曲彥丞，趙俐紅，2，李一泉 ，彭祎輝，凌子龍，馬媛媛

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237； 3.青島地礦巖土工程有限公司，山東 青島 266100)

熱點(diǎn)和洋中脊在演化過(guò)程中經(jīng)常相互影響，甚至相互吸引靠近[1]。當(dāng)熱點(diǎn)和洋中脊相互作用時(shí), 熱點(diǎn)的活動(dòng)強(qiáng)度會(huì)放大形成范圍寬廣的海臺(tái)[2]。洋中脊的軟流圈受熱點(diǎn)的影響，會(huì)產(chǎn)生超常熔融與超厚地殼[3]。雷克雅內(nèi)斯洋中脊(Reykjanes Ridge)是北大西洋洋中脊系統(tǒng)的重要組成部分，在演化過(guò)程中受其北部冰島熱點(diǎn)的影響。雷克雅內(nèi)斯洋中脊北部的地形表現(xiàn)為光滑的隆起并具有較厚的地殼，而南部的地形表現(xiàn)為具有不對(duì)稱肩部的峽谷以及較薄的地殼，反映了冰島熱點(diǎn)對(duì)雷克雅內(nèi)斯洋中脊影響程度的變化[4]。雷克雅內(nèi)斯洋中脊是研究熱點(diǎn)影響洋中脊擴(kuò)張過(guò)程的絕佳區(qū)域。

地殼厚度能反映地幔巖漿的熔融通量[5]，因此可以作為評(píng)估熱點(diǎn)對(duì)洋中脊影響程度的重要參數(shù)。目前學(xué)者[5-7]主要采用重力數(shù)據(jù)反演方法獲取大范圍的地殼厚度信息。張濤等[7]通過(guò)分析Mohns洋中脊非對(duì)稱擴(kuò)張速率與地殼結(jié)構(gòu)，研究冰島熱點(diǎn)對(duì)洋中脊擴(kuò)張產(chǎn)生的影響；Louden等[8]計(jì)算大西洋北部地區(qū)的地殼厚度(30°N～70°N)，構(gòu)建120 Ma以來(lái)北大西洋洋殼的擴(kuò)張和演化過(guò)程，并展示了雷克雅內(nèi)斯洋中脊自誕生以來(lái)的基底深度變化情況；Wang等[6]利用重力反演地殼厚度的方法對(duì)整個(gè)北大西洋的洋殼厚度進(jìn)行研究，結(jié)果顯示雷克雅內(nèi)斯洋中脊及其鄰域的地殼厚度大范圍高于7 km。但前人工作多聚焦于北大西洋的擴(kuò)張和演化歷史，缺少探索熱點(diǎn)在洋中脊擴(kuò)張過(guò)程中對(duì)其產(chǎn)生的影響。因此，本研究擬利用雷克雅內(nèi)斯洋中脊及其鄰區(qū)的空間重力異常和地形等數(shù)據(jù)，并以區(qū)內(nèi)有限的地震剖面數(shù)據(jù)為約束，反演并計(jì)算研究區(qū)最佳的地殼厚度值，再通過(guò)分析地殼厚度的空間和時(shí)間變化特征，探討洋中脊擴(kuò)張過(guò)程中熱點(diǎn)活動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生的影響。

(線1—線6為區(qū)內(nèi)地震測(cè)線位置，黑色點(diǎn)為熱點(diǎn)的移動(dòng)軌跡)

1 地質(zhì)背景

位于格陵蘭島和歐亞大陸之間的雷克雅內(nèi)斯洋中脊總長(zhǎng)約1 000 km[9]，呈NE-SW走向，連接冰島和貝特轉(zhuǎn)換斷層(Bight FZ)(圖1白色虛線)，是北大西洋洋中脊系統(tǒng)的重要組成部分。雷克雅內(nèi)斯洋中脊北部較淺，平均水深小于1 km，沿脊軸向南水深逐漸增大，在南端的貝特轉(zhuǎn)換斷層處平均水深增至約2 km (圖1)。許多學(xué)者[4,10]認(rèn)為這種北高南低的地形特征是冰島熱點(diǎn)物質(zhì)沿洋中脊徑向流動(dòng)和持續(xù)噴發(fā)的重要證據(jù)。冰島熱點(diǎn)自40 Ma以來(lái)的移動(dòng)軌跡如圖1黑點(diǎn)所示。

