海洋核雜巖的發(fā)現(xiàn)及其形成的構(gòu)造背景

海洋核雜巖的發(fā)現(xiàn)及其形成的構(gòu)造背景

近20年來(lái)，海洋核巖石（occ）的研究是海洋地質(zhì)、海洋地形和海底礦產(chǎn)等領(lǐng)域的研究先鋒和熱點(diǎn)，并迅速發(fā)展。海洋核雜巖是發(fā)育于擴(kuò)張洋脊兩側(cè)拆離斷層下盤,并出露下地殼和上地幔巖石的穹窿狀海底構(gòu)造［１］。海洋核雜巖的最初提出是在20世紀(jì)90年代后期,其目的是解釋大西洋洋殼中大量鏟式正斷層及垂直洋中脊的大量線理(巨型窗欞構(gòu)造)［２］,并稱之為OceanicMetamorphicCoreComplex,隨后Ran-ero［３］于1999年通過(guò)地震剖面解釋,海底地形對(duì)比,并對(duì)比陸上變質(zhì)核雜巖提出OceanicCoreComplex的概念。我國(guó)海洋核雜巖的研究從本世紀(jì)初開(kāi)始,2006年李三忠等引入海洋核雜巖的概念,并從其形成的構(gòu)造力學(xué)背景、變形結(jié)構(gòu)以及巖石組合等方面對(duì)比陸上變質(zhì)核雜巖,總結(jié)出海洋核雜巖在垂向上分為脆性變形、脆-韌性變形和塑形變形三部分,由超鎂鐵質(zhì)巖石、輝長(zhǎng)巖等組成區(qū)別于陸上核雜巖的獨(dú)特性［４］。大洋探測(cè)發(fā)現(xiàn)海洋核雜巖主要發(fā)育在全球慢速-超慢速擴(kuò)張洋中脊(擴(kuò)張速率<50mm/a)兩側(cè)(圖1)［５－６］,包括中大西洋中脊(Mid-AtlanticRidge,MAR)［１，７－９］和西南印度洋中脊(SWIR)［１０］等。目前,對(duì)海洋核雜巖的研究主要集中在海底探測(cè)方面,通過(guò)海洋多波速地形勘探和IOPD/ODP鉆井手段,從地形、構(gòu)造特征及其巖石組合等方面研究海洋核雜巖［１，９］。但海洋核雜巖的發(fā)育機(jī)制、其與巖漿作用的關(guān)系以及海洋核雜巖是否是海底熱液活動(dòng)發(fā)育的構(gòu)造背景等問(wèn)題現(xiàn)在仍未解決。本文將綜述海洋核雜巖的構(gòu)造要素和巖石組成,并討論海洋核雜巖的形成過(guò)程和機(jī)制以及其與海底熱液活動(dòng)的關(guān)系。1海洋核巖石的結(jié)構(gòu)因素和巖石的組成1.1拆離斷層和表面梳狀構(gòu)造構(gòu)造要素及地形特征是目前對(duì)于資料缺乏地區(qū)海洋核雜巖及拆離斷層系統(tǒng)的主要識(shí)別手段,通過(guò)海底多波速掃描得到的高精度地形能夠確切地顯示海洋核雜巖地形地貌特征并解釋其構(gòu)造要素。以中大西洋中脊附近為例［１，５，９］,在30°N附近、13°N附近及15°45′N附近,均發(fā)現(xiàn)海洋核雜巖及拆離斷層系統(tǒng),并以此識(shí)別了海洋核雜巖及拆離斷層系統(tǒng)的構(gòu)造要素樣式。海洋核雜巖和拆離斷層系統(tǒng)發(fā)育于洋脊擴(kuò)張持續(xù)拉伸的構(gòu)造背景下,其構(gòu)造要素以伸展構(gòu)造樣式為主(圖2)。拆離斷層是海洋核雜巖系統(tǒng)中的主導(dǎo)構(gòu)造樣式,也是海洋核雜巖發(fā)育的必要條件。海洋核雜巖位于拆離斷層下盤,并出露于洋底表面。拆離斷層控制著海洋核雜巖的發(fā)育,其位移量可達(dá)數(shù)千米［９］,根部延伸至洋中脊深部巖漿活動(dòng)區(qū),終端止于海洋核雜巖近洋中脊一側(cè)邊界,傾向洋脊軸,傾角為10°~20°［８］;但在外側(cè)丘［４］(遠(yuǎn)離洋脊軸)斷裂發(fā)生強(qiáng)烈的向外旋轉(zhuǎn),傾角可達(dá)40°。拆離斷層的拆離作用使得其下部的超鎂鐵質(zhì)巖石(下地殼,上地幔)剝露于洋底,并形成海洋核雜巖。