北大西洋Mohns洋中脊扩张地壳构造特征的研究

王立明，胡毅，张涛，王瑜，许江

（1.国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室，福建厦门 361005；2.国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州 310012；3.厦门理工学院，福建厦门 361005）

北大西洋Mohns洋中脊扩张地壳构造特征的研究

王立明1，胡毅1，张涛2，王瑜3，许江1

（1.国家海洋局第三海洋研究所海洋与海岸地质环境开放实验室，福建厦门 361005；2.国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州 310012；3.厦门理工学院，福建厦门 361005）

北大西洋Mohns洋中脊是很重要的扩张带。中国第五次北极科学考察的重点之一就是获取Mohns洋中脊的磁力数据。通过获得的磁力和以往的重力与地震资料，研究洋中脊的扩张、地壳构造特征及厚度。这些研究有助于更好地理解地球上重要的地质过程、海底扩张和壳幔相互作用。

Mohns洋中脊；地壳构造；厚度；磁异常

1 引言

Mohns洋中脊位于挪威－格陵兰海中心，从南侧Jan Majen破碎带延伸至北侧Knipovich洋中脊的走向为N60°，全长大约580 km。洋中脊跟扩张方向垂直，为NNW－SSE（见图1）。在渐新世，主要运动变化出现在拉布拉多海扩张停止和相对于欧亚板块的格陵兰板块逆时针方向旋转。扩张方向开始是北向110°～120°，全扩张速率从2.5 cm／a下降到0.5 cm／a。随后，扩张速率缓慢增加到现在的1.8 cm／a，整个阶段由9 Ma减少为5 Ma。扩张方向仍然为北向110°，跟扬马延岛破碎带走向接近［1—2］。

轴向山谷宽度范围为8～15 km。沿着Mohns洋中脊水深范围从南端的2.8 km到北端的3.2 km，即轴向山谷平均深度向着东北方是增加的。认为洋中脊浅海南端是由伴随着热点洋中脊相互作用产物熔融异常引起的。这种相互作用可能的证据源自于区域层析成像研究。它揭示了在100～300 km深的Sv波速度从相对朝洋中脊西南端低速度到东北端高速度沿着洋中脊的变化。这反常构造是由冰岛热点相互作用引起的，但是也推测在扬马延岛下方有独特的地幔柱存在的缘故［3—4］。

轴向山谷海底具有倾斜隆起特征，被认为是火山脊或是断层。这些倾斜构造是密集地震活动位置。到达水深3 500 m的深水盆地交替为盆地海底以上达到顶点的倾斜隆起。局部层析成像研究关注其中构造，揭示了在断陷古肩和倾斜隆起下方地震速度比在轴向山谷和周边深水盆地下方更高［5］。

2 磁力数据采集和处理

中国第五次北极科学综合考察“雪龙”号极地科考船首次穿越北方航道，到达北大西洋挪威－格陵兰海进行科学作业。此次考察的重点任务之一是对Mohns洋中脊进行磁力调查。通过调查采集到了宝贵的数据。

此次调查主要在图1中黑框及附近海域，测线布设如图2中所示。通过对磁力调查数据处理，并结合NGDC网站下载的磁力数据［6］，得到了Mohns洋中脊的磁异常（见图2，图中黑色线是测线调查位置）。再经过磁异常小波分解，获得了区域磁力异常，并在此基础上反演，最终绘得了磁性基底（见图3）。从图2可以看出，Mohns洋中脊有较高的正磁异常，显示出较强的磁条带特征，且以洋中脊为轴线，磁条带正负异常相互对称和相互间隔。由图3的区域磁异常反演的磁性基底可发现，该区域最深磁性基底达到8 km，Mohns洋中脊约为5 km，并且轴线两侧逐渐变深。

图1 挪威－格陵兰海水深地形及洋中脊位置图Fig.1 The bathymetric chart and the location map of mid-ocean ridge in the Norwegian-Greenland Sea

3 分析结果

根据文献［1］提到的海底水听器与Mohns洋中脊平行布设，共8条地震测线，主频在10 Hz气枪震源以40 s间隔激发放炮获得该海域的地震测量数据。在这8条单道地震反射剖面中（图4是其中一条），离洋中脊较远的四条测线剖面有效反射界面可达到7 s左右，沉积层覆盖厚度0.5～1.0 km，年龄在7.9～22.4 Ma之间，靠近洋中脊的4条反射剖面，只有少量或无沉积层覆盖，年龄在0～4.4 Ma之间［1］。