雷克雅內(nèi)斯洋中脊的擴(kuò)張過(guò)程具有明顯的分段性，Merkur'ev等[10]通過(guò)對(duì)磁力數(shù)據(jù)的分析，將其分成3個(gè)階段，即線性較快擴(kuò)張時(shí)期、分段緩慢擴(kuò)張時(shí)期和斜向緩慢擴(kuò)張時(shí)期。約54 Ma以前，北大西洋地區(qū)發(fā)生了大范圍火山活動(dòng)，洋中脊的擴(kuò)張速度雖比較高(2.2～2.3 cm/a)，但未見(jiàn)有連貫的磁條帶。在線性較快擴(kuò)張時(shí)期(約54～40 Ma)，出現(xiàn)第一條南北連貫的磁條帶C24 (約54 Ma)，擴(kuò)張速度約為2.1 cm/a；在分段緩慢擴(kuò)張時(shí)期(40～20 Ma)，由于洋中脊軸被大量斷層破壞，形成了很多30～80 km長(zhǎng)的分段擴(kuò)張軸，擴(kuò)張速度快速下降至0.7～0.8 cm/a；在斜向緩慢擴(kuò)張時(shí)期(約20 Ma至今)，伴隨著冰島熱點(diǎn)對(duì)洋中脊影響的逐漸增大，轉(zhuǎn)換斷層自北向南逐漸消失，洋中脊由分段擴(kuò)張軸變?yōu)檫B續(xù)擴(kuò)張軸，擴(kuò)張方向與洋中脊走向不再垂直，表現(xiàn)為斜向擴(kuò)張，此時(shí)擴(kuò)張速度保持在1 cm/a左右[4,10]，呈北高南低的階梯狀地形，“V”形脊開(kāi)始大量發(fā)育[4]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

雷克雅內(nèi)斯洋中脊及其鄰區(qū)(即45°W～5°W，51°N～67°N)的水深數(shù)據(jù)采用全球海陸地形數(shù)據(jù)庫(kù)(general bathymetric chart of oceans, GEBCO)[11]2019年發(fā)布的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，網(wǎng)格間距為15弧秒，融合了大量衛(wèi)星數(shù)據(jù)和船測(cè)的多波束數(shù)據(jù)。空間重力異常數(shù)據(jù)采用的是網(wǎng)格間距為2′×2′的世界重力模型2012 (world gravity model 2012, WGM 2012)[12]。沉積層厚度數(shù)據(jù)采用全球5′×5′的總沉積厚度網(wǎng)格—全球沉積物(Global Sediment, 簡(jiǎn)稱GlobSed)網(wǎng)格數(shù)據(jù)[13]。地殼年齡數(shù)據(jù)采用2′×2′的海洋地殼年齡數(shù)據(jù)模型網(wǎng)格數(shù)據(jù)[14]。地震數(shù)據(jù)是從Artemieva等[15]匯總的整個(gè)北大西洋地區(qū)地震測(cè)線數(shù)據(jù)集內(nèi)提取的6條具有代表性的成果，并經(jīng)數(shù)字化后得到的。為了消除因曲線坐標(biāo)的平面處理而產(chǎn)生的誤差，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中使用墨卡托投影將所有數(shù)據(jù)投影到笛卡爾坐標(biāo)系中，并進(jìn)行重新采樣，采樣間距為8 km。

2.2 地殼厚度的計(jì)算方法

為獲得雷克雅內(nèi)斯洋中脊及其鄰區(qū)較為準(zhǔn)確的地殼厚度信息，首先利用FA2BOUG方法對(duì)研究區(qū)的空間重力異常進(jìn)行布格改正，消除水和地形的重力影響，得到布格重力異常[16]。計(jì)算沉積物的影響時(shí)，沉積層密度隨著埋深的增加會(huì)不斷增大，利用Rao[17]的深度-密度公式，將沉積層分成多層具有不同密度的沉積層，分別計(jì)算不同密度沉積層產(chǎn)生的重力影響并疊加，得到沉積層的整體重力效應(yīng)。從布格重力異常中去除沉積物的影響即可得到完全布格重力異常。再?gòu)耐耆几裰亓Ξ惓Ｖ腥コ俣ň坏貧ず穸?7 km)產(chǎn)生的重力效應(yīng)的影響，得到地幔布格重力異常(mantle bouguer gravity anomaly, MBA)。MBA主要反映地殼深部各種地質(zhì)體所引起的重力效應(yīng)以及Moho面的起伏信息。由MBA去除板塊熱效應(yīng)的影響后即可得到剩余地幔布格重力異常(residual mantle bouguer gravity anomaly, RMBA)，RMBA反映了偏離計(jì)算中假定地殼-地幔結(jié)構(gòu)的部分。計(jì)算時(shí)使用地殼年齡構(gòu)建三維熱模型[6]，將地殼年齡轉(zhuǎn)變?yōu)榈貧さ臒嵝?yīng)，并利用熱膨脹公式計(jì)算每層的密度變化和相應(yīng)重力效應(yīng)。將計(jì)算得到的每層重力效應(yīng)疊加后可得到巖石圈冷卻造成的重力效應(yīng)(參數(shù)值見(jiàn)表1)。