由于洋底拆離斷層的拆離作用,使得其下盤海洋核雜巖表面出現(xiàn)由斷層劃擦作用產(chǎn)生的平行于拆離方向的線狀構(gòu)造,被稱之為表面梳狀構(gòu)造,或波紋狀構(gòu)造(圖2,圖3)。這種大西洋中脊附近的大(巨)型梳狀線理早在20世紀(jì)末已經(jīng)引起學(xué)者的注意,并解釋為窗欞構(gòu)造［２］。表面梳狀構(gòu)造規(guī)模可達(dá)8km,成梳狀或波紋狀廣泛發(fā)育于拆離斷層下盤、海洋核雜巖表面,成為現(xiàn)在洋底探測(cè)中識(shí)別海洋核雜巖發(fā)育的最為明顯的構(gòu)造地貌特征。有些海洋核雜巖表面會(huì)發(fā)育一系列正斷層,其走向垂直于拆離斷層拆離方向。這些正斷層為海洋核雜巖發(fā)育后期洋脊持續(xù)擴(kuò)張及重力拆沉的作用下所產(chǎn)生的,一般認(rèn)為該正斷層系的發(fā)育,預(yù)示著海洋核雜巖停止活動(dòng)。在拆離斷層上盤為正常的洋殼沉積,并發(fā)育斷層崖、裂谷和火山脊等伸展構(gòu)造,與拆離斷層及其下盤的海洋核雜巖共同組成了海洋核雜巖-拆離斷層構(gòu)造系統(tǒng)。2.2海洋核雜巖的巖石組合與陸上變質(zhì)核雜巖相比,海洋核雜巖具有獨(dú)特的巖石組合特征,主要表現(xiàn)為海洋核雜巖核部多有蛇紋石化超基性巖體(尤其是輝長(zhǎng)巖侵入體)的底辟侵入［２２－２３］,發(fā)育大量的輝長(zhǎng)巖侵入體、巖墻及熔巖(圖2,圖3)。針對(duì)中大西洋中脊(MAR,IODPSiteU1309D)［２４］和西南印度洋中脊(SWIR,ODPSite735B,1275D)［１４］的大洋鉆探研究及海底巖石采樣表明,海洋核雜巖的巖石組合包括玄武巖、蛇紋石化橄欖巖、橄長(zhǎng)巖、輝綠巖、超基性巖體(輝長(zhǎng)巖)及超基性巖墻和熔巖,還包括少量的斷層巖［２５－２６］(圖3)。海洋核雜巖在不同洋殼深度的巖石組合是不同的,在拆離斷層以下0~100m,以蛇紋石化橄欖巖、玄武巖、輝綠巖為主,并在拆離斷層附近發(fā)育斷層巖;這些巖石均以淺部分布為主,深部減少;而在拆離斷層以下超過(guò)100m的巖石組合則以超基性巖石為主,尤其是輝長(zhǎng)巖,并含有少量的輝綠巖和橄欖巖,斷層巖幾乎不發(fā)育。接近地幔深度的巖石以發(fā)生塑性變形的地幔橄欖巖為主。因此,海洋核雜巖核部的主要巖石在淺部以蛇紋石化超鎂鐵巖為主,深部以輝長(zhǎng)巖為主。整體看來(lái)輝長(zhǎng)巖占據(jù)海洋核雜巖巖石組合的主要部分,其次為橄欖巖或者蛇紋石化橄欖巖。巖石的塑性變形行為多集中在洋殼以下500~1000m的區(qū)域,以輝長(zhǎng)巖和地幔橄欖巖為其主要的變形巖石類型。而脆性變形集中于拆離斷層拆離面附近的斷層巖之中,碎石除部分蛇紋巖之外,大部分為玄武巖。2海洋核混合巖的形成機(jī)制2.1拆離斷層與海洋核雜巖的構(gòu)造組合海洋核雜巖的發(fā)育過(guò)程與洋底拆離斷層的發(fā)育過(guò)程相互對(duì)應(yīng);海洋核雜巖的發(fā)育過(guò)程按階段可分為發(fā)育初期、發(fā)展期、成熟期、衰亡期和新發(fā)育期等周期性發(fā)育階段(圖4):發(fā)育初期:在洋脊擴(kuò)張的拉張構(gòu)造環(huán)境下,在洋脊兩側(cè)發(fā)育一系列高角度正斷層系,平行于洋脊軸,正斷層發(fā)育作為拆離斷層發(fā)育的先存斷層。發(fā)展期:隨著洋脊擴(kuò)張的進(jìn)行,正斷層作為構(gòu)造薄弱帶,進(jìn)一步發(fā)育成為應(yīng)變量很大的低角度鏟式正斷層,即拆離斷層。拆離斷層平行于洋脊擴(kuò)張軸,并導(dǎo)致其下盤下地殼和上地幔的巖石出露海底表面,與拆離斷層上盤巖石一起組成海洋核雜巖的巖石組合。