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Journal of Tropical Oceanography >

2017 , Vol. 36 >Issue 6: 1 - 11

DOI: https://doi.org/10.11978/2016119

Magmatic and tectonic extension at the Southwest Indian Ridge between 14#cod#x000b0;E and 25#cod#x000b0;E

  • ZHA Caicai , 1, 3 ,
  • LIN Jian , 2, 1
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  • 1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
  • 2. Department of Geology and Geophysics, Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA 02543, USA
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Corresponding author: LIN Jian. E-mail:

Received date: 2016-11-19

  Request revised date: 2017-02-02

  Online published: 2018-01-18

Supported by

Chinese Academy of Sciences Project (QYZDY-SSW-DQC005, Y4SL021001, YZ201325, YZ201534)

National Natural Science Foundation of China (91628301, U1606401, 41676044)

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热带海洋学报编辑部
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Abstract

In this study we used the high-resolution shipboard multibeam bathymetry and gravity data to investigate the tectonic and magmatic characteristics of the Southwest Indian Ridge (SWIR) between 14#cod#x000b0;and 25#cod#x000b0;E. First, we filtered the original bathymetry to obtain a short-wavelength bathymetry map (wavelength less than 20 km), which was used together with the topographic slope map to identify surface normal faults. We also obtained a long-wavelength bathymetry map (wavelength more than 20 km) that was used to calculate across-ridge axis topographic relief. We also calculated the fraction of plate separation accommodated by magmatic accretion, i.e., the M factor. We then calculated the Residual Mantle Bouguer Anomaly (RMBA) by removing from the free-air gravity anomaly the gravitational effects of water/crust and crust/mantle interfaces as well as lithospheric plate cooling, assuming a reference crustal thickness of 6 km. Finally, we calculated the M factor, the mean values of RMBA, and fault throws within 10-km- wide running windows along profiles across the ridge axis and investigated the correlations among these parameters. We found that the magma supply varied significantly in time and space at the SWIR between 14#cod#x000b0;and 25#cod#x000b0;E and the axial relief showed strong asymmetry between conjugate ridge flanks that seemed to be controlled by the mean M factor near the ridge axis. Regionally-averaged tectonic extensional strains (i.e., 1-M) were about 20%~50% and the southern flank underwent greater average tectonic extensional strains. Areas with thicker crust (i.e., more negative RMBA) are often associated with greater M values and smaller fault throws, indicating episodes of increased local 3D magma supply at this ultraslow spreading ridge.

Key words： Southwest Indian Ridge; tectonism; magmatism; M factor; multibeam bathymetry; Residual Mantle Bouguer Anomaly

Cite this article

ZHA Caicai , LIN Jian . Magmatic and tectonic extension at the Southwest Indian Ridge between 14#cod#x000b0;E and 25#cod#x000b0;E[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2017 , 36(6) : 1 -11 . DOI: 10.11978/2016119

