热点作用背景下的洋中脊跃迁和扩展作用:印度洋盆地张开过程探讨

李江海，张华添*，李洪林，刘仲兰.北京大学地球与空间科学学院，造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京0087；.国家海洋局海底科学重点实验室，国家海洋局第二海洋研究所，杭州300



热点作用背景下的洋中脊跃迁和扩展作用:印度洋盆地张开过程探讨

李江海1，张华添1*，李洪林2，刘仲兰1
1.北京大学地球与空间科学学院，造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京100871；2.国家海洋局海底科学重点实验室，国家海洋局第二海洋研究所，杭州310012

摘要：在《印度洋底大地构造图》的基础上，分析了印度洋盆构造格局和洋盆演化重大事件序列，并从印度洋盆初始裂解机制、扩张中心跃迁与热点作用、洋中脊扩展作用等方面讨论了印度洋盆的张开过程，提出以下几点认识：（1）现今印度洋洋中脊可分为两个系统：东南印度洋中脊-中印度洋中脊-卡斯伯格洋脊系统（东支）和西南印度洋中脊系统（西支），前者是太平洋洋中脊扩展作用的产物，后者是太平洋-东南印度洋中脊与大西洋中脊之间构造调节的产物；（2）印度洋盆最初裂解受地幔柱垂向挤压-水平伸展作用控制，沿前寒武造山带等地壳薄弱带发育；（3）印度洋盆经历两次扩张中心的跃迁，其趋向性跃迁方向与热点相对板块的运动方向具有一致性，显示两者存在内在联系。（4）大西洋和太平洋洋中脊在印度洋交汇，于古近纪连通，末端伴随陆块持续发生碎裂化、裂解化，可称为鱼尾构造模式，表明印度洋盆衔接和调节了三大洋盆的发育和演化过程，具有全球洋盆枢纽的关键意义。

关键词：印度洋；洋盆张开；洋中脊跃迁；洋中脊扩展；热点作用；构造格局；构造演化；鱼尾构造模式

*通迅作者：张华添，男，1989年生，博士研究生，从事洋中脊构造与成矿作用研究；E-mail: htzhang@pku.edu.cn

Key words: IndianOcean;seafloorspreading;ridgejump;ridgeextension;hotspot;tectonicpattern;tectonicevolution;Fish-TailTectonics

Correspording author: ZHANG Huatian,Ph.D.candidate; E-mail: htzhang@pku.edu.cn

印度洋盆地是调查和认知程度较低的大洋盆地（Cande et al.,2010;李江海等，2015a），发育众多的地质地貌单元类型（无震海岭、洋底高原、微陆块、多期扩张中心等），具有复杂而独特的构造格局。大西洋和太平洋两大洋中脊系统在印度洋盆地交汇成”入”字形，涉及了洋中脊扩张和扩展过程及多期的洋中脊跃迁，形成了复杂的大洋盆地构造格局。此外，印度洋盆地处于非洲超级地幔柱之上，发育凯尔盖朗、留尼旺、马里昂等多个热点，热点作用对洋盆张开、洋中脊扩张与跃迁都产生了显著作用。

如何认识洋中脊跃迁和扩展作用，与热点相互作用过程，及其对洋盆构造演化的影响，对于认识中生代以来全球构造演化过程及其动力学机制具有重要意义。本文在编制《印度洋底大地构造图》（李江海等，2015b）的基础上，分析了印度洋构造格局和重大事件序列，将印度洋洋中脊分为东、西两个系统，提出鱼尾构造模式，表达印度洋盆在衔接和调节全球洋盆发育过程中的关键意义。

