shisy海隆形成的構造背景和機制

全球火山巖活動主要集中在三個地區。第一個是活動的邊緣，第二個是大海的中脊系統，第三個是海和洋底的高原，分散于洋盆子的海和物底高原。主要分布在洋太平洋。它在過去10年中再次受到密切關注。這是一個具有中金葉特征的海底構造。1海洋島嶼地潭柱的起源和演化太平洋中、新生代一些海底構造中除洋中脊和轉換斷層外,典型構造的代表就是一系列類似皇帝—夏威夷海嶺大拐彎(Emperor-HawaiianBend)的特征線性構造,由火山島鏈組成。因其年代的單向遞變規律,曾是Morgan證明板塊是運動的重要證據,并由此提出了靜態地幔柱的觀點;但40年后的今天,這個靜態地幔柱模型逐步被動態地幔柱觀點所取代。最新年代測定表明,不同島鏈拐點處的形成時間不同,皇帝—夏威夷海嶺大拐彎點為47Ma(Diakakuji),Tokelau海山的為57Ma,Gilbert脊的為67Ma,Louisville海山的為46Ma,所以,西太平洋這些海山不具有統一的運動學特征,此現象可能有洋底巖石圈的局部伸展作用的影響。也有學者提出海嶺移動不僅受板塊運動制約,還與熱點移動及地幔對流導致地幔柱彎曲有關。由此,人們改變了熱點僅反映板塊運動的簡單認識,提出熱點可用來揭示過去洋底地幔對流的形式。由此可見,熱點又成為聯系深部和淺部相互作用問題的重要研究對象,涉及到脊-柱相互作用,地幔柱到達大洋巖石圈底部后可以被洋中脊以不同的形式俘獲,不同海山鏈拐點年代的不同可能揭示更為復雜的地幔動力學過程,也可能存在地幔內部不同地幔柱融合為一體、或統一運動形式的不同地幔柱融合、或同一地幔柱分裂為二的復雜過程。迄今,對于這些熱點的起源,依然存在兩種不同學派:一者稱為“top-down”的板塊驅動機制,就是巖石圈裂解激發了淺地幔減壓熔融;另一種稱為“bottom-up”,就是熱邊界層處(約700km或核幔邊界處)地幔上涌的地幔柱模式。但也有些熱點則與地幔柱沒有任何成因聯系,如黃石公園。持板塊驅動觀點的研究者提出,這些海山鏈大拐彎的動力背景也可能和太平洋板塊的重組密切相關。澳大利亞和南極洲板塊重建發現,50～53Ma之間發生了一次重大的板塊重組,并且,板塊—地幔柱系統重組可能是50Ma左右皇帝—夏威夷海嶺的大拐彎構造的原因。此外,中生代太平洋板塊格局重建一直受到廣泛關注,但卻沒有和洋底高原的研究很好地結合。太平洋底區別于其他海域的典型構造就是大量彌散性、密集性分布的洋底高原和臺地,被認為是了解大洋巖石圈內部和下部動力學過程的重要對象。所有上述研究成果都來自20世紀90年代大量的洋底高原和海山的調查,大洋科學鉆探計劃集中調查研究了印度洋Kerguelen和太平洋OntongJava洋底高原,因為它們是目前大火成巖省(LIPs)中最大、最具代表性的例子。洋底高原的形成機制雖然大同小異,但我們不能確定Shatsky海隆(圖1)和OntongJava高原是否具有相同的成因機制。Shatsky海隆、OntongJava洋底高原,連同Magellan海隆、Manihiki海臺,都被認為可能起源于南太平洋同一三節點(圖3),特別是Shatsky海隆位于隨后西北角的三節點位置,地球化學上還具有一些地幔柱特點,并且發育磁條帶,這與其他洋底高原多數形成于磁靜期不同。