表1 計(jì)算中所用的參數(shù)

RMBA反映了偏離假設(shè)的地殼-地幔結(jié)構(gòu)模型的部分，如果將RMBA的變化全部歸為地殼厚度的變化，利用Parker法[18]反演即可得到最大相對(duì)地殼厚度變化：

(1)

其中：B(k)為觀測(cè)重力異常；C(k)是低頻余弦濾波器，濾波器的最短和最長(zhǎng)波長(zhǎng)分別取25 km和135 km；G為重力常數(shù)；ZCR表示下延深度，參考Artemieva等[15]依據(jù)地震數(shù)據(jù)確定的雷克雅內(nèi)斯洋中脊及鄰區(qū)的地殼厚度分布情況，將下延深度定為9 km(平均水深2 km和平均地殼厚度7 km之和)。

3 結(jié)果

3.1 最佳地殼模型的獲取

研究[19]表明，在利用RMBA反演地殼厚度過(guò)程中，地殼和地幔密度的取值變化會(huì)對(duì)地殼厚度的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。為獲得最佳地殼厚度模型，計(jì)算過(guò)程中地幔密度取3 300 kg/m3，而取地殼密度為2 700～3 000 kg/m3，以50 kg/m3為間隔增加[6]。

為了校準(zhǔn)地殼厚度模型，提取區(qū)內(nèi)6條地震測(cè)線的地殼厚度與地殼厚度模型計(jì)算獲得的地殼厚度進(jìn)行比較[15，20]，其中2條地震測(cè)線位于洋脊擴(kuò)張中心附近(圖1中線1和2)，4條位于大陸邊緣和遠(yuǎn)離洋中脊的位置(圖1中線3、4、5和6)。不同地殼密度的地殼厚度模型與地震剖面確定的地殼厚度之間的均方根(root mean square,RMS)及其二者的擬合度(R2)見(jiàn)表2。

表2 模型結(jié)果對(duì)假定地殼密度的敏感性

結(jié)果顯示，在地殼密度取值為2 800 kg/m3時(shí)的地殼厚度模型與地震剖面確定的地殼厚度之間具有較小的RMS值，并且R2最大。因此，選取地殼密度為2 800 kg/m3作為最佳的地殼厚度模型。

為了驗(yàn)證最佳模型的可靠性，繪制了6條地震測(cè)線的地殼厚度與重力反演獲得的地殼厚度之間的關(guān)系圖(圖2)。通過(guò)對(duì)比，洋中脊附近(圖1中的1、2線)的反演結(jié)果與地震剖面揭示的地殼厚度符合程度較高，但是大陸邊緣附近測(cè)線的差別較大(圖1中3、4、5、6線)。Wang等[6]在研究整個(gè)北大西洋的重力反演地殼厚度時(shí)也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。這些地震測(cè)線穿越洋殼和陸殼過(guò)渡地帶，地形起伏大，地殼年齡數(shù)據(jù)和沉積層厚度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，洋陸地殼巖石的成分差異較大，地幔和地殼的橫向密度變化分布也不同，所以計(jì)算結(jié)果的誤差較大。本研究不對(duì)洋陸轉(zhuǎn)換帶附近的地殼厚度變化進(jìn)行過(guò)多探討，僅對(duì)雷克雅內(nèi)斯洋中脊及其鄰區(qū)的海洋地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，所以該模型符合研究要求。

