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冰岛成因机制新认识 精选

已有 3372 次阅读 2024-3-13 17:39 |个人分类:大陆漂移|系统分类:科研笔记

冰岛成因机制新认识

梁光河

摘要:大西洋的裂解和复原是大陆漂移学说的发源地,但驱动大陆漂移的动力一直存在争议,由此造成冰岛的成因机制一直没有得到合理解释。当前对冰岛成因的解释是海底扩张动力机制模式,但该模式无法解释横跨冰岛区域复杂的地球物理特征和横跨格陵兰和英国的Iceland-Faeroe Ridge上巨厚洋壳是如何形成的。我们基于北大西洋的裂解后形成的冰岛和Faeroe等微陆块,对冰岛区域的地质和地球物理资料进行了综合分析研究,然后用一个全新大陆板块漂移模型,说明微陆块也会在热力驱动下主动发生漂移,结果说明冰岛是超大陆裂解过程中从劳亚古陆分裂出来的以下地壳为主的克拉通微陆块,随着北大西洋的裂解,从南部往北东方向漂移了约10°(1100km)到达当前位置。Faeroe微陆块从格陵兰岛东侧向东漂移在Iceland-Faeroe Ridge区域形成了巨厚的异常洋壳。最终说明该海底高原区是包括微陆块和岛弧的集合体,并不是世界第九大洲。

关键词:大西洋裂解,大陆漂移,动力机制,冰岛,成因

 

0 引言

大陆会发生漂移运动得到了广泛认可,但大陆漂移的驱动机制一直存在争议。魏格纳的“大陆漂移”假说认为,较轻硅铝质的大陆块漂浮在较重的黏性的硅镁层之上发生漂移(Wegener,2001)。其驱动力主要是地球自转形成指向赤道的离极力和向西运动的力。后经地球物理学家计算,这两个力都太小,不足以推动大陆漂移(Ueda1973)。海底扩张和板块构造假说认为驱动板块运动的动力机制有两个模式(Chen et al.,2020),早期认为是地幔对流所致海底扩张“Bottom up”模式(Holmes, 1931; Hess, 1962),目前较为普遍接受的是俯冲拖拽“Top down”模式(Anderson, 2001; Forsyth & Uyeda, 1975)。但大陆漂移的驱动机制仍然存在争议。

由于对大陆漂移的动力机制的认识存在争议,从而导致对冰岛的成因机制也没有得到很好解决。冰岛是坐落在北大西洋洋中脊上的一个岛屿(图1a),在板块构造理论框架中,它位于欧亚板块和北美洲板块的边界上,虽然冰岛的成因已经得到了广泛研究,说明冰岛是一个包括陆壳基底的微陆块(Foulger,2006),地壳厚度可达30-40 km,但冰岛是如何在洋中脊上形成却存在很多争议。关于冰岛的成因当前也有两种模式,第一种是地幔柱成因模式(Hreggviour et al., 2008; Sigmundsson,2010; Franzson et al., 2013),但这种成因模式在冰岛存在很多问题且证据不足,并不能合理解释冰岛成因(Foulger2010)。

第二种成因模式是海底扩张模式(Bott ,1983;Foulger et al.,2005; Schiffer et al.,2019; Gernigon et al.,2019),但由于海底扩张模式本身存在问题,导致对冰岛的成因机制存在很多争议。冰岛地表主要由小于15Ma的玄武岩组成(图1b),还有安山岩、流纹岩和花岗岩等(Mcgarvie, 2009)。流纹岩是一种大陆地壳成因为主的火成岩,属于酸性喷出岩,其化学成分与花岗岩相同。这也是海底扩张模型难以解释的,因为冰岛的洋中脊附近不应该出现陆壳成因的火成岩,而应该出现洋中脊特有的拉斑玄武岩。冰岛的玄武岩年代具有分带特征,以洋中脊为中心总体向两侧年龄变大,但在冰岛西南的Snaefellsnes和西北部的Skaqi也存在两个异常区域(图2b),那里玄武岩年龄却异常地变小了,这也和海底扩张模式不符。事实上冰岛区域上(图1c)仍然存在很多难以合理解释的现象,比如位于冰岛北部的扬马延(Jan Mayen RidgeJMM已经被地球物理勘探证实是位于洋中脊附近的一个微陆块(Mjelde et al.,2008),其地壳最大厚度约20 km,仅仅相当于普通大陆地壳厚度的约一半,说明它是被拉伸减薄的陆壳残片。事实上,法罗高原Faeroe Plateau是由熔岩覆盖的大陆块组成(Foulger et al.,2021),说明它也是一个微陆块。但包括冰岛、JMMFaeroe这些微陆块的成因机制是什么仍然存在问题。

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a是冰岛的大地构造位置(Hreggviou et al,2008),b是冰岛上的玄武岩分布特征(Thomas et al,2010),cd分别是冰岛区域地貌图和海拔高度图(Revised after USGS RR: Reykjanes Ridge, KR: Kolbeinsey Ridge, AER: Aegir Ridge; GFGreenland Faeroer Ridge.

