报告人：Juan Pablo Canales | 整理：南方舟（油气室）

摘　要：大洋核杂岩及其发育的热液系统往往赋存块状硫化物矿床，是产生H2、CH4及其他非生物成因有机化合物的场所，对于研究该区域碳循环及早期地球生命具有重要意义。2003~2004年，Canales教授等通过大西洋中脊TAG热液活动区4次OBS探测试验结果，认为热源可能来自于拆离断层下盘下方深部（>7 km）岩浆体的侵入。2013年，他们对大西洋中脊Rainbow热液活动区综合地球物理探测，发现Rainbow区的下地壳存在众多沿脊轴侵入的辉长岩岩浆透镜体，Rainbow地块由上隆的地幔物质构成，并被这些600-800 m长的辉长岩透镜体侵入；在热液活动区下方，流体循环主要受侵入岩体底部的小型冷却熔融体驱动，蛇纹石化放热为热液系统提供了热源，深部热裂隙及浅部断层网为其提供流体通道。Rainbow区域探测到的高密度持续稳定的微地震主要是由于蛇纹石化体积膨胀产生的岩石热破裂所造成。通过多次探测实验，Canales教授等揭示了TAG热液系统及Rainbow热液系统的形成机制，并被业内专家普遍接受。

 　　对于我来说，这是第一次来到中国，非常荣幸能够在这里做报告，感谢地质地球物理研究所提供这次交流学习的机会。今天的报告我将介绍下我参与的与大洋核杂岩相关的地球物理探测项目，这些项目的都是美国国家自然基金委赞助的。今天的报告主要分三个部分： 

　　（1）大洋核杂岩概述及洋壳热液系统； 

　　（2）大西洋中脊TGA热液区地震探测； 

　　（3）Rainbow区综合地球物理探测。 　　  

　　1 大洋核杂岩及热液系统 

　　大洋拆离断层是位于岩石圈深部的大偏移距正断层，位于大洋中脊的两侧，代表着海洋岩石圈的增生的一种模型（图1，Chapman模型），与传统的岩浆模型（Penrose模型）完全不同。大洋核杂岩生成于洋中脊拆离断层区域，是联系深层岩石和构造活动（地幔柱、局部应变和地壳增生）的纽带。 

图1  Chapman模型（Escartín and Canales, 2011）

　　热液系统是深海极端环境的重要组成部分和典型代表，汇聚了多种极端物理化学环境且复杂多变，相比深海非热液区，现代热液喷口及周围存在丰富度高、更为多样性的生物群落，此外热液喷口处的嗜热微生物的生存环境与地球早期环境类似，因此被认为是研究生命起源的关键。图2所示为I型、II型和III型热液系统相对于岩浆中心和断层的位置（Kelley and Shank, 2010）。 

图2  I型、II型和III型热液系统相对于岩浆中心和断层的位置（Kelley and Shank, 2010）　　  

　　为探究中-大西洋中脊TAG热液活动区和Rainbow热液活动区成因，伍兹霍尔海洋研究所联合多家单位进行了多次的地球物理探测。 　　  

　　2 TAG热液活动区地震探测

　　2.1 构造背景

　　TAG热液活动区位于大西洋慢速扩张洋中脊26°08′N，44°50′W位置（图3），区域约为10 km×20 km大小，靠近洋中脊裂谷的东壁，由热液沉积物、玄武岩和一系列与轴平行的断裂构成。　　 

图3 TAG热液活动区（Kleinrock and Humphris, 1996）　　  

　　2.2 STAG（Seismicity and Structure of the TAG Segment）实验 

　　STAG（Seismicity and Structure of the TAG Segment）实验包括四个航次： 

　　（1）2003年6-7月，科考船Atlantis号投放长期观测被动源OBS及温度探头； 

　　（2）2003年10-11月，科考船Maurice Ewing号搭载短期OBS，进行气枪震源主动源OBS观测； 

　　（3）2004年3-4月，科考船Knorr号回收被动源OBS； 

　　（4）2004年10-11月，科考船Knorr号回收温度探头。 

　　（1）被动源地震数据层析 

　　伍兹霍尔研究所联合Lamont-Doherty地球天文台在TAG热液活动区投放了13台短周期4分量OBS（图4白色圆圈，Sohn et al., 2007），并连续观测了9个月，记录到大约19000次1-4级地震事件（约80次每天），震源位置如图4黑点所示，根据震源位置分析可知，该地区地震活动主要集中在两个地区：一个是位于中轴裂谷东侧隆起的弧形区域，另一个区域位于东侧谷壁，其走向平行于洋中脊。 