拆離斷層發(fā)育過(guò)程中的刮擦作用,使得下盤巖石表面形成垂直于洋脊擴(kuò)張軸的梳狀線狀表面構(gòu)造。成熟期:當(dāng)拆離斷層拆離到一定的規(guī)模(斷距5~10km),下盤巖石大規(guī)模出露,在重力平衡的作用下,拆離斷層下盤巖石表面上凸形成穹窿狀構(gòu)造,表面梳狀構(gòu)造明顯,標(biāo)志著海洋核雜巖進(jìn)入發(fā)展成熟階段。衰亡期:后期由于洋脊擴(kuò)張和洋脊中心新生洋殼的形成,使海洋核雜巖逐步退出洋脊擴(kuò)張形成的主要拉張應(yīng)力域,從而拆離斷層停止發(fā)育,僅在下盤海洋核雜巖表面發(fā)育后期次級(jí)正斷層,破環(huán)海洋核雜巖的表面梳狀構(gòu)造,并進(jìn)一步破壞海洋核雜巖,導(dǎo)致海洋核雜巖衰亡。新的發(fā)育期:前期海洋核雜巖衰亡之后,靠近洋脊擴(kuò)張軸的先存發(fā)育的正斷層會(huì)重新發(fā)育成為拆離斷層,并進(jìn)一步發(fā)育和形成海洋核雜巖,從而形成周期性的海洋核雜巖發(fā)育過(guò)程。2.2慢速-超慢速洋脊深部巖漿補(bǔ)徑斷裂帶海洋核雜巖發(fā)育規(guī)律透鏡體狀巖漿房的深度與擴(kuò)張速率存在相關(guān)性,在半擴(kuò)張速率小于20mm/a的洋中脊中,地殼內(nèi)不存在巖漿房［２７］。在慢速洋中脊中少有發(fā)現(xiàn)巖漿熔融體的證據(jù),即使存在,也是短期的、不穩(wěn)定的熔融體［２８］。根據(jù)位于西南印度洋的海底地震(OBS)探測(cè)發(fā)現(xiàn)［２９］,慢速-超慢速洋脊深部或許存在巖漿房,但巖漿房的規(guī)模較小,巖漿供給不足,從而導(dǎo)致慢速-超慢速洋中脊具有不同于快速擴(kuò)張洋中脊的深大洋脊裂谷軸,并形成地形變化較大的洋底表面。慢速-超慢速擴(kuò)張洋脊的深部巖漿特征同樣也控制著洋底拆離斷層和海洋核雜巖的發(fā)育。數(shù)值模擬研究［３０－３１］表明,洋中脊深部的補(bǔ)給特征和洋脊擴(kuò)張速率共同控制著洋脊兩側(cè)斷層系統(tǒng)的發(fā)育以及海洋核雜巖的發(fā)育。海洋核雜巖發(fā)育于低巖漿補(bǔ)給速率的環(huán)境。慢速-超慢速洋脊深部巖漿補(bǔ)給不足,尤其是巖漿對(duì)于脆性巖石圈的補(bǔ)給不足以填補(bǔ)洋脊擴(kuò)張所帶來(lái)的物質(zhì)和空間空缺,也不能完全平衡洋脊擴(kuò)張的應(yīng)變速率。由物質(zhì)守恒和表面積不變等原理,在洋脊兩側(cè)應(yīng)變應(yīng)力集中區(qū)域,沿著構(gòu)造薄弱帶(先存高角度正斷層系)發(fā)育變形量足以與洋脊擴(kuò)張匹配的拆離斷層系統(tǒng)。隨著拆離斷層的發(fā)育,其下盤的下地殼與上地幔的巖石被剝露于洋底表面,從而與拆離斷層及其上盤巖石共同組成海洋核雜巖。當(dāng)巖漿供給在一段時(shí)間充足時(shí),拆離斷層停止發(fā)育,由于重力均衡等原因,導(dǎo)致拆離斷層下盤的海洋核雜巖表面形成和發(fā)育后期正斷層,從而破壞海洋核雜巖的表面梳狀構(gòu)造及整體性,使得海洋核雜巖進(jìn)入衰亡階段。慢速-超慢速洋脊巖漿供應(yīng)的間斷性和周期性導(dǎo)致了洋脊附近拆離斷層發(fā)育的周期性,當(dāng)前期海洋核雜巖衰亡后,新的拆離斷層會(huì)周期性發(fā)育,從而形成新的海洋核雜巖。3海洋核雜巖或?yàn)槁?超慢速洋中脊的熱液活動(dòng)異常熱液多金屬硫化物礦床是重要的洋底礦產(chǎn)資源,在中—快速擴(kuò)張洋中脊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量的熱液硫化物礦床［３２］。