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【前沿論壇】Canales:大西洋中脊核雜巖地球物理研究進展
2019-06-25 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

報告人:Juan Pablo Canales | 整理:南方舟(油氣室)

摘 要:大洋核雜巖及其發育的熱液系統往往賦存塊狀硫化物礦床,是產生H2、CH4及其他非生物成因有機化合物的場所,對于研究該區域碳循環及早期地球生命具有重要意義。2003~2004年,Canales教授等通過大西洋中脊TAG熱液活動區4次OBS探測試驗結果,認為熱源可能來自于拆離斷層下盤下方深部(>7 km)巖漿體的侵入。2013年,他們對大西洋中脊Rainbow熱液活動區綜合地球物理探測,發現Rainbow區的下地殼存在眾多沿脊軸侵入的輝長巖巖漿透鏡體,Rainbow地塊由上隆的地幔物質構成,并被這些600-800 m長的輝長巖透鏡體侵入;在熱液活動區下方,流體循環主要受侵入巖體底部的小型冷卻熔融體驅動,蛇紋石化放熱為熱液系統提供了熱源,深部熱裂隙及淺部斷層網為其提供流體通道。Rainbow區域探測到的高密度持續穩定的微地震主要是由于蛇紋石化體積膨脹產生的巖石熱破裂所造成。通過多次探測實驗,Canales教授等揭示了TAG熱液系統及Rainbow熱液系統的形成機制,并被業內專家普遍接受。

   對于我來說,這是第一次來到中國,非常榮幸能夠在這里做報告,感謝地質地球物理研究所提供這次交流學習的機會。今天的報告我將介紹下我參與的與大洋核雜巖相關的地球物理探測項目,這些項目的都是美國國家自然基金委贊助的。今天的報告主要分三個部分: 

  1)大洋核雜巖概述及洋殼熱液系統; 

  2)大西洋中脊TGA熱液區地震探測; 

  3Rainbow區綜合地球物理探測。     

  1 大洋核雜巖及熱液系統 

  大洋拆離斷層是位于巖石圈深部的大偏移距正斷層,位于大洋中脊的兩側,代表著海洋巖石圈的增生的一種模型(圖1Chapman模型),與傳統的巖漿模型(Penrose模型)完全不同。大洋核雜巖生成于洋中脊拆離斷層區域,是聯系深層巖石和構造活動(地幔柱、局部應變和地殼增生)的紐帶。 

1  Chapman模型(Escartín and Canales, 2011

  熱液系統是深海極端環境的重要組成部分和典型代表,匯聚了多種極端物理化學環境且復雜多變,相比深海非熱液區,現代熱液噴口及周圍存在豐富度高、更為多樣性的生物群落,此外熱液噴口處的嗜熱微生物的生存環境與地球早期環境類似,因此被認為是研究生命起源的關鍵。圖2所示為I型、II型和III型熱液系統相對于巖漿中心和斷層的位置(Kelley and Shank, 2010)。 

2  I型、II型和III型熱液系統相對于巖漿中心和斷層的位置(Kelley and Shank, 2010    

  為探究中-大西洋中脊TAG熱液活動區和Rainbow熱液活動區成因,伍茲霍爾海洋研究所聯合多家單位進行了多次的地球物理探測。     

  2 TAG熱液活動區地震探測

  2.1 構造背景

  TAG熱液活動區位于大西洋慢速擴張洋中脊26°08′N44°50′W位置(圖3),區域約為10 km×20 km大小,靠近洋中脊裂谷的東壁,由熱液沉積物、玄武巖和一系列與軸平行的斷裂構成。   

3 TAG熱液活動區(Kleinrock and Humphris, 1996    

  2.2 STAGSeismicity and Structure of the TAG Segment)實驗 

  STAGSeismicity and Structure of the TAG Segment)實驗包括四個航次: 

  (1)20036-7月,科考船Atlantis號投放長期觀測被動源OBS及溫度探頭; 

  (2)200310-11月,科考船Maurice Ewing號搭載短期OBS,進行氣槍震源主動源OBS觀測; 

  (3)20043-4月,科考船Knorr號回收被動源OBS 

  (4200410-11月,科考船Knorr號回收溫度探頭。 

  1)被動源地震數據層析 

  伍茲霍爾研究所聯合Lamont-Doherty地球天文臺在TAG熱液活動區投放了13臺短周期4分量OBS(圖4白色圓圈,Sohn et al., 2007),并連續觀測了9個月,記錄到大約190001-4級地震事件(約80次每天),震源位置如圖4黑點所示,根據震源位置分析可知,該地區地震活動主要集中在兩個地區:一個是位于中軸裂谷東側隆起的弧形區域,另一個區域位于東側谷壁,其走向平行于洋中脊。 

