南海海盆残留扩张中心地壳速度结构对比及构造意义

南海西北、西南和东部3个次海盆停止扩张之后都存在岩浆活动,扩张中心有多个海山.为了研究海山和扩张中心的地壳结构特征,本文使用穿越南海西北次海盆扩张中心的广角地震剖面(测线OBS 2006-p1),针对海盆区域,通过P波二维地震射线追踪正演,获得了西北次海盆垂直扩张方向的深部速度结构,讨论了西北次海盆及其扩张中心深部地壳结构特征;并结合南海东部次海盆和西南次海盆横穿扩张中心的海底地震仪(ocean bottom seismograph,OBS)剖面,对不同海盆的地壳结构进行了对比研究,获得了扩张后期岩浆活动对洋壳改造的新认识:(1)发现西北次海盆地壳具有明显的洋壳性质,莫霍(Moho)面埋深为11~12 km(从海平面起算),地壳厚度为6~8km,速度为5.7~7.0 km/s.扩张中心轴部双峰海山为西北次海盆扩张之后岩浆活动的产物;(2)西北次海盆、东部次海盆、西南次海盆东北部沿垂直扩张脊方向地壳速度结构均有明显的横向变化,在扩张中心处都表现为洋壳厚度增大约1 km,莫霍面埋深增大,表明后期岩浆活动对地壳结构有较大的改造作用.     

用火山岩制约南海的形成演化:初步认识与研究设想

同其他边缘海相比,南海海山众多,且分布广泛,记录了南海演化以及相关深部过程的重要信息.南海及邻区的火山作用可分成3期:南海张开之前(pre-spreading,>32Ma),张开期间(syn-spreading,32～16Ma)和张开期后(post-spreading,<16Ma).南海张开之前的岩浆活动(64～35Ma)主要局限在南海北缘和华南沿海一带,以双峰式火山岩为基本特征.南海扩张期岩浆活动在南海周边的分布非常少见,而主要分布于南海海盆,但由于海盆中沉积物非常厚,至今未获得该期岩浆的样品.南海扩张期后的岩浆活动广泛分布于中央海盆、西南次海盆、海南岛、雷州半岛、泰国、越南等地,以碱性玄武岩为主,少数为拉斑玄武岩,具有OIB地球化学特征,源于DM-EM2之间的混合地幔源,显示DUPAL同位素异常;火山岩中橄榄石斑晶的Fo含量达90.7%,表明火山岩可能是海南地幔柱活动的产物.南海及邻区新生代火山岩的时空分布可能与南海扩张过程中洋中脊对地幔柱的抽吸作用(ridge suction)有关,如是,南海海盆火山岩可能不是典型的MORB.但令人费解的是,华南大陆边缘-南海海盆的过渡带不具备火山裂解边缘(volcanic rifted margin)的特点.显然,地幔柱活动与南海张开之间的关系尚需进一步的研究.在南海重大研究计划的实施过程中,只有有效规划和组织海底火山岩样品的采集,并加强火山岩成因和深部动力学研究的联系,才能阐明深部过程与南海张裂演化之间的联系.     

东南印度洋中脊地质构造特征及研究进展

东南印度洋中脊(Southeast Indian Ridge, SEIR)是印度洋中扩张速度最快的洋中脊,由SEIR增生的洋壳占印度洋总面积的50%以上,它是塑造印度洋现今构造格局的关键要素.相对西南印度洋中脊和西北印度洋中脊, SEIR具有更复杂的地质构造特征和演化过程.综合SEIR及邻区海底高原的地形地貌特征、重磁异常特征和玄武岩地球化学特征,探讨了SEIR的分段、洋中脊演化过程和地幔不均一性,以及板内火山作用与洋中脊的成因关系等.本文将有助于深入理解东南印度洋区域的构造演化历史,全面理解整个印度洋的洋中脊系统和大地构造格局,增进对冈瓦纳大陆裂解和印度洋演化过程的认识.初步研究认为东南印度洋区是多期洋中脊演化的结果,经历了北西向扩张、南北向扩张直至北东向扩张的三期洋壳增生过程.东南印度洋脊下的地幔源区存在不均一性,尤其是阿姆斯特丹-圣保罗海底高原和澳大利亚-南极错乱带两个区域.东南印度洋中的海底高原与热点火山作用密切相关,同时部分存在热点-洋脊相互作用或残留陆壳物质的影响.     

