印度洋北部马克兰增生楔泥火山分布及主控因素探讨

2018-10-31龚建明何拥军成海燕

现代地质 2018年5期

龚建明，廖晶，张莉，何拥军，翟滨，孟明，成海燕

(1.青岛海洋地质研究所，山东青岛 266071；2.海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东青岛 266061；3.自然资源部天然气水合物重点实验室，山东青岛 266071；4.广州海洋地质调查局，广东广州 510760；5.中国地质大学(北京) 海洋学院，北京 100083；6.中国冶金地质总局青岛地质勘查院，山东青岛 266061)

1 概述

全球泥火山的分布及其主控因素研究认为，密度倒置和构造活动是控制泥火山的主要因素[1-5]。莺歌海盆地泥火山的主控因素研究同样认为[6-12]，红河走滑断裂带的持续活动和该区快速的沉积作用是形成该海域泥底辟数量多、规模大的沉积构造条件。

马克兰增生楔的泥火山主要分布在巴基斯坦和伊朗海岸线南北附近的陆域和海域[13-16]，共计发现77处，其中陆域55处，海域22处。在陆域55处泥火山中，巴基斯坦占48处，伊朗占7处。在海域22处泥火山/泥底辟中，巴基斯坦占14处，伊朗占8处(表1、图1)。从图1中可以看出，马克兰增生楔的泥火山分布极不均匀，主要集中在巴基斯坦东部陆域和海域，尤其是在奥耐驰—奈尔(Ornach-Nal)走滑断层西侧，其数量和规模均大于伊朗。另外，海域泥火山主要分布在中、上陆坡的背斜脊上[17]，而在下陆坡(水深>800 m)由于水合物层阻止了深部流体向上运移而很少[18]。马克兰增生楔泥火山的研究历史虽然较长，但总体研究程度较低。为了探讨低角度俯冲背景下活动大陆边缘泥火山的分布及其主控因素，本文通过对比分析，从密度倒置的沉积地层格架、走滑断层、汇聚速率等方面探讨了马克兰增生楔泥火山的成因机制。

表1马克兰增生楔泥火山分布特征(据文献[13-16]修改)

Table1DistributioncharacteristicsofmudvolcanoesinMakranaccretionarywedge(after references of [13-16])

泥火山分布区巴基斯坦陆域海域伊朗陆域海域泥火山数量/处481478与泥火山有关的断层类型走滑断层为主逆冲断层、走滑断层走滑断层为主逆冲断层

2 区域地质概况

位于印度洋北部的马克兰增生楔是阿拉伯板块低角度俯冲到欧亚板块之下形成的，呈E—W向展布。从海域变形前缘(水深约3 000 m)到陆上火山弧，马克兰增生楔宽约500 km，其中，海域增生楔宽度大于100 km。从伊朗的东南到巴基斯坦的西南海岸马克兰增生楔长约800 km，主要由第三系的大量褶皱和逆冲断层组成，近E—W向展布的海域泥火山/泥底辟主要分布在与逆冲断层有关的上述褶皱脊上[18]。马克兰增生楔西侧为右旋走滑的米纳卜断裂系，东侧为左旋走滑的奥耐驰—奈尔断裂系[19-20](图1)。目前，阿拉伯板块以小于2°和30～50 mm/a的俯冲速度由南往北俯冲到欧亚板块之下，两大板块的平均汇聚速率为4.0 cm/a，其中，西侧为3.65 cm/a，东侧为4.2 cm/a，增生楔之上沉积物厚度高达7 000 m以上[19]。

图1 印度洋北部马克兰增生楔大地构造位置及泥火山分布图(据文献[17-18]) Fig.1 Geotectonic location and distribution map of mud volcanoes in the Makran accretionary wedge(after references of[17-18])

马克兰增生楔由狭窄的陆架(宽10～15 km)、宽阔的陆坡(宽约120 km)以及变形前缘构成。其中，陆坡又按照水深、坡度及构造特征划分为上、中、下3个单元。上陆坡宽40 km，水深100～1 000 m，坡度较陡(7°)，海底凹凸不平，伸展断层较发育，靠近陆架发育南倾的犁式正断层，倾角可达40°，平行于海岸线。中陆坡宽15～20 km，水深1 000～1 500 m，坡度很缓，仅有1°，地形平坦，伸展断层和泥底辟发育。下陆坡宽50～60 km，水深2 000～3 000 m，坡度较缓(1°～2°)，紧闭背斜和叠瓦状逆冲断层发育，呈E—W向排列分布，其中，巴基斯坦一侧的马克兰增生楔海域与逆冲断层有关的E—W向背斜达6条之多。

