大洋中脊的軸部都發育有沿其走向延伸的斷裂穀地,稱為中央裂穀,向下切入的深度約1~2km,寬數十至一百多千米。中央裂穀是海底擴張中心和海洋岩石圈增生的場所,沿裂穀帶有廣泛的火山活動。中脊地形比較複雜,縱向呈波狀起伏形態,橫向呈嶺穀相間排列。
大洋中脊體係在構造上並不連續,而是被一係列與中脊軸垂直或高角度斜交的斷裂帶切割成許多段落,並錯開一定的距離,如羅曼奇斷裂帶,把大西洋中脊錯移1000km以上,沿該斷裂帶形成7856m的海淵。這種斷裂表現為脊槽相間排列的形態。
大洋中脊體係是一個全球性地震活動帶,但震源淺、強度小,所釋放的能量隻占全球地震釋放能量的5%。
二、大洋盆地
大洋盆地是指大洋中脊坡麓與大陸邊緣(大西洋型的大陸隆、活動型的海溝)之間的廣闊洋底,約占世界海洋麵積的1/2。大洋盆地的輪廓受洋中脊分布格局的控製,在大洋盆地中還分布著一些隆起的正向地形,它們進一步把大洋盆地分割成許多次一級盆地。大洋盆地水深一般為4~6km,局部可超過6km。
把大洋盆地分隔開的正向地形主要是一些條帶狀的海嶺和近於等軸狀的海底高原。海嶺往往由鏈狀海底火山構成,由於缺乏地震活動(僅有火山活動引起的微弱地震)而被稱作無震海嶺,如太平洋的天皇-夏威夷海嶺、印度洋的東經九十度海嶺等,它們與大洋中脊體係的成因和特征明顯不同。有的無震海嶺頂部出露水麵形成島嶼,如夏威夷群島等。海底高原又叫海台,是大洋盆地中近似等軸狀的隆起區,其邊坡較緩、相對高差不大,頂麵寬廣且呈波狀起伏,如太平洋的馬尼西基海底高原和大西洋的百慕大海台等。
在大洋盆地中還有星羅棋布的海山,它們絕大多數為火山成因,相對高度小於1000m者稱為海丘(海底丘陵),大於1000m者稱為海山。海丘呈圓形或橢圓形,直徑從不足1km至5km不等,分布較廣泛。海山一般具有比較陡峭的斜坡和麵積較小的峰頂,成群分布的海山稱為海山群,頂部平坦的稱作平頂海山或海底平頂山。西北太平洋海盆、中太平洋海盆和西南太平洋海盆是海山、海山群、平頂海山和珊瑚礁島分布最密集的地區。
大洋盆地底部相對平坦的區域是深海平原,它的坡度極微,一般小於10-3,有的小於10-4。深海平原的基底原來並不平坦,是由於後來不斷的沉積作用把起伏的基底蓋平了。
海底構造與大地構造學說
60年代誕生於海洋地質領域的海底擴張-板塊構造學說,以活動論觀點為主導,對奠基於大陸的傳統地質學理論提出了挑戰,引發了一場“地球科學革命”,影響所及,不僅改變了地球科學的結構,還改變了地球科學人員的思維方式。目前,板塊構造理論已影響到地球科學的幾乎所有領域,是研究海底構造的理論核心和指導思想。
板塊構造學說是多學科相互交叉、滲透發展起來的全球構造學理論,它吸取了魏格納大陸漂移說的精髓——活動論思想,以海底擴張說為基礎,經過Wilson(1965)、Morgan(1968)、LePichon(1968)等一大批科學家的綜合而確立的。板塊構造學說是大陸漂移和海底擴張的引伸和發展。
大陸漂移
大陸漂移的觀點可追溯至幾個世紀以前,現在一般認為魏格納是大陸漂移說的創始人,他主張地球表層存在著大規模水平運動,海洋和陸地的分布格局處在永恒的變化過程中。作為新地球觀核心的活動思想論即由此發端。
