海底岩石学洋壳结构benke

1、海底岩石学洋壳的结构洋壳的结构研究方法 地震资料地震资料 蛇绿岩对比蛇绿岩对比 大洋钻探和岩石样品大洋钻探和岩石样品地震资料地震资料 洋壳较薄，洋壳较薄，6-7km厚厚 厚度几乎恒定（热点和破碎带除外）厚度几乎恒定（热点和破碎带除外） 洋壳是分层的结构洋壳是分层的结构陆壳平均陆壳平均35-40km，起伏可达起伏可达70km洋壳分层洋壳分层地震资料地震资料L1：沉积物层，平均厚度：沉积物层，平均厚度0.4km，离，离轴逐渐加厚，轴部为零。轴逐渐加厚，轴部为零。L2：常称大洋基底，代表上部玄武质洋壳，：常称大洋基底，代表上部玄武质洋壳，平均厚平均厚2km，随深度增加，随深度增加Vp从从2.7变到变

2、到6.3km/sL2A：异常低速(2.7-3.7km/s)，孔隙率高，越靠近轴部发育越好，最厚1km，从脊轴向两翼逐渐减薄，最终在20My-60My之间的洋壳消失。L3：常称大洋层，平均厚度：常称大洋层，平均厚度4-5km，代表下，代表下部辉长质洋壳，速度梯度垂向变化不大。部辉长质洋壳，速度梯度垂向变化不大。Keary and Vine,Global tectonics,1990 2A2A层层的的消消失失洋壳分层洋壳分层地震资料地震资料L2B：速度较高（4.8-5.5km/s），厚0.5-1.0km，代表最深部的玄武岩。L2C:波速5.8-6.2km/s，大约1km厚，可能由侵入基性岩（岩墙和

3、岩基）组成，厚度恒定。L3A：速度相当均一(6.5-6.8km/s)，厚3km，是洋壳中最均一和各向同性层。L3B：波速7.0-7.7km/s，厚2km左右，随地壳年龄增加而加厚。Keary and Vine,Global tectonics,1990地震模型的岩相学解释地震模型的岩相学解释构造模型：强调构造模型：强调孔隙率的变化孔隙率的变化岩浆模型：认为不同岩浆模型：认为不同界面代表不同岩相界面代表不同岩相变质模型：强变质模型：强调变质程度的调变质程度的变化，从沸石变化，从沸石相到绿片岩相，相到绿片岩相，再到角闪岩相，再到角闪岩相，而且有观点认而且有观点认为为L3为蛇纹为蛇纹石化地幔。石化地

4、幔。破碎带地震结构 厚度明显减薄，有时只有1-2km 厚度变化反应在L3上，有时L3完全消失 海底深度增加 地壳减薄和地壳减薄和L3缺失意味着岩浆供给的缺乏。缺失意味着岩浆供给的缺乏。 纵波速度低意味着孔隙率高，解释为强烈的纵波速度低意味着孔隙率高，解释为强烈的构造破碎和深部砾石堆积。导致海水下渗，构造破碎和深部砾石堆积。导致海水下渗，地幔蛇纹石化，密度降低，底辟上涌。重力地幔蛇纹石化，密度降低，底辟上涌。重力资料不支持蛇纹岩底辟上涌！资料不支持蛇纹岩底辟上涌！ 破碎带洋壳为构造强烈破碎的、热液蚀变的破碎带洋壳为构造强烈破碎的、热液蚀变的玄武岩层直接位于强烈蛇纹石化的地幔之上。玄武岩层直接位于

5、强烈蛇纹石化的地幔之上。破碎带地震结构研究方法 地震资料地震资料 蛇绿岩对比蛇绿岩对比 大洋钻探和岩石样品大洋钻探和岩石样品蛇绿岩资料蛇绿岩资料定义：定义： The term ophiolite is employed to design a peculiar assemblage of mafic/ultramafic rocks, not used on maps as a rock name or as a lithological unit. (1972) 蛇绿岩蛇绿岩被用来特指被用来特指一套基性一套基性/ /超基性岩超基性岩石组合石组合，而不是用作岩石的名字或者岩，而不是用作岩石的名