因此,它具有很多優勢,可以揭示其形成演化是板塊驅動機制成因還是地幔柱起源成因。隨著鉆探技術的進步,DSDP、ODP、IODP已經對Shatsky海隆進行了幾個航次的調查,DSDP和ODP航次在Shatsky海隆取心已經有32年的歷史。DSDPLeg6(井位47～50)、Leg32(井位305、306)和Leg80(井位577)、ODPLeg132(井位810)和Leg198(井位1209-1214),鉆探點均在南部最高隆起地塊Tamu上(圖1),其中很多井位只是淺鉆。ODPLeg32航次鉆到了沉積蓋層,恢復了貝里亞斯期(最早白堊紀)沉積物,也就說明Tamu塊體形成于晚侏羅或早白堊紀時期。ODPLeg198鉆探恢復了Ori地塊(井位1208)、Shirshov地塊(井位1207)的沉積物。兩個井位處,只鉆到沉積蓋層的上表層,經同位素分析是晚白堊世沉積物?；鸪蓭r基底鉆探方面,IODP324航次之前只鉆到兩次。在Leg6航次中,井位50處鉆井樣品只恢復了一些基底玄武巖的表層;Leg198航次中,Tamu地塊西南側翼處的井位1213,鉆探到約46m輕微變形的玄武巖基底。這些玄武巖不僅第一次為Shatsky海隆放射性測年提供了證據,同時,還收集了一些有價值的同位素Nd-Pb-Sr數據。本文作者李三忠參與了2009年9—11月的IODP324航次,目的是為了對Shatsky海隆火成巖基底及其上的沉積物鉆探取樣,來分析該海隆的形成年齡、火山活動過程、沉積作用、地球化學及構造演化等方面的問題。2日本洋底高原西北太平洋有很多隆起,諸如Hess(赫茲)海隆、Emperor-Hawaii(皇帝-夏威夷)海山、Manihiki(馬尼希)海臺、OntongJava(翁通爪哇)海臺、Magellan(麥哲倫)海隆、Shatsky(沙茨基)海隆等洋底高原。Shatsky海隆是發現的洋底高原中惟一形成于地磁場倒轉時期的大型洋底高原,研究它的構造演化對了解其他洋底高原有重要的指示意義。Shatsky海隆位于日本以東約1500km處,高出周邊西北太平洋洋盆2～3km;寬約500km,西南方向延伸約1500km。隆起包括南部Tamu、中部Ori和北部Shirshov地塊,狹長的Papanin脊,80多個分散的海山。各地塊的傾角平緩約1.5°,形成于144～110Ma的晚侏羅—早白堊世。關于它的形成,目前有3種假說:地幔柱頭假說、洋中脊構造假說、隕石碰撞假說。2.1熱地潭小柱thill-,sq-的發育機制許多研究者認為洋底高原是地幔柱頭最直接的表現,皇帝—夏威夷海山的層析成像支持了這一觀點。總體形態表現為上部類似蘑菇狀的地幔柱頭,下部為管狀收縮的地幔柱尾,其根深到下地幔深處,故理解洋底高原的形成對理解地幔地球動力學意義重大。地熱、地球動力學數據分析證明,Shatsky海隆和地幔柱構造起源可能有關。目前,針對洋底高原和陸地大規模火成巖省(LIPS)形成,廣泛接受的解釋是地幔柱頭假說。假定大規模(直徑幾百到兩千千米)、球形的、上地幔底部或核幔邊界區域產生的熱底辟結構,隆起到板塊基底,當它們沖擊巖石圈時引起強烈的火山作用。冠形柱頭是因為源自深部的熱浮力物質難以快速上升和大規模運移而大量堆積,狹長的尾柱是高溫、低黏度地幔物質可以快速上升的通道。在熱浮力驅使下,伴隨深源熱物質的持續供給,熱幔柱保持巨大頭冠、狹長尾柱形態結構上升。