图1　印度洋底及其周缘大地构造简图Fig.1 Tectonic sketch of Indian Ocean

1　印度洋盆构造格局分析

印度洋盆是被强烈离散的斜向伸展破裂盆地，与太平洋和大西洋盆大地构造上具有明显差异，表现为以近南北向扩张为主，发育多期扩张中心，具有独特的“入”字形洋中脊构造格局（McKenzie and Sclater,1971; Acharyya,2000; Cande et al.,2010; Pushcharovsky,2014;李江海等，2015a；图1），其活动洋中脊由罗德里格斯三联点相连，包括西南印度洋中脊、东南印度洋中脊、中印度洋中脊和卡斯伯格洋脊，北侧以欧文断裂沟通亚丁湾扩张中心（Seton et al.,2012），西南和东南分别连接大西洋和太平洋洋中脊系统。此外，印度洋盆曾发育多个扩张中心，现已停止活动，如沃顿洋脊、马斯克林盆地扩张中心、索马里盆地扩张中心、Gop裂谷等（图1）。

印度洋盆是受热点活动干扰明显的大洋盆地，洋盆内部洋底高原、无震海岭、微陆块非常发育，洋盆次级分隔明显，洋底地貌崎岖（Pushcharovsky,2007,2008；Seton,2012）。热点作用于板块上形成无震海岭和洋底高原，刻画了板块相对热点的运动，如东经九十度海岭和查戈斯-拉克代夫海岭分别为凯尔盖朗热点的留尼旺热点作用于快速向北运动的印度板块的产物（Chatterjee et al.,2012）。当洋中脊和热点这两个岩浆单元相互作用时，热点的活动强度会得到放大，形成范围宽广的洋底高原，如马里昂海隆（张涛等，2011）。热点作用还可以使大陆裂离形成孤立的微陆块，与大陆以不活动的裂谷或扩张中心分割，是大陆边缘在热点作用下裂解的产物（Muller et al.,2001）。

2　洋盆演化重大事件序列分析

中生代以来印度洋盆张开主要涉及了洋中脊扩展作用，伴随多次扩张中心跃迁，并受到热点的显著影响，其张开可分为四个主要洋中脊扩展阶段：（1）古生代末期新特提斯洋盆和古太平洋盆在冈瓦纳大陆北部外围的裂解，及其分支向冈瓦纳大陆内部的扩展。（2）侏罗纪冈瓦纳大陆南部地幔柱活动造成的南部裂解向北部的扩展。（3）白垩纪—古近纪大西洋和太平洋洋中脊向印度洋盆的扩展及其沟通衔接。（4）新近纪以来印度洋中脊与亚丁湾的沟通及其向非洲大陆内部的传播扩展，形成东非裂谷系。

大陆裂解古生代末期新特提斯洋和古太平洋在冈瓦纳大陆北部外围裂解，其分支向冈瓦纳大陆内部扩展。在地幔柱作用下，南部裂解向北部的扩展依次导致非洲板块、大印度板块和澳大利亚板块开始从冈瓦纳大陆裂解。卡鲁大岩浆岩省喷发之后（183～182 Ma），非洲板块最先开始从冈瓦纳大陆裂解（约170 Ma），东南缘和东缘分别发育莫桑比克-里瑟-拉森海裂谷盆地（Jokat et al.,2003）和戴维右行走滑断裂（Buiter and Torsvik,2013）。中侏罗世末期（约166 Ma），大印度板块开始从冈瓦纳大陆裂解，东缘与东北缘发育恩德比裂谷盆地和珀斯-Cuvier裂谷盆地（Stagg et al.,2004）。澳大利亚-南极洲裂谷在约136 Ma发育，造成两者开始分离（Whittaker et al.,2013）。