由地球物理资料分析，在超低慢速率中，地壳的形成通常是很薄且变化的。Mohns洋中脊地壳的平均厚度在（4.0±0.5）km，远低于全球平均洋壳厚度，地温大约在上地幔的1 280℃内。

上地壳的平均厚度是（1.57±0.16）km，比平均地壳厚度薄0.55 km，并且有的整体地层尖灭。在离洋中脊轴线小于200 m且约500 m深薄层处，有约10 Ma老洋壳。这表明了在洋中脊轴上10 Ma老洋壳平均厚度从1.3～1.4 km增加至1.6 km。一旦热液环流停止，孔隙度就紧密，某种意义上这个层也就消失。地震波速也从洋中脊轴线上由2.5 km／s增至3.0 km／s。由于地壳年代较近，基于地震引起形成的层面厚度与局部地区火山活动及因此产生的喷发岩量有关。通过对磁异常、地震反射和折射数据分析，上地壳基底代表了喷发岩向岩脉的过渡，这一点相对年代较远的地壳而言在变更前是一致的。

图2 北大西洋Mohns洋中脊磁异常Fig.2 Magnetic anomaly of Mohns mid-ocean ridge in the North Atlantic

图3 北大西洋Mohns洋中脊磁性基底Fig.3 Magnetic basement of Mohns mid-ocean ridge in the North Atlantic

图4 单道地震反射剖面［1］Fig.4 Single-channel reflection profile［1］

下地壳的平均厚度是（2.45±0.5）km，比平均海洋地壳薄2.53 km，这说明Mohns洋中脊观测到的是薄地壳，而且这薄地壳厚度的变化控制了海洋地壳厚度的变化。在Mohns洋中脊的地壳均衡补偿的主要原因是由下地壳厚度变化引起。大部分基底高点对应下地壳的局部增厚，而地槽则与局部地壳稀薄对应。下地壳和上地幔的岩性折射速率P波最低为5.8 km／s，最高达到6.8 km／s，能与辉长岩或蛇纹石化橄榄岩相吻合。平均上地幔速率（大约7.5 km／s）是异常缓慢的。类似的低速率通常只出现在低速度传播中心内年代较近的洋壳之下。极有可能的解释是地壳断层，且此处缓慢和超慢传播速度更占优势，为浓热岩浆进入上层地幔打开通道。在上地幔循环流动的岩浆形成的蛇纹石化是地震速率异常缓慢的原因。对于洋中脊出现的异常低速的不同解释可能是上层地幔的各向异性，各向异性是由于流动方向为远离海岭橄榄石晶体优先排列所引起的；而这个结果可能造成平行测量海岭和垂直测量海岭速率之间出现5%的差异。

在洋中脊裂谷中心下方，上地幔的地震速率约为7.2 km／s。但是，离洋中脊轴仅15 km的裂谷边缘，上地幔的速率在7.5～7.7 km／s之间。慢速率目前存在于上地幔和地壳基底中。地壳层面的基底呈现低密度，因此就不会在传播中心下方形成化石；上地幔速率过低，因此预计其密度将低于传播轴下方。在轴中位山谷地形都不均衡补偿，但都受应力于岩石圈或者岩流圈。此外，在Mohns洋中脊的轴上与离轴密度的变化可推断得出，密度变化增加了均衡补偿的偏差，而不是补偿所观测到的海底地貌。Mohns洋中脊上，坚硬的上地幔层在超慢传播中心特别厚实；地壳的削薄深化了750℃等温线，也加厚了岩石圈地幔的强力层。在Mohns洋中脊极有可能是由于裂缝程度较高和（或）位于地壳及上层地幔内的蛇纹岩与轴向晶带接近，从而产生脆韧性转变的深度差异。

布格异常是除去测量海床地形空间重力异常得到的结果，三维体的密度低于周遭低于平面2 km以下的横卧离轴岩石，同时可能产生的局部效应与喷发中心的存在相关联［1，3—4］。

