西太平洋侏羅紀(jì)海洋地殼斷裂特征及其成因機(jī)制*

張錦昌, 楊曉東, 林婧雪, 曲夢, 羅怡鳴

1. 中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國科學(xué)院南海海洋研究所, 南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院, 廣東 廣州 511458;

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州), 廣東 廣州 511458;

3. 中國-巴基斯坦地球科學(xué)研究中心, 中國科學(xué)院-巴基斯坦高等教育委員會, 巴基斯坦 伊斯蘭堡 45320;

4. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院, 北京 100083;

5. 中山大學(xué)海洋工程與技術(shù)學(xué)院, 廣東 珠海 519082;

6. 南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系, 廣東 深圳 518055

板塊構(gòu)造運(yùn)動主導(dǎo)和控制了發(fā)生在地球表面的地質(zhì)作用和過程, 如火山活動 、巖漿侵入 、巖石變質(zhì) 、山川地勢 、海陸分布 、風(fēng)化強(qiáng)弱 、沉積巖相、礦物分布 、地震發(fā)生等(且鐘禹, 1996)。在構(gòu)造運(yùn)動和變形中, 斷裂和褶皺是最重要的兩個產(chǎn)物, 前者指的是巖石或者地層的位錯, 后者是巖石或者地層的彎曲, 兩者與上述提及的地質(zhì)作用和過程都有著密切的聯(lián)系。因此, 研究斷裂和褶皺是認(rèn)識板塊構(gòu)造運(yùn)動學(xué) 、幾何學(xué) 、動力學(xué)等的必要內(nèi)容, 對理解地球表面地質(zhì)作用以其對環(huán)境 、資源和人類的影響具有重要意義。

在海洋巖石圈的形成與演化中, 斷裂是海洋地殼(洋殼)的主要形變方式(Morgan, 1968)。廣闊的海底存在著諸多呈帶狀分布的斷裂系統(tǒng), 大體可以分為兩種: 一是沿洋中脊軸部延伸并與其平行的一系列正斷層構(gòu)成的斷裂系統(tǒng), 例如太平洋 、大西洋、印度洋的洋中脊; 二是橫切洋中脊的轉(zhuǎn)換斷層或走滑斷層系統(tǒng), 例如在東太平洋洋隆中已發(fā)現(xiàn)十幾條與海嶺垂直的大斷裂(Wolfson-Schwehr et al, 2014)。還有就是發(fā)育在板內(nèi)熱點(diǎn)以及俯沖帶區(qū)域的斷裂, 這些斷裂往往都帶有局部特征, 性質(zhì)多樣且相對復(fù)雜。

侏羅紀(jì)洋殼是現(xiàn)存最古老的海洋地殼, 殘留在地球表面上很少, 只存在于若干地方(西太平洋 、大西洋和印度洋的洋陸過渡帶)。作為世界上最古老的洋殼, 侏羅紀(jì)洋殼的構(gòu)造變形對于認(rèn)識地球的演化過程十分重要。西太平洋是侏羅紀(jì)洋殼現(xiàn)存最多的地方(圖1), 其中Pigafetta 盆地?fù)碛鞋F(xiàn)今地殼表面最老的海洋地殼(Koppers et al, 2003), 但是由于該區(qū)遠(yuǎn)離陸地 、水深較大(＞5km), 難于開展科學(xué)調(diào)查工作(宋曉曉 等, 2016)。侏羅紀(jì)洋殼形成于海底擴(kuò)張時期, 原生洋殼記錄了洋中脊的形成與演化過程,也記錄了與洋中脊相關(guān)的斷裂系統(tǒng)作用。本研究區(qū)內(nèi)的侏羅紀(jì)洋殼正位于侏羅紀(jì)磁靜區(qū)(圖1), 記錄不到完整、清晰的條帶狀地磁異常信號, 導(dǎo)致沒法通過地磁數(shù)據(jù)來了解區(qū)內(nèi)的構(gòu)造歷史。因此, 與洋中脊相關(guān)的斷裂系統(tǒng)成為了理解侏羅紀(jì)洋殼構(gòu)造情況的一個關(guān)鍵窗口。然而, 古老的侏羅紀(jì)洋殼上覆較厚的沉積物, 同時區(qū)內(nèi)處于相對穩(wěn)定、平靜的構(gòu)造環(huán)境, 洋殼上的斷裂很少出露到海底, 這些被埋藏起來的斷裂有什么特征、是否一直在活動等都不清楚。另外, 后期(白堊紀(jì))區(qū)內(nèi)受到大規(guī)模的巖漿侵入作用, 被侵入的規(guī)模比其他時代的洋殼都要大, 改造了原生的侏羅紀(jì)洋殼以及其上覆沉積物(Abrams,1993; Feng et al, 2015; Stadler et al, 2015), 所以, 后期巖漿侵入對先存斷裂的影響也有待查明。