据5口井的钻井资料和地震剖面解释成果，马克兰增生楔海域沉积地层主要由二部分组成，其中，下部地层主要由喜马拉雅浊流层和半远洋泥质层组成(M1)，厚度约4 000 m，时代为渐新世—中新世[19-20]；而上部地层主要由马克兰砂组成(M2)，物源来自北部的增生楔风化侵蚀。上、下二套地层之间为不整合面(M)[18]。

3 密度倒置控制泥火山的分布

对比研究显示，莺歌海盆地沉积速率最高可达1 370 m/Ma[21]，下部泥岩层厚度大于10 000 m，海底之下3 000 m的地层压力梯度高达18～22 kPa/m，因此，密度倒置、高沉积速率等沉积特征是莺歌海盆地泥底辟和泥火山产生的必要条件[6-12]。

同样，在马克兰增生楔中部海岸带附近，中新世发育了3套较厚层的半远洋泥岩，而上新世以来马克兰增生楔表现为快速沉降、快速充填，沉积了一套相对较粗的马克兰砂, 沉积速率高达400 m/Ma[22](图2)。马克兰增生楔这种密度倒置的沉积地层格架为该区泥底辟和泥火山的形成提供了物质基础。由于下部的半远洋泥质层具有“东厚西薄”而上部的马克兰砂具有“东薄西厚”之特征，加之上部的马克兰砂沉积速率很高，因此，马克兰增生楔东部的泥火山和泥底辟的数量比西部更多，规模更大(图1)。

4 走滑断层控制泥火山的分布

前人研究结果显示[9-10,12,23]，走滑断层对泥火山的分布具有控制作用。例如：莺歌海盆地两翼发育两条右旋走滑基底大断裂，其中，红河断裂带的剪切运动在渐新世以左行剪切活动为主，中新世则转变为以右行剪切活动为主，这种构造演变特征导致在莺歌海盆地中部坳陷带形成多组近南北向呈雁行排列的张裂带, 进而为塑性泥底辟上侵及流动提供了外部通道条件, 促进泥底辟成群成带分布, 形成现今近南北向雁行排列的展布格局[10,12,23]。

图2 马克兰增生楔地层柱状图 (据文献[22]) Fig.2 Schematic stratigraphic column of the Makran accretionary prism (after reference [12])

对于俯冲角度同样较低的地中海海岭来讲，位于地中海海岭中、西部长500 km的窄条带泥火山的分布同样与走滑断层有关[24-25]。该区已发现的大部分泥火山分布在压扭性右旋剪切断层和逆冲断层之间[26-27]。不仅如此，位于地中海海岭东部的阿那克西曼海山(Anaximander Mountains)附近的泥火山同样受到走滑断层的控制，其中，5个大型泥火山的展布方向受该区走滑断层的控制，均为NE—SW向[28](表2)。地中海海岭中—西部和东部泥火山对比结果显示，东部由于存在阿那克西曼海山，俯冲地层时代较老，汇聚速率较低，泥火山数量较少，主要受走滑断层控制；而在地中海海岭中、西部海域，俯冲地层年轻，汇聚速率高，泥火山数量多，主要受走滑断层和逆冲断层的双重控制。同样，位于西班牙加的斯湾(Gulf of Cádiz)南部的泥火山也受该区走滑断层的控制[29]，泥火山的展布方向与走滑断层一致，均为NW—SE向。

表2地中海海岭中—西部和东部泥火山特征及控制因素对比(据文献[28]修改)

Table2Comparisonsinmudvolcanofeaturesandcontrollingfactorsbetweenmid-westandnorthernofMediterraneanRidge(after reference [28])

地中海海岭中-西部(Olimpi泥火山地区)东部(Anaximander Mountains泥火山地区)泥火山数量多少汇聚速率高,25～35 mm/a低,13 mm/a俯冲地层年轻,半远洋沉积物老,固结的岩石主控因素走滑断层+逆冲断层走滑断层为主