4  TAG熱液活動區長周期地震儀投放    

  利用拾取的P波初至進行層析成像,獲得垂直洋中脊剖面AA’(圖4)的速度模型(圖5Sohn et al., 2007)。我們發現洋脊中軸裂谷兩側極其不對稱,西側部分的速度結構與中-大西洋中脊其他火山構造相似,但是在中軸東側被一個巨大的高速異常體覆蓋,1 km以下地層的速度超過了6.5 km/s,而同一深度西側新火山區的速度為4.5 km/s。這說明在地下淺部存在下地殼和蛇紋巖化上地幔巖石,速度異常體向中軸傾斜的角度為20°±5°,在大約3 km深處與西側傾斷層面相交。 

5  P波層析成像結果    

  通過對被動源OBS數據層析成像結果進行解釋,我們得到了圖5所示的集巖石圈擴張、地殼增生和熱液系統循環于一體的模型,可以判斷TAG熱液活動區位于一個新的大洋拆離斷層的上盤。在層析結果中我們并未發現地殼熔融層,因此熱液流須從海底7 km以下汲取熱量才能夠保證如如此長期、高溫的熱液循環。 

  23D地殼結構 

  大西洋中脊TAG3D海底地震儀觀測如圖6所示:(a)為TAG段所處位置;(bOBS在水深圖中位置,白色圓圈表示OBS,黑色實線為氣槍震源軌跡(其上標有自小到大的炮號),陰影區為新火山帶;(c)將經緯度坐標投影到笛卡爾坐標系下,紅色OBS接收紅色氣槍震源信號,綠色則接收綠色氣槍震源信號,白色OBS接收所有信號,白色小圓點表示Sohn et al (2007)提到過的地震事件,黑色實線鏈接震源和接收器,代表之后層析反演中用到的旅行時信息。 

  通過拾取不同的震相信息,利用迭代的射線追蹤方法,獲得了圖7所示的P波速度模型:取X=-4-2024 kmY=-8-404 km8個截斷面展示結果,白色區域為0射線覆蓋區,紅色三角形位置為TAG熱液活動區。 

6  3D OBS觀測矩陣示意圖 

7  速度模型深度切片    

8所示為剖面12(圖6b))反演得到的速度模型側視圖(Canales et.al., 2007),其中半透明的黃色球面近似為斷層面,與速度剖面中的速度異常體相對應,同時也對應了該地區的活躍地震帶(黑色圓點為地震事件(Sohn et al., 2007))。 

8  剖面12斜視圖    

  2.3    

  STAG實驗結果揭示了該地區拆離斷層下復雜的幾何構造,在其上方大約2 km范圍內,斷層沿伸展方向和走向有15-20°輕微傾斜,2 km以下位置處傾斜角度變大(70°)。(圖5)這種幾何形狀意味著斷層沿著彎曲的板塊邊界以高角度成核,同時拆離斷層下盤在拉升同時傾角逐漸變小。 

  TAG熱熱液活動區熱液循環的熱源很有可能來自于深部(>7 km,位于拆離斷層下盤下方)巖漿體的侵入。     

  3. Rainbow熱液活動區綜合地球物理探測 

  20134月至5月,伍茲霍爾海洋研究所聯合夏威夷大學,MIT和日本JAMSTEC等多家單位,針對中-大西洋中脊Rainbow熱液活動區開展綜合地球物理調查,目的是獲得該地區巖漿作用、斷裂作用、基底巖性與熱液環流的關系。 

  3.1 構造背景 

  Rainbow熱液活動區位于沿洋中脊Azores triple junction西南方500 km位置處,沿該段洋中脊,擴展軸由一系列非轉換不連續和轉換偏移邊界的脊段組成,這些脊段大部分是右進的。(圖9Dunn et.al., 2017)本次調查實驗覆蓋了全部4處脊段,Rainbow地塊以及其他地塊用灰色虛線標出,黃色三角為Rainbow熱液活動區。 

9  -大西洋中脊Rainbow熱液活動區    

  3.2 綜合地球物理調查實驗 

  此次綜合地球物理實驗包括:3D主動源OBS層析成像,2D多道地震,臺長期觀測OBS陣列、多波束和逆散射以及重磁數據測量。 

  13D OBS層析成像 

  Rainbow熱液活動區中心沿洋中脊軸向80km范圍、垂直洋中脊軸向32km范圍內,布設46臺短周期OBS,其間隔為7km。(圖10)氣槍容量為6600立方英寸,總計約3800炮,氣槍間隔450m(約180s)。 

  對數據預處理后的OBS數據拾取震相,進而利用旅行時進行射線追蹤、層析反演,進而獲得3D速度模型,圖10所示為不同方位角的垂直剖面速度模型。從大致平行于板塊邊界的剖面(圖10AA’EE’)能夠看出,地塊下方的高速區域被拉張,都呈穹隆形態且比地塊本身更為寬廣。 