1 冰岛大地构造、地质和区域地形地貌图

用海底扩张模式解释冰岛等微陆块的成因主要有两种观点,第一种观点认为,冰岛微陆块和杨马廷JMM微陆块是在北大西洋裂解过程中被圈闭在大洋中的大陆残片(Schiffer, 2015),它们是由通过洋中脊跳跃方式形成的,但对于洋中脊为什么会发生跳跃并没有给出很好解释。 第二种观点认为,在冰岛周围存在一个面积超过100万平方公里的大冰岛Greater Icelandia Foulger et al., 2021),它是由大陆和大洋地壳混合物组成的海底高原带,认为其成因机制是横跨格陵兰和英国之间存在一个南北宽约300公里的强大的地质构造屏障strong geological structure(喀里多尼亚缝合线的前缘逆冲带the frontal thrust of the Caledonian suture)。在北大西洋裂解过程中,北大西洋裂解过程中不能分裂这个屏障或岩石圈缓冲区(The new spreading plate boundary could not split this barrier, or lithospheric buffer)。因此形成了洋陆过渡带Greater Icelandia。但仍然存在4个关键问题没有解决:(1)冰岛在洋中脊上为什么没有被海底扩张一分为二?(2)北大西洋的裂解就是沿着古老的Caledonian造山带呈南方向裂解,南北长度数千公里长,为什么仅仅在这300公里的范围内出现一个barrier or lithospheric buffer并不清楚。(3冰岛南部为什么存在V字型的海脊?(4)横跨格陵兰和英国的Iceland-Faeroe Ridge(图1d具有厚达30–35 km的洋壳(Foulger et al., 2006Foulger et al., 2020),为什么 ?甚至有人把这个广阔的海底高原区域称之为世界第九大洲(世界第八大洲是新西兰周边海底高原区),是真的吗?

针对这些问题,我们收集了包括冰岛、北大西洋和欧亚大陆的地质和地球物理资料,基于对潘吉亚超大陆裂解和大陆漂移的动力机制的研究,对冰岛及其周边微陆块的成因机制进行了深入研究,结果说明冰岛是超大陆裂解过程中形成的一个以下地壳为主的微陆块,之后它在地幔上涌和陆壳重力滑移的联合驱动下,自南向北东方向漂移在洋中脊上,并不断喷发玄武岩,目前仍在向北漂移中。

1 地质背景

冰岛是欧洲的第二大岛屿,其北侧有Jan Mayen微陆块,东侧有Faeroe高原微陆块(图1c),南侧有Rockall高原,由于大陆壳密度小,通常会漂浮在大洋岩石圈上形成大洋中的高原,因此推测Rockall也可能是一个微陆块复合体。在整个大西洋中,只有该区域存在一个横跨格陵兰和英国大陆的Greenland-Iceland-Faeroe海底高原(如图1d中白色虚线所示),似一个S形状的陆桥(从西往东看)连接两侧大陆。为什么会形成这种S状的陆桥?也是一个未解之谜。

在板块构造框架中,冰岛位于欧亚大陆板块和北美洲大陆板块的交界处,冰岛中间存在着分叉的洋中脊(图1a),而且分叉的两支洋中脊上都有活跃的火山活动,说明这两条分叉的洋中脊目前都在活动中。冰岛主要由玄武岩组成,并可分为4个主要地层单元,分别为中新世—早上新世岩层,晚上新世—早更新世岩层,晚更新世岩层及冰后期岩层。构造方面,冰岛火山断裂系统发育,可分为3个火山侧翼带和4个火山裂谷带(Jiang et al.,2020)。活火山主要分布在冰岛的中南部区域。

冰岛地表的玄武岩年龄范围约为0-15Ma。冰岛洋中脊附近钻探岩芯测年数据说明(Jancin et al.,1985),从浅到深玄武岩年龄逐渐变老,比如钻孔地表年龄为0.7Ma,而地下800m深处年龄可达6.6Ma。而根据海底扩张模型,每一个位置洋壳从浅到深的玄武岩年龄应该是一样的,而不应该是越深年龄越大,否则大洋壳年龄分带将是一团糟,因为到底哪个深度才代表一个位置的洋壳年龄?

