shisy海隆形成的构造背景和机制

shisy海隆形成的构造背景和机制

全球火山岩活动主要集中在三个地区。第一个是活动的边缘，第二个是大海的中脊系统，第三个是海和洋底的高原，分散于洋盆子的海和物底高原。主要分布在洋太平洋。它在过去10年中再次受到密切关注。这是一个具有中金叶特征的海底构造。1海洋岛屿地潭柱的起源和演化太平洋中、新生代一些海底构造中除洋中脊和转换断层外,典型构造的代表就是一系列类似皇帝—夏威夷海岭大拐弯(Emperor-HawaiianBend)的特征线性构造,由火山岛链组成。因其年代的单向递变规律,曾是Morgan证明板块是运动的重要证据,并由此提出了静态地幔柱的观点;但40年后的今天,这个静态地幔柱模型逐步被动态地幔柱观点所取代。最新年代测定表明,不同岛链拐点处的形成时间不同,皇帝—夏威夷海岭大拐弯点为47Ma(Diakakuji),Tokelau海山的为57Ma,Gilbert脊的为67Ma,Louisville海山的为46Ma,所以,西太平洋这些海山不具有统一的运动学特征,此现象可能有洋底岩石圈的局部伸展作用的影响。也有学者提出海岭移动不仅受板块运动制约,还与热点移动及地幔对流导致地幔柱弯曲有关。由此,人们改变了热点仅反映板块运动的简单认识,提出热点可用来揭示过去洋底地幔对流的形式。由此可见,热点又成为联系深部和浅部相互作用问题的重要研究对象,涉及到脊-柱相互作用,地幔柱到达大洋岩石圈底部后可以被洋中脊以不同的形式俘获,不同海山链拐点年代的不同可能揭示更为复杂的地幔动力学过程,也可能存在地幔内部不同地幔柱融合为一体、或统一运动形式的不同地幔柱融合、或同一地幔柱分裂为二的复杂过程。迄今,对于这些热点的起源,依然存在两种不同学派:一者称为“top-down”的板块驱动机制,就是岩石圈裂解激发了浅地幔减压熔融;另一种称为“bottom-up”,就是热边界层处(约700km或核幔边界处)地幔上涌的地幔柱模式。但也有些热点则与地幔柱没有任何成因联系,如黄石公园。持板块驱动观点的研究者提出,这些海山链大拐弯的动力背景也可能和太平洋板块的重组密切相关。澳大利亚和南极洲板块重建发现,50～53Ma之间发生了一次重大的板块重组,并且,板块—地幔柱系统重组可能是50Ma左右皇帝—夏威夷海岭的大拐弯构造的原因。此外,中生代太平洋板块格局重建一直受到广泛关注,但却没有和洋底高原的研究很好地结合。太平洋底区别于其他海域的典型构造就是大量弥散性、密集性分布的洋底高原和台地,被认为是了解大洋岩石圈内部和下部动力学过程的重要对象。所有上述研究成果都来自20世纪90年代大量的洋底高原和海山的调查,大洋科学钻探计划集中调查研究了印度洋Kerguelen和太平洋OntongJava洋底高原,因为它们是目前大火成岩省(LIPs)中最大、最具代表性的例子。洋底高原的形成机制虽然大同小异,但我们不能确定Shatsky海隆(图1)和OntongJava高原是否具有相同的成因机制。Shatsky海隆、OntongJava洋底高原,连同Magellan海隆、Manihiki海台,都被认为可能起源于南太平洋同一三节点(图3),特别是Shatsky海隆位于随后西北角的三节点位置,地球化学上还具有一些地幔柱特点,并且发育磁条带,这与其他洋底高原多数形成于磁静期不同。因此,它具有很多优势,可以揭示其形成演化是板块驱动机制成因还是地幔柱起源成因。随着钻探技术的进步,DSDP、ODP、IODP已经对Shatsky海隆进行了几个航次的调查,DSDP和ODP航次在Shatsky海隆取心已经有32年的历史。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),钻探点均在南部最高隆起地块Tamu上(图1),其中很多井位只是浅钻。ODPLeg32航次钻到了沉积盖层,恢复了贝里亚斯期(最早白垩纪)沉积物,也就说明Tamu块体形成于晚侏罗或早白垩纪时期。