6、字或者岩相单元。相单元。蛇绿岩剖面蛇绿岩剖面 将 大 量 蛇 绿 岩 (40/150)研究结果综合在一起，特别是 塞 浦 路 斯Troodos蛇绿岩，得到以下理想剖面：蛇绿岩剖面蛇绿岩剖面在完整的蛇绿岩剖面中从下至上从下至上依次为： The The ultramafic complexultramafic complex（超基性杂岩）（超基性杂岩）, 含有不同比例的斜方辉橄榄岩、二辉橄榄岩和纯橄榄岩，常具有构造组构。蛇绿岩剖面蛇绿岩剖面在完整的蛇绿岩剖面中从下至上从下至上依次为： The ultramafic complex（超基性杂岩）（超基性杂岩）, 含有不同比例的斜方辉橄榄岩、二辉橄榄岩

7、和纯橄榄岩，常具有构造组构。 The gabbroic complex（辉长质杂岩）（辉长质杂岩）, 常具有堆晶结构，通常含有橄榄岩和辉石岩堆晶体，很少形变。蛇绿岩剖面蛇绿岩剖面在完整的蛇绿岩剖面中从下至上从下至上依次为： The ultramafic complex（超基性杂岩）（超基性杂岩）, 含有不同比例的斜方辉橄榄岩、二辉橄榄岩和纯橄榄岩，常具有构造组构. The gabbroic complex（辉长质杂岩）（辉长质杂岩）, 常具有堆晶结构，通常含有橄榄岩和辉石岩堆晶体，很少形变 The mafic sheeted dike complex （基性席状岩墙）（基性席状岩墙）. The

8、 basaltic volcanic complex （玄武质火山杂岩）（玄武质火山杂岩） generally made of pillow lavas.枕状熔岩席状岩墙蛇绿岩的地壳结构蛇绿岩的地壳结构 蛇绿岩套可能是不完整、破碎或者变质的蛇绿岩套可能是不完整、破碎或者变质的. . 据地壳结构和剩余地幔橄榄岩的岩相特征据地壳结构和剩余地幔橄榄岩的岩相特征分为分为两种两种类型：类型：HOTHOT(Harzburgitic Ophiolite Type):(Harzburgitic Ophiolite Type):具有厚具有厚连续地壳剖面，地幔以斜方辉橄榄岩为主。连续地壳剖面，地幔以斜方辉橄榄岩为

9、主。LOTLOT(Lherzolitic Ophiolite Type): (Lherzolitic Ophiolite Type): 具有减薄具有减薄的不连续地壳剖面，地幔以二辉橄榄岩为主。的不连续地壳剖面，地幔以二辉橄榄岩为主。HOTOman Ophiolite洋洋 壳壳（4-9km) 火山岩和共生沉积物（火山岩和共生沉积物（2km2km） 席状岩墙杂岩体席状岩墙杂岩体 高度各向同性、叶片状辉长岩高度各向同性、叶片状辉长岩 ( (缺少层理，结缺少层理，结构不变构不变,700m),700m) 层状辉长岩层状辉长岩 ( (含纯橄榄岩含纯橄榄岩,0.5-6km, 0.5cm to ,0.5-6k

10、m, 0.5cm to 2m)2m)岩浆侵入体岩浆侵入体异剥钙榴岩及其分异系列异剥钙榴岩及其分异系列斜长花岗岩系列斜长花岗岩系列剩余地幔（剩余地幔（10-12km）岩相上非常均一的斜方辉橄榄岩(85-95 %)组成，成群的辉绿岩、辉长岩、二辉岩和纯橄榄岩脉(5-15%)交错其 中 ， M o h o 面 下2km之内富集的辉长岩岩墙到深部逐渐变为富cpx的橄榄二辉岩。Petrological Moho 斜方辉橄榄岩之上，层状辉长岩之下，为斜方辉橄榄岩之上，层状辉长岩之下，为纯橄榄岩过渡带，其厚度变化不定，可以纯橄榄岩过渡带，其厚度变化不定，可以从几米变到几百米，平均大约从几米变到几百米，平均大

11、约50m50m。 层状辉长岩最下部与纯橄榄岩过渡带间的层状辉长岩最下部与纯橄榄岩过渡带间的接触面就构成了所谓的接触面就构成了所谓的岩石莫霍面岩石莫霍面，即壳幔过渡带，与地震莫霍面不一定重合。即壳幔过渡带，与地震莫霍面不一定重合。LOTLigurian OphioliteLOTLigurian OphioliteLOTLigurian OphioliteTo Alpine,To Alpine, 上地壳中缺少上地壳中缺少明显的席状岩墙杂明显的席状岩墙杂岩体岩体 下地壳中缺少下地壳中缺少层状堆积岩层状堆积岩 玄武质枕状熔岩直接覆盖在蛇纹玄武质枕状熔岩直接覆盖在蛇纹石化地幔橄榄岩之上。石化地幔橄榄岩之