图4  TAG热液活动区长周期地震仪投放　　  

　　利用拾取的P波初至进行层析成像，获得垂直洋中脊剖面AA’（图4）的速度模型（图5，Sohn et al., 2007）。我们发现洋脊中轴裂谷两侧极其不对称，西侧部分的速度结构与中-大西洋中脊其他火山构造相似，但是在中轴东侧被一个巨大的高速异常体覆盖，1 km以下地层的速度超过了6.5 km/s，而同一深度西侧新火山区的速度为4.5 km/s。这说明在地下浅部存在下地壳和蛇纹岩化上地幔岩石，速度异常体向中轴倾斜的角度为20°±5°，在大约3 km深处与西侧倾断层面相交。 

图5  P波层析成像结果　　  

　　通过对被动源OBS数据层析成像结果进行解释，我们得到了图5所示的集岩石圈扩张、地壳增生和热液系统循环于一体的模型，可以判断TAG热液活动区位于一个新的大洋拆离断层的上盘。在层析结果中我们并未发现地壳熔融层，因此热液流须从海底7 km以下汲取热量才能够保证如如此长期、高温的热液循环。 

　　（2）3D地壳结构 

　　大西洋中脊TAG段3D海底地震仪观测如图6所示：（a）为TAG段所处位置；（b）OBS在水深图中位置，白色圆圈表示OBS，黑色实线为气枪震源轨迹（其上标有自小到大的炮号），阴影区为新火山带；（c）将经纬度坐标投影到笛卡尔坐标系下，红色OBS接收红色气枪震源信号，绿色则接收绿色气枪震源信号，白色OBS接收所有信号，白色小圆点表示Sohn et al (2007)提到过的地震事件，黑色实线链接震源和接收器，代表之后层析反演中用到的旅行时信息。 

　　通过拾取不同的震相信息，利用迭代的射线追踪方法，获得了图7所示的P波速度模型：取X=-4，-2，0，2，4 km，Y=-8，-4，0，4 km处8个截断面展示结果，白色区域为0射线覆盖区，红色三角形位置为TAG热液活动区。 

图6  3D OBS观测矩阵示意图 

图7  速度模型深度切片　　  

图8所示为剖面1、2（图6（b））反演得到的速度模型侧视图（Canales et.al., 2007），其中半透明的黄色球面近似为断层面，与速度剖面中的速度异常体相对应，同时也对应了该地区的活跃地震带（黑色圆点为地震事件（Sohn et al., 2007））。 

图8  剖面1、2斜视图　　  

　　2.3 结  论 

　　STAG实验结果揭示了该地区拆离断层下复杂的几何构造，在其上方大约2 km范围内，断层沿伸展方向和走向有15-20°轻微倾斜，2 km以下位置处倾斜角度变大（70°）。（图5）这种几何形状意味着断层沿着弯曲的板块边界以高角度成核，同时拆离断层下盘在拉升同时倾角逐渐变小。 

　　TAG热热液活动区热液循环的热源很有可能来自于深部（>7 km，位于拆离断层下盘下方）岩浆体的侵入。 　　  

　　3. Rainbow热液活动区综合地球物理探测 

　　2013年4月至5月，伍兹霍尔海洋研究所联合夏威夷大学，MIT和日本JAMSTEC等多家单位，针对中-大西洋中脊Rainbow热液活动区开展综合地球物理调查，目的是获得该地区岩浆作用、断裂作用、基底岩性与热液环流的关系。 

　　3.1 构造背景 

　　Rainbow热液活动区位于沿洋中脊Azores triple junction西南方500 km位置处，沿该段洋中脊，扩展轴由一系列非转换不连续和转换偏移边界的脊段组成，这些脊段大部分是右进的。（图9，Dunn et.al., 2017）本次调查实验覆盖了全部4处脊段，Rainbow地块以及其他地块用灰色虚线标出，黄色三角为Rainbow热液活动区。 

图9  中-大西洋中脊Rainbow热液活动区　　  

　　3.2 综合地球物理调查实验 

　　此次综合地球物理实验包括：3D主动源OBS层析成像，2D多道地震，台长期观测OBS阵列、多波束和逆散射以及重磁数据测量。 

　　（1）3D OBS层析成像 

　　在Rainbow热液活动区中心沿洋中脊轴向80km范围、垂直洋中脊轴向32km范围内，布设46台短周期OBS，其间隔为7km。（图10）气枪容量为6600立方英寸，总计约3800炮，气枪间隔450m（约180s）。 

　　对数据预处理后的OBS数据拾取震相，进而利用旅行时进行射线追踪、层析反演，进而获得3D速度模型，图10所示为不同方位角的垂直剖面速度模型。从大致平行于板块边界的剖面（图10，AA’和EE’）能够看出，地块下方的高速区域被拉张，都呈穹隆形态且比地块本身更为宽广。 

