大洋盆地及其结构与形成
胡经国（yuanzi16）
本文目录
一、大洋盆地的结构
㈠、大洋盆地概述
1、大洋盆地主要特征
2、大洋盆地沉积盖层研究若干进展
⑴、引言
⑵、大洋沉积物的性质
⑶、大洋沉积物的分布
⑷、大洋沉积物中的地震波传播
⑸、大洋沉积物的孔隙度和渗透率
⑹、大洋沉积物地震反射层
㈡、大洋盆地与岩石
㈢、沉积盆地基础知识
二、大洋盆地形成的力学机制
㈠、岩石圈伸展作用形成的盆地
1、裂谷与裂谷作用的两种类型
2、岩石圈伸展模型
4、岩石圈的三种伸展模型
5、简单剪切——非对称性伸展模型
㈡、岩石圈挠曲形成的盆地
下面是正文
一、大洋盆地的结构
㈠、概述
大洋盆地是指大洋中脊坡麓与大陆边缘之间的广阔海底，是大洋中地势比较低凹平缓的地区。
大洋盆地周围被地震带和高地热流带所环绕，盆地中有较厚的沉积岩层。
1、大洋盆地主要特征
⑴、大洋盆地一般特征
①、大洋盆地是指大洋中脊坡麓与大陆边缘（大西洋型的大陆隆、活动型的海沟）之间的广阔海底，约占世界海洋面积的1/2。大洋盆地的轮廓受洋中脊分布格局的控制。在大洋盆地中还分布着一些正地形，它们进一步把大洋盆地分割成许多次一级盆地。大洋盆地水深一般为4～6公里，局部可超过6公里。
②、把大洋盆地分隔开的正向地形主要是一些条带状的海岭和近于等轴状的海底高原。海岭往往由链状海底火山构成，如太平洋的天皇－夏威夷海岭。它们与大洋中脊体系的成因和特征明显不同。海底高原又叫做海台，是大洋盆地中近似等轴状的隆起区。其边坡较缓，相对高差不大，顶面宽广且呈波状起伏，如大西洋的百慕大海台等。
③、在大洋盆地中还有星罗棋布的海山。它们绝大多数是火山成因的。海山一般具有陡峭的斜坡和面积较小的顶峰；成群分布的海山称为海山群，顶部平坦的海山称为平顶海山或海底平顶山。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、平顶海山和珊瑚礁岛分布最为密集的地区。
④、大洋盆地底部相对平坦的区域是深海平原。它的坡度极其微小，一般小于1/1000，有的小于1/10000。深海平原的基底原来并不平坦，是由于后来的沉积作用而把起伏不平的基底覆盖平了的。
⑵、四大洋海盆特征
①、大洋盆地－太平洋
东北太平洋海盆，是太平洋中最大的海盆。其内部缺失大型海底隆起。
东北太平洋海盆另一个显著特征是广泛发育一系列宏伟的近纬向断裂带。
中太平洋海盆是指东太平洋海隆和东北太平洋海盆以西、西太平洋岛弧－海沟系以东的区域。这里是海岭、海山和平顶海山分布最为密集的地区。海岭和海山多呈北西走向展布。
②、大洋盆地－大西洋
大西洋中脊及其两侧大陆边缘之间，为大西洋洋盆区。该洋盆平均深度为3310米。在大西洋洋盆中，深海平原分布甚广。与地形纷乱的中太平洋洋盆相比，大西洋洋盆的地形要简单得多。其上，海山的数量相对较少，环礁和平顶海山在大洋区尤为罕见。在大西洋洋盆中，有数列无震海岭垂直洋中脊或与洋中脊斜交。
③、大洋盆地－印度洋
印度洋海盆被90°海岭分为两部分，东为沃顿海盆（或称西澳大利亚海盆），西面与洋中脊之间为中印度洋海盆，海盆北部为斯里兰卡深海平原。