ODPLeg198钻探恢复了Ori地块(井位1208)、Shirshov地块(井位1207)的沉积物。两个井位处,只钻到沉积盖层的上表层,经同位素分析是晚白垩世沉积物。火成岩基底钻探方面,IODP324航次之前只钻到两次。在Leg6航次中,井位50处钻井样品只恢复了一些基底玄武岩的表层;Leg198航次中,Tamu地块西南侧翼处的井位1213,钻探到约46m轻微变形的玄武岩基底。这些玄武岩不仅第一次为Shatsky海隆放射性测年提供了证据,同时,还收集了一些有价值的同位素Nd-Pb-Sr数据。本文作者李三忠参与了2009年9—11月的IODP324航次,目的是为了对Shatsky海隆火成岩基底及其上的沉积物钻探取样,来分析该海隆的形成年龄、火山活动过程、沉积作用、地球化学及构造演化等方面的问题。2日本洋底高原西北太平洋有很多隆起,诸如Hess(赫兹)海隆、Emperor-Hawaii(皇帝-夏威夷)海山、Manihiki(马尼希)海台、OntongJava(翁通爪哇)海台、Magellan(麦哲伦)海隆、Shatsky(沙茨基)海隆等洋底高原。Shatsky海隆是发现的洋底高原中惟一形成于地磁场倒转时期的大型洋底高原,研究它的构造演化对了解其他洋底高原有重要的指示意义。Shatsky海隆位于日本以东约1500km处,高出周边西北太平洋洋盆2～3km;宽约500km,西南方向延伸约1500km。隆起包括南部Tamu、中部Ori和北部Shirshov地块,狭长的Papanin脊,80多个分散的海山。各地块的倾角平缓约1.5°,形成于144～110Ma的晚侏罗—早白垩世。关于它的形成,目前有3种假说:地幔柱头假说、洋中脊构造假说、陨石碰撞假说。2.1热地潭小柱thill-,sq-的发育机制许多研究者认为洋底高原是地幔柱头最直接的表现,皇帝—夏威夷海山的层析成像支持了这一观点。总体形态表现为上部类似蘑菇状的地幔柱头,下部为管状收缩的地幔柱尾,其根深到下地幔深处,故理解洋底高原的形成对理解地幔地球动力学意义重大。地热、地球动力学数据分析证明,Shatsky海隆和地幔柱构造起源可能有关。目前,针对洋底高原和陆地大规模火成岩省(LIPS)形成,广泛接受的解释是地幔柱头假说。假定大规模(直径几百到两千千米)、球形的、上地幔底部或核幔边界区域产生的热底辟结构,隆起到板块基底,当它们冲击岩石圈时引起强烈的火山作用。冠形柱头是因为源自深部的热浮力物质难以快速上升和大规模运移而大量堆积,狭长的尾柱是高温、低黏度地幔物质可以快速上升的通道。在热浮力驱使下,伴随深源热物质的持续供给,热幔柱保持巨大头冠、狭长尾柱形态结构上升。Griffiths和Campbell建立了热幔柱动力模型,岩浆熔体形成于热地幔柱的高温轴部尾柱区,压力条件比冠状柱头稍高。尾柱的大量熔融和熔浆的凝集上升,为热地幔柱的头部区提供地幔岩熔融所需的热源和降低岩浆熔融温度的挥发组分。支持此过程的物质及能量不仅与上地幔软流圈的对流有关,还包括板块大规模整体俯冲穿过上下地幔过渡层,并穿透地幔到达核幔边界,形成全地幔的深循环。地幔柱头假说的简单结构能解释当前的很多发现。再者,地幔柱头在合适的流变学环境下,可以很自然地在数字模拟和实验室试验中发生。由于地球内部不同层位的黏度、密度及压力等因素影响,地幔柱可以是不垂直的,对Shatsky海隆来说,Tamu地块看起来代表了地幔柱头,而Papanin脊有地幔柱尾的特征。2.1.1tami—支持地幔柱头假说的几个特征地幔柱头假说的特征为:大规模的玄武岩高原快速形成及洋岛玄武岩(OIB)的Nd-Sr-Hf同位素特征。另外,地幔柱头和三节点的关系也是一个值得关注的问题。地幔柱的复杂地质史是因为它的热化学作用,而热化学作用又和温度及化学组分引起的密度差异有关。(1)研究者认为Shatsky海隆是地幔柱头大规模喷发形成的火山地块。地幔柱头的快速喷发率,可用来解释Tamu地块的形成规模,火山作用的峰值在短时期(某些陆上大规模玄武岩喷发小于2Ma)发生。