圖2 重力反演地殼厚度與地震折射剖面的地殼厚度對(duì)比

3.2 結(jié)果與討論

冰島熱點(diǎn)的存在不僅改變了冰島周圍的地殼結(jié)構(gòu)，而且對(duì)雷克雅內(nèi)斯洋中脊的形態(tài)和地殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很大影響[2]。計(jì)算結(jié)果顯示，雷克雅內(nèi)斯洋中脊及其鄰區(qū)的地殼厚度總體上呈由北向南逐漸減薄的特征(圖3、圖4)，沿洋中脊由北向南地殼厚度從約20 km減薄至6 km。北部地形隆起，地殼厚度大，近冰島區(qū)域的平均地殼厚度約為20 km，遠(yuǎn)大于大洋地殼的平均厚度(7.1±0.8 km)[21]。

為探討研究熱點(diǎn)對(duì)于雷克雅內(nèi)斯洋中脊地殼結(jié)構(gòu)的影響，按照洋中脊的流線[2](圖3白色實(shí)線)自北向南選取4條地殼厚度剖面(圖3中的線A-D)，并結(jié)合地殼年齡重點(diǎn)分析了區(qū)內(nèi)地殼厚度的變化特征(圖5)。

根據(jù)圖4、圖5結(jié)果，結(jié)合40 Ma以來(lái)熱點(diǎn)的移動(dòng)軌跡[7](圖1)，可以看出雷克雅內(nèi)斯洋中脊脊軸的地殼厚度由北向南呈下降的趨勢(shì)，尤其是在B剖面以南，脊軸的減薄更加明顯；垂直于脊軸方向，洋殼的厚度隨時(shí)間的變化呈明顯的三段性，且脊軸東部的平均地殼厚度明顯高于西部。在40 Ma之前，除洋中脊東南的部分區(qū)域，地殼厚度整體上隨時(shí)間急劇減??；在40～20 Ma，地殼厚度一直維持較薄的特征，且越往南越??；20 Ma至今，地殼厚度呈不斷增厚的趨勢(shì)。

(細(xì)白色虛線為地殼年齡，A-D為根據(jù)流線提取的地殼厚度剖面)

(A-D分別為圖3中A-D線與脊軸的交點(diǎn))

圖5 雷克雅內(nèi)斯洋中脊4條地殼厚度剖面圖

1) 40 Ma之前

總體上，除剖面C、D東側(cè)，雷克雅內(nèi)斯洋中脊的地殼厚度呈逐步減薄的趨勢(shì)，洋中脊的整體地殼厚度由擴(kuò)張初期的12 km減薄至9～10 km。

Wilfried和Schmidt[22]研究認(rèn)為，洋中脊軸部的地形與擴(kuò)張速度具有明顯的相關(guān)性。Merkur'ev等[10]計(jì)算結(jié)果顯示，雷克雅內(nèi)斯洋中脊初始的擴(kuò)張速度較大，達(dá)2.1 cm/a，之后便系統(tǒng)性下降，48 Ma時(shí)降至1.5 cm/a。文獻(xiàn)[21]表明，快速擴(kuò)張(4～7.5 cm/a)的洋中脊軸部具有明顯光滑對(duì)稱的隆起和小的頂部凹陷，而緩慢擴(kuò)張(<2.5 cm/a)的洋中脊，洋中脊軸部地形表現(xiàn)為不對(duì)稱的陡峭裂谷。Reid等[23]早在1981年就已通過(guò)對(duì)不同擴(kuò)張速度洋中脊地殼厚度的整理統(tǒng)計(jì)，提出洋中脊擴(kuò)張速度越慢其地殼厚度越薄。因此，40 Ma之前雷克雅內(nèi)斯洋中脊地殼逐漸減薄應(yīng)該與擴(kuò)張速度下降以及巖漿活動(dòng)的逐漸減弱有關(guān)，洋中脊北部比南部更厚，表明北部的熔融物多于南部，可能與冰島熱點(diǎn)的逐漸靠近有關(guān)。