近年來(lái),隨著在中大西洋脊和西南印度洋脊熱液硫化物礦床的程控探測(cè),慢速-超慢速洋中脊已經(jīng)成為重要的熱液多金屬硫化物礦床的探測(cè)區(qū)域。研究發(fā)現(xiàn),慢速-超慢速擴(kuò)張洋中脊的熱液硫化物礦床主要以鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石為成礦背景(Rainbow,MAR等)［３２］,并作為硫化物的容礦巖石。目前在中大西洋脊(MAR)、西南印度洋脊(15°45′N,SWIR)以及加勒比海擴(kuò)張中心的熱液區(qū)均已經(jīng)發(fā)現(xiàn)海洋核雜巖的存在［２１］。作為慢速-超慢速擴(kuò)張洋中脊的獨(dú)特構(gòu)造樣式,海洋核雜巖或?yàn)槁?超慢速洋中脊熱液硫化物成礦的重要構(gòu)造背景,且為不同于目前已知熱液硫化物成礦系統(tǒng)的獨(dú)特構(gòu)造背景。在全球最深的洋脊擴(kuò)張中心,加勒比海Mid-Cayman擴(kuò)張中心(超慢速擴(kuò)張)發(fā)現(xiàn)兩處熱液活動(dòng)異常(VonDammVent&BebeeVent)［２１］,海洋核雜巖深度為2300~4960m,羽流高度達(dá)到1100m,熱液溫度>400℃,為超慢速洋脊擴(kuò)張背景下的超鎂鐵巖高溫?zé)嵋夯顒?dòng)異常。研究發(fā)現(xiàn)Mid-Cay-man擴(kuò)張中心的兩處熱液異常均發(fā)育在海洋核雜巖之上,多波速地形顯示出明顯的垂直于洋脊裂谷軸的表面梳狀構(gòu)造,為海洋核雜巖的明顯標(biāo)志。不同于中大西洋和印度洋脊的熱液硫化物礦床,Mid-Cayman擴(kuò)張中心海洋核雜巖背景下的熱液活動(dòng)異常是一種遠(yuǎn)離洋脊軸的熱液系統(tǒng),其相對(duì)于洋脊附近的熱液異常更難探測(cè)得到。海洋核雜巖與熱液活動(dòng)的關(guān)系可以從物質(zhì)供應(yīng)、熱源供應(yīng)以及熱液通道等方面進(jìn)行討論。熱液硫化物礦床的成礦物質(zhì)來(lái)源為海水與巖石,海水通過(guò)斷裂裂縫等進(jìn)入巖石,并受到巖漿活動(dòng)等熱源的加熱,與巖石發(fā)生反應(yīng),并萃取巖石中的金屬元素,與海水中的硫形成硫化物,最終沿通道噴出,與海水反應(yīng),冷卻形成黑煙囪或熱液硫化物礦床。而慢速-超慢速擴(kuò)張背景下的熱液硫化物礦床的成礦物質(zhì)來(lái)源主要為鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖石［２５－２６］。海洋核雜巖的巖石組合(圖3)以鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖石為主,為熱液活動(dòng)提供物質(zhì)來(lái)源。另外,海洋核雜巖其主要構(gòu)造要素為拆離斷層及后期正斷層,這為海水進(jìn)入巖石形成熱液提供了有利通道條件。拆離斷層的發(fā)育可延伸到巖漿活動(dòng)區(qū),這也為熱液活動(dòng)提供了重要的熱源。綜上所述,海洋核雜巖有著巖石物質(zhì)來(lái)源、優(yōu)勢(shì)熱水通道以及熱源等熱液活動(dòng)的有利條件,由此,海洋核雜巖或可成為熱液活動(dòng)的有利構(gòu)造條件。4海洋核雜巖的發(fā)育規(guī)律(1)海洋核雜巖作為慢速-超慢速洋中脊獨(dú)特的構(gòu)造樣式,主要分布于中大西洋脊、印度洋脊等慢速-超慢速擴(kuò)張洋脊兩側(cè)。海洋核雜巖由平行于洋脊軸的拆離斷層、出露洋底的下盤巖石和上盤巖石組成。在構(gòu)造上以穹窿狀構(gòu)造和表面廣泛發(fā)育的梳狀線理為其主要特征。其巖石組合以輝長(zhǎng)巖、輝綠巖和橄欖巖為主,并有少量的斷層