Griffiths和Campbell建立了熱幔柱動力模型,巖漿熔體形成于熱地幔柱的高溫軸部尾柱區,壓力條件比冠狀柱頭稍高。尾柱的大量熔融和熔漿的凝集上升,為熱地幔柱的頭部區提供地幔巖熔融所需的熱源和降低巖漿熔融溫度的揮發組分。支持此過程的物質及能量不僅與上地幔軟流圈的對流有關,還包括板塊大規模整體俯沖穿過上下地幔過渡層,并穿透地幔到達核幔邊界,形成全地幔的深循環。地幔柱頭假說的簡單結構能解釋當前的很多發現。再者,地幔柱頭在合適的流變學環境下,可以很自然地在數字模擬和實驗室試驗中發生。由于地球內部不同層位的黏度、密度及壓力等因素影響,地幔柱可以是不垂直的,對Shatsky海隆來說,Tamu地塊看起來代表了地幔柱頭,而Papanin脊有地幔柱尾的特征。2.1.1tami—支持地幔柱頭假說的幾個特征地幔柱頭假說的特征為:大規模的玄武巖高原快速形成及洋島玄武巖(OIB)的Nd-Sr-Hf同位素特征。另外,地幔柱頭和三節點的關系也是一個值得關注的問題。地幔柱的復雜地質史是因為它的熱化學作用,而熱化學作用又和溫度及化學組分引起的密度差異有關。(1)研究者認為Shatsky海隆是地幔柱頭大規模噴發形成的火山地塊。地幔柱頭的快速噴發率,可用來解釋Tamu地塊的形成規模,火山作用的峰值在短時期(某些陸上大規模玄武巖噴發小于2Ma)發生。1213井位玄武巖和周圍海底的磁異常放射性測年表明Tamu地塊形成速度在1.2～4.6km3/a之間,最高值甚至超過了新洋殼的形成速度4.2km3/a。此外,估計Tamu高地的最初噴發體積為1.8×106km3,噴發直徑約為224～408km,占總熔融體積的5%～30%,與地幔柱頭上升流的供給一致。(2)根據對各地塊的火成巖基底放射性測年,東北向年齡逐漸減小,同樣火成巖分布體積東北向逐漸減小。用地幔柱頭假說解釋為,隨著地幔柱的噴發進程,噴發量越來越少,離Tamu地塊越遠體積越小。Tamu地塊體積為2.4×106km3,Ori地塊體積為0.69×106km3,Shirshov地塊體積為0.65×106km3,最北部Papanin脊體積為0.4×106km3。(3)在Shatsky海隆形成過程中,地幔柱頭假說同樣也適用于太平洋-法拉隆-依澤奈崎三節點運動的解釋。三節點的穩定性取決于相鄰板塊的運動方向,RRR型三節點無論洋脊的方向如何都是最穩定的,這是因為速度線是速度向量三角形的垂直平分線,這些線交于一點(三角形內心)。就Shatsky海隆來說,磁異常M22時三節點的運動方向還是穩定的北西向,在磁異常M21時太平洋-法拉隆-依澤奈崎板塊三節點的等時線順時針旋轉30°,向東躍遷800km到現今Tamu地塊的位置處。是什么原因打破了原有的動力平衡機制,影響了三節點的穩定性?有研究認為地幔柱頭、巖石圈上熱源和拉力、或脊-柱相互作用是三節點處等時線旋轉及東向躍遷800km的潛在原因。當洋中脊靠近地幔柱時,脊柱之間物質通過軟流圈相互作用,洋中脊躍遷到地幔柱中心位置引起巖漿噴發,形成大規模的火山巖。噴發過程中引起三節點穩定性破壞,進而躍遷。三節點和地幔柱位置始終耦合在一起,地幔柱的間歇性噴發引起三節點的不斷躍遷(圖2)。2.1.2sh東南角形成之初的洋脊重組非負氧基因機制然而,很多重要的現象卻不能簡單地用地幔柱頭假說來解釋。