南海西南海盆的渐进式扩张

在总结渐进式扩张基本特征的基础上,通过对南海西南海盆的高分辨率多波束构造地貌分析及其与多道地震剖面的综合对比研究,结合磁条带异常的识别,建立了西南海盆渐进式扩张的构造演化动力模式.这种渐进式扩张从北东向西南逐步推进,在构造机制上表现为从稳态的海底扩张,到非稳态的初始海底扩张,再向陆缘张裂的逐步转化.西南海盆的扩张属构造主导型的海底扩张,存在一系列非均匀的构造、沉积作用现象.     

南海西南次海盆海底地震仪天然地震观测及ScS波分裂

简要介绍了南海西南次海盆OBS3D地震探测台阵,整理并详细分析了宽频带OBS的天然地震记录,结果表明共记录了Ms6.0～6.9地震93个,Ms7.0以上地震10个,数据质量较好,特别是2011年3月11日日本仙台以东海域发生的Ms9.0大地震.对4次Ms7.0以上地震的ScS波进行了各向异性反演,结果表明西南次海盆的快S波偏振方向N58°E平行于已停止活动的扩张脊(慢波方向S35°E垂直于扩张轴),说明西南次海盆的扩张脊现今处于挤压应力状态,反映了南海南部边缘的碰撞格局和洋脊停止扩张的动力学原因.     

超慢速扩张洋中脊NTD的蛇纹石化地幔:海底广角地震探测

非转换断层不连续(NTD)在超慢速扩张洋中脊高频度出现,其地壳速度结构与相邻的岩浆扩张中心(NVR)差别明显.结合表层断层多和减薄的地壳,说明NTD在超慢速洋中脊扩张理论、热液活动甚至矿产资源方面有十分重要的意义.本文使用2条海底广角地震测线的数据,使用射线追踪正反演的方法,获得了西南印度洋中脊28~29扩张段之间NTD下方的地壳及上地幔速度结构.结果表明:(1)NTD下方地壳较薄(3.2~4.5 km),洋壳层2厚约2.0 km,洋壳层3较薄(1.0 km)甚至缺失;(2)洋壳层2表层速度横向差异大,表明存在较多断裂;(3)洋壳层3出现低速区,成因可能是受浅部大断裂或地幔蛇纹石化作用影响;(4)上地幔顶部速度存在低速异常(7.2 km/s),结合NTD地壳较薄(5 km)和表层断裂多的特征,认为是上地幔发生大规模蛇纹石化作用导致低速,为进一步理解和区分莫霍面与蛇纹石化前缘(Serpentinization Front)提供了一个很好的例证.     

“岩浆引擎”与板块运动驱动力

从能量的角度看,地球内部的热是驱动板块运动的主要能量.热能要转化为动能需要集中有序释放.在地球上,热能最主要的集中有序释放发生在洋中脊岩浆作用过程中.根据"岩浆引擎"模型,在洋中脊不断形成新洋壳,新洋壳轻而薄,老洋壳厚而重,致使整个板片斜置于软流圈上,产生下滑力,导致洋中脊不断扩张,形成新洋壳并推动俯冲带老洋壳的消亡,从而驱动板块运动.地幔柱岩浆活动是"岩浆引擎"的另一种表现形式.大的地幔柱头会引起上覆岩石圈受热,与大量上涌的岩浆共同作用,在其中心部位产生千米级的隆升,从而导致地壳局部大幅度的倾斜,产生向外的下滑力.当下滑力足够大时,岩石圈拉张破裂,向两边推挤扩张,同时远端洋壳在薄弱地带挤压破裂,产生板块俯冲.这是板块运动最初起始和"岩浆引擎"的点火器.在板块构造体制下,板块俯冲起始有两种主要形式,自发俯冲和诱导俯冲.自发俯冲起始往往发生在老洋盆,通常产生双向俯冲;诱导俯冲起始则往往发生于年轻洋盆,通常产生单向俯冲.新特提斯洋的多次单向俯冲闭合是诱导俯冲起始所致."岩浆引擎"主要作用于与洋中脊和地幔柱相关的板块.其他板块构造运动的能量主要来自于板块相互作用.     

