大洋中脊与转换断层
胡经国
第一节海底扩张
一、海底扩张说概述
㈠、大洋成因假说——海底扩张说
美国地质学家赫斯（H.H.Hess）和地球物理学家迪茨（R.S.Dietz），于1961-1962年提出了大洋成因假说。该假说认为，由于大陆裂谷拉张加宽而形成大洋。当大洋中的这种裂谷即大洋中脊（简称洋中脊、中脊）继续向两侧扩张时，深部软流圈高温熔融岩浆就会沿着洋中脊上升形成新洋壳；继之新的熔浆又会沿着洋中脊上升形成更新的洋壳；从而，洋盆不断从洋中脊向两侧扩张，因此这种大洋成因假说称为海底扩张说。
洋中脊是地球乃至太阳系的最长的火山脉。2009年，首次观测到洋中脊深海火山喷发。
㈡、海底新发现与海底扩张说的提出
1、海洋学发展的原因
海洋学发展的原因：①、军事需求；②、结合军事作基础研究；③、探测仪器的发展。
2、基础研究
大洋中脊→大洋断裂带→海底峡谷和海底平原→大洋海沟和岛弧→海山和平顶山。
重力测量→磁场测量→地震研究→热流研究→地质年代学研究。
3、海洋测量仪器的发展
声呐海深记录仪→海洋磁力仪→海洋重力仪→海洋地震仪→热流海底探针→海底取样器。
二、海底扩张的证据
㈠、海底地磁学（水平）、沉积物、岩石磁学（垂直）
㈡、海底火山、洋中脊
㈢、转换断层
㈣、地球物理异常、地震等
㈤、年代学
三、全球海底扩张速率快慢的定义
按半速——洋中脊单侧海底扩张速率计：
快速＞5.0cm/yr
中速5.0～2.5cm/yr
慢速2.5～1.0cm/yr
超慢速＜1.0cm/yr
四、洋中脊地形剖面
在该图（图略）中：
a：大西洋中脊（扩张速率1～2cm/yr）
b：东太平洋洋隆210N剖面（扩张速率5～9cm/yr）
c：东太平洋海隆赤道剖面（扩张速率＞9cm/yr）
V：活火山带宽度约为1公里
F：裂缝张开宽度小于5公里
T：活断裂的宽度20～40公里
五、大洋地壳
㈠、地震分层
根据地震波速特征，大洋地壳可分为3个地震分层：
层1——大洋沉积层
该层纵波波速在2.0km/s以内；为不同程度石化的大洋沉积物，主要为硅质岩、粘土和石灰岩等。
层2——过渡层或大洋基底层
该层纵波波速为5.0km/s左右。
层3——大洋层
上层纵波波速为6.5～6.8km/s，厚度为2～3公里；下层纵波波速为7.0～7.5km/s，厚度为2～5公里。
在大洋层以下，在平均深度6.5公里处，即莫霍面，其波速为8.5km/s。
㈡、洋壳岩石组合分层
根据洋壳和洋中脊岩石露头进行的地壳岩石学研究成果建立的洋壳岩石组合分层（从上向下）如下：
层1：含燧石深海沉积
层2A：枕状熔岩及其破碎物
层2B：块状玄武岩、粗玄岩
层3：变质辉长岩、蛇纹岩
层4：超铁镁质橄榄岩
第二节大洋中脊
一、洋中脊构造地貌
㈠、洋中脊及其基本类型和地貌分带
洋中脊是大洋板块增生和分离的发源地带，是岩石圈板块边界之一。
洋中脊按其中央海岭发育已否可以分为以下两种基本类型：一种是在洋中脊轴部中央海岭发育的，称为洋中脊，如大西洋中脊；另一种是在洋中脊轴部中央海岭不发育的，称为海隆，如东太平洋海隆。
洋中脊的地貌形态可以分为三个带，即：脊轴、脊顶和脊坡。其中，脊轴由裂谷和山脊组成；脊顶在海平面以下2000～3000米；脊坡是具有一定坡度的海底，深度为2900～4500米。
㈡、海洋地质学关于洋中脊研究的进展