OIB為熱地幔柱巖漿作用的產物,MORB為洋中脊巖漿作用的產物。首先,Shatsky海隆所取得樣品中有MORB;其次,Shatsky海隆形成之初異常M21時期的洋脊重組不能確定是何種作用引起的。洋脊重組是因為原先的動力平衡狀態被打破,各板塊的運動速度發生變化,地幔柱頭怎么通過作用于洋脊處的板塊邊界引起板塊速度改變是不清楚的。(1)火山噴發形成機制Shatsky海隆的很多特征及樣品數據與地幔柱頭的假說一致。它是一個典型,形成于火山的間歇性噴發,開始形成大規模的Tamu地塊,結束時形成小體積的Papanin脊。在它們之間的過渡過程中,Ori和Shirshov地塊形成。但目前我們能看到巖石圈加熱和減薄的證據,卻沒有直接熱地幔柱作用的物質證據。地球化學方面:火成巖的化學及同位素數據對了解洋底高原的形成很重要,它能提供地幔源和巖漿形成環境的關鍵信息。噴出巖的來源可能有兩方面:核-幔邊界處的超臨界層強烈活動及地幔中的某些因素激發,都能打破原有的平衡和穩定狀態,在薄弱處加厚,最終演化成膨脹式的熱地幔柱刺穿巖石圈噴發;另外,來自于上下地幔邊界處的熔融物質也能通過火山噴發形成玄武巖聚集。Shatsky海隆的熔巖流主要是枕狀和塊狀玄武巖,其間夾雜一些火山碎屑沉積物。根據鉆取巖心取得的數據,Tamu地塊的U1347和Ori地塊的U1350樣品類似于洋島玄武巖(OIB),洋島玄武巖(OIB)相比N-MORB含有較多的不相容元素及放射性同位素;Shirshov地塊U1346、Tamu地塊U1348、Ori地塊U1349都是拉斑玄武巖(OIB),位于Tamu和Ori高地之間的低海拔海山,Nb-Zr-Y同位素比率也說明是OIB形式的玄武巖,來自于下地幔。IODP324航次之前獲得樣品中,玄武巖Sr-Nd-Pb同位素比例相差很大,但卻更趨近于MORB型式,Nd/Zr和Nb/Y比值也得出相同的結果。除此之外,采集到的Shatsky海隆火成巖樣品經恢復得到的玄武巖還不夠理想,給地球化學方面的解釋帶來了很大的困難。因此,鑒于數據的不充分性,Shatsky海隆樣品中MORB及OIB型玄武巖均有分布,噴出巖的巖漿來源不明確,也就不能徹底確定是地幔柱頭成因。(2)節點地潭柱的形成很多重要的觀察數據也不能簡單地用地幔柱頭模型來解釋。地幔柱是地表熱及主動上升流的主要來源,可能很容易捕獲附近的洋中脊。假定地幔柱在Tamu地塊處,距離形成之前的三節點800km,地幔柱如何在這么遠的距離處捕獲洋中脊,引起三節點的重新定位?即使有其他作用力引起了三節點的躍遷,但地幔柱活動和三節點的板塊運動相對獨立,很少耦合在一起,因此,洋中脊被地幔柱捕獲然后重組只是偶然發生的,有很大的巧合性;另一方面,假定地幔柱任意形成,三節點周圍800km范圍內地幔柱頭明顯隆起的可能性只有0.4%。因此,用地幔柱頭找到三節點幾率極低。除此之外,西太平洋水深和磁條帶也說明類似的地幔柱捕獲洋中脊的巧合發生?，F今太平洋洋底的很多高原都形成于洋中脊重組附近。Shatsky海隆形成以后,Papanian脊呈NNE展布,在43°N彎曲近90°變成170°E的皇帝海山走向。彎曲的西部,Papanian脊的走向和西部Hess海隆的北西脊重合。因此,Hess海隆可能是在太平洋-法拉隆-依澤奈崎三節點東向躍遷經過此處的地幔柱頭時噴發形成的。