脊迁移对洋中脊岩浆段的影响翻译

脊迁移对洋中脊岩浆段的影响S.M.Carbotte，C.Small&K.Donnelly（Lamont-DohertyEarthObservatory,61Rte9W,Palisades,NewYork10964,USA）[摘要]：全球洋中脊在深度和外形上有着系统性的变化，转换断层和更小级别的无转换性质的轴偏移把洋中脊细分为不连续的扩张段[1-3]。这些形态上的变化被认为是由来自地幔的岩浆供应的空间变化所导致，然而人们对这些变化的起源还知之甚少[4-5]。在这里我们将展示快速和中速扩张速率洋脊的岩浆段与地幔之上扩张轴的迁移速率之间由着直接联系。在超过9500km的洋中脊已经被调查过后，分布范围覆盖了86%的转换断层和73%的第二级间断的浅部岩浆强劲的脊段与“热点”坐标系中的先导脊段由着一致性。在分析了靠近于横穿间断的脊段的熔体后，我们认为这是由于因脊迁移而导致的不对称的地幔上涌和熔体形成产物的原因。文中的模型与横穿位于东太平洋洋隆上的间断的地壳构造变化一致，还可以解释富集熔岩的位置分布和熔体随深度的变化。洋中脊（MOR：mid-oceanridge）的高程和切轴形态常常指示了地壳岩浆活动的差异，如轴向熔岩的年龄和物质组成、地壳岩浆体的存在、地壳断裂的程度[6-8]。由此产生了扩张中心的形态指示了地幔岩浆的流动和分布的假说，且鉴于处于更深处的构造性更强的脊段是岩浆饥饿性质的，因而浅层和宽广的脊段被认为是反映了岩浆供应的加强[1,9]。虽然岩浆脊段北广泛认为是MOR的基本特征之一，然而在地幔上涌模式中这种脊段的意义争议颇多，特别是在快速扩张脊中[4,5,10,11]。我们分析认为在绝对的板块运动背景中的MOR高程变化揭示了从脊形态角度推断出的岩浆脊段与扩张中心的绝对迁移速率之间存在显著的一致性。板块边界迁移的速率和方向受制于该板块的外围板块的绝对运动[12]。目前所有的扩张中心都相对于“稳定”的热点坐标系迁移[13]。沿着快速扩张的北太平洋洋隆（NEPR：NorthernEastPacificRise），扩张中心沿脊轴以变化较小的速率和方向向西北方迁移（图1）。从扩张轴的深度轮廓可以看出，相对于相邻的较深的脊段，浅的脊段有着很好的顺脊迁移方向的偏移。在已被调查的约2000km的NEPR（3°—23°N）中，发现所有的转换断层都有着这种性质，6/7的叠接扩张中心（OSCs：overlappingspreadingcentres）（被归为第二级间断）也有这种性质（由参考文献1）。对囊括了大约1/5的全球MOR的其它快速和中速扩张洋脊的分析揭示了86%的转换断层和73%的第二级间断处的脊迁移方向与阶梯状的轴向深度之间有着一致性（图2，补充图1和2）。穿过间断的阶状脊高程不能归因于毗邻的过脊间断的更老岩石圈的冷却，因为热边缘效应被认为是会等同地影响一个间断的任一边。更者，第二级间断的热效应应该更小，该处岩石圈的年龄比偏移年龄小（0.1-1Myr）。代替之，在转换和无转换的间断处的高程变化有着类似的范围（10-500m），虽然转换断层的偏移长度（典型地大于50km）和无转换间断的偏移长度（典型地5-20km）之间存在着巨大的不同（图2）。先导的脊段的高程在此更浅，穿过间断的重力异常随偏移长度而变化，最大的重力异常被发现在长度小于150km的偏移中，较小的重力异常被发现于转换断层中（图2）。由对照的少量实例显示拖曳部位处深度更浅，因此深度变化一般很小（100m）且与脊偏移长度没有明显的关系。为什么MOR中先导段与较浅的、形态粗壮的脊段联系这么密切？我们猜测洋脊的这些形态变化可能是由于从与迁移的扩张中心有关的宽广的地幔上涌不对称带中的熔体上涌，穿过间断，形成的熔体汇聚而导致。根据位于迁移MOR之下的被动的板块驱动上涌的运动学模型可以作出关于地幔流的路径的显著不对称性，及位于先行板块之下的更快的地幔上涌和更显著的熔体产物[14，15]。