冰岛是一个漂浮在大洋中的微陆块已经有很多证据,除了地表附近发现的流纹岩等酸性陆壳特有的岩石,在冰岛收集的锆石晶体测年也发现了古老的太古宙和侏罗纪锆石(Shaltegger et al.2002Paquette et al.2006Torsvik et al.2015),这是大陆地壳的明确指标。事实上,在印度洋和也广泛存在被拉伸减薄的微陆块(Torsvik et al.,2013)。

目前对冰岛成因的主流解释是冰岛是一块大陆地壳,它可能是从东格陵兰岛断裂的,被困在这个扩散伸展带中,并被传输到扩张的大洋中A block of continental crust, probably broken off East Greenland, was trapped in this diffuse extensional zone and transported into the developing oceanGeoffroy et al.2015Geoffroy et al.2020)。至于为什么被困在在这个这个扩散伸展带中,传统的解释是洋中脊跳跃。洋中脊跳跃在海底扩张过程中很常见(Okal & Bergeal, 1983; Deschamps & Fujiwara, 2013; Misra et al.,2015)。在中国南海的形成过程中也发生过2次洋中脊跳跃现象(Liang, 2023)。洋中脊跳跃说明洋壳年龄并不符合传统的海底扩张模式给出的年龄分布特征,即洋壳年龄从洋中脊向两侧对称线性增加。这也同样说明传统的海底扩张驱动板块运动模式存在问题。需要我们跳出海底扩张模式来解释冰岛的成因。

2 地球物理特征及冰岛成因机制

2.1 冰岛的地球物理特征

在冰岛以南区域无论地形地貌还是自由空气重力异常整体上都呈现V字型特征(图2a),海底深度从南到北逐渐减小,在冰岛南端露出海平面。而在磁异常图上,冰岛以南区域则没有V字形特征,磁异常条带几乎完全平行于洋中脊分布(图2b),这也是一个长期令人困惑的问题。地球物理探测给出的冰岛地壳厚度图(图2c)说明,冰岛有最大厚度约40Km的地壳(Foulger et al.2003。而地质分层剖面图(图2d)则进一步说明,冰岛有一个大约为5Km的上地壳层,而下地壳厚度很大,约为35Km。由此推测冰岛是一个长期漂移在洋中脊上的活化的克拉通微陆块,理由有两个,第一,冰岛的地壳厚度达到40Km,而印度次大陆是标准的活化的克拉通大陆,其地壳厚度也是40 KmLiang & Yang,2023)。第二,从图2a可以看出,冰岛的重力异常与格陵兰岛类似,都显示为重力正异常特征。而格陵兰岛则是一个克拉通陆块。冰岛地壳厚度分布与传统海底扩张模型不符合,因为按照海底扩张模型,其洋中脊附近地壳厚度通常为0-5km。但探测得到冰岛的地壳厚度是20-40km,而且洋中脊处厚度达到30-40km。因此传统的海底扩张模式在这里并不适用,也需要跳出海底扩张模式来解释冰岛的成因机制。

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a是冰岛区域自由空气重力异常图 Source: created by Sandwell and Smith with GMT (26/9/2005). http://en.wikipedia.org/wiki/File:N-Atlantic-grav.pngb是冰岛区域磁异常分布图(Koehonen et al., 2017),cd分别是冰岛地壳厚度分布图和地质分层剖面图(Foulger et al.2003

2 冰岛的重力异常、磁异常、地壳厚度和地质分层剖面图

2.2 冰岛的地质结构特征

基于以上资料的综合分析,我们给出了冰岛的宏观结构的地质解释。推测冰岛为一个以下地壳为主的微陆块,伴随着冰岛的北漂,从15-10Ma开始随着玄武岩的不断喷发、溢流、堆叠,形成一层层的冰岛上地壳和今天的地貌景观(图3),基于冰岛的地壳速度结构图,认为冰岛的下地壳为克拉通基底,厚度较大约为30-35Km,而上地壳厚度厚度较小,约为5-10Km,上地壳物质成分以新生代晚期玄武岩为主。因为从冰岛速度结构剖面图上,玄武岩速度从4.1-6.4Km/s代表了上地壳。为什么冰岛会形成这种独特的结构?需要从潘吉亚超大陆裂解开始来解释冰岛的成因问题。

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3冰岛地壳速度结构和地质解释概略图(Revised after Foulger et al.2003