海洋地质学关于大洋中脊（OceanRidge）与横切断裂带（FractureZones）研究的进展：
自19世纪70年代英国“挑战者号”调查船环球考察以来，人们就知道北大西洋中有一条海底山系。
1925-1927年，德国“流星号”声呐探深工作，确定了整个大西洋纵列着一条长达17000公里的大洋中脊。
1956年，美国学者M.Ewing和B.C.Heezen进一步指出，世界各大洋都有大洋中脊存在，连在一起总长达80000公里。
㈢、洋中脊一般地貌特征
洋中脊又叫做洋隆（海隆）、海岭，地貌上为海底山脉。
洋中脊好像一条长脊柱，贯穿全球各大洋，组成一个环绕全球的构造地貌体系。
大洋中的洋中脊呈蛇形延伸，并且被转换断层错开。
洋中脊的中间是裂谷形巨型破裂带，其中有地幔物质上涌、冷凝形成新洋壳，并且推动早期形成的较老洋壳向两侧扩张。
洋中脊的脊顶大多位于2～3公里深的海底，也有的高出海底3～4公里不等。有少数洋中脊段落露出海面而成为岛屿，如冰岛和亚速尔群岛。
㈣、洋中脊（中央海岭）特征
1、脊顶水深多为2000～3000米，局部可露出海面成为岛屿（如冰岛）；脊顶一般高出洋盆2～3公里；宽度不一，从3～4公里到数百公里。
2、在地貌上，大致平行于中脊走向有一系列“岭”“谷”相间排列。在大西洋和印度洋中脊轴部，有裂谷从中脊顶部切入，顺走向展布，两侧为脊。
3、太平洋中脊靠近东部，叫做东太平洋海隆。其两坡平缓，高差较小。
4、洋中脊在构造上并非连续不断。它被一系列与中脊轴线垂直的大断裂带所切断并错开。
5、洋中脊是全球范围最大的海底山脉，覆盖了1/3的洋底或1/4的地球表面。
6、洋中脊具有裂谷地貌，表明洋盆中央地区处于张性状态，是否代表联合古陆破裂和分离所产生的痕迹？有待进一步研究。
7、1950年，E.C.Bullar测量了透过洋底的热流，发现热量从洋中脊流出的速率很大。许多地质学家和地球物理学家已经把海底山脉的张性与地球内部热的固体物质的上涌联系起来。也有人认为，上涌物质是海底山脉隆起的原因。
洋中脊在平面上，被一系列近于垂直或斜交的转换断层错开成若干段落，整体上呈蛇形或S形，其蜿蜒延伸与两侧大陆轮廓基本一致。
地球上分布的洋中脊有：太平洋中脊、大西洋中脊和印度洋中脊等。其形态各有差别。例如，太平洋中脊位置偏于太平洋东部，两侧不对称，两坡较平缓，高差小，脊顶裂谷不发育，脊顶宽阔平坦，因此被称为东太平洋海隆。
8、1972-1974年，深海潜水器对亚速尔群岛西南的大西洋中脊裂谷进行了详细考察。“法美大洋中部水下考察计划FAMOUS”，法国“阿基米德号”、“塞纳号”，美国“阿尔文号”，由法国勒皮雄、美国海茨勒负责。
9、具有张性裂缝、裂谷底部正断层。顺裂谷轴部散布着一些盾形和锥形小火山，裸露的熔岩像薄板、钢管、挤出来的牙膏。据实验室分析，裂谷中心岩石样品年龄小于1万年；两侧斜坡岩石年龄可达12万年。
10、生物群落有：鱼、海绵、珊瑚、蟹、蛤、管虫。
11、具有热液活动（1979年以来，东太平洋海隆）。
二、洋中脊结构
㈠、洋中脊地球物理结构
地震波观测揭示洋中脊的轴部结构，地磁异常描述了洋中脊的扩张痕迹。其它地球物理技术，像热通量测量、重力测量、电流传导测量等，是理解洋中脊的生命和动力学，是综合建立洋中脊壳幔结构和运动模型的主要手段（Levi，1998）。
㈡、洋中脊的地质结构
洋中脊上的沉积层极薄或缺失。其斜坡带上沉积层厚度约为200米。由扩张中心喷出的玄武质火山岩套是洋壳层的主要组成部分。