1213井位玄武岩和周围海底的磁异常放射性测年表明Tamu地块形成速度在1.2～4.6km3/a之间,最高值甚至超过了新洋壳的形成速度4.2km3/a。此外,估计Tamu高地的最初喷发体积为1.8×106km3,喷发直径约为224～408km,占总熔融体积的5%～30%,与地幔柱头上升流的供给一致。(2)根据对各地块的火成岩基底放射性测年,东北向年龄逐渐减小,同样火成岩分布体积东北向逐渐减小。用地幔柱头假说解释为,随着地幔柱的喷发进程,喷发量越来越少,离Tamu地块越远体积越小。Tamu地块体积为2.4×106km3,Ori地块体积为0.69×106km3,Shirshov地块体积为0.65×106km3,最北部Papanin脊体积为0.4×106km3。(3)在Shatsky海隆形成过程中,地幔柱头假说同样也适用于太平洋-法拉隆-依泽奈崎三节点运动的解释。三节点的稳定性取决于相邻板块的运动方向,RRR型三节点无论洋脊的方向如何都是最稳定的,这是因为速度线是速度向量三角形的垂直平分线,这些线交于一点(三角形内心)。就Shatsky海隆来说,磁异常M22时三节点的运动方向还是稳定的北西向,在磁异常M21时太平洋-法拉隆-依泽奈崎板块三节点的等时线顺时针旋转30°,向东跃迁800km到现今Tamu地块的位置处。是什么原因打破了原有的动力平衡机制,影响了三节点的稳定性?有研究认为地幔柱头、岩石圈上热源和拉力、或脊-柱相互作用是三节点处等时线旋转及东向跃迁800km的潜在原因。当洋中脊靠近地幔柱时,脊柱之间物质通过软流圈相互作用,洋中脊跃迁到地幔柱中心位置引起岩浆喷发,形成大规模的火山岩。喷发过程中引起三节点稳定性破坏,进而跃迁。三节点和地幔柱位置始终耦合在一起,地幔柱的间歇性喷发引起三节点的不断跃迁(图2)。2.1.2sh东南角形成之初的洋脊重组非负氧基因机制然而,很多重要的现象却不能简单地用地幔柱头假说来解释。OIB为热地幔柱岩浆作用的产物,MORB为洋中脊岩浆作用的产物。首先,Shatsky海隆所取得样品中有MORB;其次,Shatsky海隆形成之初异常M21时期的洋脊重组不能确定是何种作用引起的。洋脊重组是因为原先的动力平衡状态被打破,各板块的运动速度发生变化,地幔柱头怎么通过作用于洋脊处的板块边界引起板块速度改变是不清楚的。(1)火山喷发形成机制Shatsky海隆的很多特征及样品数据与地幔柱头的假说一致。它是一个典型,形成于火山的间歇性喷发,开始形成大规模的Tamu地块,结束时形成小体积的Papanin脊。在它们之间的过渡过程中,Ori和Shirshov地块形成。但目前我们能看到岩石圈加热和减薄的证据,却没有直接热地幔柱作用的物质证据。地球化学方面:火成岩的化学及同位素数据对了解洋底高原的形成很重要,它能提供地幔源和岩浆形成环境的关键信息。喷出岩的来源可能有两方面:核-幔边界处的超临界层强烈活动及地幔中的某些因素激发,都能打破原有的平衡和稳定状态,在薄弱处加厚,最终演化成膨胀式的热地幔柱刺穿岩石圈喷发;另外,来自于上下地幔边界处的熔融物质也能通过火山喷发形成玄武岩聚集。Shatsky海隆的熔岩流主要是枕状和块状玄武岩,其间夹杂一些火山碎屑沉积物。根据钻取岩心取得的数据,Tamu地块的U1347和Ori地块的U1350样品类似于洋岛玄武岩(OIB),洋岛玄武岩(OIB)相比N-MORB含有较多的不相容元素及放射性同位素;Shirshov地块U1346、Tamu地块U1348、Ori地块U1349都是拉斑玄武岩(OIB),位于Tamu和Ori高地之间的低海拔海山,Nb-Zr-Y同位素比率也说明是OIB形式的玄武岩,来自于下地幔。IODP324航次之前获得样品中,玄武岩Sr-Nd-Pb同位素比例相差很大,但却更趋近于MORB型式,Nd/Zr和Nb/Y比值也得出相同的结果。除此之外,采集到的Shatsky海隆火成岩样品经恢复得到的玄武岩还不够理想,给地球化学方面的解释带来了很大的困难。