加拉帕戈斯三联点北部岩石层的开裂

H.Schouten D.K.Smith L.G.J.Montesi Wenlu Zhu E.M.Klein

加拉帕戈斯三联点北部岩石层的开裂

H.Schouten D.K.Smith L.G.J.Montesi Wenlu Zhu E.M.Klein

加拉帕戈斯三联点是由科科斯板块、纳斯卡板块和太平洋板块在加拉帕戈斯微板块处汇聚形成的脊－脊－脊型三向连接构造。在科科斯—纳斯卡裂谷的大部分内斜坡以北区域，长约250km、宽约50km的西北—东南向的火山岩裂谷横插在东太平洋海隆的南北向海山上。在过去的4百万年中，东北—西南向的东太平洋海隆为一系列的较小裂谷提供了条件，使得那些小裂谷通常与东太平洋海隆共同形成三联点，而且与正在扩张的科科斯—纳斯卡裂谷有50～100km的距离。本文假设该裂谷的位置是由压力控制的，并且压力与占主导作用的科科斯—纳斯卡裂谷相关，随着与东太平洋海隆的距离增大而增大。我们推测，在科科斯—纳斯卡裂谷的南侧也曾有类似的短暂性的裂谷发生，并且曾有助于旋转的加拉帕戈斯微板块的初期形成（大约是1.5百万年）。

加拉帕戈斯三联点 板块边界 岩石层应力

引言

海洋中三联点处的分散式变形说明，岩石层板块在其边界快速演变时经历了有重要意义的内部变形过程（如见Lonsdale，1988；Mitchell，1991；Mitchell and Livermore，1998）。变形的性质对于岩石层如何对应力做出响应有重要的约束。本文中，我们对加拉帕戈斯三联点（GTJ）的分散式变形的运动学历史和 性状 （Birdet al，1999；kleinet al，2005；Lonsdale，1988；Scarle and Francheteau，1986；Zonenshainet al，1980）进行了研究。该三联点区域揭示出应力和板块边界之间基本的相互作用很有可能同时影响洋中脊和陆地上的构造。

Lonsdale（1988）提出，加拉帕戈斯三联点是由4个裂谷组成的，分别是东太平洋海隆、初始裂谷、科科斯—纳斯卡裂谷和加拉帕戈斯—纳斯卡裂谷（这里专门指迪茨深裂谷），这4个裂谷将旋转的加拉帕戈斯微板块围起（如图1a）。科科斯—纳斯卡裂谷的末端（赫斯海沟）目前没有与东太平洋海隆交叉；相反，在1°10′N 和2°40′N 有两个脊－脊－脊（RRR）交汇点，在此处迪茨（Dietz）深裂谷和初始裂谷都与东太平洋海隆交汇。

Lonsdale（1988）的加拉帕戈斯三联点模型，直到约1.5百万年时，都有简单的大板块脊－脊－脊三联点，当时迪茨深裂谷在东太平洋海隆处发育，形成了较短的、东西向的扩张中心。随着时间的推移，迪茨深裂谷向东北延展，逐步到达科科斯—纳斯卡裂谷的南端。加拉帕戈斯微板块完全自身运动，即在大约1百万年时围绕垂直轴顺时针旋转。初始裂谷也在那时开始张裂。

图1 （a）加拉帕戈斯三联点的主要构造特征位置图（据Karson et al，2002）。GMP—加拉帕戈斯微板块；NGMP—北部加拉帕戈斯微板块；ER—死裂谷；IR—初始裂谷；DDR—迪茨深裂谷；C－N—可可斯—纳斯卡扩张中心；EPR—东太平洋海隆；TJ—三联点。（b）初始裂谷的多波束测深图。（c）死裂谷的多波束测深图。阴影区—火山高地以及熔融流的区域。白色虚线—从火山高地东南向扩张的地堑。白色实线—100万年等深线（据Lonsdale，1988）。红线（原图为彩色图——译注）围起的矩形代表（b）图和（c）图的位置

要理解初始裂谷对于三联点运动学方面的作用是比较困难的。Lonsdale（1988）和Lonsdale等（1992）认为，初始裂谷是较小的向西扩展的裂谷。相反，Klein等（2005）断定，初始裂谷的开裂以东端为中心点。而且，以前所认为的单一加拉帕戈斯微板块其实可由两个反向旋转的微板块组成：Lonsdale提到的加拉帕戈斯微板块的北部（北加拉帕戈斯微板块）和该微板块的其余部分。把Schouten等（1993）提出的边缘驱动微板块模型应用到他们提出的双微板块系统中，Klein等（2005）估计北加拉帕戈斯微板块自从0.5百万年形成之后一直以7°/a的速度在旋转，这个旋转角度太小，不能根据海底构造明确地分辨出。