追踪边缘海的生命史:“南海深部计划”的科学目标

国家自然科学基金重大研究计划"南海深部过程演变"简称"南海深部计划",于2011年年初启动,是我国海洋科学第一个大规模的基础研究项目.它以"构建边缘海的生命史"为主题,从现代过程和地质记录入手,解剖一个边缘海的发育史,从深海盆演化、深海沉积、生物地球化学过程3方面开展研究.在海盆演化方面,要利用现代技术重新测定南海磁异常条带,探测深部结构,争取钻探大洋壳,系统研究火山链;在深海沉积方面,要观测现代深部海流和海底沉积过程,实现深海过程研究的古今衔接,从深海沉积中提取边缘海古海洋学演变的信息;在生物地球化学方面,采用包括深潜探测在内的各种手段,认识海底溢出流体与井下流体的分布与影响,揭示微型生物在深海碳循环中的作用.与开放大洋和其他边缘海相比,南海具有研究海盆生命史的一系列优势;同时,南海的研究还将为理解亚洲和太平洋相互作用的变化提供无可替代的重要信息.     

中新世全球重要事件及其意义:数据挖掘的启示

GEOROC(Geochemistry of Rocks of the Ocean-sand Continents)是大陆和海洋岩石的地球化学数据库,利用该数据库着重研究了全球新生代汇聚边缘安山岩和玄武岩、裂谷安山岩和玄武岩、洋岛安山岩和玄武岩、埃达克岩等岩浆岩的时空分布特征.结果表明,全球岩浆活动或在中新世开始活跃,或在中新世达到巅峰状态.形成于不同构造环境的岩浆岩具有不同的地质意义:汇聚边缘岩浆岩发育,暗示板块俯冲作用强烈;裂谷岩浆岩大量喷发,表示发育与板块扩张有关的岩浆活动;洋岛岩浆岩迅速增加,指示下地幔异常活跃;埃达克岩广泛分布,表明许多地方受到构造挤压作用,导致地壳加厚.由此推测,全球在中新世可能发生了一次重大的、全球性的岩浆事件.除此之外,全球中新世还发生了一系列重要事件,如青藏高原的隆升及黄土高原的形成、安第斯的抬升、地中海的干涸、全球荒漠化以及西太平洋边缘海盆的发育等.岩浆活动与构造运动通常是相伴而生的,二者间的相互作用改变了古地理、古气候、古环境.中新世剧烈的岩浆活动与构造活动相互作用可能导致地壳加厚或隆起,形成的山脉、高原改变了原有的地形地貌,影响了大气环流,从而改变了地表环境.因此,研究中新世岩浆-构造-气候-环境之间的相互关系,可能是目前和未来一个需要地学工作者长期探索的课题.此外,随着大数据技术的不断发展,科学研究也逐渐步入大数据时代.从全体数据出发,探讨数据之间的关联关系,或许为今后的科研工作提供了一个新的思路.     

新特提斯单向俯冲的动力学机制

新特提斯洋向北单向俯冲的机制涉及两个核心问题,分别是南侧冈瓦纳被动大陆的不断裂解和拼贴到欧亚大陆南缘陆块诱发的俯冲起始.本文统计了大火成岩省的分布规律,发现200～80 Ma期间,与地幔柱相关的大火成岩省主要分布于南半球,暗示该时期南半球地幔温度高于北半球地幔温度.在南北半球地幔温差和地幔柱/大火成岩省作用下,引起上覆岩石圈抬升、破裂,结合新特提斯洋的北向俯冲,共同诱发冈瓦纳大陆的多期裂解.由于南北半球地幔温差会造成地幔柱头岩浆向北扩散并与新特提斯洋中脊发生相互作用,在特殊情况下,会引发原来大洋中脊的堵塞和跃迁,形成新的洋中脊,促进了陆块不断向北漂移.在古特提斯洋闭合后洋壳持续俯冲引发的应力作用下,欧亚大陆南缘具有高含水特性的洋陆过渡带率先破裂并产生向北的俯冲起始.驱动新特提斯大洋岩石圈持续向北俯冲的动力,除俯冲板片的拖曳力/重力外,还应该包含南半球高地幔温度和洋中脊产生的向北推力.     