10  3D OBS投放示意圖   

11  3D OBS折射層析速度結構

  22D多道反射地震成像 

  為了解巖漿和構造過程如何在超基性環境中產生高溫熱液活動,我們在Rainbow NTDnon-transform discontinuities)及其附近利用多道地震展開地球物理調查(Canales et.al.2017)。其中包括21MCSMultichannel Seismic)測線(圖12),拖纜長8km,包含間距為12.5m的檢波器636道,氣槍容量6600立方英寸,炮間距37.5m 

  經過觀測系統定義帶通濾波球面擴散校正異常值濾波地表一致性校正反褶積去鬼波等預處理,利用3DOBS層析獲得的速度結構進行疊后深度偏移,得到21條地震剖面。 

   

12  2D多道地震反射剖面

    

  13所示為剖面106和剖面119的相對P波速度,其中黑點表示巖漿基巖的分布;右上圖表示基巖隨深度的變化;左下圖表示基巖長度的分布;右下圖所示為基巖位置處的P波速度及推測的蛇紋巖化程度,大于7.3km/s的可能對應于輝長巖,即20%以上蛇紋巖化,小于7.3km/s的可能對應于蛇紋巖化小于20%的超基性巖。 

13  Rainbow地塊下輝長巖巖漿透鏡體分布(Canales et.al.2017    

  3)被動源OBS觀測 

  Rainbow熱液活動區共投放15臺長期記錄OBS9個月)(圖14),成功回收13臺,共記錄35000個地震事件。圖15上圖所示為震源定位位置坐標,底圖為高程信息,白色三教代表OBS,坐標中心為Rainbow塊體中心(33.88792°W,36.22967°N),下圖是對應上圖的震源分布橫截面(紅點區域)。 

  通過網格搜索方法在海平面以下不同深度的500米網格上確定地震事件密度(圖16),白色三角位置為OBS,紫色五角星為熱液噴口位置。超基性地塊生成了大量的淺部小地震,蛇紋巖化可能是這些地震的成因。 

14  被動源OBS

   

15  震源位置

   

16  不同深度地震事件密度    

  3.3 結 論 

  Rainbow熱液活動區大洋核雜巖中未發現存在活躍拆離斷層的證據,Rainbow區的下地殼是沿洋中脊軸反復侵入小的熔融體形成,而不是通過大型巖漿房活動形成的,Rainbow地塊由上隆的地幔物質構成,并被小的輝長巖體侵入。在熱液活動區下方,流體循環主要受侵入巖體底部的小型冷卻熔融體驅動,其通道為深部熱裂隙及淺部斷層網絡。     

  主要參考文獻 

  Canales J P, Sohn R A, Demartin B J. Crustal structure of the Trans-Atlantic Geotraverse (TAG) segment (MidAtlantic Ridge, 26° 10′ N): Implications for the nature of hydrothermal circulation and detachment faulting at slow spreading ridges[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2007, 8(8) : Q08004. 原文鏈接 

  Canales J P, Dunn R A, Arai R, et al. Seismic imaging of magma sills beneath an ultramafic-hosted hydrothermal system[J]. Geology, 2017, 45(5): 451-454.原文鏈接 

  Escartín J, Canales J P. Detachments in oceanic lithosphere: Deformation, magmatism, fluid flow, and ecosystems[J]. Eos, Transactions American Geophysical Union, 2011, 92(4): 31-31.原文鏈接 

  Dunn R A, Arai R, Eason D E, et al. ThreeDimensional Seismic Structure of the MidAtlantic Ridge: An Investigation of Tectonic, Magmatic, and Hydrothermal Processes in the Rainbow Area[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, 122(12): 9580-9602.原文鏈接 

  Horning G, Sohn R A, Canales J P, et al. Local Seismicity of the Rainbow Massif on the MidAtlantic Ridge[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2018, 123(2): 1615-1630.原文鏈接 

  Kelley D S, Shank T M. Hydrothermal systems: a decade of discovery in slow spreading environments[J]. Diversity of hydrothermal systems on slow Spreading ocean ridges, 2010, 188: 369-407.原文鏈接 

  Kleinrock M C, Humphris S E. Structural control on sea-floor hydrothermal activity at the TAG active mound[J]. Nature, 1996, 382(6587): 149-153.原文鏈接 

  Sohn R A, Canales J P, Humphris S E. Kinematics and geometry of active detachment faulting beneath the Trans-Atlantic Geotraverse (TAG) hydrothermal field on the Mid-Atlantic Ridge[J]. Geology, 2007, 35(8): 711-714.原文鏈接 

  Zhao M, Canales J P, Sohn R A. Threedimensional seismic structure of a MidAtlantic Ridge segment characterized by active detachment faulting (TransAtlantic Geotraverse, 25° 55′ N26° 20′ N)[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2012, 13(11).原文鏈接 

  【致謝:感謝中科院南海海洋研究所徐敏研究員與中科院地質地球所徐亞副研究員對本文的審核。】 

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