雷克雅内斯洋中脊及其邻区的地壳厚度特征

曲彦丞，赵俐红，2，李一泉 ，彭祎辉，凌子龙，马媛媛

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590； 2.海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，青岛海洋科学与技术国家实验室，山东 青岛 266237； 3.青岛地矿岩土工程有限公司，山东 青岛 266100)

热点和洋中脊在演化过程中经常相互影响，甚至相互吸引靠近[1]。当热点和洋中脊相互作用时, 热点的活动强度会放大形成范围宽广的海台[2]。洋中脊的软流圈受热点的影响，会产生超常熔融与超厚地壳[3]。雷克雅内斯洋中脊(Reykjanes Ridge)是北大西洋洋中脊系统的重要组成部分，在演化过程中受其北部冰岛热点的影响。雷克雅内斯洋中脊北部的地形表现为光滑的隆起并具有较厚的地壳，而南部的地形表现为具有不对称肩部的峡谷以及较薄的地壳，反映了冰岛热点对雷克雅内斯洋中脊影响程度的变化[4]。雷克雅内斯洋中脊是研究热点影响洋中脊扩张过程的绝佳区域。

地壳厚度能反映地幔岩浆的熔融通量[5]，因此可以作为评估热点对洋中脊影响程度的重要参数。目前学者[5-7]主要采用重力数据反演方法获取大范围的地壳厚度信息。张涛等[7]通过分析Mohns洋中脊非对称扩张速率与地壳结构，研究冰岛热点对洋中脊扩张产生的影响；Louden等[8]计算大西洋北部地区的地壳厚度(30°N～70°N)，构建120 Ma以来北大西洋洋壳的扩张和演化过程，并展示了雷克雅内斯洋中脊自诞生以来的基底深度变化情况；Wang等[6]利用重力反演地壳厚度的方法对整个北大西洋的洋壳厚度进行研究，结果显示雷克雅内斯洋中脊及其邻域的地壳厚度大范围高于7 km。但前人工作多聚焦于北大西洋的扩张和演化历史，缺少探索热点在洋中脊扩张过程中对其产生的影响。因此，本研究拟利用雷克雅内斯洋中脊及其邻区的空间重力异常和地形等数据，并以区内有限的地震剖面数据为约束，反演并计算研究区最佳的地壳厚度值，再通过分析地壳厚度的空间和时间变化特征，探讨洋中脊扩张过程中热点活动对其产生的影响。

(线1—线6为区内地震测线位置，黑色点为热点的移动轨迹)

1 地质背景

位于格陵兰岛和欧亚大陆之间的雷克雅内斯洋中脊总长约1 000 km[9]，呈NE-SW走向，连接冰岛和贝特转换断层(Bight FZ)(图1白色虚线)，是北大西洋洋中脊系统的重要组成部分。雷克雅内斯洋中脊北部较浅，平均水深小于1 km，沿脊轴向南水深逐渐增大，在南端的贝特转换断层处平均水深增至约2 km (图1)。许多学者[4,10]认为这种北高南低的地形特征是冰岛热点物质沿洋中脊径向流动和持续喷发的重要证据。冰岛热点自40 Ma以来的移动轨迹如图1黑点所示。

雷克雅内斯洋中脊的扩张过程具有明显的分段性，Merkur'ev等[10]通过对磁力数据的分析，将其分成3个阶段，即线性较快扩张时期、分段缓慢扩张时期和斜向缓慢扩张时期。约54 Ma以前，北大西洋地区发生了大范围火山活动，洋中脊的扩张速度虽比较高(2.2～2.3 cm/a)，但未见有连贯的磁条带。在线性较快扩张时期(约54～40 Ma)，出现第一条南北连贯的磁条带C24 (约54 Ma)，扩张速度约为2.1 cm/a；在分段缓慢扩张时期(40～20 Ma)，由于洋中脊轴被大量断层破坏，形成了很多30～80 km长的分段扩张轴，扩张速度快速下降至0.7～0.8 cm/a；在斜向缓慢扩张时期(约20 Ma至今)，伴随着冰岛热点对洋中脊影响的逐渐增大，转换断层自北向南逐渐消失，洋中脊由分段扩张轴变为连续扩张轴，扩张方向与洋中脊走向不再垂直，表现为斜向扩张，此时扩张速度保持在1 cm/a左右[4,10]，呈北高南低的阶梯状地形，“V”形脊开始大量发育[4]。