④、大洋盆地－北冰洋
罗蒙诺索夫海岭把北冰洋深海区汾渭两大部分：靠欧亚大陆一侧的为南森海盆（或称欧亚海盆），一般深4000多米，最大深度5449米，为北冰洋最深处。靠北美洲一侧为美亚海盆，又被门捷列夫海岭分为两个海盆：在罗蒙诺索夫海岭与门捷列夫海岭之间为面积不大的马卡洛夫海盆，靠北美大陆坡一侧为较大的加拿大海盆，深处可达3900米
2、大洋盆地沉积盖层研究若干进展
⑴、引言
19世纪船只海底表层采样调查发现，大洋中沉积物分布广泛。
捞网、活塞采样、钻探。
岩性多样：沉积物源、输运机制、堆积模式、大洋环境、非固结沉积物转变为沉积岩等。
地球物理方法：由于只有很少部分的海底被采样，地球物理方法以不同尺度（几十米到几千公里）研究沉积盖层，处于重要地位。特别是地震方法给出物质性质、内部结构和厚度等丰富信息，可了解深海沉积的构造和海洋环境，很多钻探项目是反射地震剖面上的特征体。
⑵、大洋沉积物的性质
①、按沉积颗粒组分和沉积模式分类
按沉积颗粒组分和沉积模式，深海沉积物分为：
远洋软泥（钙质海底软泥、放射虫和硅藻软泥－硅质软泥）
远洋粘土和粉砂
浊流沉积
等深流沉积
火山沉积
冰川沉积
②、两大类大洋沉积物
大洋沉积物分为两大类：远洋沉积和陆源沉积。这种分类方式，既与沉积物形成的来源有关，又与沉积物的沉积方式有关。
远洋沉积分为：生物源沉积、无机沉积、自生沉积、火山沉积。
陆源沉积分为：陆源泥、滑移沉积、浊流沉积、冰川沉积。
⑶、大洋沉积物的分布
地震折射测量表明，深海沉积盖层分布广泛。
太平洋厚度较小，向大陆边缘加厚至超过5公里。
太平洋沉积比大西洋、印度洋薄，基底比较平缓。
⑷、大洋沉积物的地震波传播
⑸、大洋沉积物的孔隙度和渗透率
⑹、大洋沉积物的地震反射层
㈡、大洋盆地与岩石
位于大洋区底部的地壳，称为大洋地壳。
大洋地壳的结构：
⑴、沉积层；
⑵、火山岩层；
⑶、辉长岩或橄榄岩层。
大洋地壳与大陆地壳比较表
大陆地壳 大洋地壳 结构 厚度 30千米左右 5～10千米 层次 沉积层、硅铝质层、硅镁质层 沉积层、硅镁质层（细分） 分布 复杂、多变 比较单一 岩性 酸性（花岗岩）+中性（闪长岩）+
（超）基性 基性（玄武岩）和超基性（橄榄岩等） 年龄 38亿年 2亿年
㈢、沉积盆地基础知识
1、沉积盆地及其成因类型
沉积盆地是地球表面的长期沉降区。它的沉降与板块运动背景有关。
按成因划分，沉积盆地有：
⑴、由于岩石圈伸展而形成的盆地；
⑵、由于大陆和海洋岩石圈弯曲而形成的盆地；
⑶、与走向滑移或巨型剪切断层有关的盆地。
2、盆地形成机理分类
盆地形成机理可分为三类：
⑴、单一热机理，如大洋岩石圈背离扩张中心运动时的冷却和沉降。
⑵、地壳、岩石圈厚度的变化、机械伸展引起的地壳变薄伴随张性断层控制的沉降；而岩石圈变薄会产生热隆起。
⑶、岩石圈加载造成挠曲或弯曲变形，进而引起沉降，如前陆盆地的沉降。
二、盆地形成的力学机制
㈠、岩石圈伸展作用形成的盆地
1、裂谷与裂谷作用的两种类型
⑴、裂谷
岩石圈伸展作用形成的盆地，处于内陆裂谷到被动大陆边缘这一演化系列的内部。裂谷是地壳上的拉张区。地震研究表明，它们处于减薄的地壳上。现代裂谷区的特征是具有负的重力异常、高热流值和火山活动。这些特征表明，在裂谷区的深部存在着某种热异常。