如果这些模型是正确的，那么穿过间断的地幔流场和熔体产物区的差异应该是脊偏移的几何学函数（图3）。地震和海底观测表明地壳的形成发生于一个狭窄的带内（1-2km），且地幔中的熔体必须在脊轴强烈地汇聚。就各段的扩张中心而言，熔体可能不仅仅从位于各脊段之下的地幔上涌带中发生汇聚，还可能从过脊轴的间断处发生汇聚（例子见文献16）。的确，过间断处熔体可能会优先产出，平流路径在此也比毗邻的脊轴处更短，导致起源于相邻脊段的上涌带的熔体的精炼。就迁移的扩张中心而言，向先导脊段汇聚的熔体主要会从前进板块的上涌更快、更富集熔体的带中产生。与此对应地，在靠近拖曳段的尾部，理想化情况下的可以补给给熔体的地幔体积主要位于缺少熔体且上涌较慢的拖曳板块之内（图3）。这样，拖曳段位于先导段的尾流区或阴影地带，还可能会导致产于相邻先导段的上涌带的熔体产生较微小的分馏的。许多观察暗示了相邻段的形态学上的差异可以延伸至一个脊段的部分甚至全部，在转换断层之间也会出现更多的持久性差异（例子见于图1）。形态学阴影的长度可能反映了从相邻的上涌带而来的熔体的量，虽然地壳层次的熔体再分配过程或许是重要的且会掩盖这些效应。在东太平洋洋隆的OSCs处的脊迁移方向和脊轴形态对比之间显示出了惊人的联系，给出了这些小尺度的特征（图1，2b）。然而，由于这些间断的叠置几何学形态，OSCs的拖曳支会位于先导支的尾流区之内（图3）。更多的熔体可能会被先导的OSCs支拖曳产生，作为位于前进板块之下的增强的熔体的产物的结果。对9°03’N的OSC17的地震调查暗示了地壳层次的熔体被从间断的西边，也就是前进板块一侧提供给OSC的拖曳支，这与模型一致。位于叠置带北端的OSC拖曳支之下有一个不寻常的向西的宽广下沉岩浆体。更往南边，沿着这个岩浆透镜体的西边缘有着一些晓得熔体渠道，暗示了熔体从西边供给过来。基于脊段形态学和脊迁移的关系，我们建立的模型可以预测地壳和上地幔的构造差异，这些可以通过地震和重力调查和探测的数字实验进行测验。这个模型要求上地幔流在迁移的MORs下是不对称的，且模型预测了地壳在先导段更厚。MELT实验揭示了位于15°-19°S的南东太平洋洋隆（SEPR：southernEastPacificRise）之下的地幔是高度不对称的结构，且推测更高含量的熔体和更强的上地幔各向异性暗示了位于前进的太平洋板块之下的更厉害的受流的作用引起的拉拽[18-20]。向西迁移的SEPR已经被考虑用于解释这些观测到的现象，虽然现存的数字化研究暗示了单单只是脊迁移并不能解释观察到的大规模的不对称性[21，22]。在假定了压力、温度和压力决定的粘度之后建立的新的软流层流模型显示脊迁移给中速到快速扩张的MORs对熔体产物造成了高达5-11%的小规模不对称性[23]。基于对熔体汇聚的合理假设，这些模型暗示了由相邻的脊段在这个不对称的熔体产物带形成的熔体可以有备地解释文中报道的地形变化。这些模型还可以预示过间断的深度异常应该随脊偏移的长度变化，这与观测到的一致。仅有的可用的关于地壳厚度在快速扩张脊处的分段规模变化的地震研究指示了Clipperton转换断层北边的拖曳段处微薄的地壳厚度（达300m）[8]与我们的模型一致。观察到的在Clipperton南边的脊段的地壳厚度（2-2.5km）有更大的差异，这也许反映了规模更为局部的过程（例如：Lamont海山和OSC的历史传播的熔体来源）。对其它快速和中速扩张区域的重力调查揭示沿着脊轴的地幔布格异常的变化与位于OSCs和转换断层的拖曳段处的较薄的地壳厚度（从几百到1km）一致[10，25，26]。在这些位置中的某些位置，推测出的地壳厚度差异比预测出来的要小很多，这可能是由于地壳均衡作用下的地形补偿导致（例如：假设地壳密度为2700kg/m3,在过Clipperton转换断层处的地壳的300m厚度差异只能用于解释不大于100m的深度变化）。确实，过间断的许多轴向深度差异可能是动力学引起的的，这可归因于热的地壳均衡或粘性应力的作用，可能与不对称的地漫流有关。