西南印度洋中脊2D/3D广角地震层析成像

摘要

为配合调查热液活动，揭示喷口及周边地壳结构，解释其构造成因，以及直接测量出轴部隆起区地壳的厚度，对板块构造和地幔柱理论作进一步探讨，2010年2-3月大洋26航次第六航段“大洋一号”调查船布设了40台海底地震仪(OBS)在SWIR50°E开展了3D台阵人工源地震探查。 板块构造和地幔柱理论自诞生以来已经日趋完善，但仍有某些重要问题亟待解决，如近20年来调查发现的超慢速扩张洋中脊(全扩张速率≤20mm/yr)有异常的地壳厚度和组分，其构造过程及成因对经典理论提出了质疑。本文研究区位于超慢速扩张西南印度洋中脊(SWIR)(约14mm/yr)50°E附近，包括2个岩浆扩张段（第28段和第27段），其最主要的特征是存在多个热液喷口和隆起的扩张轴，表明岩浆热源充足，与一般认为超慢速扩张洋中脊缺少岩浆的特征相斥，这是第一个问题;研究区洋中脊轴部隆起受周围的Marion和Crozet等热点影响可能形成厚地壳，这一解释符合地幔柱理论，但海底取样中地壳组分的缺失也可以将地形隆起解释为地幔隆起而地壳缺失，这是第二个问题。 本文即以此次地震调查获得的数据为基础，对上述重要问题开展了研究。经过炮点与台站位置校正、炸测时间校正、记录器时间漂移校正及滤波等一系列数据处理流程，分别进行了多条骨干剖面的2D和全区的3D纵波层析成像速度结构研究。结果表明:地壳结构主要可分两层，洋壳层2及洋壳层3，在穿越洋中脊扩张轴的剖面识别出厚度不均匀的洋壳层2A;沿洋中脊扩张轴地壳厚度变化明显，岩浆扩张段下方地壳厚度大，达8-10km，NTD区域地壳薄，约5km，地壳厚度变化主要集中在洋壳层3;沿洋中脊轴海底表层速度在岩浆扩张段和NTD有差异;28段扩张轴南侧地形隆起，海底表层速度高，达4.4km/s，莫霍面抬升，地壳减薄(约4-5km)，北侧地形平坦，海底表层速度低(约3.2km/s)，地壳较厚(约6km);27段扩张轴两侧地壳结构相似，地壳厚度离轴远减薄，海底表层速度约3.2km/s;27段扩张中心下方存在低速异常，其范围为6km(NS)×10km(EW)×4km(Z)。 围绕研究区热液喷口周围截然不同的地壳结构，特别是在27段中央发现的巨厚地壳，开展了适量的热力学数值模拟并与其他超慢速扩张洋中脊地壳结构进行了对比、对拆离断层的存在性和作用及岩浆房等科学问题进行了深入的讨论。结论如下:a）巨厚地壳的发现直接表明了地幔柱理论的全球适用性，该厚地壳的成因可能为热地幔（达1420℃）和熔融物供给增多并且集中在扩张中心;b)研究区与典型超慢速扩张洋中脊的地壳结构有较大差异，表现在研究区洋中脊地壳厚度大、地幔未蛇纹石化和存在低速区，造成此差异的原因是研究区存在热地幔和较多岩浆供给;c）热液喷口的构造特征表现为:1）28段扩张轴南侧的地形隆起识别为拆离断层，长14km，持续活动约2Ma，为活动热液喷口提供了活动构造支持;2）27段下方的低速异常表明存在残留岩浆房，其成因可能为热点对洋中脊的影响或洋中脊本身岩浆供给增多，数值模拟表明其不能长期为热液活动提供热源，解释了热液喷口停止活动的原因。 创新性成果有三:一是确定了超慢速扩张洋中脊存在巨厚的地壳(-10km);二是地震层析方法在超慢速扩张洋中脊发现了残留岩浆房;三是得到洋壳层2A在SWIR的速度结构特征。这些成果在超慢速洋中脊都是首次，具有重要意义。尤其是巨厚地壳的发现，不仅支持了地幔柱理论，还表明研究区具有很好的热液硫化物矿开采前景。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 论文选题和意义

1．1．1 选题

1．1．2 意义

1．2 研究现状

1．2．1 洋中脊的地形特征

1．2．2 洋中脊扩张速率与洋壳厚度的关系

1．2．3 洋中脊下面岩浆房的特征

1．2．4 洋中脊与热点的相互作用

1．2．5 海底地震方法在洋中脊构造的应用

1．2．6 SWIR 50°E热液活动与OBS探测

1．3 问题、目标与研究内容

1．3．1 科学问题与研究目标

1．3．2 研究内容及章节安排

1．3．3 技术路线

第2章 区域地质构造背景

2．1 超慢速扩张洋中脊的一般构造特征

2．2 西南印度洋中脊的构造特征

2．2．1 分段

2．2．2 地球物理场特征

2．2．3 岩浆分布规律

2．3 SWIR504° E构造背景

第3章 数据采集与处理

3．1 数据采集

3．1．1 方案设计

3．1．2 海上作业过程

3．1．3 质量评估

3．2 数据处理

3．2．1 数据格式转换

3．2．2 炮点时间和位置校正

3．2．3 OBS位置校正

3．2．4 OBS时钟漂移校正

3．2．5 增益恢复、滤波及预测反褶积

3．2．6 水深静校正

第4章 2D走时反演

4．1 方法简介

4．2 2D反演过程及结果

4．2．1 震相拾取与分析

4．2．2 模拟和反演方法

4．2．3 结果

4．3 模型误差分析

4．3．1 模型评价

4．3．2 模型评价结果

第5章 3D层析成像

5．1 方法简介

5．2 3D层析成像方法和结果

5．3 模型评价

第6章 讨论

6．1 超慢速扩张洋中脊的地壳结构

6．1．1 SWIR 50° E 2D与3D结果对比

6．1．2 全球超慢速洋中脊地壳结构对比

6．1．3 地壳厚度

6．2 热液喷口的构造成因

6．2．1 活动热液喷口和拆离断层

6．2．2 超慢速扩张洋中脊的残留岩浆房与热液活动

第7章 结论

参考文献

附录

个人简历与在学期间发表的学术论文及研究成果