2) 40～20 Ma

在40～20 Ma，洋中脊的擴(kuò)張速度減慢至0.8 cm/a[10]，雷克雅內(nèi)斯洋中脊的形態(tài)發(fā)生很大變化，出現(xiàn)大量轉(zhuǎn)換斷層。洋中脊北部厚約10 km，南部厚約6～7 km。相較于40 Ma之前，北部A剖面地殼厚度沒(méi)有大幅減薄現(xiàn)象，兩個(gè)時(shí)期地殼的厚度相差不足1 km；然而，沿著洋中脊向南，C和D剖面西側(cè)減薄約3～4 km，且D剖面更為明顯。因此，推測(cè)在40～20 Ma雷克雅內(nèi)斯洋中脊的巖漿活動(dòng)大幅減弱，洋中脊南部巖漿供應(yīng)不足，使得擴(kuò)張以構(gòu)造增生為主，地殼厚度減薄，斷層活動(dòng)增加，形成大量轉(zhuǎn)換斷層。但受到洋中脊北部不斷靠近的冰島熱點(diǎn)的影響(圖1)，洋中脊的熔融物供給增大，洋中脊北部的地殼未發(fā)生明顯的減薄；由于熱點(diǎn)影響的范圍有限，洋中脊南部在此階段內(nèi)未受到熱點(diǎn)的影響。

3) 20 Ma至今

20 Ma以來(lái)，雷克雅內(nèi)斯洋中脊的擴(kuò)張速度增至1.1 cm/a[10]，地殼厚度由8 km增至10 km以上。A剖面的地殼厚度沒(méi)有明顯增厚現(xiàn)象，而B(niǎo)-D剖面的地殼厚度較之前有明顯增加，平均增厚3 km。且A、B剖面脊軸兩側(cè)地殼厚度差異不大，而南部C、D剖面脊軸西側(cè)的地殼增厚比東側(cè)更顯著。

雖然，20 Ma以來(lái)雷克雅內(nèi)斯洋中脊的擴(kuò)張速度有所增加，但依然屬于慢速擴(kuò)張洋中脊。然而，洋中脊地形隆起，“V”形脊大量發(fā)育[4]，脊軸呈線性且缺乏轉(zhuǎn)換斷層，與同屬于慢速擴(kuò)張洋中脊的北大西洋洋中脊在形態(tài)上具有很大差異。這可能是洋中脊受到冰島熱點(diǎn)影響的結(jié)果。此時(shí)冰島熱點(diǎn)位于洋中脊之上，冰島熱點(diǎn)巖漿量大，而洋中脊是巖漿運(yùn)移和上涌的絕佳通道，從冰島熱點(diǎn)產(chǎn)生的熾熱巖漿沿洋中脊向南運(yùn)移，增加了洋中脊的巖漿供應(yīng)，使洋中脊擴(kuò)張以地殼增生為主，構(gòu)造作用減弱，導(dǎo)致地殼厚度的增加和斷層的減少；另一方面，在向南運(yùn)移過(guò)程中，地幔物質(zhì)減少，削弱了自身影響洋中脊的能力，因此在平面圖和剖面圖上均顯示20 Ma以來(lái)雷克雅內(nèi)斯洋中脊由北向南不斷增厚，但目前南邊仍然較薄。

4 結(jié)論

為了更好地探究熱點(diǎn)與洋中脊的相互作用，以雷克雅內(nèi)斯洋中脊為研究對(duì)象，采用全球水深、空間重力異常、洋殼年齡以及沉積層厚度數(shù)據(jù)，反演計(jì)算了研究區(qū)的地殼厚度。得到如下結(jié)論：

1) 模型顯示雷克雅內(nèi)斯洋中脊平均地殼厚度約10 km，地殼由北向南逐漸減薄。

2) 40 Ma之前，平均地殼厚度約12 km，洋中脊北部的地殼比南部厚3～4 km，洋中脊地殼厚度隨時(shí)間逐漸減薄，這反映了北部的巖漿活動(dòng)強(qiáng)于南部，并且洋中脊的巖漿活動(dòng)強(qiáng)度隨時(shí)間逐漸減弱。

3) 40～20 Ma，平均地殼厚度約為8 km，洋中脊北部的地殼減薄不明顯，而南部地殼明顯減薄。南部地殼較薄可能與巖漿供給量的減少有關(guān)，北部地殼未發(fā)生明顯變化可能源于熱點(diǎn)逐漸靠近洋中脊，增加了巖漿供給量。

4) 20 Ma至今，地殼增厚，平均地殼厚度約10 km，北部最厚達(dá)20 km，沿脊軸向南逐漸減薄。此時(shí)，冰島熱點(diǎn)位于洋中脊上，大量的熔融物通過(guò)洋中脊由北向南運(yùn)移，使得洋中脊地殼增厚，但是運(yùn)移的熔融物由北向南逐漸減少，導(dǎo)致地殼厚度由北向南逐漸變薄。