2.3 冰岛成因机制

潘吉亚超大陆裂解复原得到了广泛认可,在超大陆裂解过程中,冰岛从劳亚古陆上被裂解形成一个特立独行的微陆块,它原位于北美洲大陆和非洲大陆板块之间,而在它的北部还存在两个微陆块,分别是RockallFaeroe微陆块(图4a),由于JMM微陆块太小没有显示出来,它也应该在冰岛微陆块的北侧。当北美洲和欧洲板块向东西两边裂解分离漂移(也向北漂)的过程中,冰岛沿着北东方向独自飘浮在洋中脊上(Liang2017),而其他三个微陆块也会发生漂移运动。在大西洋裂解过程中,冰岛陆块是一个被裂解拉断形成的下地壳为主的陆块。在陆块拉伸过程中由于上地壳脆性大,容易被拉断(图4b),而下地壳塑性大,会首先被拉伸,最后才被拉断(图4c)。

南大西洋的裂解说明,两侧的大陆板块能够在热力驱动下,通过地幔上涌和重力滑移双驱动机制能够自己发生漂移运动(Liang&Yang.2022),其动力机制不是传统的海底扩张模式。由此说明北大西洋裂解过程中,包括北美洲和欧亚大陆板块也是在热力驱动下自己发生漂移运动的。在北大西洋裂解裂解最初期,两侧陆块共用一个洋中脊区域的地幔上涌。当两侧陆块远离洋中脊之后,它们将依靠自身重力分别独立滑移漂移。与此类似,冰岛也是在热力驱动下自己发生了漂移运动,其动力机制是冰岛南部的地幔不断发生上涌,从而驱动冰岛向北漂移(图4d)。特别需要指出的是,这里所定义的大陆板块不同于板块构造中的板块概念,这里大陆板块在面积上不包括板块构造中板块的洋壳部分,而仅仅指大陆地壳块体,深度上不包括岩石圈地幔,只是指莫霍面之上的陆壳部分。

我们认为魏格纳的大陆漂移假说总体上是正确的,较轻硅铝质的大陆地壳块体漂浮在较重的黏性的硅镁层上地幔(和洋壳)上发生漂移运动,只是其给出的驱动力不正确。我们将当前流行的“Bottom up”和“Top down”机制联合起来,建立了大陆漂移的地幔上涌和重力滑移双驱动机制,Bottom up代表地幔上涌,在莫霍面产生斜坡,而Top down代表陆壳块体依靠重力沿莫霍面向下滑移,产生驱动力。因为陆壳块体移动之后在其尾部产生降压,降压诱发深部地幔再次上涌,再一次在莫霍面产生斜坡,如此循环驱动大陆板块发生漂移,这里由于降压产生地幔深部岩浆熔融上涌这种反馈机制是大陆漂移动力的关键因素。大陆板块能够克服阻力发生漂移,另一个关键因素是含水的大洋板块俯冲进入到大陆板块之下发生部分熔融(无论陆壳还是洋壳在含水情况下部分熔融温度下降数百度),在大陆漂移的前部形成软弱区域,使得大陆板块产生类似不断陷入软泥的缓慢移动。大陆漂移后会留下尾迹,尾迹表现为岛弧带。岛弧是包含火山岩和碎陆块集合体,岛弧相当于大陆漂移过程中翻耕过的大洋。

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a是潘吉亚超大陆复原图中冰岛微陆块的位置(据Frankel, 2012修编),bc是北大西洋裂解过程中冰岛的成因示意图,d冰岛向北东方向漂移动力机制模式图(改自Liang&Yang.2022

4 冰岛成因和漂移动力机制示意图

事实上,Hubbert等(1959)很早就注意到因重力造成的下滑力在大陆漂移中具有重要的作用。Hales1969)和Jacoby1970)注意到洋中脊区域往往比较高,而洋中脊两侧的大洋区域较低,因此在洋中脊和大陆边缘存在高度差,大洋中轻微的坡度都会使得大洋岩石圈向两侧产生离散的分力,由此认为洋中脊两侧板块的运动是大洋岩石圈板块因自重滑移向两侧的移动导致的;我们认为这种考虑重力滑移力的思路是符合基本物理原理的,但滑移界面并不是岩石圈底界面,而应该是地壳与上地幔之间的莫霍面。因为如果是岩石圈发生了重力滑移从而驱动大陆漂移,那么理论上岩石圈地幔就会类似传送带一样搭载着洋壳和陆壳以同样的速度运动,那样就不能合理解释大洋中的大陆残片如何形成的(Ren et al.,2015)。这说明重力滑移运动仅仅发生在莫霍面上,因为陆壳厚度远大于洋壳厚度,其自重更大,相比洋壳所能产生的重力滑移力,陆壳可以产生更大的滑移驱动力。