本文針對西太平洋侏羅紀(jì)洋殼上的斷裂開展了詳細(xì)的幾何學(xué) 、構(gòu)造學(xué)和動力學(xué)等研究, 利用高分辨率的多道地震剖面精細(xì)解釋了研究區(qū)內(nèi)的洋殼基底 、沉積地層和斷層構(gòu)造, 并討論了斷層的成因機(jī)制、對侏羅紀(jì)洋殼形成演化的啟示, 以及相關(guān)的地質(zhì)影響, 主要包括: (1) 在高分辨率的多道地震剖面上劃分地震層序; (2) 識別剖面上的斷層以及相應(yīng)沉積和洋殼基底構(gòu)造形變; (3) 將識別的斷層進(jìn)行分類; (4) 最后討論各類斷層的成因機(jī)制與相互之間的聯(lián)系、斷層與侏羅紀(jì)洋殼基底形態(tài)、重力異常特征和磁異常條帶的關(guān)系, 以及斷層對于地球水循環(huán)和地質(zhì)災(zāi)害的影響。這些結(jié)果將進(jìn)一步加深對西太平洋侏羅紀(jì)洋殼以及全球海洋地殼的形成和演化過程及其地質(zhì)效應(yīng)的認(rèn)知。

1 地質(zhì)概況

大洋鉆探計(jì)劃在1989 和1990 年針對西太平洋的侏羅紀(jì)洋殼開展了鉆探研究(Shipboard Scientific Party, 1990a, b), 分別在Pigafetta 盆地鉆了兩個孔,站位800 和801(圖1), 以及在東馬里亞納盆地鉆了1 個孔, 站位802。鉆孔800 和802 鉆到了白堊紀(jì)火山巖, 801 鉆到了侏羅紀(jì)基底玄武巖。研究區(qū)內(nèi)(西太平洋)洋殼基本經(jīng)歷了兩個巖漿作用階段: (1) 侏羅紀(jì)的海底擴(kuò)張和洋中脊增生, 約170Ma; (2) 白堊紀(jì)的后期巖漿侵入, 約75—125Ma。其中, 白堊紀(jì)的同期巖漿活動, 在太平洋中十分普遍, 而且量大面廣,例如研究區(qū)附近就有中太平洋海山 、Ontong Java 高原 、Shatsky海隆 、馬紹爾群島, 以及成千上萬的海底平頂山 、海山 、火山巖碎屑流等(徐義剛, 2002;徐斐 等, 2003; 龐潔紅 等, 2011; Xue et al, 2016;陸鹿 等, 2016; 陳雙雙 等, 2018; 羅怡鳴 等,2019)。后期的白堊紀(jì)巖漿覆蓋在原生的侏羅紀(jì)火山巖基底上, 以巖席 、巖墻 、海山等形式侵入。巖墻和海山都形成于一個集中的 、上升管道狀的巖漿運(yùn)移過程, 穿過莫霍面 、先存洋殼和上覆沉積物, 到達(dá)海底(Greene et al, 2020); 此外, 巖席形成于巖石圈內(nèi)大面積的巖漿水平運(yùn)移, 大量的巖席侵入到沉積物的各個深度, 增厚了整個海洋地殼的厚度(Feng et al, 2015; Stadler et al, 2015)。

西太平洋侏羅紀(jì)洋殼具有一個特征, 類似于白堊紀(jì)磁靜區(qū), 從中生代磁條帶 M22 到M42(Tominaga et al, 2015)或者M(jìn)44(Tominaga et al,2008)的地質(zhì)時間區(qū)間內(nèi), 存在一個磁異常信號微弱的地帶(Ogg et al, 2010), 該區(qū)域發(fā)生在西太平洋Pigafetta盆地、 東馬里亞納盆地以東, 中太平洋海山區(qū)以西, 稱為侏羅紀(jì)磁靜區(qū)(Larson et al, 1972,1975; Cande et al, 1978)。西太平洋洋殼上有約200～450m 的沉積覆蓋, 其中在Pigafetta 盆地的火山基底上有約400～500m 的沉積覆蓋, 均屬于典型的遠(yuǎn)洋深海沉積。研究區(qū)水深為5000～6000m(圖1b),低于碳酸鈣補(bǔ)償深度(Hesse, 1988), 沉積物以硅質(zhì)、黏土為主, 伴有火山碎屑。在侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)期間,研究區(qū)位于赤道附近, 海洋生物生產(chǎn)力旺盛, 以硅質(zhì)沉積物為主, 平均沉積速率約為 3 m·Ma-1(Lancelot et al, 1975; Behl et al, 1992; Larson et al,1992; Karl et al, 1992; Moore, 2008)。根據(jù)大洋鉆探的結(jié)果(Shipboard Scientific Party, 1990a, 1990b), 海底淺層的硅質(zhì)淤泥主要由蛋白石-A、 無定形硅礦物組成; 而在海底沉積的深層, 硅質(zhì)淤泥由于成巖作用轉(zhuǎn)化成致密 、強(qiáng)硬的瓷巖和燧石。這一系列的硅質(zhì)沉積物在反射地震剖面上表現(xiàn)為平順 、連續(xù)的反射圖像, 其中瓷巖或燧石層呈現(xiàn)出更高振幅的反射信號, 因?yàn)橄鄬τ诠栀|(zhì)淤泥, 瓷巖或燧石具有更低的孔隙度、更高的密度和地震波速度, 從而產(chǎn)生更高的波阻抗(Abrams et al, 1992; Ewing et al, 2012)。上覆黏土和下覆瓷巖或燧石的交界面反映了研究區(qū)沉積環(huán)境從赤道區(qū)域轉(zhuǎn)移到北太平洋亞熱帶區(qū)域, 而且這個界面被多個大洋鉆探鉆孔所證實(shí)(圖1a), 包括大洋鉆探(ODP) 站位 800 和 801、 深海鉆探(DSDP) 站位 46、 198 和 307(Pimm et al, 1971;Heezen et al, 1973; Lancelot et al, 1975; Shipboard Scientific Party, 1990a, b; Karl et al, 1992)。

