谷內(nèi)發(fā)育沿軸火山脊，SMZ的火山較為稀疏，西側(cè)發(fā)育多個(gè)短小的火山，某些中脊由一系列小段組成，相鄰2小段之間由斜向的NTD連接，分段頻率較高，平均分段長(zhǎng)度低于WVZ和EVZ，洋脊段平均地形起伏僅為650 m，遠(yuǎn)低于東西部（大于1 000 m）。EVZ以大型點(diǎn)狀火山為主，地形起伏變化較大，平均沿軸起伏可達(dá)1 330 m，相鄰洋脊段之間軸部地形平坦，水深變化極小。在70°E東側(cè)沉積層較厚，故此區(qū)域使用去除沉積物的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分段研究，結(jié)果表明，研究區(qū)60°E以東的沿軸地形主要由4個(gè)大型點(diǎn)狀火山（離散分布的中心火山）組成，其巖漿上涌單元中心的平均距離約為108 km，洋脊段最大沿軸起伏約為2 200 m，說(shuō)明巖漿供應(yīng)量的多少影響了洋中脊的軸部地形。

4" 結(jié)論

本文以SWIR、GR為研究區(qū)，使用水深數(shù)據(jù)對(duì)約6 000 km的超慢速擴(kuò)張洋中脊二級(jí)分段性進(jìn)行了研究，得到了洋脊段軸部的地形地貌沿軸變化參數(shù)，得到如下結(jié)論。①SWIR和GR平均的巖漿上涌單元間隔、沿軸地形起伏、擴(kuò)張中心裂谷的寬度和高度都較為接近，且都大于擴(kuò)張速率更快的洋中脊；②超慢速擴(kuò)張洋中脊的洋脊段長(zhǎng)度和沿軸起伏呈正相關(guān)性；③超慢速擴(kuò)張洋中脊二級(jí)分段樣式多樣、擴(kuò)張中心地形地貌復(fù)雜多變的主要驅(qū)動(dòng)因素是洋脊段巖漿供給的強(qiáng)度。

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