大陆板块能够在自己发生漂移不但已经在南大西洋裂解过程中得到验证(Liang&Yang,2022),而且在印度北漂中也得到了验证(Liang&Yang, 2023)。大陆板块漂移后会留下尾迹,这些尾迹是岛弧带,岛弧带是火山岩和大陆残片(微陆块)的集合体,当大陆残片(微陆块)足够大时候,它们也会自己发生漂移,比如印度洋上塞舌尔微陆块在裂离印度大陆南部时候就发生了向南西方向的漂移(Liang&Yang, 2023)。

2.4 北大西洋裂解和冰岛区域构造演化

基于超大陆裂解产生的微陆块也会发生漂移,我们给出了北大西洋裂解过程中冰岛区域的构造演化过程。以欧亚大陆保持不动作为参照系,该图说明洋中脊是欧亚和格陵兰大陆裂解的初始破裂线。在50Ma,格陵兰与挪威相距很近,它们之间已经开始发生裂解,并形成被动大陆边缘(图5中浅灰色区域),而JMMFP微陆块还贴在格陵兰陆块东南侧,冰岛还在南部大洋中,RP微陆块还在冰岛北东方向,紧靠挪威大陆边缘。24Ma时期随着格陵兰大陆往北西方向的漂移,JMM微陆块从格陵兰裂离向东漂移。RP微陆块向西南漂移,形成了初始的AER尾迹,而FP向东漂移,形成初始的GF带(图5中粉色区域),GF实质上是FP漂移后形成的岛弧带,它是FP微陆块漂移后留下的尾迹,由于其漂移路径穿越了洋中脊,也使从近乎直线的洋中脊发生了变形改造。15Ma时期这些微陆块继续大致沿着原来的方向运动,FP的向东漂移使得GF范围继续变大。当前冰岛已经进入GF岛弧区域,对GF岛弧进行了改造,由此形成了S状的陆桥的向北突出部分。而RP微陆块向西南漂移,则改造了GF岛弧,形成了S状的陆桥的向南微弱突出部分。至于为什么冰岛一致沿着洋中脊方向漂移,推测可能是因为沿这个方向漂移受到的阻力最小。由于岛弧是大陆板块漂移后形成的,因此其厚度也与大陆壳厚度相当,比如RP微陆块漂移后完全可以形成于地壳厚度相当(35Km左右)的洋壳了。这合理解释了前人关于该区域异常洋壳厚度的疑惑了。

 

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5 北大西洋裂解过程及冰岛的形成演化示意图,JMM: Jan Mayen microcontinent; RR: Reykjanes Ridge; KR: Kolbeinsey Ridge; AER: Aegir Ridge; RP: Rockall Plateau; GF: Greenland, Faeroe Ridge. FP: Faeroe Plateau; MOR: Middle Ocean Ridge

3 冰岛成因的证据链

3.1 微陆块漂移尾迹证据

大陆板块会在热力驱动下自己发生漂移,并形成岛弧尾迹,利用尾迹可以追踪大陆板块从哪里来到哪里去,比如印度大陆的北漂形成了著名的马尔代夫岛链Liang & Yang, 2023),而位于印度大陆东南部的一个微陆块的北漂形成了著名的90°海岭岛链。这说明不同的陆块漂移后形成的尾迹特征不同。

冰岛、RockallFaeroeJMM这些微陆块漂移后的尾迹特征在地形地貌图上清晰可辨(图6,显示为地形地貌与周边大洋显著不同,当它们的尾迹发生交叉时候,还能够识别出其先后顺序。由于不同微陆块的外形、厚度和底部凸凹结构不同,因此形成了不同形状的尾迹特征,推测前三个微陆块厚度较大,可能有30-35 km,而JMM最小,只有约20kmFaeroe的向东形成了Greenland-Faeroe-RidgeGFR),且切割了Rockall微陆块漂移的所形成的尾迹Aegir Ridge,而冰岛的北漂形成了Reykjanes Ridge,也改造了GFR。而JMM微陆块由于厚度较小,形成的尾迹特征不明显。这也解释了为什么GFR具有异常大的地壳厚度(30-35Km)。因为Faeroe微陆块厚度是30-35Km,因此其漂移后似犁地翻耕过的大洋壳厚度也有30-35Km。同时说明在GFR上,只有冰岛和Faeroe两个区域是以陆壳为主的陆块区,而其他大洋区域是以大洋地壳为主,可能含少量碎陆壳物质。

事实上在冰岛以南区域的深海钻探资料说明,在第94航次的611号站点处洋壳年龄为中新世晚期(Baldauf 1987),大约为10Ma。而在其北部第81航次的114号站点,洋壳年龄为上新世早期(Baldauf,1985),大约为5Ma。而目前冰岛南部还存在大量火山山的玄武岩喷发。由此推测冰岛在10Ma时期位于其南方约1000km的地方,之后一直沿着洋中脊漂移到当前位置,冰岛漂移初期露出海面的面积比当前要小(图6中黑色虚线所示)。北漂过程中不断有新的玄武岩喷发覆盖,冰岛面积不断增大,形成这种特殊的V字型尾迹特征。