2 數(shù)據(jù)和方法

西太平洋侏羅紀(jì)洋殼區(qū)內(nèi)的多道地震數(shù)據(jù)是2011 年由美國科學(xué)調(diào)查船Thomas G. Thompson 采集, 相應(yīng)的航次是TN272(Tominaga et al, 2012)。該航次共采集了約800km 長、 北東—南西走向的地震測線TN272(圖1b)。震源系統(tǒng)(表1) 使用了兩支約1.8L 的GI 空氣槍作為激發(fā)震源, 震源的沉放深度為4m, 激發(fā)放炮的間距為25m。地震信號接收系統(tǒng)使用了870m 長、 48 道的電纜, 道間距為12.5m, 采樣間隔為1ms, 記錄長度為11.5s。經(jīng)過水平疊加后(疊加次數(shù)為12)得到的水平分辨率為6.25m(也就是共深度點(diǎn)炮集的間距)。采集得到的多道地震數(shù)據(jù)頻譜中, 信號在50 至200Hz 范圍內(nèi)較為平整, 換算得出在沉積層中大約2～5m 的垂直分辨率(Greene et al,2020)。新采集的多道地震數(shù)據(jù)比過往采集的地震數(shù)據(jù)(Abrams et al, 1992)具有更高的主頻(50～200Hz),能夠給研究區(qū)提供更高分辨率 、更高精度的成像剖面, 從而進(jìn)行更精細(xì)的構(gòu)造解釋。

表1 多道地震數(shù)據(jù)采集參數(shù)Tab. 1 Acquisition parameters of the multichannel seismic data

多道地震數(shù)據(jù)處理主要流程包括: 帶通濾波、壞道清理 、動校正 、速度分析 、水平疊加 、疊后時間偏移等。在ProMAX 地震數(shù)據(jù)處理軟件中, 按照實(shí)際采集參數(shù)設(shè)置好觀測系統(tǒng)后, 通過對原始炮集的頻譜分析得出地震數(shù)據(jù)的主頻范圍在50～200Hz之間, 采用一個相應(yīng)的帶通濾波以提取有效的主頻信號。隨后通過對原始炮集的檢查, 清理出壞道; 統(tǒng)計(jì)得出壞道約占整個數(shù)據(jù)的7%。接著每隔200 個共深度炮點(diǎn)做一次速度分析, 然后形成一整條測線的速度模型, 用于動校正 、水平疊加和偏移成像。最后, 對成像剖面進(jìn)行500ms 步長的自動增益控制,以均衡補(bǔ)償整個剖面的信號能量, 并且將水體部分的無用信號切除干凈, 生成最終的成果剖面。

多道地震剖面解釋采用了標(biāo)準(zhǔn)化的地震層序解釋技術(shù)(Mitchum et al, 1977)。在多道地震數(shù)據(jù)中, 對地震層序進(jìn)行識別 、追蹤 、關(guān)聯(lián)和解釋。我們這次研究聚焦在地震聲學(xué)基底及以上的沉積地層, 構(gòu)造解釋參考了過往的地震解釋結(jié)果(Heezen et al, 1973;Lancelot et al, 1975; Abrams et al, 1992; Ewing et al,2012)。具體研究方法還包括地層刻畫 、斷層分析、構(gòu)造解釋等。

與多道地震數(shù)據(jù)采集的同時, TN272 航次沿線采集了地震折射數(shù)據(jù), 用于建立研究區(qū)內(nèi)的地殼結(jié)構(gòu)模型。航次期間總共投放了 50 臺聲吶浮標(biāo)(sonobuoy), 獲得有效數(shù)據(jù)的有42 臺。采集到的地層速度和深度通過正演模擬的方法來降低預(yù)測值與識別值之間的誤差(Feng, 2016)。在地震折射數(shù)據(jù)不能清晰成像的地方使用多道地震數(shù)據(jù)來約束和插值,反之亦然。因此, 最終的地殼結(jié)構(gòu)模型是多道地震反射數(shù)據(jù)和折射數(shù)據(jù)聯(lián)合解釋的結(jié)果。

M 系列地磁異常數(shù)據(jù)源于Stadler 等 (2015),Tominaga 等(2015) 和 Tominaga 等 (2021)。研究區(qū)內(nèi)的地磁異常數(shù)據(jù)來自Tominaga 等 (2015)。其他地磁數(shù)據(jù)來自Stadler 等 (2015), 該數(shù)據(jù)集是建立在過往幾個西太平洋地磁異常區(qū)域研究結(jié)果的基礎(chǔ)上(Handschumacher et al, 1988; Nakanishi et al,1992; Sager et al, 1998; Tominaga et al, 2008)。