大洋中脊是一种扩张型的板块边界, 海底扩张使得新的岩石圈在洋脊处不断增生。过去几十年的海底调查发现, 不同的洋脊有着不同的扩张速率及其相应的地形地貌特征。以东太平洋洋隆(East Pacific Rise, 简称EPR)为代表的快速扩张脊(全扩张速率~80~180mm#cod#x000b7;a-1), 总体表现为轴部隆起(~100~400m高), 脊轴(ridge crest)通常具有线性延伸的小洼陷(~10m深), 洋脊两翼地形相对平缓, 主要由一系列与正断层伴生的且与洋中脊走向平行的海底丘陵(abyssal hills)构成, 其高度一般为几十到上百米(Heezen, 1960; Fornari et al, 1998)。以大西洋洋脊(Mid-Atlantic Ridge, 简称MAR)为代表的慢速扩张脊(全扩张速率~20~55mm#cod#x000b7;a-1), 轴部表现为中央裂谷, 洋脊两翼与海底丘陵伴生的正断层断距可高达几百米, 甚至上千米(Ballard et al, 1977; Macdonald, 1982)。早期的研究一般认为扩张速率控制了洋中脊系统的地形地貌以及构造特征。但是随着对大洋中脊研究范围的扩大以及研究程度的加深, 发现在过渡型的洋中脊, 如中速扩张(全扩张速率 ~55~70mm#cod#x000b7;a-1)的东南印度洋脊(Southeast Indian Ridge, 简称SEIR), 洋中脊地形特征虽然在整体上表现为快速向慢速过渡的形态, 轴部一般为裂谷, 两翼是呈线性排列的海底丘陵(Goff et al, 1997; Shah et al, 1998)。然而在东南印度洋脊的局部区域, 洋中脊地貌沿着脊轴走向发生巨大变化, 最明显的例子就是澳大利亚#cod#x02014;南极洲不吻合带(Australian- Antarctic Discordance, 简称AAD), 此处的中速扩张脊同时具有快速-中速-慢速扩张脊的地貌特征, 两翼的断层特征也随之发生相应的变化(Semp#cod#x000e9;r#cod#x000e9; et al, 1991; Okino et al, 2004)。因此扩张速率可能不是控制洋中脊的地貌以及断层特征的唯一因素。
自20世纪80年代末开始, 研究人员就洋中脊脊轴裂谷的形成、正断层以及低角度拆离断层的形成过程及其控制因素等一系列问题展开了深入研究。研究认为在慢速扩张脊较低的岩浆通量所产生的低热流效应加上热液冷却效应, 使其岩石圈较之快速洋中脊更厚, 而越厚的岩石圈可以承受越大的动态应力, 所以在慢速中脊出现非均衡的脊轴裂谷, 而在快速中脊出现均衡较好的轴部隆起(Tapponnier et al, 1978; Lin et al, 1989; Chen et al, 1990a, b)。后续的进一步观测和模拟结果发现, 在中速和慢速扩张脊的单个洋脊段中, 洋脊段的中间部分相比于其两端, 岩浆作用更为集中, 洋壳更厚, 岩石圈更薄, 裂谷更浅, 两翼的正断层间距和断距都更小(Kuo et al, 1988; Lin et al, 1990, 1992; Shaw, 1992; Shaw et al, 1993, 1996; Escart#cod#x000ed;n et al, 1999)。在Shaw等(1993)最初的模型中, 构造作用与岩浆作用的比值被认为是控制洋中脊系统中正断层产生的一个重要因素, 这一想法将岩浆作用、断层产生以及脊轴形态有机地联系在一起。后来在这一概念的基础上发展起来的M值, 被定义为岩浆作用在整个扩张作用中所占的比例(剩余部分为构造作用), 被认为是控制洋中脊轴部的地貌以及正断层的断距和间距等特征的重要因素(Buck et al, 1998, 2005; Behn et al, 2008; Ito et al, 2008; Tucholke et al, 2008)。
前人基于M值开展的实际观测工作大多集中于慢速和中速扩张脊, 主要用于对比洋中脊两翼构造拉伸的不对称性(Escart#cod#x000ed;n et al, 1999; Macleod et al, 2009), 以及用来探索洋中脊岩浆分段与构造分段之间的耦合关系(Howell et al, 2016)。但是受超慢速扩张脊(全扩张速率 #cod#x0003C;~20mm#cod#x000b7;a-1)的实测数据以及研究程度的限制, M值的相关工作还未在超慢速扩张的西南印度洋脊开展, 而西南印度洋脊的岩浆活动表现出很强的时空分布不均匀性, 局部的岩浆聚集作用甚至可以产生厚达9.5km的洋壳(Cannat et al, 2003; Li et al, 2015)。在西南印度洋脊西端的14#cod#x000b0;E#cod#x02014;25#cod#x000b0;E区域明显表现出这一时空变化特征, 岩浆作用在沿轴的方向可能存在一个自西到东的梯度, 重力异常表明西侧洋壳比东侧要厚, 岩石地球化学异常中也显示西侧的岩浆的起始熔融深度较大, 熔融程度更高(Grindlay et al, 1998; Dick et al, 2003; Standish et al, 2008)。因此本区域适合用于研究M值、中央裂谷深度、洋壳厚度(即RMBA)以及正断层垂直断距之间的相关关系, 并以此来分析超慢速洋中脊的构造与岩浆之间相互作用的特征。