2 数据与方法

2.1 数据

雷克雅内斯洋中脊及其邻区(即45°W～5°W，51°N～67°N)的水深数据采用全球海陆地形数据库(general bathymetric chart of oceans, GEBCO)[11]2019年发布的网格数据，网格间距为15弧秒，融合了大量卫星数据和船测的多波束数据。空间重力异常数据采用的是网格间距为2′×2′的世界重力模型2012 (world gravity model 2012, WGM 2012)[12]。沉积层厚度数据采用全球5′×5′的总沉积厚度网格—全球沉积物(Global Sediment, 简称GlobSed)网格数据[13]。地壳年龄数据采用2′×2′的海洋地壳年龄数据模型网格数据[14]。地震数据是从Artemieva等[15]汇总的整个北大西洋地区地震测线数据集内提取的6条具有代表性的成果，并经数字化后得到的。为了消除因曲线坐标的平面处理而产生的误差，在数据处理过程中使用墨卡托投影将所有数据投影到笛卡尔坐标系中，并进行重新采样，采样间距为8 km。

2.2 地壳厚度的计算方法

为获得雷克雅内斯洋中脊及其邻区较为准确的地壳厚度信息，首先利用FA2BOUG方法对研究区的空间重力异常进行布格改正，消除水和地形的重力影响，得到布格重力异常[16]。计算沉积物的影响时，沉积层密度随着埋深的增加会不断增大，利用Rao[17]的深度-密度公式，将沉积层分成多层具有不同密度的沉积层，分别计算不同密度沉积层产生的重力影响并叠加，得到沉积层的整体重力效应。从布格重力异常中去除沉积物的影响即可得到完全布格重力异常。再从完全布格重力异常中去除假定均一地壳厚度(7 km)产生的重力效应的影响，得到地幔布格重力异常(mantle bouguer gravity anomaly, MBA)。MBA主要反映地壳深部各种地质体所引起的重力效应以及Moho面的起伏信息。由MBA去除板块热效应的影响后即可得到剩余地幔布格重力异常(residual mantle bouguer gravity anomaly, RMBA)，RMBA反映了偏离计算中假定地壳-地幔结构的部分。计算时使用地壳年龄构建三维热模型[6]，将地壳年龄转变为地壳的热效应，并利用热膨胀公式计算每层的密度变化和相应重力效应。将计算得到的每层重力效应叠加后可得到岩石圈冷却造成的重力效应(参数值见表1)。

表1 计算中所用的参数

RMBA反映了偏离假设的地壳-地幔结构模型的部分，如果将RMBA的变化全部归为地壳厚度的变化，利用Parker法[18]反演即可得到最大相对地壳厚度变化：

(1)

其中：B(k)为观测重力异常；C(k)是低频余弦滤波器，滤波器的最短和最长波长分别取25 km和135 km；G为重力常数；ZCR表示下延深度，参考Artemieva等[15]依据地震数据确定的雷克雅内斯洋中脊及邻区的地壳厚度分布情况，将下延深度定为9 km(平均水深2 km和平均地壳厚度7 km之和)。

3 结果

3.1 最佳地壳模型的获取

研究[19]表明，在利用RMBA反演地壳厚度过程中，地壳和地幔密度的取值变化会对地壳厚度的计算结果产生影响。为获得最佳地壳厚度模型，计算过程中地幔密度取3 300 kg/m3，而取地壳密度为2 700～3 000 kg/m3，以50 kg/m3为间隔增加[6]。

为了校准地壳厚度模型，提取区内6条地震测线的地壳厚度与地壳厚度模型计算获得的地壳厚度进行比较[15，20]，其中2条地震测线位于洋脊扩张中心附近(图1中线1和2)，4条位于大陆边缘和远离洋中脊的位置(图1中线3、4、5和6)。不同地壳密度的地壳厚度模型与地震剖面确定的地壳厚度之间的均方根(root mean square,RMS)及其二者的拟合度(R2)见表2。