洋中脊的地质结构与标准洋壳的地质结构不完全一致。不仅厚度显著减小（洋中脊轴部厚度为2公里或更小），而且还在轴部年轻洋壳的地震速度剖面上，发现了低速洋壳层和异常的壳幔混合层。
洋中脊的地壳结构在不同地段也有不同的表现。
㈢、洋中脊的岩浆房
在东太平洋海隆的轴部，已经发现下方2公里处，可以收到微弱的地震响应。其下，地震信号几乎完全缺失。在50～100公里范围是连续的。据推断，在洋中脊2～3公里以下，存在岩浆房（Nicolas，1995）。
㈣、洋中脊的底辟构造
当洋中脊岩浆房中的岩浆沿着洋中脊上升时，可形成洋中脊的底辟构造。
地幔物质每上升1公里，就会减小300bar的压力。当橄榄岩大约上升75公里时就会熔融。固相线与地幔温度变化线相交于1400℃，橄榄岩在这个深度开始熔融。
三、洋中脊地震
㈠、洋中脊地震的特点
全球地震的9%发生在洋中脊中，其震中沿着脊顶轴部呈狭长带状分布。
洋中脊地震震源深度绝大部分在只有2～5公里，以正断层性质的地震活动为主，属于浅源地震。在洋中脊上地震经常成群分布，并且在同一时间内同时发生，无明显的主震、余震之分。
在缺乏中央裂谷带发育的海隆上，如东太平洋洋隆，地震活动较稀少。
㈡、下伏高温岩浆房及其成因
1、岩浆房及其成因解释
近年来地震观测发现，在东太平洋海隆轴部带存在下伏高温岩浆房。其成因解释如下：
大洋中脊是岩石圈撕裂开来的地带。随着压力下降，软流圈地幔物质向上涌升，并且熔化产生越来越多的玄武岩浆。密度相对较小的岩浆，上升并且汇集成为脊顶地壳下部的岩浆房。
2、岩浆房与大洋岩石圈
汇集在岩浆房中的玄武岩浆，其一部分沿着张性裂隙上升并且喷出地表，冷凝形成洋底的熔岩（玄武岩）。一些岩浆留在裂隙中，冷凝形成岩墙。岩浆房中的大部分岩浆，在原地冷却结晶，形成均质的辉长岩；或者晶体间断性沉落到岩浆房底部，形成层状辉长岩和层状橄榄岩。从而，自上而下由熔岩、岩墙、辉长岩、橄榄岩构成大洋岩石圈。
四、关于洋中脊的几点认识
㈠、不是所有的洋中脊都是活动的扩张中心，如印度洋的洋中脊就基本上停止活动了。
㈡、不是所有的洋中脊都在大洋中央，如美国加利福尼亚、红海、中非大裂谷。
第三节转换断层
一、转换断层概述
㈠、转换断层的发现
H.W.孟纳德在太平洋东北域发现，与胡安－德富卡洋中脊近于垂直的门多西诺巨大断裂，将断裂两侧的洋中脊错开，类似横断层的效应。后来，在各大洋内陆续发现了很多类似的断层。它们将漫长的洋中脊错开成一段一段的；同时也将洋中脊两侧的磁异常条带也水平错开成一段一段的，长可达数百公里。但是，这些巨大的断层带并非单纯的平移断层。
㈡、威尔逊的转换断层理论
1965年，加拿大地球物理学家威尔逊（T.Z.Wilson），把这种由洋中脊两侧海底扩张引起的横切过洋中脊并使裂谷和磁异常条带错开的断层，称为转换断层（TransformFault）。转换断层平行洋底扩张方向，是板块构造的一种走滑型边界。
Wilson认为，大洋中脊的横向断层并不是一般的平移断层。沿着断裂带发生的不是一般的平错，而是由于自洋中脊轴部向两侧的海底扩张引起的相对运动。他提出了“转换断层”的概念，并给出了严格的定义。转换断层位于大洋中脊的两侧，是由洋中脊的海底扩张引起的相对运动。其断距仅限于海岭脊部错动部位。由于与视水平错动的逆向错动有关，因而引发地震。转换断层是由海底扩张引起的，转换断层的错动方向就是海底扩张的方向。转换断层这一概念的确立，为板块构造学说的建立提供了合理的解释。