上地幔中的岩浆混合作用: 东太平洋海隆13°N附近玄武岩高Mg# 橄榄石内熔体包裹体证据

洋中脊玄武质岩浆中早期结晶产物: 高Mg#橄榄石常捕获有早期熔体, 从而形成熔体包裹体. 这些熔体包裹体记录了岩浆早期演化的重要信息. 本研究获得的东太平洋海隆(EPR) 13°N附近5个站位玄武岩具有很小的K/Ti (0.07~0.12), Tb/Lu (1.72~1.84), Sm/Nd (0.310~0.332)变化范围和相似的稀土元素配分型式, 说明亏损上地幔源区具有相似的矿物组成. 结合前人的Sr和Nd同位素分析结果表明这些玄武岩未经受明显的洋壳混染作用. 通过对校正橄榄石分异和“铁丢失”作用后获得的65个初始熔体包裹体组成分析, 表明这些熔体包裹体具有较寄主玄武岩高的MgO含量, 因此, 可能是寄主岩浆早期不同演化阶段的产物, 从而能够指示岩浆较早期阶段的演化过程. 寄主玄武岩尚处于橄榄石+斜长石共结结晶阶段, 但熔体包裹体具有较寄主玄武岩更高的CaO/Al₂O₃比值, 且该比值与MgO正相关和Na₂O负相关的事实表明寄主玄武岩经历了较高压下的单斜辉石结晶分异. 同时, 根据单斜辉石结晶和熔体包裹体液相线组成计算其平均结晶压力为(0.83±0.25) GPa, 说明这些熔体包裹体平均捕获于洋底以下~24 km左右的上地幔中. 熔体包裹体的Ca₈/Al₈, Na₈与Fe₈ 之间良好的负相关性, 及其明显高于寄主玄武岩的Ca₈/Al₈, Na₈, Fe₈和K/Ti变化范围, 显示这些熔体包裹体形成于不同熔融程度和深度的岩浆混合作用. 另外, 根据寄主玄武岩和熔体包裹体Ca₈/Al₈, Na₈, Fe₈和K/Ti的变化范围和平均值, 这些玄武质岩浆仍需要在洋壳中经历其他组成端元的岩浆混合作用. 由此可见, 洋中脊玄武岩斑晶内熔体包裹体组成的多样性并不都反映岩浆在洋壳内的混合和结晶作用, 形成于上地幔压力下的橄榄石中熔体包裹体不能直接与其他矿物斑晶中熔体包裹体共同用于指示洋壳内的岩浆过程. 本次高Mg#橄榄石中熔体包裹体研究证明东太平洋海隆下部地幔中的确存在不同来源深度和熔融程度的岩浆混合作用.     

西藏吉定蛇绿岩中辉长岩SHRIMP锆石U-Pb年龄

雅鲁藏布缝合带吉定蛇绿岩中的均质辉长岩与堆晶辉长岩呈过渡关系, 是研究区特提斯洋壳轴下岩浆房过程的产物. 对其进行SHRIMP锆石U-Pb定年, 得出加权平均年龄为128 ± 2 Ma(2σ, MSWD = 0.71), 即辉长岩结晶年龄. 该结果代表了吉定地区特提斯洋海底扩张的时代, 与中段大竹卡洋盆形成时代一致, 但晚于东段和西段洋盆发育时代, 表明藏南日喀则地区洋盆时代相当, 而整个东特提斯洋盆发育消亡时代存在差异.     

南海北部大陆边缘深部地热特征

分析南海北部大陆边缘实测大地热流值,表明：该区热流背景高,但地壳热流在地表热流中所占比例不超过３５％,沿北部陆缘向南部中央海盆方向,大地热流逐渐升高,而地壳热流在大地热流中所占比例却逐渐衰减,研究认识,该区地表高热流背景与软流圈热物质上涌产生的高热异常有关。     

新月亮观

1969~1974年间阿波罗探月计划的成果是建立了月球岩石成因的一个模型. 该模型忽视了气体和碱金属在月球玄武岩浆喷涌时有选择挥发的可能性, 而且也忽略了喷发玄武岩的平均组成是低压条件下斜长石饱和的低共熔熔体的组成这样一个事实. 该事实清楚地表明, 喷发玄武岩不是原生的岩浆. 这些玄武岩可能经历了月壳内, 或者在现已固化成月海的大熔岩湖中, 辉长岩分异的演化. 岩浆洋和斜长石漂浮形成月壳的现有模型只是基于玄武岩是原生岩浆的不正确假定. 斜长石漂浮假说要求高地月壳存在明显的Eu正异常, 这曾被声称为一个发现. 但是, 不管是用原有的还是现在更多的数据, 均不能给出这种正异常. 本文提出一些至关重要的观测以及将推动该争议的有关实验, 并描述了新的模型.     