1 地质背景

西南印度洋脊介于罗德里格斯(Rodrigues, ~70#cod#x000b0;E)和布韦(Bouvet, ~0#cod#x000b0;E)三联点之间, 全扩张速率为14~16mm#cod#x000b7;a-1 (Patriat et al, 1997), 本文研究的14#cod#x000b0;E#cod#x02014;25#cod#x000b0;E区域位于西南印度洋脊的西部(图1)。研究区洋脊走向大体与扩张方向垂直, 只在东侧25#cod#x000b0;30'E处发育一个150km长的Du Toit转换断层。其他短的洋脊段之间发育长度小于10km的非转换不连续带Non-Transform Offset, 简称NTO, (Semp#cod#x000e9;r#cod#x000e9; et al, 1990), 并且只有少数几个非转换不连续带可以向洋脊两翼连续追踪(Grindlay et al, 1998)。14#cod#x000b0;E#cod#x02014;16#cod#x000b0;30'E区域具有两个岩浆作用较为剧烈的脊段: Narrowgate 和16#cod#x000b0;E脊段, 其两翼无论从地形还是重力异常图上都呈带状, 表现出比脊段之间的非转换不连续带偏高的地形和偏负的重力异常, 说明洋壳较厚。而16#cod#x000b0;30'E#cod#x02014;17#cod#x000b0;30'E区域两翼地形表现为成片的高地, 其上发育有高度几十米的海底丘陵还有大量的小火山, 表明该区域岩浆活动强烈, 洋壳也较厚, 这一点从Grindlay等(1998)所计算的偏负的地幔布格重力异常(Mantle Bouguer Anomaly, 简称MBA)也得以体现。17#cod#x000b0;30'E#cod#x02014;18#cod#x000b0;30'E区域两翼多为平行于洋中脊的线性海底丘陵构造, 断层末端相互重叠。18#cod#x000b0;30'E#cod#x02014;20#cod#x000b0;E区域南翼有3个较高的地形隆起, 北翼有4个, 共同组成一个尖端朝向东部的 #cod#x0201c;V#cod#x0201d;字形, 可能受到一个向东运移的点状岩浆源控制(Grindlay et al, 1998)。20#cod#x000b0;E#cod#x02014;22#cod#x000b0;E区域的裂谷走向与整个区域的走向不一致, 发生了~10#cod#x000b0;的逆时 针旋转, 两翼地形为不规则的块状地形, Grindlay 等(1998)认为这里是地幔分段的一个过渡带, 往西地幔温度较高, 往东地幔温度较低。处于22#cod#x000b0;E#cod#x02014;24#cod#x000b0;30'E区域的中央裂谷中发育了3个脊轴火山脊(Axial Volcanic Ridge, 简称AVR), 其末端相互错动。介于脊轴火山脊之间的非转换不连续带地形较低, 并且可以在两翼连续追踪, 表明这3个脊段(#cod#x02160;、#cod#x02161;、#cod#x02162;)是稳定存在的(图2)。自24#cod#x000b0;30'E至Du Toit转换断层之间的脊段表现出典型的内/外角(Inside/Outside Corner, 简称IC/OC)的地形特征(Tucholke et al, 1994), 其中洋脊段北翼的东部有一个较大海山并且靠近活动的转换断层, 因而具有较高的地形; 而与其相对的南翼的东部靠近不活动的破碎带(Fracture Zone), 因而表现为较低的地形。
Fig. 1 Tectonic map of the study area showing multibeam and geophysical survey track lines. Black dotted line indicates the ridge axis and transform fault

图1 研究区构造位置以及地球物理数据测线位置示意图

黑色点线表示洋中脊与转换断层的位置, 子图中黑色方框标明研究区所在的位置。CIR: 中印度洋脊; SEIR: 东南印度洋脊; SWIR: 西南印度洋脊; BTJ: 布韦三联点; RTJ: 罗德里格斯三联点; Africa Plate: 非洲板块; Antarctica Plate: 南极洲板块

Fig. 2 Shaded topography of the study area. Black boxes outline the subregions in Fig. 6, 7, and 8. Du Toit TF: Du Toit Transform Fault. #cod#x02160;, #cod#x02161;, #cod#x02162; indicate three axial volcanic ridges in the eastern subregion

图2 研究区的地形图

图中黑框依次标明图6, 7, 8的位置。Du Toit TF: Du Toit 转换断层。#cod#x02160;、#cod#x02161;、#cod#x02162; 标明了东边子区中的3个脊轴岩浆脊