12、上。Ligurian OphioliteLigurian Ophiolite东地中海盆地利古里亚Ligurian Ophiolite 利古里亚海盆洋底为蛇纹石化橄榄岩和利古里亚海盆洋底为蛇纹石化橄榄岩和辉长岩基底，它们直接被一层蛇纹岩、辉长岩基底，它们直接被一层蛇纹岩、辉长岩碎屑沉积所覆盖。辉长岩碎屑沉积所覆盖。 地幔都是斜长二辉橄榄岩，其中含有大地幔都是斜长二辉橄榄岩，其中含有大量独立的、具冷凝边的辉绿岩墙以及伟量独立的、具冷凝边的辉绿岩墙以及伟晶质辉长岩墙和小的辉长岩侵入体。晶质辉长岩墙和小的辉长岩侵入体。研究方法 地震资料地震资料 蛇绿岩对比蛇绿岩对比 大洋钻探和岩石样品大洋钻探和岩石样

13、品大洋钻探和其他岩石样品 快速扩张脊：快速扩张脊：504B孔Hess Deep 慢速扩张脊：慢速扩张脊：Vema破碎带，MARK区735B孔，1309D大洋钻探和其他岩石样品 快速扩张脊：快速扩张脊：504B孔Hess Deep 慢速扩张脊：慢速扩张脊：Vema破碎带，MARK区735B孔，1309D504B504B孔孔 距距Costa-Rica RiftCosta-Rica Rift脊脊轴轴201km201km，中脊南翼，中脊南翼扩张率扩张率7.2cm/yr7.2cm/yr，洋，洋壳年龄壳年龄5.9Myr5.9Myr，水深，水深3474m3474m。 历 时历 时 1 41 4 年年 ( 1

14、 9 7 9 -( 1 9 7 9 -1993)1993)，7 7个航次，穿个航次，穿透透 2 1 1 1 m2 1 1 1 m ， 获 得， 获 得1836.5m1836.5m岩芯。岩芯。 沉积盖层沉积盖层(274.5m）：上层（227m）为含有孔虫及微体古生物软泥及陆源粘土，下层为硅化石灰岩和白垩。 枕状熔岩带枕状熔岩带(571.5m)：由枕状熔岩流，碎玻质熔岩、碎屑流以及块状流交替组成。所有熔岩均是相对原生的拉斑玄武岩，含0-10%的Ol和Plag斑晶。504B504B孔孔 过渡带过渡带(209m)：含枕状熔岩流和块状流，但被向下越来越丰富的辉绿岩墙所分割。该带上部富含枕状熔岩碎屑，并含

15、有大约20m厚的硫化物浸染的矿化带。 岩墙带岩墙带(1056m)：全由边界陡峭的辉绿岩墙交错而成，辉绿岩一定程度上较枕状熔岩富Mg，因此可能来自更为原生的岩浆。Ayadi et al.,Pproc. ODP Sci. Results,148,1996504B504B孔孔与地震资料的对应关系与地震资料的对应关系1）头头100m100m破碎强烈，很好对应2A2A层层，只是由于年代老而厚度很小。2）100-650m100-650m渗透率、孔隙率降低，速度、电阻和密度增加，次生矿物增加，对应2B2B层层，包括枕状熔岩带和过渡带上部，矿物蚀变带以上的部分。在蚀变带下，600-650m之间，物理参数迅速变

16、化，渗透率、孔隙率、次生矿物含量均大幅度降低，只是热传导率增加，应代表2B、2C的过渡。3）650-1300m650-1300m速度规律增加，孔隙率相应降低，对应 2C2C层层。 4）1300-1836.5m1300-1836.5m地震波速度梯度显示明显的拐点，变平，Vp接近6.5km/s，这正是向层层3 3过渡的定义点，令人吃惊的是它正好位于岩墙带中间，不对应任何岩相 或 岩 浆成 分 的 变化 ， 而 是对 应 物 理参 数 、 尤其 是 孔 隙率的变化!大洋钻探和其他岩石样品 快速扩张脊：快速扩张脊：504B孔Hess Deep 慢速扩张脊：慢速扩张脊：Vema破碎带，MARK区735B

17、孔，1309DHess Deep水深：水深：5300m年龄：年龄：6MaPropagating RiftHess DeepHess Deep:Hess Deep:用深潜器对用深潜器对Hess Deep Hess Deep 南北两侧的裂谷南北两侧的裂谷壁和裂谷内山脊两翼观测采样壁和裂谷内山脊两翼观测采样, ,获得获得4 4个岩相单元：个岩相单元：1.1. 上部火山岩：上部火山岩：100-200m100-200m厚厚, , 主要为玄武质枕状熔主要为玄武质枕状熔岩流；岩流；2.2. 过渡带：过渡带：50-500m50-500m厚（平均厚（平均200m200m）, ,由枕状熔岩由枕状熔岩流、块状玄武质