魏格納起初從大西洋兩岸的彎曲形態受到啟發,於1912年提出了大陸漂移的見解,1915年著成《海陸的起源》一書,全麵係統地論述了大陸漂移問題。大陸漂移說立足於陸塊漂浮的地殼均衡理論。他認為,地球上所有大陸在中生代以前是統一的聯合古陸,或稱泛大陸(Pangaea),其周圍是圍繞泛大陸的全球統一海洋——泛大洋。中生代以後,聯合古陸解體、分裂,其碎塊——即現代的各大陸塊逐漸漂移到今日所處的位置。由於各大陸分離、漂移,逐漸形成了大西洋和印度洋,泛大洋(古太平洋)收縮而成為現今的太平洋。
大陸漂移的主要依據有海岸線形態、地質構造、古氣候和古生物地理分布等。盡管大陸漂移說合理地解釋了許多古生物、古氣候、地層和構造等方麵的事實,但限於當時的認識水平,又缺乏占地表71%的海洋底的地質資料,魏格納未能合理解釋大陸漂移的機製問題,大陸漂移說盛行一時後便衰落下去了。直到50年代,古地磁學研究的進展又使大陸漂移說重新複興,60年代海底擴張和板塊構造學說的創立再賦予大陸漂移說以新的認識。
海底擴張
第二次世界大戰後,各種地球物理技術廣泛應用於海洋地質研究,在海底發現或確認了許多未曾預見到的全球規模的地質現象,成為海底擴張說產生、發展的基礎和主要依據。
60年代初形成的海底擴張說受到下列學術思想的影響:(1)聯合古陸的重建、拚合和越來越多的大陸漂移的其他證據;(2)大洋中脊體係及其中央裂穀帶的形成機製與特征;(3)海洋沉積物自大洋中脊軸部向兩側依次變厚的事實;(4)海洋地殼的年輕性;(5)某些大陸邊緣溝-弧體係的發現及其突出的地震、火山活動特點等等。Hess(1960,1962)和Dietz(1961)幾乎同時提出了“海底擴張”這一概念,以闡明主要與海底生成和消亡過程有關的理論。概括起來,海底擴張模式(圖2-13)可以表述如下:
大洋中脊軸部裂穀帶是地幔物質湧升的出口,湧出的地幔物質冷凝形成新洋底,新洋底同時推動先期形成的較老洋底逐漸向兩側擴展推移,這就是海底擴張。海底擴展移動的速度大約為每年幾厘米。
海底擴張在不同大洋表現形式不同。一種是擴張著的洋底同時把與其相鄰接的大陸向兩側推開,大陸與相鄰洋底鑲嵌在一起隨海底擴張向同一方向移動,隨著新洋底的不斷生成和向兩側展寬,兩側大陸間的距離隨之變大,這就是海底擴張說對大陸漂移的解釋。大西洋及其兩側大陸就屬於這種形式。另一種方式是洋底擴展移動到一定程度便向下俯衝潛沒,重新回到地幔中去,相鄰大陸逆掩於俯衝帶上。洋底的俯衝作用導致溝-弧體係的形成,太平洋就是這種情況。洋底處在不斷新生、擴展和潛沒的過程中,好似一條永不止息的傳送帶,大約經過2億年洋底便可更新一遍。
洋底生成—運動—潛沒的周期不超過2億年,驅使洋底周期性擴張運動的原動力是地幔物質對流。其中,大洋中脊體係的中央裂穀帶對應於地幔對流的湧升和發散區,寬廣的大洋盆地對應於海底擴張運動區,海溝則相當於對流的下降彙聚區。由於洋底周期性地更新,盡管海水古老,但洋底總是年輕的。因接受沉積作用時間短,總體上沉積物厚度較薄,且從中脊軸向大洋邊緣呈逐漸增厚趨勢。
海底擴張說能夠解釋海洋地質學和海洋地球物理學領域的大部分問題,其機製符合物理學理論,並與許多地質、地球物理觀測結果一致。自從海底擴張理論係統提出以來,已使人們對洋盆及其邊緣有了深刻的理解,而且新資料幾乎總是與這個統一的概念相一致。如60年代在洋底發現的條帶狀海底磁異常、轉換斷層及DSDP/ODP的鑽探成果,不僅成為論證海底擴張說的重要依據,而且成為板塊構造學說的基礎和主要內容。