為了反映地震剖面識別出來的斷層與海底地形、洋殼基底、重力異常以及地磁異常的關(guān)系, 分別繪制了測深圖、剩余測深圖、自由空氣重力異常圖以及磁異常圖。其中, 測深圖的海底地形數(shù)據(jù)來源于GEBCO(www.gebco.net)。為了獲取整個區(qū)域的構(gòu)造信息, 我們利用剩余測深數(shù)據(jù)反映洋殼基底的形態(tài), 剩余水深由海底地形、沉積物厚度及地殼年齡等全球共享數(shù)據(jù)(www.ngdc.noaa.gov; Müller et al,2008; Sandwell et al, 2014)計(jì)算得來。自由空氣重力異常數(shù)據(jù)來自Sandwell et al (2014)。地磁異常圖是在衛(wèi)星地磁異常數(shù)據(jù)EMAG2v3 的基礎(chǔ)上編制而成(www.ngdc.noaa.gov/geomag/emag2.html); 由于研究區(qū)內(nèi)后期侵入的諸多海山山峰具有超高的磁異常值, 數(shù)值的可靠性存在疑問, 并且本文的討論焦點(diǎn)不在海山, 所以地磁異常圖設(shè)定閾值為-150～150nT,以便更好地反映正常海洋地殼的地磁異常特征。

3 結(jié)果

穿過西太平洋侏羅紀(jì)洋殼的多道地震剖面(Tominaga et al, 2012; Greene et al, 2020), 走向北東—南西, 總長約800km, 地震剖面時間深度為8.5s(雙程走時; 圖2)。利用海水平均地震速度1.5km·s-1, 我們計(jì)算獲得研究區(qū)的水深約為5.5～6.0km(圖2)。通過對該地震反射剖面的聲學(xué)基底 、沉積地層 、地質(zhì)構(gòu)造的精細(xì)解釋, 我們研究了該剖面上斷層的性質(zhì)和特征, 并對其進(jìn)行了分類。

3.1 地層單元與地殼結(jié)構(gòu)

整體來看, 多道地震剖面中的主要反射層都具有水平或近水平 、連續(xù)或半連續(xù) 、可視且可追蹤的反射信號(Heezen et al, 1973; Lancelot et al, 1975;Abrams et al, 1992; Ewing et al, 2012)。我們根據(jù)剖面的地震反射特征, 并結(jié)合前人在該區(qū)的研究進(jìn)展(Hüneke et al, 2011; Tominaga et al, 2012; Greene et al, 2020), 對地震剖面的地層進(jìn)行了劃分, 自下往上分為A、 B、 C、 D 總共4 套地層(圖2a 和2c)。A 為聲學(xué)基底, 地震反射特征為層理不明顯, 代表了火成巖為主的海洋地殼基底。B、 C 和D 是洋殼之上的海底沉積物, 具有明顯的地震反射特征差異。B 層地震反射較弱, 低振幅 、近透明, 局部具有強(qiáng)弱交替的地震反射層, 地層較厚, 雙程走時可達(dá)0.2s 以上。C 層地震反射強(qiáng)烈, 高振幅, 上下為透明層, 地層連續(xù)性最好, 厚度較薄(雙程走時＜0.05s)。D 層地震反射不顯著, 是低振幅的透明層, 厚度極薄(雙程走時＜0.02s)。根據(jù)前人的解釋(Heezen et al, 1973; Lancelot et al, 1975; Abrams et al, 1992; Ewing et al, 2012), 我們判斷C 和D 層的交界面就是黏土和瓷巖或燧石的交界面。盡管在局部區(qū)域, 比如(圖2c), 這四套代表性地層連續(xù)性較好、易識別, 但是在整個～800km 長的地震剖面, 很難完全追蹤, 特別是C 和D 層的邊界(圖2b)。本文詳細(xì)解釋的與斷層相關(guān)的局部位置(圖3—5)這四套地層比較清楚連續(xù)、便于識別。

將多道地震剖面中識別出來的主要反射層與同測線的聲吶浮標(biāo)折射速度模型 (Feng, 2016) 做比較, 除了海山侵入的地方有所差別之外, 我們發(fā)現(xiàn)洋殼基底A 層和其上覆沉積B 層在地震反射與折射兩個數(shù)據(jù)結(jié)果中大體一致(圖2)。從TN272 測線的地震反射剖面和地殼結(jié)構(gòu)模型中(圖2b)可以看出,洋殼基底A 層受到后期巖漿的侵入作用, 呈現(xiàn)出較大程度的基底面起伏。我們在這里僅引用 Feng(2016)的地殼速度模型來說明研究區(qū)洋殼的結(jié)構(gòu)特征, 具體時-深轉(zhuǎn)換方法請參考Feng (2016)。在局部區(qū)域(～50km、～100km、～350km、～500km), 尖錐狀(兩翼坡度大于10°)的巖漿侵入體能刺穿上覆沉積物并以海山形式出露到海底。覆蓋在洋殼基底上的沉積物平均厚度約為500m; 其中B 層厚度超過了整套沉積厚度的一半, 平均厚約350m。沉積物的層理基本上平行或者近平行于洋殼基底面, 反映了研究區(qū)內(nèi)的沉積結(jié)構(gòu)主要受控于洋殼基底的構(gòu)造變形。在海底表面, 沉積D 層在不少地方呈現(xiàn)出陡坎、凹陷等形態(tài), 例如～90km、～200km、～300km、～480km、～650km 附近。這些海底小尺度構(gòu)造往往與洋殼里的斷裂相關(guān), 下一章節(jié)將會詳細(xì)闡述。