還有麥哲倫高原-中太平洋山脈中最老的部分以及馬尼希海臺,是沿著太平洋-法拉隆-菲尼克斯三節點軌跡形成的。不依賴洋中脊動力學只用地幔柱頭解釋這些高原形成同樣需要巧合性(圖3)。為了解釋的合理性,必須以地幔柱和三節點無論何種情況下都相互耦合為前提。2.2sh鹽堿山隆下海隆下巖石圈分布對于高原形成的洋中脊假說,三節點可能是關鍵。太平洋—依澤奈崎洋中脊產生的東北向日本磁條帶線和太平洋—法拉隆洋中脊產生的西北向夏威夷磁條帶線在Shatsky海隆處相交(圖1),這個交叉點表明隆起是形成于三節點處。三節點處洋中脊是強烈上升流集中的位置。這個假說側重軟流圈的地幔底辟結構,相比今天洋中脊系統下的軟流圈來說有較低的熔融點(由于當時較高的揮發成分、鐵鎂質含量)。晚侏羅世到早白堊世時期,太平洋板塊大部分位于軟流圈異常熱的區域上,三節點作用促進了異?？扇鄣蒯５倪^度熔融,在三節點洋中脊處經火山噴出作用形成隆起。磁條帶線的對稱分布表明三節點沿著隆起和Papanian脊移動(圖3、4),各磁條帶的年齡沿NE向逐漸減小,符合洋中脊噴發巖漿的特征:先噴發的巖漿老,后噴發的巖漿新。Shatsky海隆形成過程中,依澤奈崎-法拉隆-太平洋板塊洋脊不斷調整自己的位置以期達到平衡穩定狀態,引起三節點的不斷躍遷。圖4中U1347恢復的巖心節理的傾向玫瑰花圖,該點傾向NE的張節理和NW的剪節理(U1347的節理玫瑰花圖),說明Tamu地塊當時經歷了NE向的拉張作用。張力的方向垂直于周圍的磁條帶線;同樣,U1348處火成巖接觸和脈體的玫瑰花圖反映兩者傾向一致,SSE為優勢方位,它反映了巖漿流動的方向,與該井位西北角的磁條帶線幾近垂直。U1347和U1348井位處的FMS測井資料,可以作為洋中脊假說的可靠證據。然而,U1349處脈體和火山巖接觸關系的玫瑰花圖中,沒有優勢方位,表現為輻射狀。主應力方向為鉛直,可能是地幔柱頭的噴發或熔巖流冷卻破裂的結果。根據地殼均衡補償理論,計算出的Shatsky海隆下巖石圈厚度為80～90km,與鄰近大洋板塊的巖石圈厚度接近;Tamu地塊鉆孔得到的玄武巖測年為144Ma,和周圍的磁條帶計算得到的年齡一致,也就是說Tamu地塊的形成時間和周圍巖石圈相同,證實了洋中脊假說的合理性。磁異常M21—M3時期,三節點的9次躍遷形成大規模噴出作用,Shatsky海隆三大地塊形成;非躍遷時期,洋中脊火山作用形成各地塊之間的低海拔海山。2.3古太平洋板塊動力學要素在發現Chicxulub隕石坑之前,隕石碰撞說就已經提出,隨后在大陸上也發現了幾個大規模碰撞的位置。此假說曾用來解釋OntongJava高原的形成,也用于解釋Shatsky海隆MORB型玄武巖的形成,隕石碰撞引起巖石圈裂開導致下伏地幔的大量減壓熔融,經火山作用噴發產生MORB型的洋殼。但隕石碰撞不能解釋在異常M21時太平洋—依澤奈崎洋中脊旋轉30°后重新定位,對沖擊區周圍預期產生的大范圍的海底破壞也缺乏證據。在Shatsky海隆形成的中生代時期,古太平洋板塊在俯沖方向、速度、角度等動力學要素上隨時間是不斷變化的。Engebretson和Maruyama等根據古地磁數據,提出中侏羅世時(180MaBP),東亞大陸東部的依澤奈崎(Izanagi)板塊低速(4.7cm/a)正向俯沖于東亞大陸之下。