板塊構造
“板塊”一詞是Wilson(1965)在論述轉換斷層時首先提出的,後經Morgan,McKenzie,Parker,LePichon等人的不斷綜合和完善,於1968年正式提出了“板塊構造”學說。因板塊構造涉及全球(不分大陸和海洋)的構造活動和演化,是使地球一元化的全球構造理論。所以,板塊構造學說的創立是人類對地球認識的一次重大突破,其基本內容可以概述如下:
地球最上部被劃分為岩石圈和軟流圈(圖2-3)。軟流圈在緩慢而長期的作用力下,會呈現出塑性或緩慢流動的性質。因此岩石圈可以漂浮在軟流圈之上作側向運動。
地球表層剛性的岩石圈並非“鐵板一塊”,它被一係列構造活動帶(主要是地震活動帶)分割成許多大小不等的球麵板狀塊體,每一個構造塊體就叫岩石圈板塊,簡稱板塊。板塊構造學說初創時,LePichon(1968)曾將全球劃分為六大板塊:歐亞板塊、太平洋板塊、美洲板塊、非洲板塊、印度-澳大利亞板塊(也稱印度板塊、印度洋板塊或澳大利亞板塊)和南極洲板塊;後來又把美洲板塊劃分為北美板塊和南美板塊,這樣全球可劃分為七個板塊。它們屬於一級大板塊,一般既包括陸地,也包括海洋,控製著全球板塊運動的基本特征。Morgan曾認為全球應劃分為二十個左右的板塊。不過現在比較流行的是十二板塊的劃分方案(圖2-14),即除七大板塊外,還有納茲卡板塊、科科斯板塊、加勒比板塊、菲律賓海板塊和阿拉伯板塊。至於大陸與大陸或大陸與島弧的碰撞帶中,似可進一步分出若幹小板塊甚或微板塊。
板塊內部是相對穩定的,很少發生形變;而板塊邊界則是全球最活動的構造帶,全球地震能量的95%是通過板塊邊界釋放的。根據板塊邊界上的應力特征,參考其地質、地貌、地球物理及構造活動特點,可將板塊邊界劃分為拉張、擠壓和剪切三種基本類型。拉張型邊界的主應力是受拉張力作用,相當於大洋中脊軸部裂穀帶及其延伸上陸的大陸裂穀帶,在拉張力作用下兩板塊作相背分離運動。擠壓型邊界的應力場以擠壓作用為主,邊界兩側板塊相對運動向一起彙合聚集,與太平洋周緣海溝俯衝帶和大陸年輕造山帶(阿爾卑斯-喜馬拉雅山帶)相當。剪切型邊界的應力場以剪切作用為主,剪切方向與板塊相對運動方向一致,與轉換斷層相當。板塊運動及其相互作用導致了目前海陸的分布格局,地球表麵形態的變化,全球(含洋底)山脈的形成,地震、火山和構造活動等。
根據板塊構造觀點,海底擴張實際上是一對岩石圈板塊自中脊軸向兩側的擴張運動。位於岩石圈板塊上麵的大陸塊,伴隨著板塊的運動而被動地發生長距離水平位移。這就是我們今天所說的大陸漂移,與魏格納的大陸漂移有原則區別。
板塊邊產生、邊運動、邊消亡,周而複始,在地球表層留下板塊活動的痕跡。板塊在擴張型邊界(洋中脊軸裂穀帶)因熾熱地幔物質不斷湧出而得到補充,當這種熱物質冷卻到足以產生機械強度時便成為板塊的一部分。因此,板塊在中脊軸附近的增生區較薄,隨著板塊背離中脊軸運動,因其逐漸冷卻而增厚。海洋岩石圈板塊是短暫的,從生成至擠壓型邊界(海溝俯衝帶)消亡一般不超過2億年。在消亡過程中,變冷的岩石圈下潛沉入到地幔之中。岩石圈潛入地幔內數百千米才被同化,故沿板塊俯衝帶可發生淺、中、深源地震活動。