南海北部深水盆地的裂陷过程及裂陷期延迟机制探讨

依据最新地震地质资料利用回剥法计算了南海北部深水区3条测线的构造沉降量. 结果显示研究区不同于典型的被动陆缘盆地, 虽然南海于32 Ma开始扩张, 但陆缘盆地的构造沉降速率此时没有减小反而增大, 23 Ma左右才显著减小, 暗示裂陷作用一直持续到约23 Ma才结束, 地层厚度资料同样反映出这一现象, 即裂陷期出现了延迟, 热沉降开始时间滞后. 认为形成该现象的机制可能有3个: (1) 南海北部陆缘的岩石圈强度很弱, 塑性相对较强, 对南海扩张造成的应变衰减反应延迟; (2) 岩石圈分层独立伸展的差异性可能也是导致裂后热沉降滞后的原因; (3) 南海扩张脊在24~21 Ma之间的向南跃迁及对应的海底扩张增速事件进一步诱发了研究区23 Ma左右大规模裂后热沉降的开始.     

西南印度洋脊49°39′E热液区硫化物烟囱体的矿物学和地球化学特征及其地质意义

2007年1～3月中国大洋19航次首次在超慢速扩张的西南印度洋脊(SWIR)49°39′E发现了活动的海底热液区,这是世界上在超慢速扩张洋中脊发现的第一个活动热液区.本文对获取的硫化物烟囱体样品进行了矿物组构特征、主微量及稀土元素分析.结果表明:(1)烟囱体内部以黄铜矿为主,含少量黄铁矿和闪锌矿;中部以黄铁矿为主,含有少量闪锌矿和黄铜矿;外部以黄铁矿和闪锌矿为主,黄铜矿量较少.从烟囱体内部到外部,矿物晶粒变小,晶形变差,矿物间孔隙逐渐发育,与东太平洋海隆和大西洋中脊等其他洋中脊硫化物烟囱体的矿物组成和特点类似;(2)研究区硫化物烟囱体Cu,Fe,Zn的平均含量分别为2.83%,45.6%,3.28%;Au和Ag的平均含量分别为2.0和70.2ppm,同其他洋中脊硫化物的元素含量相比较富集;(3)研究区的硫化物烟囱体REE具有轻稀土富集、重稀土亏损的配分特点,多数样品呈现负Eu异常,与典型无沉积物覆盖大洋中脊硫化物不同,可能与该区特殊的成矿环境或者热液流体组成特征有关.     

海南岛洋中脊型变质基性岩:古特提斯洋壳的残片?

海南岛昌江－琼海断裂带北侧的屯晨星农场和昌江邦溪农场地区有大量的变质基性岩呈透镜状的断片产于古生界地层中青这些变质基性岩在化学成分上类似于拉斑玄武质岩石,但高度亏损Ｔｈ,Ｎｂ,Ｔａ和轻稀土元素,与亏损的洋中脊武岩类似根据野外地质关系推测这些变质基性岩可能形成于古生代,可能是古特提斯洋壳的残片。     

西藏改则南拉果错蛇绿岩中斜长花岗岩锆石SHRIMP U-Pb年代学及其成因研究

班公湖-怒江蛇绿岩带西段改则南拉果错蛇绿岩中的斜长花岗岩野外地质、岩相学、岩石学、地球化学和锆石组成综合研究表明, 拉果错斜长花岗岩为洋壳运移过程中含水条件下辉长质岩石剪切深熔作用形成的, 该类斜长花岗岩锆石年龄代表了与洋壳扩张时代同期或者稍晚于洋壳扩张时代的洋盆扩展时代. 拉果错斜长花岗岩锆石SHRIMP U-Pb年龄为(166.6 ± 2.5) Ma, 这一结果表明在班公湖-怒江蛇绿岩带西段存在中侏罗世洋盆.     