洋盆张开与洋中脊扩展白垩纪到古近纪，大西洋和太平洋洋中脊向印度洋盆扩展，并发生沟通衔接。西南印度洋于晚侏罗世（约155 Ma）开始扩张，向北扩展与西索马里盆地扩张中心相连，形成统一的扩张洋中脊，造成非洲板块彻底从冈瓦纳大陆裂解（Jokat et al.,2003）。早白垩世（约136 Ma）东南印度洋中脊和沃顿洋脊开始出现洋壳（Ramana et al.,2001），两者之间可能通过一系列转换断层相连（Whittaker et al.,2013），由此造成大印度板块彻底从冈瓦纳大陆分离。白垩纪中期（约100 Ma），澳大利亚-南极洲裂谷发展到顶峰并出现初始洋壳，向西扩展与东南印度洋中脊及沃顿洋脊相连，形成扩张洋中脊三联点（Whittaker et al.,2013）。

扩张中心跃迁白垩纪中期扩张格局形成后，印度洋盆发生两次扩张中心的跃迁。西索马里盆地扩张中心于120 Ma停止扩张（Jokat et al.,2003），随着90 Ma马里昂热点发育，马达加斯加微陆块开始从大印度板块分离，形成马斯克林盆地（约87 Ma），扩张中心从西索马里盆地跃迁至马斯克林盆地。晚白垩世（约～70 Ma），印度板块西缘发生裂谷与初始洋盆扩张，形成Gop裂谷和Palitana新生洋中脊（Minshull et al.,2008），留尼旺热点于K/T边界到达地表，卡斯伯格洋脊开始扩张（Chatterjee et al.,2013），伴随马斯克林盆地和Gop裂谷-Palitana脊停止扩张（Collier et al.,2009），扩张中心从马斯克林盆地和Gop裂谷-Palitana脊跃迁至卡斯伯格洋脊。

洋中脊陆内扩展新近纪以来，红海裂谷、亚丁湾和东非裂谷先后于38～22 Ma开始发育，印度洋中脊与亚丁湾沟通，并向非洲大陆内部传播扩展（McGuire et al.,1989；Ebinger,2005）。

3　讨论

3.1印度洋盆的初始裂解机制

印度洋盆张开始于侏罗纪以来冈瓦纳超大陆的裂解，主要受到地幔柱垂向挤压—水平伸展和构造薄弱带两方面的影响（图2）。

凯尔盖朗热点、马里昂热点和留尼旺热点的垂向挤压—水平伸展作用对冈瓦纳大陆裂解具有重要影响。中侏罗世约170 Ma，卡鲁大岩浆岩省喷发之后（183～182 Ma），非洲板块最先开始从冈瓦纳大陆裂解，裂解主要沿新元古代东非造山带（图2；Jacobs et al.,2003）。中侏罗世末期约166 Ma，大印度板块开始从从冈瓦纳大陆裂解，裂解主要沿新元古代Kuungan造山带（图2；Torsvik and Cocks,2013），该裂解作用可能与凯尔盖朗热点有关（Chatterjee et al.,2013），伴随118 Ma Rajmahal大岩浆岩省（Mukhopadhyay and Krishna,1995; Kent et al.,1997）和119～100 Ma凯尔盖朗洋底高原南部、中部的峰期岩浆作用（Frey et al.,2000; Arndt and Weis,2002）。

对印度洋盆热点进行古位置恢复发现，印度洋盆大岩浆岩省和热点均落在非洲地幔大剪切波低速省（LLSVP）边界上（图2）。可见，非洲LLSVP对于印度洋盆张开过程中热点的发育起到了重要作用，是控制印度洋盆发育的深部因素，而前寒武造山带则控制了洋盆张开的地表位置（图2）。

图2　晚中生代（220 Ma）冈瓦纳大陆古板块恢复及中、新生代热点古位置示意图Fig.2 Paleogeographic reconstruction of Gondwana (220 Ma) and Paleo-positions of the Mesozoic&Cenozoic hotspots