表2 模型结果对假定地壳密度的敏感性

结果显示，在地壳密度取值为2 800 kg/m3时的地壳厚度模型与地震剖面确定的地壳厚度之间具有较小的RMS值，并且R2最大。因此，选取地壳密度为2 800 kg/m3作为最佳的地壳厚度模型。

为了验证最佳模型的可靠性，绘制了6条地震测线的地壳厚度与重力反演获得的地壳厚度之间的关系图(图2)。通过对比，洋中脊附近(图1中的1、2线)的反演结果与地震剖面揭示的地壳厚度符合程度较高，但是大陆边缘附近测线的差别较大(图1中3、4、5、6线)。Wang等[6]在研究整个北大西洋的重力反演地壳厚度时也发现了这种现象。这些地震测线穿越洋壳和陆壳过渡地带，地形起伏大，地壳年龄数据和沉积层厚度数据不准确，洋陆地壳岩石的成分差异较大，地幔和地壳的横向密度变化分布也不同，所以计算结果的误差较大。本研究不对洋陆转换带附近的地壳厚度变化进行过多探讨，仅对雷克雅内斯洋中脊及其邻区的海洋地壳结构进行研究，所以该模型符合研究要求。

图2 重力反演地壳厚度与地震折射剖面的地壳厚度对比

3.2 结果与讨论

冰岛热点的存在不仅改变了冰岛周围的地壳结构，而且对雷克雅内斯洋中脊的形态和地壳结构产生了很大影响[2]。计算结果显示，雷克雅内斯洋中脊及其邻区的地壳厚度总体上呈由北向南逐渐减薄的特征(图3、图4)，沿洋中脊由北向南地壳厚度从约20 km减薄至6 km。北部地形隆起，地壳厚度大，近冰岛区域的平均地壳厚度约为20 km，远大于大洋地壳的平均厚度(7.1±0.8 km)[21]。

为探讨研究热点对于雷克雅内斯洋中脊地壳结构的影响，按照洋中脊的流线[2](图3白色实线)自北向南选取4条地壳厚度剖面(图3中的线A-D)，并结合地壳年龄重点分析了区内地壳厚度的变化特征(图5)。

根据图4、图5结果，结合40 Ma以来热点的移动轨迹[7](图1)，可以看出雷克雅内斯洋中脊脊轴的地壳厚度由北向南呈下降的趋势，尤其是在B剖面以南，脊轴的减薄更加明显；垂直于脊轴方向，洋壳的厚度随时间的变化呈明显的三段性，且脊轴东部的平均地壳厚度明显高于西部。在40 Ma之前，除洋中脊东南的部分区域，地壳厚度整体上随时间急剧减薄；在40～20 Ma，地壳厚度一直维持较薄的特征，且越往南越薄；20 Ma至今，地壳厚度呈不断增厚的趋势。

(细白色虚线为地壳年龄，A-D为根据流线提取的地壳厚度剖面)

(A-D分别为图3中A-D线与脊轴的交点)

图5 雷克雅内斯洋中脊4条地壳厚度剖面图

1) 40 Ma之前

总体上，除剖面C、D东侧，雷克雅内斯洋中脊的地壳厚度呈逐步减薄的趋势，洋中脊的整体地壳厚度由扩张初期的12 km减薄至9～10 km。

Wilfried和Schmidt[22]研究认为，洋中脊轴部的地形与扩张速度具有明显的相关性。Merkur'ev等[10]计算结果显示，雷克雅内斯洋中脊初始的扩张速度较大，达2.1 cm/a，之后便系统性下降，48 Ma时降至1.5 cm/a。文献[21]表明，快速扩张(4～7.5 cm/a)的洋中脊轴部具有明显光滑对称的隆起和小的顶部凹陷，而缓慢扩张(<2.5 cm/a)的洋中脊，洋中脊轴部地形表现为不对称的陡峭裂谷。Reid等[23]早在1981年就已通过对不同扩张速度洋中脊地壳厚度的整理统计，提出洋中脊扩张速度越慢其地壳厚度越薄。因此，40 Ma之前雷克雅内斯洋中脊地壳逐渐减薄应该与扩张速度下降以及岩浆活动的逐渐减弱有关，洋中脊北部比南部更厚，表明北部的熔融物多于南部，可能与冰岛热点的逐渐靠近有关。