⑵、裂谷作用分类
裂谷作用可以分为主动裂谷和被动裂谷两种类型：
①、主动裂谷
在这种裂谷中，热柱对岩石圈底部的冲击作用引起对流减薄、穹状上隆和地壳的拉张。
在主动裂谷中，地壳变形与热柱对岩石圈底部的上拱作用有关。来自地幔的传导热、岩浆生成作用的转换热、或对流热，可引起岩石圈减薄。若来自软流圈的热流量足够大，则大陆岩石圈的加速减薄就会导致软流圈均衡上隆，上隆产生的张应力则会引起裂谷活动。
②、被动裂谷
岩石圈内的张应力引起地壳减薄以及热的软流圈物质的被动性上涌。裂谷活动是区域应力场的被动相应。
在被动裂谷中，岩石圈的张应力使岩石圈的强度降低，从而使灼热的地幔物质侵入到岩石圈中；而地壳的上隆和火山活动只不过是第二阶段的作用而已。
主动裂谷和被动裂谷模型，代表了两种理想化的端元模式。东非大裂谷是主动裂谷的一个典型代表。但是，许多沉积盆地都属于被动裂谷成因模式。
2、岩石圈伸展模型
岩石圈伸展模型表
主动裂谷 被动裂谷 1、重力扩张 1、纯剪切 ①、均匀伸展 ②、引起地幔对流的均匀伸展 ③、不连续非均匀伸展 ④、连续非均匀伸展 2、底辟作用 2、简单剪切
⑴、纯剪切——机械伸展作用：SalvesonandMckenzie的动力学模型
Salveson（1976，1978）提出一个关于地壳和壳下岩石圈被动机械伸展的定性模型，用以解释各种大型裂谷盆地和大陆边缘的沉降史。
假设脆性破裂使地壳强度降低，壳下岩石圈产生塑性流动。地壳伸展引起的均衡作用导致软流圈物质上涌，发生区域性上隆，以保持地壳均衡。最后，在大陆岩石圈发生伸展减薄到与地壳厚度相当的时候，裂谷演变成大陆边缘，新的洋壳生成。当伸展作用传递到大洋区域并形成被动大陆边缘时，陆壳开始冷却。裂谷后期的沉积作用覆盖于新形成的洋底之上。
⑵、均匀伸展模型定量结果
Mckenzie（1978）研究了被动裂谷或机械伸展模型的定量结论。该模型假定地壳和岩石圈的伸展量是相同的（均匀伸展）。伸展作用是对称的，不发生固体岩块的旋转作用。因此，这是纯剪切状态。
Mckenzie的模型假定地壳和岩石圈的伸展量相同，均匀并对称伸展。
Mckenzie的动力学模型，可用于研究热的软流圈被动上隆时，岩石圈和地壳的瞬时和均匀的伸展作用。随着机械伸展作用的进行，上涌的软流圈将逐渐冷却，引起热收缩和区域性沉降。这种沉降只依赖于伸展量并具有负指数曲线型的特征。
Mckenzie的均匀伸展模型定量结果可以概括为：
①、扩张盆地的总沉降量有两部分组成：一部分是由初始断层控制的沉降量，它取决于地壳的初始厚度和伸展量（伸展系数）；另一部分是岩石圈等温面向着拉张前的位置松弛，从而引起的热沉降，它只取决于伸展量的大小。
②、由于热流值随时间减小，因而热沉降的速率随时间呈指数减小。热流值对伸展量（伸展系数）的依赖性很小。
⑶、均匀伸展的热演化结果
①、伸展前
大陆地温与深度呈线性关系。任意深度点处的地温，由地幔和地表温度以及岩石圈的初始厚度所决定。它可以看作是地温的稳定态解。
②、伸展后