因此,鉴于数据的不充分性,Shatsky海隆样品中MORB及OIB型玄武岩均有分布,喷出岩的岩浆来源不明确,也就不能彻底确定是地幔柱头成因。(2)节点地潭柱的形成很多重要的观察数据也不能简单地用地幔柱头模型来解释。地幔柱是地表热及主动上升流的主要来源,可能很容易捕获附近的洋中脊。假定地幔柱在Tamu地块处,距离形成之前的三节点800km,地幔柱如何在这么远的距离处捕获洋中脊,引起三节点的重新定位?即使有其他作用力引起了三节点的跃迁,但地幔柱活动和三节点的板块运动相对独立,很少耦合在一起,因此,洋中脊被地幔柱捕获然后重组只是偶然发生的,有很大的巧合性;另一方面,假定地幔柱任意形成,三节点周围800km范围内地幔柱头明显隆起的可能性只有0.4%。因此,用地幔柱头找到三节点几率极低。除此之外,西太平洋水深和磁条带也说明类似的地幔柱捕获洋中脊的巧合发生。现今太平洋洋底的很多高原都形成于洋中脊重组附近。Shatsky海隆形成以后,Papanian脊呈NNE展布,在43°N弯曲近90°变成170°E的皇帝海山走向。弯曲的西部,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-依泽奈崎三节点东向跃迁经过此处的地幔柱头时喷发形成的。还有麦哲伦高原-中太平洋山脉中最老的部分以及马尼希海台,是沿着太平洋-法拉隆-菲尼克斯三节点轨迹形成的。不依赖洋中脊动力学只用地幔柱头解释这些高原形成同样需要巧合性(图3)。为了解释的合理性,必须以地幔柱和三节点无论何种情况下都相互耦合为前提。2.2sh盐碱山隆下海隆下岩石圈分布对于高原形成的洋中脊假说,三节点可能是关键。太平洋—依泽奈崎洋中脊产生的东北向日本磁条带线和太平洋—法拉隆洋中脊产生的西北向夏威夷磁条带线在Shatsky海隆处相交(图1),这个交叉点表明隆起是形成于三节点处。三节点处洋中脊是强烈上升流集中的位置。这个假说侧重软流圈的地幔底辟结构,相比今天洋中脊系统下的软流圈来说有较低的熔融点(由于当时较高的挥发成分、铁镁质含量)。晚侏罗世到早白垩世时期,太平洋板块大部分位于软流圈异常热的区域上,三节点作用促进了异常可熔地幔的过度熔融,在三节点洋中脊处经火山喷出作用形成隆起。磁条带线的对称分布表明三节点沿着隆起和Papanian脊移动(图3、4),各磁条带的年龄沿NE向逐渐减小,符合洋中脊喷发岩浆的特征:先喷发的岩浆老,后喷发的岩浆新。Shatsky海隆形成过程中,依泽奈崎-法拉隆-太平洋板块洋脊不断调整自己的位置以期达到平衡稳定状态,引起三节点的不断跃迁。图4中U1347恢复的岩心节理的倾向玫瑰花图,该点倾向NE的张节理和NW的剪节理(U1347的节理玫瑰花图),说明Tamu地块当时经历了NE向的拉张作用。张力的方向垂直于周围的磁条带线;同样,U1348处火成岩接触和脉体的玫瑰花图反映两者倾向一致,SSE为优势方位,它反映了岩浆流动的方向,与该井位西北角的磁条带线几近垂直。U1347和U1348井位处的FMS测井资料,可以作为洋中脊假说的可靠证据。然而,U1349处脉体和火山岩接触关系的玫瑰花图中,没有优势方位,表现为辐射状。主应力方向为铅直,可能是地幔柱头的喷发或熔岩流冷却破裂的结果。根据地壳均衡补偿理论,计算出的Shatsky海隆下岩石圈厚度为80～90km,与邻近大洋板块的岩石圈厚度接近;Tamu地块钻孔得到的玄武岩测年为144Ma,和周围的磁条带计算得到的年龄一致,也就是说Tamu地块的形成时间和周围岩石圈相同,证实了洋中脊假说的合理性。磁异常M21—M3时期,三节点的9次跃迁形成大规模喷出作用,Shatsky海隆三大地块形成;非跃迁时期,洋中脊火山作用形成各地块之间的低海拔海山。2.3古太平洋板块动力学要素在发现Chicxulub陨石坑之前,陨石碰撞说就已经提出,随后在大陆上也发现了几个大规模碰撞的位置。