2) 40～20 Ma

在40～20 Ma，洋中脊的扩张速度减慢至0.8 cm/a[10]，雷克雅内斯洋中脊的形态发生很大变化，出现大量转换断层。洋中脊北部厚约10 km，南部厚约6～7 km。相较于40 Ma之前，北部A剖面地壳厚度没有大幅减薄现象，两个时期地壳的厚度相差不足1 km；然而，沿着洋中脊向南，C和D剖面西侧减薄约3～4 km，且D剖面更为明显。因此，推测在40～20 Ma雷克雅内斯洋中脊的岩浆活动大幅减弱，洋中脊南部岩浆供应不足，使得扩张以构造增生为主，地壳厚度减薄，断层活动增加，形成大量转换断层。但受到洋中脊北部不断靠近的冰岛热点的影响(图1)，洋中脊的熔融物供给增大，洋中脊北部的地壳未发生明显的减薄；由于热点影响的范围有限，洋中脊南部在此阶段内未受到热点的影响。

3) 20 Ma至今

20 Ma以来，雷克雅内斯洋中脊的扩张速度增至1.1 cm/a[10]，地壳厚度由8 km增至10 km以上。A剖面的地壳厚度没有明显增厚现象，而B-D剖面的地壳厚度较之前有明显增加，平均增厚3 km。且A、B剖面脊轴两侧地壳厚度差异不大，而南部C、D剖面脊轴西侧的地壳增厚比东侧更显著。

虽然，20 Ma以来雷克雅内斯洋中脊的扩张速度有所增加，但依然属于慢速扩张洋中脊。然而，洋中脊地形隆起，“V”形脊大量发育[4]，脊轴呈线性且缺乏转换断层，与同属于慢速扩张洋中脊的北大西洋洋中脊在形态上具有很大差异。这可能是洋中脊受到冰岛热点影响的结果。此时冰岛热点位于洋中脊之上，冰岛热点岩浆量大，而洋中脊是岩浆运移和上涌的绝佳通道，从冰岛热点产生的炽热岩浆沿洋中脊向南运移，增加了洋中脊的岩浆供应，使洋中脊扩张以地壳增生为主，构造作用减弱，导致地壳厚度的增加和断层的减少；另一方面，在向南运移过程中，地幔物质减少，削弱了自身影响洋中脊的能力，因此在平面图和剖面图上均显示20 Ma以来雷克雅内斯洋中脊由北向南不断增厚，但目前南边仍然较薄。

4 结论

为了更好地探究热点与洋中脊的相互作用，以雷克雅内斯洋中脊为研究对象，采用全球水深、空间重力异常、洋壳年龄以及沉积层厚度数据，反演计算了研究区的地壳厚度。得到如下结论：

1) 模型显示雷克雅内斯洋中脊平均地壳厚度约10 km，地壳由北向南逐渐减薄。

2) 40 Ma之前，平均地壳厚度约12 km，洋中脊北部的地壳比南部厚3～4 km，洋中脊地壳厚度随时间逐渐减薄，这反映了北部的岩浆活动强于南部，并且洋中脊的岩浆活动强度随时间逐渐减弱。

3) 40～20 Ma，平均地壳厚度约为8 km，洋中脊北部的地壳减薄不明显，而南部地壳明显减薄。南部地壳较薄可能与岩浆供给量的减少有关，北部地壳未发生明显变化可能源于热点逐渐靠近洋中脊，增加了岩浆供给量。

4) 20 Ma至今，地壳增厚，平均地壳厚度约10 km，北部最厚达20 km，沿脊轴向南逐渐减薄。此时，冰岛热点位于洋中脊上，大量的熔融物通过洋中脊由北向南运移，使得洋中脊地壳增厚，但是运移的熔融物由北向南逐渐减少，导致地壳厚度由北向南逐渐变薄。