深渊科学——地质、环境与生命新前沿

第1章 1.1.引言 1.1.1.全球深渊分布 深渊，又称海斗深渊、超深渊，是海洋*深的区域，水深范围为6000~11000m。深渊占全球深海区域的1%~2%，但它们却构成了全球海洋深度范围的45%（Wolff，1959）。目前，已知全球深渊有37处，所涉海域接近于我国的陆地面积。这些深渊5处位于大西洋，4处位于印度洋，其余28处均位于太平洋边缘，其中世界上*深的9处海底深渊均在太平洋西部区域（彭晓彤，2004）。全球海底*深处为马里亚纳海沟（Mariana Trench）挑战者深渊，深度为10984m±25m，平均深度8076m，而面积*大的深渊海沟为伊豆–小笠原海沟（约99801km2）（Jamieson，2001）。全球深渊分布如图1.1所示。 图1.1深渊海域的全球分布图 深渊由海沟和断裂带组成。海沟被定义为一个明显的、单一的、拉长的区域，通常是由构造汇聚作用形成的，即大洋板块俯冲于大陆板块或者另一个大洋板块之下形成。相比之下，断裂带不是在汇聚板块边界形成的，更可能是在板块扩张边界形成的。它们通常是老的扩张中心的遗迹，位于深海盆地之中。深海平原内的盆地。根据从全球数字测深数据库中提取的数据，有26个海沟（表1.1）和13 图1.2马里亚纳俯冲带地形及布格重力异常图（刘鑫等，2017） （a）马里亚纳俯冲带地形图；（b）马里亚纳俯冲带布格重力异常图；（a）和（b）中的黑色锯齿线代表马里亚纳海沟，黑色实线代表马里亚纳海槽扩张中心；马里亚纳俯冲带位置见右下角插图 1.2.俯冲带基本构造框架 1.2.1.地球构造演化的威尔逊旋回 威尔逊旋回是板块构造理论的总纲和精髓。随着海底地质知识的不断更新，海底扩张证据的不断积累，板块构造学说便应运而生。它立足于海底，面向全球，是海底扩张说的发展，是传统地质学领域中的一场根本性革命。板块构造的含义如下：岩石圈分裂成许多巨大块体——板块，它们在软流圈上做大规模水平运动，致使相邻板块相互作用。板块边缘便成为地质活动（岩浆、地震、变质、变形、沉积等）*强烈的地带。板块的相互作用从根本上控制了各种内力地质作用和外力地质作用的进程。 加拿大学者威尔逊（Wilson J.T.）对海洋开闭问题进行了系统研究。他提出，从大陆分裂到大洋形成，然后到大洋收缩、关闭和消失，是一个连续演变的过程（Wilson，1963；Condie，2013）。这一过程可以划分为六个阶段，称为威尔逊旋回（图1.3）。 （1）胚胎期：在引张背景下，大陆岩石圈变薄，地壳张裂，形成大规模地堑或地堑群。地堑中堆积巨厚沉积物。沿断裂发生火山活动，从地幔中分熔的岩浆涌出后形成高碱质的火山岩，其现代的代表是东非裂谷带，为现代火山与地震的 图1.3威尔逊旋回强烈活动带。 （2）幼年期：大陆继续被拉张，岩石圈进一步变薄，分熔的地幔物质大规模上涌，大陆裂谷变成海湾式的狭窄洋盆，其现代的代表为红海和亚丁湾。 （3）成年期：先前形成的狭窄洋盆被进一步扩张，形成广阔的大洋。大洋的中部为洋脊，两侧对称地发育大洋地壳或稳定大陆边缘，堆积巨厚的海相沉积物，其现代的代表是大西洋。 （4）衰退期：稳定大陆边缘与洋底的交接带是个构造薄弱带。沿此薄弱带，岩石圈容易发生断裂，断裂的一侧为大洋岩石圈板块，另一侧为大陆岩石圈板块。沿此断裂带，大洋板块向大陆板块俯冲，遂形成岛弧或山弧。此种过程的发生是因为洋壳从洋脊轴部生成后，在漫长的扩张过程中已不断失热、变冷、变重；而稳定大陆边缘被巨厚沉积物覆盖，地内热量不易散失，因而不断受热膨胀、变轻。在密度和岩石力学性质差异较大的结合带，不可避免地要产生断裂，形成海沟，导致密度较大且刚性较强的大洋板块向密度较小且刚性较弱的大陆板块之下俯冲。在海沟附近，部分洋壳物质被刮削下来，逐渐堆积成增生楔（accretionary prism）。在俯冲带的上盘板块，发生强烈的火山作用、地震作用及构造变形，形成安山质火山岛弧或山弧。在低应力俯冲型的弧后地区，形成弧后火山质碎屑岩盆地或边缘海，其现代的实例就是西太平洋。 （5）终结期：大洋板块的进一步俯冲，使大洋岩石圈逐渐缩小，成为狭窄的残留洋盆。俯冲带附近继续形成增生楔，并伴有强烈火山作用和地震活动，其现代的实例就是地中海。 （6）遗痕期：海洋消失，大陆相碰，使大陆边缘原有的沉积物发生强烈褶皱和变质变形，隆起成山，并出现强烈的地震带、大规模的花岗岩带，其现代的实例就是青藏高原和喜马拉雅造山带。 1.2.2.俯冲带构造的典型构造样式 俯冲带发育在活动大陆边缘，是大洋板块向毗邻的大陆板块之下俯冲形成的强烈活动的区域，是全球*强烈的构造活动带（Stern，2002）。俯冲带主要的构造单元有外缘隆起、海沟、增生楔、弧前盆地、岛弧、弧后盆地（图1.4）。 图1.4俯冲带主要构造单元（Stern，2002）