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6 北大西洋微陆块漂移路径示意图,RR: Reykjanes Ridge; KR: Kolbeinsey Ridge

冰岛漂移路径上存在近东西方向的转换断层切割了冰岛的尾迹,说明在冰岛漂移过程中,北大西洋两侧大陆板块也在同步发生漂移,它们的漂移使得转换断层得到进一步发展。转换断层的产生是两侧大陆板块不同区域外形不同且驱动力不均匀所导致的走滑断裂,比如南大西洋裂解过程中,非洲西侧南部驱动力大于非洲中部,从而造成非洲大陆漂移中发生逆时针旋转(Liang&Yang2022)。

从冰岛区域的地形图和重力异常图都能看出,冰岛向北东方向漂移过程中,其尾迹呈现V字型,其成因机制用大陆漂移模型可很容易解释。由于冰岛主要以下地壳为主,代表性岩石为麻粒岩,其地震波速度大,对应的密度也较大,大约为3.0g/cm3,而洋壳以玄武岩为主,密度约为2.9 g/cm3。随着冰岛漂移过程中,不断喷发出玄武岩,由于其密度较小,使得冰岛陆块总体平均密度逐渐减小,因此随着冰岛的漂移和火山爆发,冰岛的浮力(相对于上地幔密度3.3 g/cm3)总体增大,其出露在大洋壳中的面积也逐渐增大,从而造成其在漂移过程中留下V字型的地貌特征和重力异常特征。这意味着地形图和重力异常图更多反映了冰岛上地壳较浅区域的变化,它们主要与冰岛在漂移过程中露出洋壳部分的玄武岩体积和面积变大有关。

冰岛南部磁异常条带平行于洋中脊分布说明冰岛下地壳宽度保持不变,但下地壳底部应呈现锯齿状形态,冰岛在沿洋中脊方向漂移过程中切割不同深度的上地幔,产生了不同深度的岩浆上涌(由于地幔越深含铁量越高,从而形成的磁异常也越大),从而形成了平行于洋中脊的磁异常条带特征。

3.2古生物和古地磁证据

古植物和古地磁也支持冰岛是从遥远的南部漂移到当前位置的。冰岛发现中新世中期前的水青冈属和松柏类(Fagus and conifers)植物叶片化石(Grimsson et al.,2007 ),说明冰岛在15Ma之前并不在当前的纬度,它应该位于遥远的南方温带或者亚热带地区。虽然15Ma年前全球气候有可能比现在更温暖,或者存在大陆桥(Land Bridge)(Thomas et al,2010)。但古地磁证据进一步说明,冰岛应该是从南方大约10个纬度的地方漂移到当前位置的。Kristjansson等(2002)对冰岛4320个样点的古地磁数据统计表明,从151Ma时间段,其虚地磁极VGPVirtual Geomagnetic Pole)从(S/N36°变为26°。过去是基于冰岛位置在地质历史上保持不变,解释为虚地磁极在15-1Ma变化了10°。如果我们认为虚地磁极历史上没有很大变化,那么虚地磁极VGP纬度从S36°变化到S26°就意味着冰岛从N55°变化到N65°。这实际上代表了冰岛在15Ma之后往北漂移了约10°(约1100km)。这个维度变化与我们上述根据尾迹和古生物推算的冰岛漂移距离完全吻合。事实上,McFadden(1993)的研究说明全球虚地磁极在12Ma以来的并没有一个统一的极移路径。徐文耀(2003)的研究进一步说明全球20Ma以来地磁场是一个轴向的地心偶极子场。意味着古虚地磁极在20Ma至今并没有显著变化,那么变化的只能是冰岛微陆块本身。

3.3 沉积岩厚度证据

北大西洋洋中脊附近的沉积物厚度特征也支持冰岛是从南方漂移到当前位置的。大西洋和冰岛区域沉积物厚度分布图(图7)中存在一个很奇怪的现象,南大西洋洋中脊(图中红色虚线)附近沉积物厚度很薄,几乎没有沉积物。而北大西洋洋中脊附近存在较厚(2000-3000m)的沉积物,它们的物源来自哪里?而且这些沉积物主要分布在冰岛漂移路线的东边。为什么?推测这和北大西洋季风带风向有关,这里常年主要盛行西风和西南风,在冰岛漂移过程中,伴随着冰岛的火山喷发,其喷发物落在东侧。而南大西洋洋中脊上由于不存在微陆块漂移,因此几乎没有沉积物。而冰岛北侧沉积物很薄,小于300m,说明冰岛仍在向北东方向漂移中。这从另一个侧面说明,冰岛来源于其南部上千公里的地方。