3.2扩张中心跃迁与热点作用

印度洋盆经历了两次扩张中心的跃迁，分别为西索马里盆地扩张中心跃迁至马斯克林盆地扩张中心、马斯克林盆地扩张中心和Gop-Palitana扩张中心跃迁至卡斯伯格洋脊。前者发生在120～87 Ma，此次跃迁伴随马里昂热点到达地表（90 Ma），Morondava溢流玄武岩（马达加斯加东部）和St.Mary溢流玄武岩（印度西部）大规模岩浆事件的发生（O′Neill et al.,2003）。后者发生在70～65 Ma，伴随留尼旺热点到达地表，极短时间内（约1 Ma）形成德干高原玄武岩（图3）。

扩张中心跃迁方向与热点相对板块运动方向密切相关。留尼旺热点于65 Ma到达地表，并相对印度板块向南运动，于60 Ma前后离开印度大陆（O′Neill et al.,2003）。扩张中心在65 Ma由马斯克林盆地跃迁至Gop裂谷，并于62 Ma向西南方向跃迁至Palitana脊，于58.5 Ma进一步向西南跃迁至卡斯伯格洋脊（图2）。可见，伴随留尼旺热点由印度大陆向南运动，扩张中心也同步向西南方向跃迁，两者表现出时空上的一致性，具有一定的成因联系。

图3　印度洋盆扩张中心跃迁示意图Fig.3 Diagram showing the ridge jump process of Indian Ocean

3.3洋中脊扩展作用和鱼尾构造模式

根据地形、洋壳年龄等特征，现今印度洋洋中脊可划分为两个分支：东南印度洋中脊—中印度洋中脊—卡斯伯格洋脊（东支）和西南印度洋中脊（西支）。东支南端东南印度洋中脊最先形成（约136 Ma,Ramana et al.,2001)，随后向北延伸，晚白垩世约70 Ma至65 Ma，西北印度洋扩张中心从马斯克林盆地和Gop裂谷—Palitana脊向卡斯伯格洋脊跃迁（Minshull et al.,2008; Collier et al.,2009），形成统一的洋中脊系统。新生代约40 Ma以来，东支三条洋中脊扩张方向基本一致，均为NE—SW向，其扩张速率自南向北减小，导致洋盆宽度逐渐减小（图4洋壳40 Ma等时线所示），造成了东支剪刀差式的扩张。西支西南印度洋中脊最早形成于150 Ma以前，并从80 Ma开始快速向北东方向扩展，由DiscoveryII转换断层向现在的罗德里格斯三联点延伸了2 500 km（Patriat and Segoufin,1988;张涛等，2011），与东支洋中脊相连，形成现今印度洋东、西两支洋中脊的构造格局（图4）。

从全球范围看，在总长为64 000 km的洋中脊系统中(Hannington,2011)，三大洋盆洋脊体系在印度洋盆地实现衔接，通过西南印度洋中脊西段和东南印度洋中脊东段出现大位移的转换断层发育和洋脊构造分段（Royer et al.,1989），实现洋脊方位的转折和延伸。大西洋和太平洋中脊的东西向扩张逐渐转变为印度洋近南、北向扩张，该不协调式衔接记录三大洋盆运动格局的突变和连通，转换断层在非洲大陆南端和澳洲东南侧洋脊强烈转折部位很发育，对应于初始破裂位置控制的影响。

大西洋和太平洋中脊在印度洋交汇，于古近纪连通，在末端伴随陆块持续发生碎裂化、裂解化，可称为鱼尾构造模式。印度洋盆衔接和调节了三大洋盆的发育和关闭过程：新特提斯洋盆、大西洋洋盆、古-新太平洋盆，涉及喜马拉雅造山形成、南太平洋俯冲、大西洋张开、南中国海张开等重大事件，具有全球洋盆枢纽的关键意义。

图4　印度洋盆板块运动、热点迁移及洋中脊扩展特征示意图Fig.4 Plate motion,hotspot migration,and mid-ocean ridge extension of Indian Ocean