3.2 基底斷層

基底斷層最主要的特征是火成巖基底被錯斷(圖3)。斷層均是高角度正斷層(80°～90°, 表2), 斷層面平直, 傾向南西。斷層自下往上從聲學(xué)基底(A)一直錯斷到的沉積地層(D), 有的甚至錯斷海底, 比如F1、F2 和F3, 并且形成明顯的斷層陡坎, 斷層最大長度可達(dá)0.6s(雙程走時), 斷層最大垂直位移可達(dá)0.3s(圖3、表2)。這與前人在新西蘭Taranaki 盆地發(fā)現(xiàn)的基底斷層變形特征十分類似(Collanega et al, 2019)。如果斷層成帶產(chǎn)出, 在斷層帶之上會形成一個明顯的盆地(圖3c), 盆地深度可達(dá)0.2s。斷層上盤靠近斷層面的位置的地層厚度明顯高于下盤, 說明斷層在生長過程中形成了同沉積構(gòu)造(Tvedt et al,2013)。我們分析了代表性斷層的垂直位移從基底(深度＞0s)到海底(0s)的變化(圖3), 我們發(fā)現(xiàn)斷層從深部往淺部的位移是減小的, 說明斷層的傳播方向是自下往上的(Rotevatn et al, 2019)。斷層錯斷基底巖石, 說明形成時代較早, 且一直錯斷到海底, 表明一直在活動, 具有產(chǎn)生地震的可能性。因此, 斷層很可能是在侏羅紀(jì)洋殼形成時期產(chǎn)生的構(gòu)造, 在后期的海底沉積過程中向上生長擴(kuò)展而形成的, 具有繼承性的特征。

表2 三類斷層的性質(zhì)Tab. 2 Properties of three mapped types of active faults

3.3 沉積斷層

Greene 等(2020) 利用同樣的數(shù)據(jù)在近水平的地震反射層中發(fā)現(xiàn)了大量的小型位錯, 解釋這些位錯為斷層, 并且推斷這些斷層可以為流體遷移到古海底提供通道。觀察發(fā)現(xiàn), 這一類斷層僅限于沉積層內(nèi), 因此將其劃分為沉積斷層。沉積斷層數(shù)量多、密度大且間距小 (＜1km, 圖4), 斷層面平直, 斷層傾角接近90°(表2), 傾向不明顯。斷層僅僅錯斷沉積地層, 而且斷層兩側(cè)地層厚度基本一致, 沒有明顯的生長地層(Rotevatn et al, 2019), 說明斷層活動性很弱。斷層大多屬于隱伏構(gòu)造, 沒有錯斷到海底, 且規(guī)模較小(圖4), 這些特征表明斷層現(xiàn)今活動性極弱或者不活動, 不具有產(chǎn)生大地震的可能性。由于斷層位錯極小,難以識別(表2) (類似Baudon et al, 2008), 地震剖面上很難識別斷距, 不好判斷斷層傳播方向。由于斷層僅發(fā)育在沉積層內(nèi), 且很少同時錯斷B、 C、 和D層(圖4),并且沒有錯斷到基底洋殼, 說明斷層的產(chǎn)生與沉積層的形成和演化相關(guān), 很可能是受控于沉積層力學(xué)性質(zhì)的一類構(gòu)造(Procter et al, 2018)。

3.4 垮塌斷層

垮塌斷層最主要的特征是與巖漿侵入導(dǎo)致沉積變形相關(guān)?？逅鷶鄬咏嵌冉咏?5°～90°(表2), 具有正斷層特征, 斷層面平直, 多數(shù)斷層傾向不明顯(圖5), 個別錯斷基底的斷層傾向南西(F4, F5, 圖5)。斷層長度＞0.2s(雙程走時), 最大長度可達(dá)0.6s, 最大垂直位移是0.1s(表2), 斷層數(shù)量多于基底斷層但是少于沉積斷層, 斷層間距變化較大(0.5～4km)。斷層錯斷沉積地層, 在海底形成明顯的斷層陡坎(圖5)。部分?jǐn)嗔丫哂谢讛鄬有再|(zhì), 從基底一直錯斷到海底。這一類斷層的沉積物厚度從侵入體向兩側(cè)顯著增厚。這一特征與同構(gòu)造沉積極為類似(例如, Butler,2020)。說明這些沉積物是在巖漿侵入之前或者侵入過程中形成的。斷層兩側(cè)地層厚度具有一定變化(圖5a、b) (Rotevatn et al, 2019), 而且個別斷層還錯斷了基底巖石, 說明斷層活動性是中等到較強(qiáng)。斷層發(fā)育至海底, 現(xiàn)今仍在活動, 具有產(chǎn)生地震的可能性。通過對個別錯斷基底斷層位移的分析(圖5a、b), 發(fā)現(xiàn)斷層的位移自下而上是減少的, 說明斷層傳播的方向是由深部到淺部(Osagiede et al, 2014)。部分?jǐn)鄬觾蓚?cè)的地層發(fā)生顯著的彎曲和褶皺變形。我們認(rèn)為這與巖漿侵入導(dǎo)致沉積地層先垂直抬升, 后向兩側(cè)推擠導(dǎo)致局部發(fā)生彎曲和褶皺(Rowan et al, 2004;Yang et al, 2020)。這一類斷層特征復(fù)雜, 很可能與現(xiàn)存的基底斷層和沉積斷層相關(guān)。