岩石圈内各点的温度都比伸展前高，而且是有升高的地温造成的。随着裂谷的发育，地温以非稳定方式向初始温度值衰减。这可以看作是瞬时的或非稳定的温度解。它主要取决于岩石圈的伸展量和岩石圈物质的热扩散量。
3、岩石圈的三种伸展模型
在岩石圈内随着深度的变化，其伸展作用可以是非连续的，也可以是连续的。若是非连续的伸展，则需要岩石圈的上流变层的变形作用和下流变层的变形作用发生拆离。若是连续的伸展，则不需要这种条件。但是，壳下地区伸展范围要比地壳伸展范围大。
岩石圈伸展模型具有三种类型：⑴、均匀伸展模型；⑵、随深度变化的非连续伸展模型；⑶、随深度变化的连续伸展模型。
⑴、均匀伸展模型
均匀伸展模型即Mckenzie伸展模型。认为，地壳伸展作用是瞬时的，地壳与壳下岩石圈的伸展量相同。
⑵、随深度变化的非连续伸展模型
是非均匀伸展模型。地壳与壳下岩石圈的伸展量不相同，各自独立伸展。整个岩石圈以伸展系数进行伸展。
⑶、随深度变化的连续伸展模型
地壳的伸展与均匀伸展模型相同。壳下岩石圈的伸展量是深度的连续函数。随着伸展范围的扩大，应变速率降低，其过程表现出伸展区向上逐渐消失的特征。
随深度变化的连续伸展模型的盆地充填
①、地壳与壳下岩石圈的伸展系数是水平距离的函数。地壳伸展作用在裂谷轴部。
②、伸展后立即形成的初始沉降和隆起，显示裂谷翼部的上隆。
③、裂谷后150Ma的总沉降量，表明热沉降期间盆地边缘的逐渐超覆，盆地的剖面几何形状呈牛头状。
4、简单剪切——非对称性伸展模型
伸展作用可以是非对称性的，即断层在脆性上地壳的初始裂谷中主要以一个方向向外发展，使得上地壳的延展与下地壳或地墁岩石圈的伸展在空间上分开。
⑴、非对称性伸展作用
非对称性伸展作用代表简单剪切状态。
纯剪切几何模型：其上部为脆性层，下部为韧性层，伸展岩石圈的横断面呈对称状态。
简单剪切几何模型：发育有纵贯整个岩石圈并一直延伸到软流圈内的低角度滑脱断层，将岩石圈分为上下两部分，下岩石圈的减薄沿滑脱面发生转移，因此岩石圈伸展呈不对称状态。
Coward（1986）认为，岩石圈的伸展是上地壳大范围受断层控制的伸展作用和局部集中的下地壳或地幔岩石圈伸展作用相结合的结果。
在这种非对称的伸展模型中，盆地可以具有一个仅上地壳发生伸展作用的外带和一个上地壳与下地壳都发生伸展作用的内带。但是，下地壳的伸展量大于上地壳的伸展量。
Coward（1986）模型
上地壳的伸展作用在很广阔的区域内非对称性地向外扩展，并可能导致先前的组构重新活动。而下地壳和壳下岩石圈的伸展范围，与上地壳相比则要小得多。这种上地壳和壳下岩石圈的减薄，可以产生热隆起和侵蚀性不整合。并且，老的张性断层也可能发生逆转。
由地温梯度的增大、岩层组构的变化和变质作用引起的应变软化，会有助于下地壳和地幔岩石圈的伸展作用。上地壳的脆性断层在产生有限的伸展量以后，往往趋于停止活动，而变形作用的转移则又促使形成新的断层。结果，断层可能向外扩散，沿一个方向离开初始裂谷，使上地壳的伸展带变宽。
⑵、Wernicke剪切带模型