18、熔岩流和岩基以及玄武质岩墙组流、块状玄武质熔岩流和岩基以及玄武质岩墙组成；成；3.3. 席状岩墙复合体：至少席状岩墙复合体：至少1200m1200m厚，平行厚，平行EPREPR南北南北展布；展布；4.4. 各向同性辉长岩：厚度不知，有时可见辉长苏长各向同性辉长岩：厚度不知，有时可见辉长苏长岩和层状橄榄辉长岩岩和层状橄榄辉长岩. .5.5. 在裂谷内洋脊南翼底部还见到薄层状蛇纹石化橄在裂谷内洋脊南翼底部还见到薄层状蛇纹石化橄榄岩、异剥橄榄岩和浸染状斜长石橄榄岩（代表榄岩、异剥橄榄岩和浸染状斜长石橄榄岩（代表壳幔过渡带）。壳幔过渡带）。504B+ Hess Deep 4-5km4-5km厚的洋壳由

19、一薄层喷出岩层（厚的洋壳由一薄层喷出岩层（100-800100-800米）、厚厚的席状辉绿岩墙复合体（米）、厚厚的席状辉绿岩墙复合体（1km)1km)和和2-3km2-3km厚的辉长岩层组成（顶部厚的辉长岩层组成（顶部150m150m为各向为各向同性的辉长岩，底部为辉长苏长岩和层状辉长同性的辉长岩，底部为辉长苏长岩和层状辉长岩岩) )，再向下为异剥橄榄岩和斜长石纯橄榄岩，再向下为异剥橄榄岩和斜长石纯橄榄岩，最后是上地幔的斜方辉橄榄岩和纯橄榄岩。最后是上地幔的斜方辉橄榄岩和纯橄榄岩。 注：辉长岩层只取到上部和底部岩层。注：辉长岩层只取到上部和底部岩层。大洋钻探和其他岩石样品 快速扩张脊：快速扩张

20、脊：504B孔Hess Deep 慢速扩张脊：慢速扩张脊：Vema破碎带，MARK区735B孔，1309DMAR-Vema破碎带南壁破碎带南壁MAR-Vema破碎带南壁破碎带南壁Auzende et al., 1988 Nautile深潜5次， 2180-5160m1.蛇纹岩2.角闪岩3.辉长岩4.席状岩墙5.玄武岩碎屑6.枕状熔岩7.固结沉积物8.大型正断层9.小断层10.蛤蜊贝壳11.转换断层剪切MAR-Vema破碎带南壁破碎带南壁深潜采样获得两个相距深潜采样获得两个相距5km的平行剖面：的平行剖面： 二者皆从二者皆从5100m开始，在谷底不连续出露地幔橄开始，在谷底不连续出露地幔橄榄岩，

21、榄岩， 然后在然后在4200-3700m之间出现非层状、块状辉长岩，之间出现非层状、块状辉长岩，大约大约500m厚，由富厚，由富Fe、Ti的铁质辉长岩组成，的铁质辉长岩组成， 其上为独立的辉绿岩墙，然后是南北向互相交错其上为独立的辉绿岩墙，然后是南北向互相交错的垂直辉绿岩墙组成席状岩墙复合体，大约的垂直辉绿岩墙组成席状岩墙复合体，大约700-1000m厚，厚， 再向上为玄武质砾岩或枕状熔岩流。再向上为玄武质砾岩或枕状熔岩流。Vema破碎带的代表性？破碎带的代表性？MAR近几年，拖网、钻探和深潜已确认这一基本事实：在MAR的很多地方，与深部地壳辉长岩相关的地幔橄榄岩在轴部带出露，或离轴很近被熔岩

22、流覆盖。大洋钻探和其他岩石样品 快速扩张脊：快速扩张脊：504B孔Hess Deep 慢速扩张脊：慢速扩张脊：Vema破碎带，MARK区735B孔，1309DMARK区区（1981-1992，4次深潜）次深潜） Kane破碎带和破碎带和MAR的左交点的左交点MARK区区 地幔岩被大量的辉长岩岩墙所切割，到处都是平坦的玄武岩盖在深成岩上，或者地幔橄榄岩和辉长岩与玄武岩互层交替出现，二者之间缺少岩墙复合体。大洋钻探和其他岩石样品 快速扩张脊：快速扩张脊：504B孔Hess Deep 慢速扩张脊：慢速扩张脊：Vema破碎带，MARK区735B孔，1309DSWIR-735BSWIR-735B S W