驅動板塊運動的原動力來自地球內部,一般認為地幔物質對流是板塊運動的原動力,它借助岩石圈底部的粘滯力帶動上覆板塊運移,板塊被動地馱伏在對流體上發生大規模運動。
集大陸漂移和海底擴張說為一體的板塊構造理論能夠比較成功地解釋幾乎所有地質現象,特別是全球性的構造特征和形成機理。海底構造實質上就是海洋底板塊生成—運動—消亡過程中所發生的各種構造活動和構造現象。
海洋盆地的形成與構造演化
一、大洋盆地的起源及其構造演化
關於大洋盆地的起源曾有過種種假說。隨著海底擴張、板塊構造學說的興起和完善,曾經流行過的“大洋永存說”已被大量事實所否定,“大洋化作用說”也難以解釋海底的許多地質現象。板塊構造學說認為,大洋盆地的形成和演化與岩石圈板塊的分離和彙聚運動密切相關。Wilson(1974)研究了大陸分合與大洋開閉的關係,將大洋盆地的形成和構造演化歸納為六個階段(表2-6),這就是迄今具有重大意義的“Wilson旋回”。
根據板塊構造學說,大陸裂穀是大洋形成中的胚胎或孕育中的海洋。地幔物質上升導致岩石圈拱升並呈穹形隆起、岩石圈拉長減薄,進而穹隆頂部斷裂陷落,形成典型的半地塹-地塹係。各穹隆的地塹係彼此連接,就形成大致連續的裂穀體係,如東非大裂穀。
表2-6洋盆形成和構造演化的六個階段及其特征(據文獻修改)
大陸岩石圈在拉張應力作用下完全裂開,地幔物質上湧冷凝成新洋殼,形成陸間裂穀並成為典型的分離型邊界,兩側陸塊分離作相背運動。一旦注入海水,就意味著一個新大洋的誕生,並進入大洋發展的幼年期,如紅海、亞丁灣。
幼年期海洋進一步發展,陸間裂穀兩側大陸隨著板塊的運動,相背漂移越來越遠,洋底不斷展寬,逐漸形成宏偉的大洋中脊體係和開闊的深海盆地,這標誌著大洋的發展進入了成年期,如大西洋。
隨著大洋不斷張開展寬,大陸邊緣被推離中脊軸的距離越來越遠。岩石圈隨時間推移不斷冷卻、增厚變重,加之被動大陸邊緣積聚的巨厚沉積物載荷,在地殼勻衡作用下導致大洋邊緣岩石圈發生顯著沉陷。在板塊水平擠壓力作用下,大洋岩石圈向下潛沒,形成以海溝為標誌的俯衝帶。當板塊俯衝消減量大於增生量時,洋底變窄,表觀上是兩側大陸相向漂移(運動),大洋收縮(麵積減小),大洋便進入衰退期,如太平洋。現在的太平洋是泛大洋收縮後的殘餘大洋,從中生代聯合古陸解體時的古太平洋至今日的太平洋,其麵積減少了1/3左右。
相向運移的大陸彼此接近,大洋趨於關閉,如現在的地中海。特別是東地中海,成為收縮後的特提斯洋(古地中海)殘餘部分。目前地中海的海盆相當狹小,也不見活動的洋中脊,說明洋殼不再增生,隻有俯衝消亡,兩緣陸地逐漸靠攏,海盆日益縮小,意味著大洋演化已進入終了期或稱結束階段。
處於終了期的殘餘海洋進一步收縮,洋殼俯衝殆盡,兩岸陸塊拚合、碰撞,海盆完全閉合,海水全部退出,大洋就此消亡。當大洋閉合、兩側大陸碰撞時,受到的強大擠壓力,在地表留下了這一作用過程的痕跡(地縫合線),故稱這一階段為大洋演化的遺痕期。新生代以來,印度-阿拉伯以北的古地中海洋殼相繼俯衝殆盡,印度-阿拉伯與亞洲前緣大陸相遇、發生碰撞。大陸碰撞的巨大擠壓力導致岩層褶皺、斷裂、逆掩、混雜,地麵隆升,山根沉陷,形成地殼增厚的巨大褶皺山係——喜馬拉雅山脈。
大洋的張開和關閉與大陸的分離和拚合是相輔相成的。其中前三個階段代表大洋的形成和擴展,後三個階段標誌著大洋的收縮和關閉(消亡)。現今的大西洋和印度洋正在擴展,太平洋則處於收縮的過程中。