2 数据来源与研究方法

本文采用高精度多波束地形, 数据来自于1996年的KN145L16航次(Grindlay et al, 1998)和2001年的KN162L07航次(Dick et al, 2003) (测线位置见图1)。多波束网格数据下载自http://www.marine-geo.org数据库, 空间分辨率达到100m。对于测线之间以及洋脊两翼多波束未完全覆盖的区域, 本文采用最新版的15弧秒分辨率的卫星重力预测水深数据(Olson et al, 2014)。本文采用Howell等(2016)的方法定量化地研究洋中脊的正断层特征。首先将多波束数据划分为100m#cod#x000D7; 100m的网格, 然后对网格数据进行滤波, 输出一个保留短波长信息(#cod#x02264;20km)的网格数据, 用于观测断层特征。此外还输出一个去除短波长, 只保留长波长信息的网格数据, 用于观测裂谷的形态。我们沿着原始测线对以上3个网格数据取剖面, 该方法有以下几个好处: 1)测线方向基本平行于洋中脊扩张方向, 因而可以获得正断层的垂直断距和水平断距相对准确的信息; 2)因为测线位于多波束条带的中央, 因此沿测线取剖面可以有效避免多波束条带的边缘; 3)重力数据也是沿测线采集, 所以这一方法尽量减小了因数据插值而带来的不可靠性。
在垂直于洋中脊的剖面上, 长波长地形剖面显示了U形中央裂谷的形态(如图3c), 根据过裂谷的地形最低点以及两翼的两个地形极大值点, 我们计算得到了裂谷南北两翼的高差TS、TN及其平均值。在局部区域, 长波长地形剖面上有时会在裂谷底部出现一个明显的波峰, 在这种情况下, 我们统一选取裂谷中突起的点作为裂谷的最低点来计算。
本文另一个重要的定量化参数是M值(Buck et al, 2005; Behn et al, 2008; Ito et al, 2008)。我们首先通过综合分析地形与地形坡度图(从100m#cod#x000D7;100m网格中计算每个节点周围的垂向地形与横向距离的平均比值)来确定正断层的位置。短波长地形可以有效地放大正断层的特征, 而将剖面和平面相结合, 可以避免将丘状的火山以及一些非断层作用所造成的剖面上的隆起误视为断层处理。在确定断层位置后, 我们利用原始地形的剖面来确定单个正断层的垂直断距 (即断层面顶底的高差)以及水平断距 (即断层面在水平方向的位移)。M值的具体计算方法见图4。该方法假设洋壳增生的水平距离来自于两个作用: 岩浆作用和断层拉伸作用, 即在岩浆供应充足的时候, 岩浆作用占据主导地位, 反之构造拉伸起主要作用。其中岩浆作用的部分记为Lm, 断层拉伸作用的部分记为Lf, 则:
$M=\frac{\sum L_{m}}{\sum L_{m}+\sum L_{f}}$
Fig. 3 Schematics showing calculations of the axial relief: (a) original topography; (b) filtered topography with wavelengths less than 20 km removed; (c) an example of calculation of the axial relief. Gray and blue lines are the profiles from the original and filtered topography, respectively. TS, TN indicate the axial relief from the southern and northern flanks

图3 裂谷深度计算方法示意图

a. 原始地形图; b. 长波长地形图; c. 裂谷深度的计算实例。图3c中的剖面取自a、b中的黑线, 蓝线表示长波长地形特征, 灰线为原始地形剖面。TS和TN分别表示南北两翼裂谷的深度

Fig. 4 Schematics showing the calculation of the M factor (a) and an example profile of the SWIR (b). AVR indicate the axial volcanic ridge. (a) Red and blue boxes indicate the interpreted magmatic accretion (Lm) and tectonic extension (Lf), respectively; (b) fault scraps are shown by blue lines

图4 M值的计算方法示意图(a)以及实例(b)

AVR指的是脊轴火山脊。(a)中红色表示岩浆作用的部分(Lm), 蓝色表示构造作用的部分(指正断层的水平断距, 即Lf); (b)中正断层的断层面被标记为蓝色

所以M=1表示洋中脊的扩张完全由岩浆作用完成, 而M=0表示扩张完全由构造拉伸完成, M越靠近1表明岩浆作用在整个扩张中的作用越明显。在发育大洋核杂岩(Oceanic Core Complex, 简称OCC)的局部区域(Cann et al, 1997; Tucholke et al, 1998), M值可以减小至0 (Macleod et al, 2009)。
Grindlay 等(1998)和Dick 等(2003)计算了地幔布格重力异常(Mantle Bouguer Anomaly, 简称MBA), 本文根据Kuo等(1988)和Lin 等(1990)的方法, 从MBA中去除了大洋板块冷却造成的重力变化, 其结果称为剩余地幔布格重力异常(Residual Mantle Bouguer Anomaly, 简称RMBA)。剩余地幔布格重力异常可以作为判定洋壳厚度变化的一个参考因素: 剩余地幔布格重力异常偏正意味着较薄地壳(或者地幔较重), 反之地壳较厚(或者地幔较轻)(Kuo et al, 1988)。
为了探究M值与岩浆作用以及构造作用的关系, 本文在研究区自西到东选取了3个易于分辨正断层的子研究区: Narrowgate#cod#x02014;16#cod#x000b0;E区域、17#cod#x000b0;30'E#cod#x02014;19#cod#x000b0;E区域以及22#cod#x000b0;E#cod#x02014;24#cod#x000b0;E区域。前人常用整条剖面的单一M值表示岩浆作用的强弱(Escart#cod#x000ed;n et al, 1999; Macleod et al, 2009; Howell et al, 2016)。这在岩浆作用较稳定、周期较长的条件下是合理的, 但是超慢速扩张的西南印度洋脊的岩浆供应随时空强烈变化(Cannat et al, 2003; Mendel et al, 2003), 因此本文尝试计算较短距离内的M值变化量。于是我们在三个子研究区内, 沿垂直于洋中脊的方向共取了21条剖面, 采用滑动窗口的方法, 以10km宽的窗口在每条剖面上移动, 窗口每移动5km就取一个窗口内的M值、平均RMBA值以及断层垂直断距的平均值。因而不同的剖面之间的参数显示了其空间上的差异, 而同一条剖面上的参数显示了其时间上的差异。裂谷壁的正断层倾角较大, 同时断距较大, 因此在裂谷壁上的小火山会严重影响M值的计算精度。所以在做相关分析之前, 我们先去除了一些靠近洋中脊裂谷壁的散点。通过计算各参数之间的相关关系, 我们试图探索在不同的时空条件下, 区域内的构造与岩浆之间相互作用的特征。