到早白堊世初期(140MaBP),由于某種力的作用,依澤奈崎板塊突然改變了運動方向和速度,以30cm/a的高速度向正北斜向俯沖于東亞大陸之下?？傊?Shatsky海隆的形成明顯與板塊速度改變及洋中脊三節點重組有關。太平洋中的很多隆起可以用板塊邊界處和異常熔融地幔上涌的巖石圈應力變化引起的火山作用解釋,而不需要三節點和地幔柱的始終耦合。晚侏羅世到早白堊世時期,太平洋—依澤奈崎洋中脊順時針旋轉30°及東向躍遷800km與古太平洋板塊運動的方向和速度改變有關。不管哪種假說,都要以地球內部物質和能量循環為前提。目前,支持或反對任何一個假說的證據都是不完全的,且大部分是間接的證據,因此,各假說都需要更多的證據來支撐。3sh東南角的火山作用Shatsky海隆形成于磁性反轉期,位于西北太平洋兩組磁條帶位置的匯合區,兩條磁條帶為東北走向的日本磁條帶和西北走向的夏威夷磁條帶(圖1)。Shatsky海隆磁條帶這樣的展布格局表明高原形成于三節點處,三節點把太平洋、法拉隆和依澤奈崎板塊分離(圖2)。西北太平洋一些其他的高原也形成于三節點處(圖3),因此Shatsky海隆可能代表了一系列與洋中脊作用相關的高原,并且,地震地層學和均衡補償都表明該隆起的年齡和鄰近的洋殼年齡相近,暗示三節點和隆起形成是有聯系的。根據熱流數據、磁條帶和鉆井巖心同位素測年,推算Shatsky海隆形成于約144MaBP,也就是晚侏羅世到早白堊世時期。IODPExp324鉆井得到的數據分析,除了U1350,其他鉆孔得到的有孔蟲和淺海沉積物說明在Shatsky海隆形成初期,火山作用的頂點在海平面或海平面之上,也就是說當時太平洋還是一片淺水區。Shatsky海隆火山作用的體積和年齡與三節點軌跡吻合很好。隨著離Tamu地塊越來越遠,隆起體積越來越小。估計隆起的Tamu地塊體積為2.53×106km3,Ori為0.69×106km3,Shirshov為0.65×106km3,隆起最北部的Papanin脊為0.41×106km3,Papanian脊東部分布著體積更小的散布海山。年齡隨著離Tamu地塊距離加大明顯減小,井位1213處,基底年齡是144.6Ma,與磁異常M19接近,表明Tamu的大部分地塊的年齡為144Ma。Ori和Shirshov地塊、Pananin洋中脊的年齡比Tamu地塊要小,Ori和Shirshov地塊下最年輕的磁異常為M14(140Ma),Pananin洋中脊形成于磁異常M10和M1(134～125Ma)之間。另外,通過磁條帶的分布情況,可以看出在磁異常M22之前,幾何學上穩定的三節點西北向移動。在磁異常M21時期,太平洋—依澤奈崎洋中脊的磁條帶等時線旋轉30°,RRR三節點的穩定性受到破壞,導致微板塊形成及三節點東向躍遷800km到現在Tamu地塊位置(圖2)。直到磁異常M3(126Ma),Shatsky海隆沿著三節點運動軌跡形成(圖2和3)。在這個時期內,三節點重復躍遷了至少9次。由圖4可看出Shatsky海隆3個主要的火山地塊兩側均平行于擴張脊和轉換斷層,除此之外,Papanian脊東部Ojin隆起海山的NW—SE向分布也平行于當地的磁條帶。這些觀察表明,隆起火山作用是三節點躍遷時候發生的。4熱點擴張脊影響下的地禾柱—可能的地幔柱和洋脊的相互關系假設洋中