Klein等（2005）同时提出，死裂谷是东北方向约100km处与初始裂谷平行的海槽。他们认为，死裂谷比初始裂谷范围更大，而且加拉帕戈斯三联点随着科科斯—纳斯卡裂谷南北部旋转微板块的发育和消失而经历了较长时间复杂的板块重组过程。

我们对加拉帕戈斯三联点的演化给出了新解释。我们发现，在过去的4～5百万年里，科科斯板块上南北向的海山已经消失，通过火山活动被一系列短寿命的西北—东南向小裂谷和相关的三联点所覆盖，但是没有发生旋转。我们认为，该裂谷的位置是由与科科斯—纳斯卡裂谷相关的应力控制的，同时与东太平洋海隆的距离相关。我们推测在科科斯—纳斯卡裂谷南侧也发生过类似短寿命的裂谷活动，并且有助迪茨裂谷的发育以及加拉帕戈斯微板块的形成（1.5百万）。

1 北部三联点

在初始裂谷的西端（图1b），宽阔的火山高地从三联点开始往东延伸15km，在东南方向形成较窄的地堑，地堑深度为200m，宽度大约4km（图1b和图2）。在东太平洋海隆上有大量的火山活动，因此产生了南北两边火山高地（Klein et al，2005）。死裂谷的完整形状与初始裂谷相似：有火山高地以及覆盖东太平洋海隆的熔融物，因此在东南方向形成地堑（图1c和图2）。这也表明火山凸起体西段曾经是死裂谷与东太平洋海隆前期的交汇处。因为死裂谷比初始裂谷更深更宽，我们推断早于裂谷消失的时间1.5百年前，有一个比较长的持续时间，可能大于0.5百万年。如果死裂谷以边缘驱动的微板块为界，则其南部的岩石层应该可以观测到有旋转的现象。然而，与在初始裂谷一样，没有观测到任何海底构造旋转的证据，这对Klein（2005）提出的在科科斯—纳斯卡裂谷以北存在一系列旋转的边缘驱动微板块的模型是挑战。

图2 （a）科科斯—纳斯卡裂谷以北的多波束测深及整体海底地形图（原图为彩色图——译注）。红色虚线—推测的北三联点的迹线。（b）对（a）图特征的解释。黑色阴影—大范围火山活动的轮廓线；淡灰色阴影区—科科斯—纳斯卡裂谷；黑粗线—裂谷系；细黑线—线理；红虚线—同（a）图；SC—扩张中心；HD—赫斯海沟；TJ—三联点；EPR—东太平洋海隆

在初始裂谷和死裂谷之间以及更东部的区域，我们观察到有多个火山活动的洋中脊（图1b，1c）沿着其走向变成了地堑。发现覆盖并与南北向海山毗邻的火山活动的西缘是与东太平洋海隆交汇的短寿命裂谷的踪迹（图2）。相关的地堑具有不同宽度，因此据推测开裂形成的时间长短也不同。在观察到火山凸起体而没有明显地堑的地方，我们推断火山活动发生在初始破裂的地方，之后破裂快速消失了。

因此看来，初始裂谷是最近形成的，而死裂谷是20多个东南向裂谷或是开裂之中最大的裂谷，这些裂谷往南或是往西扩张，相继为东太平洋海隆南北扩张提供了条件。在西经101°20′，文中推测的三联点突然改变了扩张方向，由之前的向西扩张改为向南扩张。在101°35′，继续向西扩张。我们发现更向西扩张的趋势意味着存在相对静止的三联点，同时引起了在相对稳定的区域持续时间更长的扩张，而向南扩张趋势意味着扩张活动以及三联点火山活动快速且不断重复地往南进行。

2 裂谷相互作用的模型

我们假设，初始裂谷和其他死裂谷的开裂与始终未到达东太平洋海隆的科科斯—纳斯卡裂谷的向西扩展有关。我们使用简单的开裂相互作用模型来理解控制北三联点位置的因素。初始的数值模型是用商用的有限元软件 COMSOL Multiphysics（COMSOL，2006）构建在图上的（图3a）。该模型遵循的平面应力近似值适合长期缺乏表面负载的岩石层（Turcotte and Schubert，2002）。该近似值与Floyd等（2002）在赫斯海沟得到的应力相互作用研究中不一致，他们在时间尺度小于1 000年时把相互作用想象成一个半无限的空间，这样就不会发生黏性松弛。