前已述及，马克兰增生楔东、西两侧发育有大型的走滑断层系(图1)，而且东侧海域的小默里脊也存在走滑断层，特别是马克兰增生楔东侧陆域的泥火山集中分布在走滑断层附近[30-31]。其中，巴基斯坦一侧的左旋走滑断层控制了泥火山呈NE—SW向分布，而伊朗一侧的右旋走滑断层控制了泥火山呈NW—SE向分布。由此可见，马克兰增生楔东、西两侧的走滑断层控制了马克兰增生楔东、西两侧的泥火山的展布，特别是陆域泥火山的分布。

5 汇聚速率控制泥火山的分布

密度倒置、高沉积速率以及走滑断层是马克兰增生楔泥火山或泥底辟分布的控制因素[20,30-31]。然而，从地中海海岭汇聚速率与泥火山的对比关系来看(表2)，汇聚速率高的中—西部，其泥火山数量明显多于汇聚速率低的东部地区，因此，可以认为，汇聚速率对地中海海岭泥火山的分布具有控制作用。马克兰增生楔的汇聚速率(均值为40 mm/a)不仅高于地中海海岭的汇聚速率(均值为24 mm/a)，而且东部汇聚速率(4.2 cm/a)高于西部汇聚速率 (3.65 cm/a)(图1)。结合同属低角度俯冲背景的地中海海岭泥火山与汇聚速率的研究结果认为，马克兰增生楔东部泥火山数量大于西部泥火山数量与板块汇聚速率往东增加有关，而且汇聚速率的增加与奥耐驰—奈尔断裂带的左旋走滑断裂活动有关[14]。

泥火山的分布不仅受控于汇聚速率，而且受控于板块俯冲的位置。随着阿拉伯板块不断俯冲到欧亚板块之下，俯冲带后端的地层不断抬升遭受剥蚀，其下的泥底辟不断上升而成为泥火山，这类泥火山往往平行于俯冲前缘，而分布在海域的中、上陆坡或者海岸带之上[20,32-33]。

6 讨论

根据莺歌海盆地、地中海海岭以及加的斯湾南部海区走滑断层与泥火山或泥底辟的相互关系，推测马克兰增生楔东、西两侧的走滑断层对泥火山或泥底辟同样具有控制作用。从地中海海岭板块汇聚速率与泥火山数量对比关系来看，二者具有正相关关系。马克兰增生楔泥火山数量与板块汇聚速率同样具有正相关关系，即：东部汇聚速率高，泥火山数量多。研究表明，洋壳在向陆壳俯冲的过程中，如果陆壳仰冲的绝对运动速率增加，则会导致洋壳的俯冲角度变小，高速运动的陆壳甚至会越过海沟形成低角度的俯冲带[34-37]。纵观马克兰增生楔板块俯冲的演化历史，自中更新世以来，马克兰海岸带经历了抬升和张性断裂活动，抬升速率达1.5 mm/a[38]，海岸线不断向海迁移，而海区的加积活动一直持续到今天，说明欧亚板块向阿拉伯板块仰冲速度很高，这也许是造成阿拉伯板块低角度俯冲的原因之一。同时，在中、上陆坡沉积了巨厚的马克兰砂，与早期沉积的喜马拉雅半远洋泥质沉积叠合，为该区泥底辟或泥火山的形成提供了必不可少的物质基础。

另外，马克兰增生楔东部存在小默里脊(Little Murray Ridge)和默里脊(Murrary Ridge)等海底高地。根据模拟实验[39]，推测这些海底高地阻碍了阿拉伯板块俯冲下插到欧亚板块之下，进而在马克兰增生楔东部地区发育反向逆冲断层控制泥火山或泥底辟的分布。相反，在马克兰增生楔的西部(瓜达尔港以西)，阿拉伯板块俯冲下插到欧亚板块之下的沉积物厚度可达3 000～4 000 m，下伏流体上升并圈闭在浅部地层中的可能性大[40]，因此，西部地区气体渗漏和发育水合物的可能性更大。如果马克兰增生楔西部水合物分布比东部更广，那么具有封盖作用的水合物层可能会阻止深部流体进一步向上运移，造成水合物与泥底辟或泥火山呈负相关关系。