确定抵抗地壳厚度差异的多种动力的相对贡献需要对地壳和上地幔结构进行新的研究。脊段的形态学和板块的运动学之间的联系也可以给我们提供一个新的框架，沿着MORs的地球化学变化在这个框架内也可以被评估。过间断出的喷出型熔岩的地球化学差异已经被观测到，这一般被认为是由于脉状的地幔熔融作用。富集的脉理被认为是地幔更深处熔体的开始[27]。我们的模型提供了一种机制，凭借这种机制，位于相邻的前进板块的上涌带内的早期熔融地幔的不均一特征可以在先导脊段之下优先产生。沿着NEPR，变化最大且最富集的熔岩（由不相容的微量元素比率指示）和那些从最深部熔融而来的熔岩被发现是沿着先导段分布的（图4）。由于在其他地方是典型的，沿着这条脊的地球化学研究已经集中在被认为是岩浆作用很强劲的浅层部位，且基于现有数据的推论是收取样偏差的控制。然而，目前可用的关于NEPR的数据显示：沿着这条脊的地球化学变化可以反映板块运动学对地幔熔体产物的影响。对我们的模型的地球化学指示的更进一步的评估需要其它地区MORs的缺乏取样的拖曳段的针对性调查研究。图1NEPR测深图和轴向轮廓。测深图（左图）中的蓝色箭头表示脊迁移的方向，由绝对板块运动模型HS3-Nuvel1a计算得来[28]。箭头长度与迁移速率成比例（1cm=55mm/yr）。轴向深度在所有的第一级间断（粗箭头）和较小的第二级间断（细箭头）处发生变化。除了一个例外（红色箭头）外，其余沿着脊迁移方向的脊段偏移间断都较浅。脊高程的差异可以延续到相邻的脊段的部分（如Clipperton转换断层的北段）甚至全部（如Siqueiros转换断层的南段）。18NProp.，18°NPropagator。图2轴向深度变化与脊轴间断的偏移长度。轴向深度变化由统一距离位于间断任一侧的平均水深超过1km的脊轴10km的海底深度衡量得出。正的轴向深度变化表示脊轴相对于位于扩张轴R（inset）处的观测点更浅。正的偏移长度表示脊轴相对于位于R处的观测点的沿着脊迁移方向的的变化。灰色的象限区域表示先导段更浅（见正文）。a图的数据集包括了所有的转化断层（实心圈）、伴生的脊间断（空心圈）和无转换的第二级间断（星形）（偏移长度5km），其中红色的表示来自于0°-23°S，28°-32°S的快速扩张的SEPR，黑色的表示来自3°-23°N的NEPR，绿色的表示来自36°-56°S的处于太平洋-南极的东太平洋洋隆，紫色的表示来自中速扩张的JuandeFuca-Gorda板块交界处，蓝色的表示来自100°-116°的东南印度洋洋脊。用于分析的测深数据来自于RidgeMultibeamSynthesis（）。b图是将偏移较小的第二级间断进行了放大。图3位于转换断层和OSC的迁移MOR偏移脊段之下的不对称地幔上涌概要图。Vr（HS）表示脊轴相对于固定的“热点”坐标系的速率。由文献14和15，垂直地幔流是与岩石圈基底的倾斜和各板正常的脊速率（垂直箭头）成比例的。更快的上涌和更显著的地幔产物预示着位于前进板块之下。流线展示了软流圈相对于脊上固定的观测点的运动，且表现了位于两个板块之下的地幔物质路径的不对称性。圈住脊段末端的圈圈显示了理想化的地幔熔体流出区，包括了过间断的相邻段的上涌带（实线表示前进板块，虚线表示拖曳板块，箭头表示带内熔体迁移的可能路径）。在先导段（L）熔体可以从过间断的前进板块的上涌更快的熔体富集带流出，鉴于拖曳段（T）从上涌较慢的缺熔体拖曳板块中得到熔体。相同的过程被设想在OSCs也发生，虽然地幔深度要求可能要更浅。图4NEPR的轴向深度和现代熔岩化学参数。黑粗实线表示大偏移的间断，虚线表示OSCs（偏移距5km）。T、L分别表示过间断的先导段和拖曳段。灰色区域表示大偏移间断的拖曳段。在这个地区，由不相容元素Ba/Ce比率判别显示出的最富集和成分最多样化的组成成分与浅的先导脊段有关。较高的Dy/Yb比率可以指示了来源于更深地幔的熔体（由残留石榴子石得出），