4 討論

古老的侏羅紀(jì)洋殼上覆蓋著較厚的沉積物并處于相對穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境, 洋殼上的斷裂很少出露海底, 僅僅從海底地形上難以知道其斷裂實(shí)際情況。本研究通過對地震剖面的分析和解釋, 揭示了大量埋藏在海底之下的斷裂構(gòu)造, 在詳細(xì)描述這些斷層特征并進(jìn)行分類之后, 各類斷層的成因機(jī)制、相互之間的關(guān)聯(lián)性以及與侏羅紀(jì)洋殼自身特征的關(guān)系均有待討論。當(dāng)中我們發(fā)現(xiàn)很多規(guī)模較大的斷層切斷洋殼基底至海底, 并一直活動至今。相對于其他時代形成的洋殼, 古老的侏羅紀(jì)洋殼提供了充分的時間讓水通過這些斷裂進(jìn)入到地殼從而發(fā)生地球內(nèi)部水循環(huán)。同時, 古老的侏羅紀(jì)洋殼也給與了足夠長的時間讓先存的斷層生長、再激活、再生長, 并最后隨著板塊俯沖進(jìn)一步演化成大斷裂和誘發(fā)大地震。以下章節(jié)將對這些問題詳細(xì)展開討論。

4.1 斷層的成因機(jī)制

基底斷層類似于廣泛發(fā)育在沉積盆地和大陸邊緣的先存構(gòu)造(pre-existing structure), 即在沉積作用開始之前已經(jīng)形成的基底構(gòu)造(Choi et al, 2008)。這類構(gòu)造通常是地殼早期變形的產(chǎn)物, 對于后期沉積構(gòu)造發(fā)育和變形具有一定的控制作用, 比如沿著先存構(gòu)造繼續(xù)發(fā)育新的構(gòu)造(de Castro et al, 2012;Gibson et al, 2013)。在本研究區(qū), 基底斷層錯斷洋殼并且自下向上傳播到海底(圖3), 因此其形成時間與洋殼同期, 是一種典型的先存構(gòu)造。斷層的初期成因可能與洋殼伸展(stretching)相關(guān), 類似于與洋中脊裂谷平行的一系列正斷層(Behn et al, 2002; Buck et al, 2005)。在西太平洋地區(qū), 大洋巖石圈板塊持續(xù)向海溝運(yùn)動(圖1), 產(chǎn)生穩(wěn)定 、強(qiáng)大的板塊拖曳和拉張(Busch et al, 2011; Zhou et al, 2015), 為基底斷層的后期生長和變形提供了重要的動力來源。因此,基底構(gòu)造從形成以來一直在活動, 導(dǎo)致洋殼之上的沉積地層和海底發(fā)生斷錯, 在海底產(chǎn)生顯著的陡坎、盆地等地貌現(xiàn)象。

沉積斷層是一類次級構(gòu)造, 規(guī)模較小, 向上沒有錯斷海底, 向下沒有切割基底(Greene et al, 2020),且大多數(shù)沉積斷層都僅限于某一沉積層內(nèi)。沉積斷層全是接近90°的近垂直斷層(表2), 斷層間隔很小(圖 4)。這一特征與前人研究發(fā)現(xiàn)的地層控制(layer-controlled)的破裂或者裂隙(fracture)高度相似(Procter et al, 2018)。我們認(rèn)為這種斷層的形成是沉積壓實(shí)(sedimentary loading)產(chǎn)生的(Jackson et al,2019), 其驅(qū)動機(jī)制是局部的沉積物重力作用, 因此一般不會產(chǎn)生大規(guī)模的變形。沉積物厚度一致, 受到均勻的重力作用, 因此產(chǎn)生的斷層也分布均勻,不具備明顯的差異性特征。本研究區(qū)沉積斷層主要分布于B 和C 層(圖4)。前人研究發(fā)現(xiàn)這兩層海底沉積主要是瓷巖和燧石(Shipboard Scientific Party,1990a, b; Abrams et al, 1992; Karl et al, 1992)。相較于淤泥硅質(zhì)層D, 這類相對堅(jiān)硬的沉積巖(B 和C)層受到自身以及上覆的淤泥硅質(zhì)層的重力壓實(shí)作用更容易破裂, 從而產(chǎn)生斷層。

垮塌斷層的形成與該區(qū)巖漿的侵入高度相關(guān)。反射與折射地震的聯(lián)合研究(Feng et al, 2015) 指出研究區(qū)內(nèi)后期巖漿作用存在三種模式: (1) 火山噴出的熔巖, 最終可能形成海山或者海隆; (2) 侵入的巖墻, 形成海山并刺穿或者推開上覆沉積物; (3) 侵入的巖席, 廣泛發(fā)育于沉積夾層中。我們發(fā)現(xiàn)垮塌斷層主要分布在巖漿侵入體的一側(cè)(圖5)。斷層類型與基底斷層和沉積斷層非常類似。其最大特點(diǎn)是斷層斷陷的地層發(fā)生明顯的彎曲和褶皺(圖5b、c)。這一特征與被動大陸邊緣重力垮塌作用產(chǎn)生的擠壓變形高度類似(Rowan et al, 2004; Morley et al, 2011;Yang et al, 2020)。巖漿在侵入或者侵出過程中, 將先存的沉積物局部抬升并側(cè)向推出(Feng et al,2015), 導(dǎo)致沉積物在火山之上減薄, 向一側(cè)增厚(圖5)。這種側(cè)向的地層推動直接導(dǎo)致沉積物在局部發(fā)生擠壓變形, 產(chǎn)生了斷層附近的彎曲和褶皺(圖5b、c)。因此, 垮塌斷層可以認(rèn)為是基底斷層進(jìn)一步演化的產(chǎn)物, 其變形很大程度上受到的局部巖漿作用所控制。