3 结果

3.1 沿轴的裂谷地形变化及其两翼不对称性

长波长地形剖面所揭示的裂谷深度变化如图5所示。洋中脊脊轴在沿轴的地形变化(上半图)和垂直于脊轴的裂谷深度变化(下半图)上保持较好的相关性: 洋脊段的中间常伴随比脊段末端更浅的裂谷。裂谷形态呈现较强的洋脊两翼不对称性, 两翼深度差#cod#x0003E;500m的剖面占据40%, 其中不对称性表现最为明显的就是最东侧靠近转换断层的剖面, 其北翼比南翼高出近3000m。在地形平面图上具有3个较稳定脊段(#cod#x02160;、#cod#x02161;、#cod#x02162; )的22#cod#x000b0;E#cod#x02014;24#cod#x000b0;30'E区域, 在裂谷深度变化图上展示了典型的内/外角的地形特征: 中间的脊段#cod#x02161;相较于东西两侧的脊段处于偏南的位置, 所以中间脊段#cod#x02161;的整个北翼都处于内角构造, 地形较高, 裂谷较深; 同理可以推断其东西两个脊段应该都是南翼地形偏高, 也与实测裂谷深度一致(图2, 图5)。
Fig. 5 Along-axis variations in the axial depth (upper panel) and axial relief (lower panel). #cod#x02160;, #cod#x02161;, #cod#x02162; indicate three axial volcanic ridges in the eastern subregion. Blue, red and black points indicate the calculated axial relief from the northern flank, southern flank and their averaged values, respectively

图5 沿轴变化的水深以及裂谷深度

上图为沿轴水深变化; 下图为沿轴裂谷深度变化。#cod#x02160;、#cod#x02161;、#cod#x02162;标明了东边子区中的3个脊轴岩浆脊。蓝色表示北翼裂谷深度, 红色表示南翼裂谷深度, 黑色表示二者平均值

3.2 子研究区的M值、断层垂直断距及RMBA变化

3.2.1 Narrowgate#cod#x02014;16#cod#x000b0;E区域
在该区域发育着两个岩浆活动较为强烈的洋脊段, 即Narrowgate和16#cod#x000b0;E: 它们表现出与脊段之间的不连续带呈现鲜明对比的高地形(图6a)以及偏负的重力异常(图6c)。特别是在北翼, 两个脊段呈条带状向北延伸至研究区边缘, 说明该洋脊段洋壳较厚, 稳定性较强。而其南翼的地形和重力分布特征则相对混乱一些, 特别是16#cod#x000b0;E脊段的南翼部分, 在地形图上表现出明显向东迁移的#cod#x0201c;V#cod#x0201d;字形, 导致南翼的非转换不连续带在靠近洋中脊时有变宽的趋势(图6a)。Narrowgate脊段在坡度图上大多为相对聚集的短线条, 说明断层较小, 延伸不远。16#cod#x000b0;E脊段存在一些线性排列的线条, 发育一些明显长于Narrowgate脊段的断层(图6a, 6b)。如图6d所示, 局部的M值、平均RMBA和断层垂直断距之间显示出一定的规律性: 平均RMBA显示出自35km往内逐渐偏正的趋势, 平均RMBA和平均垂直断距变化在局部区域保持较好的同步性, 而M值和断层断距之间并无明显的关系。
Fig. 6 Shaded topography (a), slope (b), RMBA (c) and the along-profile variations of M (upper d), mean fault throw (middle d) and mean RMBA (lower d) in the area of Narrowgate-16#cod#x000b0;E. Values shown in panel d are the averaged data of the four across-axis profiles shown in Panels Fig. 6 a-c. The multibeam bathymetry and gravity data are from Grindlay et al (1998) and Dick et al (2003)

图6 Narrowgate#cod#x02014;16#cod#x000b0;E区域的地形(a)、坡度(b)、RMBA(c)以及沿剖面变化的M值、断层垂直断距以及平均RMBA (d)

图6d取自图6a、b、c中4条剖面线对应距离的平均值。多波束地形和重力数据来自Grindlay等(1998) 和 Dick等(2003)