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7 大西洋和冰岛区域沉积物厚度分布图(据USGS Total sediment thickness of the World’s Oceans & Marginal seas),a是大西洋沉积物厚度分布图,b是冰岛区域沉积物厚度分布图

3.4 磁异常证据

为了分析解释冰岛区域的磁异常特征,我们需要将北大西洋和红海做类比解释,因为红海是威尔逊旋回中大洋张裂的初期阶段。我们知道红海是新生代中晚期才裂开的一个存在洋壳的大洋,其磁异常特征(图8a)说明,存在两种类型的磁异常条带,第一种是位于红海中间的区域,是阿拉伯板块的古造山带也是破碎区带,在红海的裂解过程中,相当于阿拉伯板块上很多微陆块相对非洲向北发生了漂移,形成的磁异常条带并不平行于洋中脊,而是垂直于洋中脊,或者说磁异常条带与微陆块漂移方向一致,如图中白色箭头1所指的位置。第二种是在红海南部的索马里海域,阿拉伯板块是相对完整的大板块,其裂解后形成的磁异常特征近似平行于洋中脊,如图中白色箭头2所指的位置。由此我们给出两种类型的陆块漂移后形成的磁异常特征,分别是完整大陆快(图8b)和微陆块(图8b)漂移后的磁异常模式。值得说明的是印度大陆漂移后形成的磁异常条带也并不完全平行于洋中脊,而是呈团块状大致平行于洋中脊(如图中白色箭头3所指的位置)。事实上这是由于印度大陆漂移过程中存在旋转所造成的(梁光河,2020)。由微陆块漂移后形成的与漂移方向一致的磁异常条带特征在日本微陆块从华南大陆裂解漂移中也能得到印证(梁光河,2020)。

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8 红海和印度洋区域磁异常特征(改自Koehonen et al.,2017),a是区域磁异常图,b是完整大板块和微陆块漂移后形成的磁异常特征

由红海的两种类型磁异常特征分析出发作为已知信息来解释北大西洋磁异常特征,特别是冰岛区域磁异常特征,如图9所示,图中用黑色虚线分别标出了冰岛和Faeroe微陆块漂移的起始位置,白色的虚线表示冰岛漂移的路径区域,灰白色虚线表示Rockall微陆块漂移的路径区域,而黄色虚线表示Faeroe微陆块漂移的路径区域,该区域磁异常特征明显比南边杂乱,说明它切割了正常的由于北大西洋裂解形成的磁异常特征。该图也说明,北大西洋当前的磁异常条带是由两部分叠加组成的,第一部分是由于格陵兰大陆和欧亚大陆这两个巨大大陆板块裂解后漂移过程中形成的近似平行于洋中脊的磁异常条带。第二部分是由微陆块漂移形成的,冰岛沿洋中脊的北漂形成了与洋中脊平行一致的磁异常条带,它叠加在第一部分磁异常条带上。特别是黄色的区域整体也呈S形状,这也说明GF岛弧区域受到了冰岛和Rockall微陆块漂移的改造。

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9 冰岛区域磁异常特征(改自Koehonen et al.,2017

4 讨论

4.1岩石圈运动还是地壳运动?

早期的海底扩张假说认为地幔对流作用在洋壳和陆壳上,也就是说大陆板块主要是在莫霍面层发生了运动。后期板块构造学说被正式提出过程中发现,理论上海底扩张产生的推力在两侧大陆边缘应该产生压性环境下的向下弯曲,从而形成深海沟,但在大西洋两侧的被动大陆边缘以张性环境为主,并不发育深海沟(Frankel, 2012)。为了解释这种现象,McKenzie Morgan补充提出了刚性的厚度达100Km的岩石圈概念(https://www.britannica.com/science/plate-tectonics/Toward-a-unifying-theory).