在我们的模型中，科科斯板块和纳斯卡板块由矩形区近似给出。它们的西边界，即东太平洋海隆没有应力作用。该板块被垂直于东太平洋海隆的主轴切割，该主轴也就是科科斯—纳斯卡裂谷。当板块与东太平洋海隆的距离达到D时，切割停止。板块的运动速度会对模型中板块的南北边界产生影响，通过增加一个任意时间的增量来检验应力场。应力的幅度随着时间和杨氏模量成正比例地变化，而与板块厚度成反比。然而，应力模式仍然保持不变。我们把这种模式称为应力增强图，用缺失科科斯—纳斯卡裂谷的情况下所预期的应力来对应力场进行规一化。

还用类似的模型解释了位于没有岩浆喷发的岩墙上方形成的地堑（Mastin and Pollard，1988；Pollard and Holzhausen，1979）。这种岩墙模型假设平面应变和负荷是由岩墙的内部压力造成的；相反，我们则认为平面应力和负荷是由较远的位移引起的。在这两种模型中，都会产生离轴的最大应力值。

在开裂前方发育有张力减小的区域，而沿着东太平洋海隆方向，距离裂谷末端正负1.4D的位置是张力最大的地方。在这些地方预计出现了没有与正在扩展的科科斯—纳斯卡裂谷相连的第一次张裂。在第一次张裂附近，沿着东太平洋海隆的应力减小，张裂随着张力最大值往东南方向延展。如图3b所示，沿着东太平洋海隆与张裂末端1.4D的地方相对于科科斯—纳斯卡裂谷，与初始裂谷的位置更加一致。

图3 （a）简单开裂模式中的应力增强（原图为彩色图——译注）。暖色（红到黄）是增加的张应力，冷色（蓝绿色到紫罗兰）是减小的张应力。应力增强是通过没有张裂的情况下的应力场来进行规一化的。等值线范围从0到0.4，间隔是0.02。D代表开裂末端到自由边界的距离。张应力最大值发生在正负1.4 D的地方。（b）地形图上压力增强等值线。开裂模型的末端与科科斯—纳斯卡裂谷的末端重合，而且该模型旋转了一定角度使得与扩张中心的方向一致。初始裂谷位于东太平洋海隆张应力最大值的地方。TJ代表三联点

在我们的模型中，板块厚度为恒量。随着与东太平洋海隆的距离增大，如果考虑板块厚度增加，这大体上会增加东太平洋海隆的应力，而不会大幅度改变最大应力值的位置。同样在模型中，根据几何学的知识，我们把东太平洋海隆的边界认定为无应力。这样就在初始裂谷的地方产生了更加强烈的张应力，因为东太平洋海隆走向的改变（图1；Lonsdale et at，1992）将会加强张应力。

在我们的数值模拟中，科科斯—纳斯卡裂谷末端的区域是张力减小的，也许存在更加复杂的岩浆喷出情况。在这个区域，东太平洋海隆并没有典型的快速扩张洋中脊的隆起形态（Lonsdale，1977，1988；Searle and Francheteau，1986）。相反，它看起来更像是慢速扩张的洋脊，具有地垒和地堑形态。这种形态是否是正在扩张的科科斯—纳斯卡裂谷引起张力的产物还有待今后进一步研究确定。

3 讨论

在标志着科科斯—纳斯卡裂谷扩展的大陡坡的正北区域，有一长达250km、宽50km的西北—东南向裂谷，在其西段有火山活动，并且与东太平洋海隆产生的海山交汇（图2）。这也表明，科科斯—纳斯卡裂谷以北50～100km区域，东太平洋海隆产生的岩石层从4百万年前开始扩张了一系列的小裂谷，扩张大致变成了南北走向。