3.2.2 17#cod#x000b0;30'E#cod#x02014;19#cod#x000b0;E区域
该区域的两翼大多为线性排列的海底丘陵, 还有一些不规则的高地, 南北两翼的整体对称性较好(图7a)。不规则高地上的断层较小且延伸较短, 在地形坡度图上表现不明显, 而与大型海底丘陵伴生的断层则延伸较远且末端相互重叠(图7b), 表明这些构造可能是由短暂的、位置相互交错的裂隙式岩浆喷发形成的(Grindlay et al, 1998)。在洋脊南翼有多个重力异常偏正的区域, 表明这里洋壳偏薄(图7c)。图7d中所示的平均RMBA自距离洋中脊35km往内逐渐偏正的趋势, 仅在北翼有微弱的表现, 南翼在25km以内保持相对稳定的范围。此外, 南翼的平均RMBA要比北翼偏正, 南翼的平均RMBA与平均垂直断距的变化趋势具有较强的同步性, 即在RMBA平均值偏大的时候, 平均垂直断距也偏大。M值与平均垂直断距仅在南翼局部区域表现出镜像关系, 即M值偏大的时候, 断层垂直断距偏小。
3.2.3 22#cod#x000b0;E#cod#x02014;24#cod#x000b0;E区域
22#cod#x000b0;E#cod#x02014;24#cod#x000b0;E区域包含3个相对稳定的洋脊段, 脊段之间的非转换不连续带向两翼可连续追踪, 脊轴裂谷中发育3个AVR(图2中#cod#x02160;、#cod#x02161;、#cod#x02162;), 两翼地形或为线性的海底丘陵, 或为不规则的高地(图8a)。靠近洋中脊裂谷, 海底丘陵相互连接在坡度图上表现出明显的线性特征(图8b); 远离洋中脊, 非转换不连续带有拓宽的趋势, 使地形上的分段特征更加明显。在重力异常图上, 非转换不连续带所对应的偏正的重力异常也显示出相对较好的洋脊分段特征(图8c)。图8d中RMBA变化曲线也表现出了洋壳自距离洋中脊35km往内逐渐减薄的趋势, 并且南翼的平均厚度要比北翼偏薄。M值和断层断距整体上保持较好的镜像关系, 即在M值偏大的时候, 平均垂直断距偏小。而RMBA和垂直断距的变化趋势仅在10km以外有较好的同步性, 表现为平均垂直断距随平均RMBA减小而减小。
Fig. 7 Shaded topography (a), slope (b), RMBA (c) and the along-profile variations of M (upper d), mean fault throw (center d) and mean RMBA (lower d) in the area of 17#cod#x000b0;30'E #cod#x02014; 19#cod#x000b0;E. Data resources are the same as Fig. 6

图7 17#cod#x000b0;30'E#cod#x02014;19#cod#x000b0;E区域的地形(a)、坡度(b)、RMBA(c)以及沿剖面变化的M值、平均断层垂直断距以及平均RMBA (d)

图7d取自图7a、b、c中6条剖面线对应距离的平均值。数据来源同图6

Fig. 8 Shaded topography (a), slope (b), RMBA (c) and the along-profile variations of M (upper d), mean fault throw (center d) and mean RMBA (lower d) in the area of 22#cod#x000b0;E#cod#x02014; 24#cod#x000b0;E. Data resources are the same as Fig. 6

图8 22#cod#x000b0;E#cod#x02014;24#cod#x000b0;E区域的地形(a)、坡度(b)、RMBA(c)以及沿剖面变化的M值、平均垂直断距以及平均RMBA(d)

图8d取自图8a、b、c中11条剖面线对应距离的平均值。数据来源同图6

3.3 拉伸率的计算结果

在识别出剖面所切过的断层之后, 本文在南北两翼分别计算了每条剖面中正断层的累积水平断距。如图9所示, 断层拉伸作用占据扩张过程的比重(即拉伸率), 可以用单条折线的平均坡度来衡量。从总体来看, 每个区域的平均拉伸率都处于20%~50%之间, 但每条剖面的局部坡度可以变化很大, 特别是在洋中脊附近20km范围内拉伸率一般较大(图9a, 图9b和图9c)。两翼折线的二阶拟合曲线表明, 洋脊两翼的平均拉伸率在靠近洋中脊的区域有系统性增大的趋势, 并且拉伸率在南翼的变化相对较小, 一直保持较强的构造拉伸作用(图9d)。