4.2 三種斷層之間的關(guān)聯(lián)性

上述三種斷層之間的關(guān)聯(lián)性體現(xiàn)如下: 基底斷層先發(fā)生, 是洋殼增生和海底擴(kuò)張過程中形成, 并在后期沉積過程中繼續(xù)活動, 可以切穿上覆沉積一直傳播到海底; 沉積斷層僅限發(fā)生在沉積層內(nèi), 重力壓實(shí)所致; 垮塌斷層是由于后期巖漿侵入所導(dǎo)致,使得先存的基底斷層和沉積斷層重新滑動。因此,垮塌斷層是在已有的沉積斷層和基底斷層的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的, 繼承了兩者的特征。

4.3 斷層與侏羅紀(jì)洋殼地球物理特征的關(guān)系

為了進(jìn)一步討論本研究識別出來的斷層系統(tǒng)與侏羅紀(jì)洋殼的關(guān)系, 我們將切斷洋殼基底和整套上覆沉積物并出露海底的大斷層(圖3 的F1、F2、F3;圖5 的F4、F5)在地圖上畫出來, 以便與侏羅紀(jì)洋殼的剩余水深、自由空氣重力以及地磁異常等地球物理特征進(jìn)行對比(圖6)。由于垮塌斷層F4 和F5 都是由洋殼基底斷層上發(fā)展而來, 垮塌斷層繼承了基底斷層的屬性, 所以垮塌斷層F4、F5 與基底斷層F1、F2、F3 一樣, 都反映了侏羅紀(jì)洋殼的基底構(gòu)造特征。這里需要說明一點(diǎn), 研究區(qū)內(nèi)諸多的海山是后期白堊紀(jì)的巖漿侵入(Stadler et al, 2015), 在聚焦侏羅紀(jì)洋殼特征的時候, 不對這些海山進(jìn)行討論。

由于在二維地震反射剖面上無法獲得斷層的走向信息, 極大限制了對斷層成因機(jī)制的分析。我們綜合利用了海底地形、剩余水深, 自由空氣重力和地磁異常信息(圖6)來推測斷層走向。剩余水深圖反映的是侏羅紀(jì)洋殼基底面的形態(tài)(圖6b); 將五條斷層的位置投到剩余水深圖上, 發(fā)現(xiàn)洋殼基底面的低處與斷層所在位置一致, 表明斷層很可能是由基底發(fā)育而來, 受控于基底的構(gòu)造形變。利用這些基底面的形態(tài)特征, 初步推斷出斷層的走向?yàn)楸蔽鳌蠔|(圖6b)。自由空氣重力異常是研究區(qū)地殼與地幔異常場的疊加, 反映了下方物質(zhì)密度變化與界面起伏的綜合信息(圖6c)。可以看到五條斷層均發(fā)生在重力異常值強(qiáng)烈變化的邊界, 而且推測的斷層走向和重力異常驟變邊界的走向一致, 表明這些斷層符合侏羅紀(jì)洋殼的巖層斷錯面。另外, 地磁異常反映的是侏羅紀(jì)洋殼形成時期記錄下來的洋中脊構(gòu)造痕跡(圖6d)。盡管研究區(qū)位于侏羅紀(jì)磁靜區(qū), 地磁異常信息微弱導(dǎo)致已識別的磁條帶特征相對少, 但是從多道地震剖面識別出來的五條大斷層走向與有限的已知磁條帶(M25 到M42)大體平行, 表明這些斷層是由侏羅紀(jì)洋中脊發(fā)生海底擴(kuò)張時而產(chǎn)生的, 并在后期一直發(fā)育至今。

4.4 對地球水循環(huán)和俯沖帶大地震研究的啟示

與以往對于穩(wěn)定大洋地殼內(nèi)部斷裂較少的認(rèn)識相反, 在太平洋侏羅紀(jì)洋殼上發(fā)現(xiàn)了大量類型不同、 規(guī)模不等的正斷層(圖3—5)。這些斷層發(fā)育廣泛 、變形顯著, 對于海洋中的水進(jìn)入俯沖帶再到地球內(nèi)部具有重要意義(Hacker, 2008)。我們發(fā)現(xiàn)基底斷層和垮塌斷層都錯斷了海底并形成明顯的裂隙(圖3、5), 這些構(gòu)造有利于海水沿著裂隙向下捕獲到斷層中, 然后通過板塊運(yùn)動和大洋俯沖最終被帶入到地球內(nèi)部(Rüpke et al, 2004; Parai et al, 2012 )。前人對于地球水循環(huán)的研究主要集中于俯沖板塊彎曲拉張形成的大型正斷層和板塊邊界斷裂, 比如馬里亞納海溝(Emry et al, 2014; Cai et al,2018)。本研究發(fā)現(xiàn)的這些較小的正斷層對于探索地球的水循環(huán)也具有重要意義。這些斷層形成時代早 、發(fā)育廣泛, 而且在到達(dá)海溝附近之前已經(jīng)開始生長。因此, 定量有效研究地球的水循環(huán), 不僅要關(guān)注俯沖板塊上的大型正斷層和板塊邊界斷裂(Faccenda et al, 2012; Cai et al, 2018), 而且還要關(guān)注本研究指出的這類相對較小 、但分布更多的基底斷層和垮塌斷層的影響。