23、 I R 扩 张 速 率 极 慢（1.6-2cm/年）以深裂谷和大量破碎带为特征，拖网获得大量深部岩石样品，占总样品的50%。 735B位于Atlantis II破碎带东壁，与SWIR交错点处以南90km，估计地壳 年 龄 为 1 1 M y r 。(ODP118,1989) The hole was established and in two weeks drilled 500 meters into the oceanic middle crust. A subsequent visit on Leg 176 in 1997 deepened the hole by 1000 meter

24、s. The two legs combined returned a varity of gabbroic rock types, and an unprecedented section through the oceanic crust that shows important distinctions to that of ophiolites. The lithostratigraphy of Hole 735B is extremely complex. Despite the fact that all 1500 meters could be described under t

25、he term gabbro, the inferred intrusive relationships and evolutionary sequence involved in constructing this crustal section are not simple. 735B735B整个柱中分为6个单元： 大部分为单一的橄榄辉长岩，侵入顶部中、粗粒辉长苏长岩，底部被橄长岩以及橄长辉长岩所切割。 该剖面在很多位置有小型微辉长岩侵入体，它们是运移经过未完全固结的橄榄辉长岩粒间岩浆结晶的产物。橄长辉长岩橄长辉长岩 橄榄辉长岩橄榄辉长岩 辉长岩辉长岩 辉长苏长岩辉长苏长岩浸染的浸染的氧化

26、物辉长岩氧化物辉长岩 氧化物氧化物辉长苏长岩辉长苏长岩 氧化物辉长岩氧化物辉长岩 剪切带剪切带 L3特征特征 总之，印度洋735B孔L3辉长岩中完全缺失蛇绿岩中发育很好的层状辉长岩，以连续多次侵入为特征，形成小型侵入体，在封闭结晶分异系统中快速演化。结晶伴随着重要的形变，反映在层3冷却固化的整个过程中活动拉张构造一直存在。慢速扩张脊洋壳结构 慢速扩张脊幕式和不规则的岩浆活动造慢速扩张脊幕式和不规则的岩浆活动造成成不连续、而且极不规则不连续、而且极不规则的地壳结构，的地壳结构，这一点与太平洋极为不同。这一点与太平洋极为不同。 另外，地球物理方法从未在另外，地球物理方法从未在MAR发现地发现地震低

27、速反射体，也进一步支持这一结论。震低速反射体，也进一步支持这一结论。ODP+深潜取样深潜取样 中、快速扩张脊中、快速扩张脊：具有连续地壳结构，以薄：具有连续地壳结构，以薄火 山 层 （ 几 百 米 ） 、 厚 席 状 岩 墙 复 合 体火 山 层 （ 几 百 米 ） 、 厚 席 状 岩 墙 复 合 体（1km1km）和几公里厚的辉长岩覆盖在斜方辉）和几公里厚的辉长岩覆盖在斜方辉橄榄岩上地幔之上为特征。地震的橄榄岩上地幔之上为特征。地震的MohoMoho面对面对应辉长岩和地幔橄榄岩（上部以浸染的纯橄榄应辉长岩和地幔橄榄岩（上部以浸染的纯橄榄岩为代表）之间的过渡，地壳结构可以用强烈、岩为代表）之间

28、的过渡，地壳结构可以用强烈、持续的岩浆活动来解释。持续的岩浆活动来解释。(Perfit, 1994)ODP+深潜取样深潜取样 慢速扩张脊慢速扩张脊：具有不连续的地壳结构。间歇具有不连续的地壳结构。间歇性岩浆活动，加之强烈的构造活动常导致蛇纹性岩浆活动，加之强烈的构造活动常导致蛇纹石化上地幔上涌至远离破碎带的海底。真正连石化上地幔上涌至远离破碎带的海底。真正连续的辉长岩层可能不存在，而代之以多次公里续的辉长岩层可能不存在，而代之以多次公里级大小的岩浆体侵入上地幔。席状岩墙复合体级大小的岩浆体侵入上地幔。席状岩墙复合体虽见于某些地方（虽见于某些地方（Vema FZVema FZ），整体上缺少。），整体上缺少。剩余地幔为二辉橄榄岩，或与之相当。这种情剩余地幔为二辉橄榄岩，或与之相当。这种情况下，地震况下，地震