4 结论

通过分析研究表明，在超慢传播的Mohns洋中脊，介于1～22 Ma年龄的洋壳测得的平均厚度约为4 km，比在大西洋中脊产生的平均地壳要薄1～2 km，而大西洋中脊的传播速率要快30%～40%。地幔的温度高达1 280℃。上地壳厚度大致保持不变，然而随着地壳年龄的增加，层厚度增加。这种演变伴随着速率增加，可高达10 Ma。下地壳的速率有一个非常小是类似的变化。上地壳的抗震结构受到年代较近地壳热液过程的剧烈影响，但是在10 Ma时停止了，这可能是由于封孔作用和地热梯度的减少。

离洋中脊轴处的上地幔平均速率（大约7.5 km／s）比在大西洋中脊传播中心观测到的平均速率要慢一些。这种低于平均值的现象也在其他缓慢传播中心出现过。在裂谷轴之下，低速率的存在暗示着下地壳还没有完全成形于裂谷轴，或者低速率存在于上层地幔及地壳基底中。

坚硬的上地幔层位于裂谷轴之下，可能由于处在近轴区的地壳和上地幔内出现较高程度的岩层断裂和蛇纹岩，因而可能比在大西洋中脊厚实。这有助于解释Mohns洋中脊的上地幔速率比大西洋中脊低的原因。

［1］ Klingelhöfer F，Géli L，Matias L，et al.Crustal structure of a super-slow spreading centre：a seismic refraction study of Mohns Ridge，72°N［J］.Geophys J Int，2000，141（2）：509－526.

［2］ Dauteuil O，Brun J P.Deformation partitioning in a slow spreading ridge undergoing oblique extension：Mohns Ridge，Norwegian Sea［J］.Tectonics，1996，15（4）：870－884.

［3］ Conley M M，Dunn R A.Seismic shear wave structure of the uppermost mantle beneath the Mohns Ridge［J］.Geochemistry Geophysics Geosystems，2011，12（10），doi：10.1029／2011GC003792.

［4］ Blackman D K，Nishimura C E，Orcutt J A.Seismoacoustic recordings of a spreading episode on the Mohns Ridge［J］.Journal of Geophysical Research，2000，105（B5）：10961－10973.

［5］ Jung W Y，Vogt P R.A gravity and magnetic anomaly study of the extinct Aegir Ridge，Norwegian Sea［J］.Journal of Geophysical Research，1997，102（B3）：5065－5089.

［6］ http：／／maps.ngdc.noaa.gov／viewers／geophysics／

Study on the characteristics of crustal structure in Mohns ridge expansion in the North Atlantic

Wang Liming1，Hu Yi1，Zhang Tao2，Wang Yu3，Xu Jiang1

（1.Coast and Ocean Environmental Geology Open Laboratory，Third Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Xiamen 361005，China；2.Second Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Hangzhou 310012，China；3.Xiamen University of Technology，Xiamen 361005，China）

Mohns ridge in the north of Atlantic Ocean is a very important expansive band.One of the key for the Fifth Chinese National Arctic Research Expedition is to acquire the magnetic data on Mohns ridge.According to the magnetic，gravity and seismic data，the Mohns ridge expansion，characteristics of crustal structure and thickness are researched.These studies contribute to better understanding of the earth's geological process，seafloor spreading and crust mantle.

Mohns ridge；crustal structure；thickness；magnetic anomaly

P736.1

A

0253-4193（2014）10-0056-05

2014-01-15；

2014-08-07。

南北极环境综合考察与评估专项（CHINARE2014－03－03，CHINARE2014－04－03－04）；国家自然科学青年基金项目（41204100）；福建省自然科学基金资助项目（2013J05059）；国家海洋局青年海洋科学基金（2013338）；国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务费专项资金项目（海三科2011026）。

王立明（1978—），男，浙江省文成县人，助理研究员，主要从事海洋地球物理与极地研究。E-mail：wlm＠tio.org.cn

王立明，胡毅，张涛，等.北大西洋Mohns洋中脊扩张地壳构造特征的研究［J］.海洋学报，2014，36（10）：56—60，doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.10.006

Wang Liming，Hu Yi，Zhang Tao，et al.Study on the characteristics of crustal structure in Mohns ridge expansion in the North Atlantic［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（10）：56—60，doi.10.3969／j.issn.0235-4193.2014.10.006