全球并没有统一、连续、稳定的软流圈层。地震勘探表明,在稳定的克拉通之下,软流层往往很薄,甚至没有,例如在北美和北欧亚大陆之下,就没有发现连续的软流层存在(Pavlenkova et al.,2017Gung et al.,2003Shapiro et al.,2004)。而且大陆漂移的原动力——地幔对流,至今仍处于假说阶段,并没有被证实(Ren et al.2019)。由于没有全球统一、连续的软流圈层,因此岩石圈底界面往往难以界定,而地壳和地幔之间的莫霍面却是全球普遍稳定存在的。因此,对地球表层构造而言,现在更应该关注地壳层次的构造,而不是岩石圈层次的构造。

大陆板块能否沿莫霍面发生重力滑移,取决于莫霍面、下地壳和上地幔的岩石力学性质。图10是超越板块构造研究中给出的大陆和大洋岩石圈差应力结构特征对比图(Rober&Christopher,2020;Jackson, 2002)。大陆岩石圈的上地壳、下地壳和上地幔的代表性岩石分别为石英、麻粒岩和橄榄岩。大洋岩石圈的洋壳和上地幔的代表性岩石分别为辉长岩(或玄武岩)和橄榄岩。从流变力学强度看,大陆地壳与上地幔之间的莫霍面是一个软弱层,完全可能成为主要滑脱面。而大洋地壳与上地幔之间没有软弱层,不可能产生滑脱。而且大洋地壳也不存在类似陆壳的上地壳、下地壳显著分层结构。由此推测大陆地壳依靠自身重力可以在莫霍面上发生滑移,而难以在大洋壳与上地幔之间的界面上发生滑移。

从该图可以看出,50Km之下,大陆岩石圈和大洋岩石圈都存在一个类似软弱层,在这个软弱层上它们也可能产生速度一致的滑移运动,但这种统一的运动我们在地面上感知不到,因为这相当于整个地球上部圈层相对于深层地幔发生统一转动。因此即便存在这个运动,也仅相当于大陆地壳漂移的一个背景运动,并不妨碍大陆地壳相当于洋壳的滑移运动。在50Km以下的软弱区域是否存在滑移运动还需要更深入研究。

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10 大陆和大洋岩石圈差应力结构特征对比(改自Rober&Christopher,2020;Jackson, 2002

4.2冰岛火山地震活动成因

为什么在北大西洋洋中脊区域,火山喷发主要发育在冰岛上?图11说明冰岛正处于洋中脊上。而洋中脊是大陆裂解过程中地幔上涌最高的地方,它的海拔高度大于两侧大洋海底,洋中脊区域相当于一个背斜构造,洋中脊两侧洋壳也存在重力滑移拉伸作用,从而在洋中脊背斜构造的顶部发育张性裂隙,形成降压环境,诱发深部地幔熔融上涌。这合理解释了处于大洋中脊区域的冰岛上,发育多条洋中脊,间断喷发玄武岩,但并不意味着背斜顶部的裂隙能够把整个冰岛地壳完全分开。

我们强调大陆板块会漂移,那么大西洋的洋壳会漂移吗?回答是不会,虽然洋中脊区域地幔上涌最高,洋壳也会产生向两侧的重力滑移力,使得洋中脊区域处于伸展环境,间断玄武岩喷发和浅源弱地震。但洋壳整体太大,该重力滑移力不足以推动它和大陆壳同步漂移,因为大陆板块后面的地幔上涌会使得大洋地壳形成反向滑移力,且洋壳下面阻力太大,因此大西洋洋壳不会发生漂移运动,只是大陆板块相对大洋地壳发生了漂移运动,但陆缘裂解后新形成的洋壳除外。

11.png

11 冰岛在洋中脊上形成的伸展构造示意图

5 结论

(1)     北大西洋裂解是超大陆裂解的产物,北大西洋裂解后形成了冰岛、FaeroeRockall等微陆块,它们是以陆壳基底为主并有玄武岩熔岩覆盖的微陆块。它们在北大西洋裂解过程中也会发生主动漂移,而且漂移方向不一样。从而形成了一系列岛弧带的相互交叉。其漂移的动力机制并不是传统的海底扩张,而是热驱动大陆漂移新模式,即地幔上涌在莫霍面产生斜坡与微陆块沿莫霍面斜坡发生重力滑移相结合的大陆漂移动力机制。由于海底扩张动力机制是错误的,因此冰岛在洋中脊上没有被海底扩张一分为二。

(2)     冰岛微陆块是以下地壳为主的克拉通微陆块,伴随着北大西洋裂解,冰岛微陆块独自沿着洋中脊往北东方向方向漂移,目前仍在漂移中。冰岛南部为存在V字型的海脊是由于冰岛漂移中不断喷发玄武岩,冰岛面积不断增大所形成的。

(3)     洋中脊是大陆裂解的初始破裂线,在北大西洋裂解后,Faeroe微陆块从格陵兰岛东侧向东漂移在Iceland-Faeroe Ridge区域形成了巨厚的异常洋壳。而冰岛的北漂和Rockall微陆块的南漂改造了这个区域,形成了目前的地理格局。这说明冰岛海底高原区域并不是世界第九大洲,而是由包括微陆块(冰岛和Faeroe等)和岛弧(微陆块漂移后形成)的集合体。

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