此假说曾用来解释OntongJava高原的形成,也用于解释Shatsky海隆MORB型玄武岩的形成,陨石碰撞引起岩石圈裂开导致下伏地幔的大量减压熔融,经火山作用喷发产生MORB型的洋壳。但陨石碰撞不能解释在异常M21时太平洋—依泽奈崎洋中脊旋转30°后重新定位,对冲击区周围预期产生的大范围的海底破坏也缺乏证据。在Shatsky海隆形成的中生代时期,古太平洋板块在俯冲方向、速度、角度等动力学要素上随时间是不断变化的。Engebretson和Maruyama等根据古地磁数据,提出中侏罗世时(180MaBP),东亚大陆东部的依泽奈崎(Izanagi)板块低速(4.7cm/a)正向俯冲于东亚大陆之下。到早白垩世初期(140MaBP),由于某种力的作用,依泽奈崎板块突然改变了运动方向和速度,以30cm/a的高速度向正北斜向俯冲于东亚大陆之下。总之,Shatsky海隆的形成明显与板块速度改变及洋中脊三节点重组有关。太平洋中的很多隆起可以用板块边界处和异常熔融地幔上涌的岩石圈应力变化引起的火山作用解释,而不需要三节点和地幔柱的始终耦合。晚侏罗世到早白垩世时期,太平洋—依泽奈崎洋中脊顺时针旋转30°及东向跃迁800km与古太平洋板块运动的方向和速度改变有关。不管哪种假说,都要以地球内部物质和能量循环为前提。目前,支持或反对任何一个假说的证据都是不完全的,且大部分是间接的证据,因此,各假说都需要更多的证据来支撑。3sh东南角的火山作用Shatsky海隆形成于磁性反转期,位于西北太平洋两组磁条带位置的汇合区,两条磁条带为东北走向的日本磁条带和西北走向的夏威夷磁条带(图1)。Shatsky海隆磁条带这样的展布格局表明高原形成于三节点处,三节点把太平洋、法拉隆和依泽奈崎板块分离(图2)。西北太平洋一些其他的高原也形成于三节点处(图3),因此Shatsky海隆可能代表了一系列与洋中脊作用相关的高原,并且,地震地层学和均衡补偿都表明该隆起的年龄和邻近的洋壳年龄相近,暗示三节点和隆起形成是有联系的。根据热流数据、磁条带和钻井岩心同位素测年,推算Shatsky海隆形成于约144MaBP,也就是晚侏罗世到早白垩世时期。IODPExp324钻井得到的数据分析,除了U1350,其他钻孔得到的有孔虫和浅海沉积物说明在Shatsky海隆形成初期,火山作用的顶点在海平面或海平面之上,也就是说当时太平洋还是一片浅水区。Shatsky海隆火山作用的体积和年龄与三节点轨迹吻合很好。随着离Tamu地块越来越远,隆起体积越来越小。估计隆起的Tamu地块体积为2.53×106km3,Ori为0.69×106km3,Shirshov为0.65×106km3,隆起最北部的Papanin脊为0.41×106km3,Papanian脊东部分布着体积更小的散布海山。年龄随着离Tamu地块距离加大明显减小,井位1213处,基底年龄是144.6Ma,与磁异常M19接近,表明Tamu的大部分地块的年龄为144Ma。Ori和Shirshov地块、Pananin洋中脊的年龄比Tamu地块要小,Ori和Shirshov地块下最年轻的磁异常为M14(140Ma),Pananin洋中脊形成于磁异常M10和M1(134～125Ma)之间。另外,通过磁条带的分布情况,可以看出在磁异常M22之前,几何学上稳定的三节点西北向移动。在磁异常M21时期,太平洋—依泽奈崎洋中脊的磁条带等时线旋转30°,RRR三节点的稳定性受到破坏,导致微板块形成及三节点东向跃迁800km到现在Tamu地块位置(图2)。直到磁异常M3(126Ma),Shatsky海隆沿着三节点运动轨迹形成(图2和3)。在这个时期内,三节点重复跃迁了至少9次。由图4可看出Shatsky海隆3个主要的火山地块两侧均平行于扩张脊和转换断层,除此之外,Papanian脊东部Ojin隆起海山的NW—SE向分布也平行于当地的磁条带。这些观察表明,隆起火山作用是三节点跃迁时候发生的。4热点扩张脊影响下的地禾柱—可能的地幔柱和洋脊的相互关系假设洋中