图10  3D OBS投放示意图　　 

图11  3D OBS折射层析速度结构

　　（2）2D多道反射地震成像 

　　为了解岩浆和构造过程如何在超基性环境中产生高温热液活动，我们在Rainbow NTD（non-transform discontinuities）及其附近利用多道地震展开地球物理调查（Canales et.al.，2017）。其中包括21条MCS（Multichannel Seismic）测线（图12），拖缆长8km，包含间距为12.5m的检波器636道，气枪容量6600立方英寸，炮间距37.5m。 

　　经过观测系统定义→带通滤波→球面扩散校正→异常值滤波→地表一致性校正→反褶积→去鬼波等预处理，利用3DOBS层析获得的速度结构进行叠后深度偏移，得到21条地震剖面。 

　　 

图12  2D多道地震反射剖面

　　  

　　图13所示为剖面106和剖面119的相对P波速度，其中黑点表示岩浆基岩的分布；右上图表示基岩随深度的变化；左下图表示基岩长度的分布；右下图所示为基岩位置处的P波速度及推测的蛇纹岩化程度，大于7.3km/s的可能对应于辉长岩，即20%以上蛇纹岩化，小于7.3km/s的可能对应于蛇纹岩化小于20%的超基性岩。 

图13  Rainbow地块下辉长岩岩浆透镜体分布（Canales et.al.，2017）　　  

　　（3）被动源OBS观测 

　　在Rainbow热液活动区共投放15台长期记录OBS（9个月）（图14），成功回收13台，共记录35000个地震事件。图15上图所示为震源定位位置坐标，底图为高程信息，白色三教代表OBS，坐标中心为Rainbow块体中心（33.88792°W,36.22967°N），下图是对应上图的震源分布横截面（红点区域）。 

　　通过网格搜索方法在海平面以下不同深度的500米网格上确定地震事件密度（图16），白色三角位置为OBS，紫色五角星为热液喷口位置。超基性地块生成了大量的浅部小地震，蛇纹岩化可能是这些地震的成因。 

图14  被动源OBS

　　 

图15  震源位置

　　 

图16  不同深度地震事件密度　　  

　　3.3 结　论 

　　在Rainbow热液活动区大洋核杂岩中未发现存在活跃拆离断层的证据，Rainbow区的下地壳是沿洋中脊轴反复侵入小的熔融体形成，而不是通过大型岩浆房活动形成的，Rainbow地块由上隆的地幔物质构成，并被小的辉长岩体侵入。在热液活动区下方，流体循环主要受侵入岩体底部的小型冷却熔融体驱动，其通道为深部热裂隙及浅部断层网络。 　　  

　　主要参考文献 

• Canales J P, Sohn R A, Demartin B J. Crustal structure of the Trans-Atlantic Geotraverse (TAG) segment (Mid‐Atlantic Ridge, 26° 10′ N): Implications for the nature of hydrothermal circulation and detachment faulting at slow spreading ridges[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2007, 8(8) : Q08004. （原文链接） 
• Canales J P, Dunn R A, Arai R, et al. Seismic imaging of magma sills beneath an ultramafic-hosted hydrothermal system[J]. Geology, 2017, 45(5): 451-454.（原文链接） 
• Escartín J, Canales J P. Detachments in oceanic lithosphere: Deformation, magmatism, fluid flow, and ecosystems[J]. Eos, Transactions American Geophysical Union, 2011, 92(4): 31-31.（原文链接） 
• Dunn R A, Arai R, Eason D E, et al. Three‐Dimensional Seismic Structure of the Mid‐Atlantic Ridge: An Investigation of Tectonic, Magmatic, and Hydrothermal Processes in the Rainbow Area[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, 122(12): 9580-9602.（原文链接） 
• Horning G, Sohn R A, Canales J P, et al. Local Seismicity of the Rainbow Massif on the Mid‐Atlantic Ridge[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2018, 123(2): 1615-1630.（原文链接） 
• Kelley D S, Shank T M. Hydrothermal systems: a decade of discovery in slow spreading environments[J]. Diversity of hydrothermal systems on slow Spreading ocean ridges, 2010, 188: 369-407.（原文链接） 
• Kleinrock M C, Humphris S E. Structural control on sea-floor hydrothermal activity at the TAG active mound[J]. Nature, 1996, 382(6587): 149-153.（原文链接） 
• Sohn R A, Canales J P, Humphris S E. Kinematics and geometry of active detachment faulting beneath the Trans-Atlantic Geotraverse (TAG) hydrothermal field on the Mid-Atlantic Ridge[J]. Geology, 2007, 35(8): 711-714.（原文链接） 
• Zhao M, Canales J P, Sohn R A. Three‐dimensional seismic structure of a Mid‐Atlantic Ridge segment characterized by active detachment faulting (Trans‐Atlantic Geotraverse, 25° 55′ N‐26° 20′ N)[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2012, 13(11).（原文链接） 

　　【致谢：感谢中科院南海海洋研究所徐敏研究员与中科院地质地球所徐亚副研究员对本文的审核。】