干的基性大陆下地壳部分熔融: 对Ｃ型埃达克岩成因的制约

C型埃达克岩通常被认为是基性下地壳高压下石榴子石残留时的部分熔融产物, 其依据主要来自含水玄武质岩石在高压下部分熔融的实验结果. 但是因为大陆基性下地壳一般不含大量的水, 这些含水实验的结果不能用来说明干的下地壳的熔融过程. 由于目前尚缺乏关于干的基性岩石部分熔融的系统的实验数据, 本文用MELTs程序来模拟干的基性下地壳在1~2 GPa下的部分熔融. 模拟和实验资料均表明, 无论压力如何变化(1~3 GPa), 熔融比例超过20%时, 干的基性下地壳大比例部分熔融不能产生C型埃达克岩的高硅含量(~70%). 虽然1~2 GPa时, 文献中有限的几个干的基性岩石熔融实验结果显示, 低比例熔融(<10%)不能产生高硅的岩浆, 但是MELTs程序模拟显示压力高于1.8 GPa时, 如果熔体的SiO2含量主要由残留的石榴子石控制, 低比例熔融则可以产生少量高K₂O/Na₂O的英安质熔体. 模拟进一步说明, 压力低于1.8 GPa时, 大量斜长石在残留相的存在使得熔体的SiO2 (<62%)远远低于中国东部出露的高硅C型埃达克岩. 考虑到产生高硅熔体需要的高温和深度以及极端亏损重稀土的性质, 我们推测这种熔体很容易受到其他壳源岩浆的混染, 这可能导致在地表出露的真正的由榴辉岩熔融形成的C型埃达克岩非常有限. 高Sr/Y和La/Yb可以由包括石榴子石作用的多种因素(产生例如继承源区和单斜辉石分异), 因此用这两个指标判别是否为埃达克岩是有问题的. 我们提出强烈的中重稀土分异(例如高的Gd/Yb)以及高度右倾的稀土元素分配模式可能是判别石榴子石的作用以及埃达克岩的更好的指标. 另外, 由于熔体的Eu异常取决于源区性质, 岩浆体系的氧逸度, 以及斜长石和基性矿物之间的比例, Eu异常不能简单地用来指示斜长石在岩浆过程中的作用.     

干的基性大陆下地壳部分熔融:对C型埃达克岩成因的制约

C型埃达克岩通常被认为是基性下地壳高压下石榴子石残留时的部分熔融产物,其依据主要来自含水玄武质岩石在高压下部分熔融的实验结果.但是因为大陆基性下地壳一般不含大量的水,这些含水实验的结果不能用来说明干的下地壳的熔融过程.由于目前尚缺乏关于干的基性岩石部分熔融的系统的实验数据,本文用MELTs程序来模拟干的基性下地壳在1～2GPa下的部分熔融.模拟和实验资料均表明,无论压力如何变化(1～3GPa),熔融比例超过20%时,干的基性下地壳大比例部分熔融不能产生C型埃达克岩的高硅含量(～70%).虽然1～2GPa时,文献中有限的几个干的基性岩石熔融实验结果显示,低比例熔融(10%)不能产生高硅的岩浆,但是MELTs程序模拟显示压力高于1.8GPa时,如果熔体的SiO2含量主要由残留的石榴子石控制,低比例熔融则可以产生少量高K2O/Na2O的英安质熔体.模拟进一步说明,压力低于1.8GPa时,大量斜长石在残留相的存在使得熔体的SiO2(62%)远远低于中国东部出露的高硅C型埃达克岩.考虑到产生高硅熔体需要的高温和深度以及极端亏损重稀土的性质,我们推测这种熔体很容易受到其他壳源岩浆的混染,这可能导致在地表出露的真正的由榴辉岩熔融形成的C型埃达克岩非常有限.高Sr/Y和La/Yb可以由包括石榴子石作用的多种因素(产生例如继承源区和单斜辉石分异),因此用这两个指标判别是否为埃达克岩是有问题的.我们提出强烈的中重稀土分异(例如高的Gd/Yb)以及高度右倾的稀土元素分配模式可能是判别石榴子石的作用以及埃达克岩的更好的指标.另外,由于熔体的Eu异常取决于源区性质,岩浆体系的氧逸度,以及斜长石和基性矿物之间的比例,Eu异常不能简单地用来指示斜长石在岩浆过程中的作用.