從5 級地震分布來看(圖1), 與俯沖帶和海溝密集分布的地震相比, 研究區(qū)內(nèi)的侏羅紀(jì)洋殼幾乎沒有地震, 非常平靜。但是,分析發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)這些基底斷層和部分垮塌斷層已經(jīng)錯斷了海底(圖3、5), 至今仍在活動。但是為什么沒有產(chǎn)生地震?我們認(rèn)為有兩種原因: (1) 5 級以上的地震目錄(https://www.globalcmt.org)沒有記錄到小地震, 無法識別出這些活動斷層可能產(chǎn)生的小地震; (2) 這些斷裂與俯沖帶的板塊邊界大斷裂(幾百公里至上千公里長, 上百公里寬)(McNeill et al, 2014)和海洋板塊上的大型正斷層(Zhou et al, 2015)相比, 規(guī)模較小, 無法產(chǎn)生大地震(如震級＞7)。當(dāng)靠近海溝時, 由于上盤的重力加載和下盤的彎曲加劇, 導(dǎo)致俯沖板塊的拉張加大, 因此侏羅紀(jì)洋殼上的斷層系統(tǒng), 特別規(guī)模和深度較大的基底斷層, 會加速生長, 最終很可能發(fā)育成足以產(chǎn)生大地震的俯沖板塊正斷層(Choy et al, 2004)。因此,盡管侏羅紀(jì)洋殼的斷層現(xiàn)今沒有產(chǎn)生大地震, 但不能排除未來產(chǎn)生大地震的風(fēng)險(xiǎn)。探索這些洋殼內(nèi)部斷層的形成和演化對于研究俯沖帶地震大斷裂具有重要意義, 今后的研究應(yīng)該關(guān)注這些類型斷裂的構(gòu)造變形與地球動力學(xué)演化規(guī)律, 為揭示俯沖板塊大型正斷層的成因和地震風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

侏羅紀(jì)洋殼是現(xiàn)存最古老的洋殼, 西太平洋是侏羅紀(jì)洋殼現(xiàn)存最多的地區(qū)。該區(qū)在后期(白堊紀(jì))經(jīng)歷了大規(guī)模的巖漿侵入作用, 導(dǎo)致洋殼及其上覆沉積物產(chǎn)生了構(gòu)造變形。研究地球上最古老的洋殼對于探索地球的演化歷史及其地質(zhì)影響至關(guān)重要,但是目前對于侏羅紀(jì)洋殼的斷裂結(jié)構(gòu)和變形特征知之甚少。

本研究利用高精度的多道地震剖面, 通過地層刻畫、 斷層分析和構(gòu)造解釋等方法, 對區(qū)內(nèi)的斷裂開展了詳細(xì)的幾何學(xué)、 構(gòu)造學(xué)和動力學(xué)研究。研究區(qū)內(nèi)存在三種類型的斷層構(gòu)造: 基底斷層、沉積斷層和垮塌斷層。第一類斷層走向 99°～147°, 傾角80°～90°, 最大垂直位移 0.3s, 斷層最大長度 0.6s,斷層位移自下而上減少, 錯斷洋殼基底面并造成海底形變。這一類斷層是洋殼形成初期板塊拉張產(chǎn)生的構(gòu)造, 在后期的沉積過程中繼續(xù)發(fā)育, 一直傳播到海底。第二類斷層僅發(fā)育在沉積層內(nèi), 規(guī)模較小,傾角陡直(90°), 走向和斷距都難以確定。這一類斷層洋殼之上沉積過程中重力壓實(shí)作用的產(chǎn)物, 這種構(gòu)造受到沉積層巖石性質(zhì)的控制。第三類斷層與后期巖漿侵入相關(guān), 走向 115°～133°, 傾角 85°～90°,最大垂直位移0.1s, 斷層最大長度0.6s。斷層位移也是自下而上減少的, 而且同樣出露海底。這一類斷層是巖漿侵入產(chǎn)生地層局部抬升并且側(cè)向推移, 導(dǎo)致先存的基底斷層和沉積斷層重新錯動產(chǎn)生的。因此, 第三類斷層是在先存的第一、二類斷層的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的, 繼承了兩者的特征。在研究區(qū)內(nèi)識別出來的規(guī)模較大的活動斷層往往都是錯斷了洋殼基底和上覆沉積物并導(dǎo)致了海底形變, 將這些斷層與侏羅紀(jì)洋殼基底面的形態(tài)、重力異常變化邊界以及地磁異常條帶做比較, 發(fā)現(xiàn)相互之間的走向基本一致, 證實(shí)了這些斷層是侏羅紀(jì)洋中脊發(fā)生海底擴(kuò)張過程中的產(chǎn)物并一直活動至今。這些廣泛發(fā)育在古老侏羅紀(jì)洋殼上的斷層有助于巖石圈長時間對水的捕獲, 并將水帶入俯沖帶以及地球深部。目前尚未發(fā)現(xiàn)這些斷裂產(chǎn)生過大地震, 但是其具有產(chǎn)生小地震的能力, 今后研究應(yīng)該關(guān)注這類斷層隨著板塊運(yùn)動進(jìn)入海溝之前加劇斷層作用并誘發(fā)俯沖帶大地震的可能。