Wernicke（1981）根据盆岭地区构造的研究，提出了一个岩石圈伸展模型——整个岩石圈的正常剪切模型。认为，岩石圈的伸展作用，可以通过一个巨大的贯穿整个岩石圈的低角度剪切带来实现。这样一个剪切带可以把伸展作用从一个地区的上地壳转移到另一个地区的下地壳或地幔岩石圈中。
㈡、岩石圈挠曲形成的盆地
1、挠曲盆地
挠曲盆地是指由于岩石圈受外力作用发生挠曲而形成的盆地。可以利用挠曲方程研究板块变形时的最大挠曲幅度、盆地宽度、前锋位置和高度等。
2、线弹性
线弹性理论是关于岩石圈力学大量设想的基础，并常常构成岩石圈状态模型的基本假设。
弹性材料在受到力的作用时会发生变形，去掉外力后又会恢复原来的形状和体积。若温度较低、压力和外力较小，则几乎所有的固体材料都会表现为弹性。线弹性就是指应力与弹性应变之间呈线性关系。
在近地表，温度和压力低，在地质时期内，大部分岩石圈可以在表面载荷的作用下发生弯曲，储存弹性应力（引发地震），并能在大的水平距离上传递应力。岩石圈的这种基本特性，对于理解沉积盆地的形成是至关重要的。
3、线弹性分析
在线性、各向同性的弹性固体中，应力与应变成正比关系，主应力轴与主应变轴一致，主应变与主应力分量之间的关系式（略）。
二维挠曲（略）
弹性固体挠曲设计的基本概念
①、垂向力、水平力、弯曲力矩（扭力）的任意组合形式都会引起挠曲。板块的挠曲取决于板块的厚度、弹性和负荷。
②、挠曲刚度与弹性厚度的立方成正比，挠曲刚度和局部曲率半径决定弯曲力矩的大小。
③、适用于地质问题的挠曲方程，通过垂直负荷、水平负荷、弯曲力矩、挠曲刚度来表示板块的挠曲。
一般的挠曲方程的推导（略）
挠曲方程的地质应用
当荷载使板块弯曲时，沉陷区被水或沉积物充填。充填物的密度比被取代的地幔物质的密度小。
大陆岩石圈在造山带总负荷作用下发生弯曲形成前陆盆地。大洋岩石圈在俯冲之前发生弯曲在大洋海沟处形成弧前盆地。
在夏威夷群岛之下发生的挠曲，属于远离板块边缘的板内负荷作用下的弯曲。夏威夷群岛海岭是一条宽150公里、长数千公里的火山群岛，可以把它看作一个线状负荷。海岭的一侧是凹陷——夏威夷海沟，向外是外隆（周缘隆起）。
线状负荷（海岭）、海沟和周缘隆起这三个地貌单元构成了挠曲变形的主要方式。
假定理论模型完全符合实际地球动力学条件，通过实测剖面与理论剖面的对比，可以计算出夏威夷群岛之下岩石圈的有效弹性厚度。
夏威夷群岛海底地形观测表明，外隆脊部到线状复合的距离为250公里，……有效弹性厚度为34公里。
总之，由挠曲方程可知，破裂的弹性岩石圈在其破裂端受到线状负荷作用时所形成的挠曲盆地，其半宽要比未破裂板块的窄，而前隆高度则要比未破裂板块的大得多。
因此，若夏威夷群岛之下板块破裂，……则有效弹性厚度为49公里。
实测地震折射资料表明，夏威夷群岛之下莫霍面大约向下挠曲10公里。若这就代表最大挠曲度，……则未破裂板块外隆高度为432米，破裂板块外隆高度为670米。
夏威夷群岛附近海底地形资料表明，外隆高度约为500米。夏威夷群岛之下板块是破裂的还是连续的？
2018年6月1日编写于重庆
2020年5月25日修改于重庆
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