图4 （a～e）加拉帕戈斯三联点在过去2百万年中的演化示意图（原图为彩色图——译注）。DDR—迪茨深裂谷，IR—初始裂谷，ER—死裂谷，浅阴影区—科科斯—纳斯卡裂谷，黑色阴影区—大量火山活动的区域，粗实线—扩张裂谷。近连续跳跃的初始裂谷型裂谷发生在科科斯—纳斯卡裂谷以北。相反，三联点南部和迪茨深裂谷是稳定的，并且在1.5百万年中一直是旋转的加拉帕戈斯微板块的边界。在1.5百万年时，原生的迪茨深裂谷和死裂谷在科科斯—纳斯卡裂谷两侧成对称分布。（f）黑线（1.4D）—估计的北三联点的迹线（红虚线，图2）和科科斯—纳斯卡裂谷末端迹线的裂谷坡（虚线，图2）之间的南北距离。点划线（D）—预测的科科斯—纳斯卡裂谷末端至东太平洋海隆之间的距离。这表明死裂谷和初始裂谷的寿命更长，因为科科斯—纳斯卡裂谷末端缓慢远离东太平洋海隆。另外，其他影响东太平洋海隆的因素也许控制了它的稳定性。GMP—加拉帕戈斯微板块

加拉帕戈斯三联点在过去2百万年中的演化示意图展示在图4（a～e）中。基于数值模拟的结果，我们预测每个张裂以及科科斯—纳斯卡裂谷北部地堑的张裂起初位置都是在东太平洋海隆。随着张裂向西扩展，火山喷发形成了局部的火山高地以及火山流覆盖在海底。目前，在初始裂谷的火山高地比附近的洋脊低，这也表明比起初始裂谷，东太平洋海隆的熔融也许会优先发生。如果科科斯—纳斯卡裂谷末端与东太平洋海隆保持恒定的距离D，最大张应力的点将会稳定在1.4D的地方，而稳定的三联点将会远离科科斯—纳斯卡裂谷末端，移动速度是裂谷扩张速度的一半。在某些点，稳定的三联点往北移动的距离太大以至于不能够继续扩展，新的裂谷将会开始往南扩展，从而形成脊－脊－脊三联点。当裂谷靠近东太平洋海隆时，三联点将会快速消失，沿着东太平洋海隆的最大张应力点将会靠近裂谷。相反，当裂谷远离东太平洋海隆时，三联点将会保持原有的最佳形态继续张裂，结果形成了类似于初始裂谷或是死裂谷尺度的地堑。图4f展示了之前基于北部三联点从科科斯—纳斯卡裂谷末端开始运动的轨迹的南北距离，预测的在过去5百万年中从裂谷末端到东太平洋海隆的距离（裂谷坡，图2）。

该数值模拟预测在加拉帕戈斯微板块形成之前，在科科斯—纳斯卡裂谷以南存在张裂的镜像条带和地堑。是什么因素促使了加拉帕戈斯微板块形成还是个未知数。Lonsdale（1988）提出，迪茨深裂谷是由东太平洋海隆附近的火山引起的。我们同样注意到死裂谷与初始的迪茨深裂谷在同一个时期存在，而且与科科斯—纳斯卡裂谷相距同样的距离（图4e）。这同样也证明了与科科斯—纳斯卡裂谷引起的变形之间的联系，反过来也说明当最近的一次张裂变成迪茨深裂谷时，即1.5百万年之前，类似的跳跃性张裂在科科斯—纳斯卡裂谷南部发生。迪茨深裂谷从纳斯卡板块与加拉帕戈斯微板块分离，促进了边缘驱动的微板块旋转的开始。迪茨的偏移运动也许是受到大量海山的辅助作用（Lonsdale，1988），这些海山有效地阻塞了迪茨深裂谷处的三联点，促进了岩浆喷发以及迪茨深裂谷往北扩张运动。目前，还没有数据来证明早于迪茨深裂谷形成之前是否存在多种剪切交叉的裂谷成对称分布。

在其他的三联点也有报道存在分布式海底形变。比如，在慢速扩张的西南印度洋中脊与中速扩张的中印度洋中脊和东南印度洋中脊交汇处的罗德里格斯三联点，Mitchell（1991）就报道存在横切中印度海脊海山的“横向”线性构造区，这种情况与本文中描述的很类似。三联点的地质以及我们对与延展的科科斯—纳斯卡裂谷相关的应力的力学模拟已揭示出，基本力学负荷与控制该三联点以及其他三联点板块边缘发展的大延展裂谷有关。

译自：Geology.May 2008.36（5）：339～342

原题：Cracking of lithosphere north of the Galapagos triple junction

（国家海洋局第二海洋研究所 陈 升译；陶春辉校；吕春来复校）