4　结论与认识

（1）现今印度洋洋中脊可划分为两个系统：东南印度洋中脊—中印度洋中脊—卡斯伯格洋脊系统（东支）和西南印度洋中脊系统（西支），两者表现出不同的构造和连续性特征。前者是太平洋洋中脊系统向印度洋盆扩展作用的产物，后者是太平洋-东南印度洋脊与大西洋脊之间衔接的桥梁，是巨型洋脊延伸方向或扩张速率发生变化时构造调节的产物。

（2）印度洋盆张开主要受到地幔柱垂向挤压—水平伸展和构造薄弱带两方面的影响，非洲LLSVP对于印度洋盆张开过程中热点的发育起到了重要作用，是控制印度洋盆发育的深部因素，前寒武纪造山带则控制了洋盆张开的地表位置。

（3）印度洋盆经历两次扩张中心的跃迁，分别为西索马里盆地扩张中心跃迁至马斯克林盆地扩张中心、马斯克林盆地扩张中心和Gop-Palitana扩张中心跃迁至卡斯伯格洋脊。扩张中心趋向性跃迁方向与热点相对板块运动方向具有一致性，显示两者具有内在联系。

（4）印度洋盆内不同洋中脊末端的交汇，并持续向北斜向扩展，可以称为鱼尾构造模式，该过程记录了洋中脊伸展应变作用走向上逐渐减小，伴随陆块持续发生碎裂化、裂解化，表明印度洋盆衔接和调节了三大洋盆的发育和关闭过程，具有全球洋盆枢纽的关键意义。

致谢：感谢中国大洋协会和国家海洋局第二海洋研究所为本文多位作者提供2013～2016年印度洋大洋航次调查的宝贵机会。感谢李家彪院士、初凤友、陶春辉、韩喜球研究员对研究的帮助和指导！

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Mid-ocean Ridge Jump and Extension in the Context of Hotspots: Discussion on the Tectonic Evolution of Indian Ocean

LI Jianghai1,ZHANG Huatian1*,LI Honglin2,LIU Zhonglan1
1.Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution，Ministry of Education，School of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China; 2.Key Laboratory of Submarine Geosciences,Second Institute of Oceanography,SOA,Hangzhou 310012,China

Abstract:This paper is based on the compilation of the Indian Ocean Tectonic Map and the analyses of the tectonic pattern and significant tectonic events of Indian Ocean.Three problems are further discussed concerning the initial breakup mechanism of Indian Ocean,ridge jump and hotspots,and mid-ocean ridge extension.We draw the following conclusions: 1) The Indian mid-ocean ridges can be divided into two systems: Southeast Indian Ridge-central Indian Ridge-Carlsberg Ridge (East Branch),and Southwest Indian Ridge (West Branch).The former system is the product of Pacific Ocean Ridge system extension.The latter one is the product of the tectonic adjustment of Pacific-Southeast Indian Ridge system and Atlantic Ocean ridge system.2) The initial breakup was controlled by vertical compression-horizontal extension and developed along pre-Cambrian orogen.3) Indian Ocean experienced two major ridge jump processes.The directions of ridge jump and hotspot movement are consistent,illustrating internal connection of the two tectonic processes.4) The Atlantic and Pacific mid-ocean ridge systems joined in Indian Ocean in Paleogene.Its terminal was continuously fragmented.This can be called Fish-Tail Tectonics,which illustrates that Indian Ocean links up and adjusts the development of three major ocean basins.The Indian Ocean is therefore a key hinge of global oceanic basins.

作者简介：李江海，男，1965年生，教授，博士生导师，从事全球构造、洋中脊成矿研究；E-mail: jhli@pku.edu.cn

基金项目：印度洋脊多金属硫化物成矿潜力与资源环境评价（DY125-12-R-03）；西南印度洋脊合同区多金属硫化物资源评价（DY125-11-R-01）

收稿日期：2015-05-08；修回日期：2015-07-19

DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2015087

中图分类号：P544+.4

文献标识码：A

文章编号：1006-7493（2016）01-0074-07