3.4 各参数之间的相关性分析

为了探索构造与岩浆相互作用的基本特征, 我们对定量化的参数做了4组相关性分析(图10)。3个不同子研究区的RMBA值具有较强的空间分布差异, 靠近东边的区域显示系统性偏正(图10a和10c)。最西边子研究区的M值要普遍大于0.7, 其他两个子研究区的M值则分布于0.5~0.9之间(图10a和图10b)。M和RMBA呈现负相关趋势, 其中西部子研究区表现最弱, 3个子研究区的整体相关系数仅为-0.4, 即M值减小的时候洋壳趋于减薄(RMBA偏正), 但具有相当一部分偏离趋势的散点(图10a)。M值和正断层的垂直断距也呈现负相关关系, 断层断距随M增大而减小, 相关系数为-0.48, 3个子研究区之间的相关趋势并没有太大差异(图10b)。RMBA和断距的相关系数则相对较小, 表现更为离散。平均垂直断距有着随平均RMBA值增大而增大的趋势, 但同时具有相当一部分偏小的散点(图10c)。图10d中的M值取的是脊轴两翼各15km范围内的平均M值, 裂谷深度同样取的是两翼的平均值, 其相关系数达到了4种相关关系中最强的-0.64, 即裂谷深度有着随M值增大而减小的趋势。

4 讨论

4.1 M值计算的误差分析

M值表明的是岩浆作用在整个水平扩张中所占的比例, 可以推断其计算误差主要来源于两个方面。第一个方面是由于断层的可识别尺度的误差。多波束数据最高精度为100m, 所以会有相当一部分断层或者小裂隙是没办法识别的, 这可以视为一个系统性误差, 使得本文计算的M值较真实情况系统性偏大, 即低估了小断层的作用。此外, 在脊轴外部, 断层面由于沉积和构造作用而发生改变, 使得断层参数的测量产生一定误差(Escart#cod#x000ed;n et al, 1999; Howell et al, 2016)。但考虑到研究区是超慢速扩张环境, 断层的断距和间距一般都比较大, 所以这并不影响本文整个区域总的研究结果, 特别是同一扩张速率的研究区域之间的比较工作, 因为采用的是同样精度的数据和断层识别准则。另一个方面的误差来自于对洋壳性质的判定。由于计算M值的方法简单地将洋壳增生分为岩浆和构造的循环过程, 从而在剖面上将断层面以外的区域全部视为岩浆作用的部分, 然而在超慢速扩张环境下会有相当一部分下地壳或者地幔物质直接出露海底(Dick et al, 2003; Cannat et al, 2006; Sauter et al, 2013), 这一点使得M值在部分区域偏大。

4.2 沿轴变化的裂谷深度及其与岩浆作用的关系

图5所展示的沿轴的地形与垂直于脊轴的裂谷深度具有较强的相关性, 即在地形较高时, 裂谷较浅, 反之较深。而洋中脊的地形也反映了洋壳厚度的变化, 也就是岩浆作用的强弱。在岩浆作用占据主导的时期, 脊轴裂谷中出现断续的新生岩浆脊, 在每个新生岩浆脊的中间部分, 岩浆供应较为集中, 热流较强, 从而形成较厚的洋壳以及较薄的岩石圈, 对应着图5所展示的高地形和浅裂谷。反之, 在洋脊段的末端由于岩浆供应少则形成低洼的盆地(Lin et al, 1990)。此外, 不同洋脊段之间的相互错动, 使洋脊段的两个末端可能处于不同的内/外角构造环境, 从而发育断距差异较大的断层(Tucholke et al, 1994)。这也会影响到裂谷的深度以及两翼的不对称性。

4.3 各参数的时空变化特征及其相关性分析

RMBA展示较强的空间分布差异, 在东部的子研究区明显偏正, 而在西部的子研究区明显偏负(图10a和图10c), 表明3个子研究区的洋壳厚度存在较强的空间差异, 越往东越薄。图6d、7d和8d中显示, 从距离洋中脊35km处到5km处, 3个子研究区的平均RMBA值都有偏正的趋势, 即洋壳有逐渐减薄的趋势, 其中东部的子研究区变化最为剧烈(图8d)。根据前人研究结果, 在岩浆供应充足的地方, 产生的洋壳较厚, 脊轴处的岩石圈也较薄, 因而发育断距较小的断层, 并随扩张作用向两翼运移(Shaw et al, 1993, 1996)。图6d、7d和8d中所展示的RMBA和断层垂直断距之间, RMBA和M值之间, 在区域的总体趋势上体现了这一点。但在散点图10a和图10c中, 相关性都很低, 究其原因可能是由于地形数据和重力数据的精度和研究尺度不一样。同是基于地形数据计算的M值与断层垂直断距, 其相关性相对较好(图10b)。特别是在剖面最密集, 定量化参数最多, 洋壳厚度变化最快并且最同步的东部子研究区, 二者在整体上呈现较强的负相关关系(图8d)。
Fig. 9 Extensional strains of the study area. (a) Narrowgate #cod#x02014; 16#cod#x000b0;E; (b) 17#cod#x000b0;30'E#cod#x02014;19#cod#x000b0;E; (c) 22#cod#x000b0; E#cod#x02014;24#cod#x000b0;E; (d) synthesis of the three sub-regions shown in Fig. 9 a-c. Red and blue lines indicate the profiles from southern and northern flanks, respectively. Black straight lines indicate the extensional strain of 20% and 50%. Gray shaded regions in Fig. 9 a, b and c show the approximate patches of data coverage of our study area, while the red shaded regions are from Escartin et al (1999) for the Mid-Atlantic Ridge at 29#cod#x000b0;N. The thick dark gray curves in Fig. 9 d are the second-order polynomial fit of all profiles at the two ridge flanks