二、转换断层的特征
转换断层与洋中脊近于垂直，并且相互错动切穿岩石圈。沿转换断层走向发育槽谷和陡壁，高差达2～3公里以上，使洋壳剖面显露。两壁的岩石发生强烈的动力变质作用和片理化。但是，无大量岩浆作用。在错断洋中脊两相应点之间的转换断层上，有走滑型的浅源地震活动。
威尔逊根据海底扩张学说，从动力学观点出发认为，巨大的位移是因为断层突然终止而转换为扩张带或消亡带所致，故称为转换断层。此外，转换断层在与其相连的大洋两侧突然终止，这两个点原为并合在一起的撕裂点（亦称为共轭点）在大西洋两侧普遍存在。
三、转换断层的组合类型
㈠、转换断层组合类型的多样性
大洋内部的转换断层组合类型多种多样。其中，以洋中脊－洋中脊型最为常见。此外，还有：海沟－海沟型、洋中脊－海沟型、岛弧－岛弧型、洋中脊－岛弧型等。
㈡、威尔逊的分类
威尔逊（1965）提出了六种类型的转换断层。其中，联结洋中脊与洋中脊的R－R型、联结海沟与海沟的T－T型、联结洋中脊与海沟的R－T型，是最常见的转换断层。
无论洋中脊还是海沟，都不是在其末端消失，而是通过转换断层与其它洋中脊、海沟相联结，把整个地球划分为若干板块，并转换为另一种类型的板块边界。
实际上，除了R－R型转换断层以外，其余类型的转换断层非常少见。已知的R－T型转换断层，只限于北美西岸的一部分联结智利海岭的转换断层。T－T型转换断层还没有发现有确实证据者。
转换断层的基本性质，乃是构成板块的边界，并且平行板块运动的方向。因此，有可能根据转换断层断裂带恢复过去板块运动的方向。
㈢、六类转换断层
⑴、洋中脊－洋中脊型（D－D型）
⑵、洋中脊－俯冲带型（D－S型）
⑶、赤道处的大西洋洋中脊－洋中脊型（D－D型）
⑷、俯冲带－俯冲带型（S－S型）
⑸、斐济转换带的汤加俯冲带－新赫布里底俯冲带型（S－S型）
⑹、胡安·德富卡洋中脊－阿留申俯冲带型（D－S型）
㈣、三联点及其组合方式
在转换断层组合中，往往出现3个板块边界聚合于１点的情况，这种聚合点称为三联点。例如，东太平洋海隆的太平洋板块、科科斯板块和纳兹卡板块以3条洋中脊为界聚合于1点（加加帕戈斯）的三联点组合方式RRR型。
常见的6种三联点组合方式：
⑴、RRR型
太平洋板块、科科斯板块和纳兹卡板块以3条洋中脊为界聚合于1点（加加帕戈斯）的三联点组合方式RRR型。
⑵、TTT型
欧亚板块、太平洋板块和菲律宾板块以3条俯冲带为界聚合于1点的三联点组合方式TTT型。
⑶、TTF型
美洲板块、科科斯板块和加勒比板块以2条俯冲带和1条转换断层为界聚合于1点的三联点组合方式TTF型。
⑷、TFF型
欧亚板块、澳大利亚－印度板块和阿拉伯板块以1条俯冲带和2条转换断层为界聚合于1点的三联点组合方式TFF型。
⑸、RTF型
太平洋板块、美洲板块和胡安·德富卡板块以1条洋中脊、1条俯冲带和1条转换断层为界聚合于1点的三联点组合方式RTF型。
⑹、RFF型
太平洋板块、南极洲板块和纳兹卡板块以1条洋中脊和2条转换断层为界聚合于1点的三联点组合方式RFF型。
（本文插图来源：网络）
2018年5月28日编写于重庆
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