图9 研究区的构造拉伸率

a. Narrowgate #cod#x02014; 16#cod#x000b0;E区域; b. 17#cod#x000b0;30'E#cod#x02014;19#cod#x000b0;E区域; c. 22#cod#x000b0;E#cod#x02014;24#cod#x000b0;E区域; d. 3个子研究区的综合图。红色折线表示南翼的剖面, 蓝色折线表示北翼的剖面, 黑色直线分别表示20%和50%的拉伸率。图9 a、b、c中的灰色阴影区是3个子研究区所有剖面(也就是图9d)所对应的范围, 红色阴影区表示Escartin et al (1999)在大西洋中脊29#cod#x000b0;N研究区的剖面覆盖范围。图9d中深灰色条带是对两翼折线的二阶拟合曲线

Fig. 10 Plots showing correlations of (a) M and mean RMBA, (b) M and mean fault throw, (c) mean RMBA and mean fault throw, (d) M and axial relief. Blue, black and red points are derived from the eastern, middle and western subregions, respectively. Spearman#cod#x02019;s rank correlation coefficient r, and p values are shown at the lower left corner of each panel. Positive r means positive correlation, while a value of 1 indicates the strongest positive correlation, correlation with p less than 0.05 is thought to be significant

图10 参数之间的关系图。M值与平均RMBA(a); M值与平均垂直断距(b); 平均RMBA与平均垂直断距(c); M值与裂谷深度(d)

蓝色、黑色和红色的红点分别表示来自东部、中部和西部子研究区的散点。r表示斯皮尔曼等级相关系数, 正值表示正相关, 越靠近1表示相关性越强; p表示显著性检验值, 一般认为其值小于0.05才表示相关性具有显著意义

4.4 拉伸率的变化

洋壳增生过程, 其实就是构造与岩浆相互作用的过程。拉伸率指的就是构造拉伸在整个水平扩张中所占比例, 所以在岩浆作用较强时, 构造作用相对较弱, 即拉伸率会降低。如图7d和图8d所示的中部和东部子研究区的平均RMBA值在南翼总是要高于北翼, 也就是说, 洋壳厚度在南翼要偏薄, 这也就解释了为什么南翼的拉伸率要相对偏大。同样, 根据3个子区的洋壳厚度自脊轴远处到近处逐渐减薄的特征, 也可以解释为什么两翼的拉伸率在脊轴附近20km的范围内要偏大以及东部子研究区的变化最为明显。此外, 与慢速扩张的大西洋洋中脊29#cod#x000b0;N (Escart#cod#x000ed;n et al, 1999)处相比, 平均岩浆供应量偏少的本研究区在拉伸率上明显偏大(图9a, 图9b和图9c)。

5 结论

本文定量化地分析了西南印度洋脊14#cod#x000b0;E#cod#x02014;25#cod#x000b0;E区域洋壳增生的构造与岩浆作用的基本特征。我们从长波长的地形图中计算洋中脊裂谷的深度, 从短波长地形图和坡度图中识别出正断层, 系统地统计了断层的水平和垂直断距, 计算了岩浆作用在扩张过程中的比例, 即M值, 并用重力的方法计算岩浆作用形成的相对洋壳厚度的变化。主要得出以下认识:
1) 3个子研究区的平均构造拉伸率(即1-M)都处于20%~50%之间, 但局部的拉伸率因岩浆作用强弱可发生变化。在洋壳趋于减薄的大背景下, 两翼的拉伸率都趋于增大, 并且南翼由于平均洋壳厚度比北翼偏薄, 所以整体上保持较强的构造拉伸状态。
2) 洋中脊的裂谷深度与沿轴的地形起伏一致, 裂谷的平均深度与裂谷附近区域的M值之间具有较好的负相关性。M值越大, 表明岩浆作用占据主导地位, 产生较高的脊轴地形, 裂谷较浅。
3) M值、RMBA以及断层垂直断距之间具有一定的相关关系。岩浆作用较强时, M值偏大, 通常增生较厚的洋壳(偏负的RMBA), 发育断距较小的断层。

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