地球动力系统-海底扩张

第二节  海底扩张

一、海底扩张说的提出

二次世界大战以后，工业较发达的西方各国出于军事、资源与能源等方面的考虑，开展了广泛的海底地形与地质调查。例如，他们利用回声测深等高精度的水深测量方法研究海底地形并绘制出精确的海底地形图；用重力、地震、地磁及地热等地球物理勘探方法研究海底的地质构造特征等等。到60代初，海底调查已获得了大量的新成果与新资料，为海底扩张说的建立准备了条件。其中比较重要的有下述3个方面。

（1）全球大洋中脊及中央裂谷系的发现  50年代晚期发现了纵贯世界大洋洋底的大洋中脊和裂谷体系。大洋中脊在各大洋中互相连接，延伸总长约64  000  km，总面积超过陆地面积的一半，它是世界上最长大的山系，无疑也是地球上最重要的构造单元之一。在洋中脊轴部常发育有平行洋脊的巨大的中央裂谷，谷深可达1  000～2  000m，谷壁陡峭，实际上是一系列向谷内陡倾的张性断裂。裂谷宽数十至百余公里，窄的谷底宽度不过几公里。这种张性断裂作用造成的谷地，显示洋中脊附近存在巨大的张力作用。大洋中脊轴部具有很强的构造活动性，常发生浅源地震及火山活动，并且有高的地热流异常（可达（3～5）×41.686mW/m2），反映中脊轴部是地热的排泄口和深部岩浆物质上涌的地方。

（2）海沟及贝尼奥夫地震带在辽阔的大洋中，中部被高大的大洋中脊占据，而深陷的海沟却分布在大洋的边缘。海沟主要见于太平洋及印度洋东北部边缘，沿大陆边缘的岛弧或海岸山脉线状延伸。海沟的横剖面多呈V字形，沟底深度一般大于6000m，深者可达10000m以上（如马里亚纳海沟深达11033m），若计海沟沟底与岛弧或海岸山脉的相对高差，则可达13000m以上。所以海沟附近是地球上高差最为悬殊的巨型地形单元，其中一定包含着极其重要的地质含义。地球物理调查表明，海沟的重力值相当低，出现负重力异常，这说明海沟下方的物质的密度轻，是不是也存在类似于高山之下的地壳“山根”插到地幔之中？但据地壳重力均衡原理，密度低的物质必将上浮形成高的地势，这与海沟的地势相矛盾。所以，可以推测，在海沟处必定有一种向下拉的作用力存在，这种力破坏了该处的重力均衡，使轻的地壳物质强制下陷。此外，海沟的地热流比正常洋盆显著低，说明海沟下面的物质比较冷。海沟附近是最强烈的构造活动带，例如，沿太平洋边缘的海沟及其附近，形成著名的环太平洋火山带与地震带。在环太平洋地震带中，地震震源深度变化是很有规律的：在海沟附近都是浅源地震，离海沟较远出现中源地震，在更远的大陆内部则出现深源地震，最深达720km，震源排列成为一个由海沟向大陆方向倾斜的带，其倾角一般45°左右。海沟附近的这种震源排列形式是50年代美国学者贝尼奥夫发现的，故称为贝尼奥夫地震带。这种现象说明，沿着大陆边缘的海沟，存在着倾向大陆的、正在活动的巨大断裂带。

（3）洋底地壳的新认识  本世纪50年代，在世界各大洋进行了广泛的地震勘探，确定了洋底地壳的3层结构。地震资料表明，洋壳第一层，即沉积层非常之薄，平均不过0.5km。即使以每千年沉积1mm的最低沉积速度计算，只要大洋存在过10亿年，就应当有1km厚的沉积物。所以，洋底沉积物的年龄应当是比较新的。通过在大洋裂谷及断裂带的基岩崖壁处施挖采样，至60年代开展深海钻探以前，在洋底尚未发现比白垩纪更老的岩石。如果大陆和海洋的位置是固定不变的，洋底的年龄就应当与大陆一样老，在洋底也应当存在大量古老的沉积岩或褶皱山系，但事实却完全相反。所有这一切，都说明洋底地壳形成较新。但从古生物演化史以及大陆褶皱山系中的大量古老海洋沉积岩来看，地表的海水或海洋无疑在很古的时期已经出现。由此推测，洋壳是发生着新旧更替的，古老的洋壳已经消失，现在的洋壳是后来形成的。

海底地质新成果与新资料的积累，加之大陆漂移说的重新兴起，终于迎来了地球科学理论上的一场重大革新。60年代初，美国地质学家赫斯（Hess，1962）和迪茨（Dietz，1961）首先提出了海底扩张（seafloorspreading）说。这一学说认为，大洋中脊顶部乃是地幔物质上升的涌出口，上升的地幔物质就冷凝形成新的洋壳，并推动先形成的洋底逐渐向两侧对称的扩张。随着热地幔物质源源不断地上升并形成新的洋底，先成的老洋底不停地向大洋两缘扩张推移，洋底移动扩展的速度大约是每年几个厘米。

在不同的海区，海底扩张可以有两种情况。一种是扩张着的洋底同时把邻接的大陆向两侧推开，大陆仿佛冻结在相邻的洋底上，与洋底一起向同一方向移动。这样，随着新洋底不断地生成和向两侧扩展，新生的大洋不断张开，两侧大陆逐渐漂移。像大西洋这样宽的大洋，在速度为每年数厘米的海底扩张作用下，大约一二亿年便可形成。另一种情况是当洋底扩展移动至大洋边缘的海沟处时，沿贝尼奥夫地震带向下俯冲潜没，重新返回到地幔中去。这时，洋底并不推动相邻大陆向两侧漂开，相反，大陆逆掩于洋壳俯冲带上。太平洋就是这样的情况，它本是一个古老的大洋，其洋底不断地在洋脊处新生，同时不断地在海沟处潜没消亡，好似一条运动不息的传送带，大约2亿年左右洋底就可以更新一次。

由于洋底一直在生长和更新着，所以，不管是新生的大西洋和印度洋，还是古老的太平洋，它们的洋底地壳都相当年青，不老于中生代，从而接受的海洋沉积层就比较薄。大洋中脊顶部因为是热的地幔物质涌出的地方，故出现高热流值；而海沟因为是冷的、轻的地壳物质俯冲潜没的地方，故出现低热流值和重力负异常。

二、海底扩张说的验证

以新的地质研究成果为依据的海底扩张说，对于海底地质现象的解释如此引人入胜，从而高度激发了人们进一步探讨的欲望。在海底扩张说提出后的短短几年时间里，新的研究成果又纷纷涌现，进一步证实了海底扩张说。其中最有意义的是海底磁异常条带研究、深海钻探成果及转换断层的发现，它们被称为验证海底扩张说的3大论据。

（一）海底磁异常条带研究

1.大陆上岩石古地磁的极性反转现象

50年代以来大陆上岩石古地磁的研究成果表明，在所研究的岩石中有将近一半是正向磁化（即磁化方向与现代地磁场方向相同），而另一半则是反向磁化（即磁化方向与现代地磁场方向正好相反）。这说明在漫长的地质历史中，地磁场南、北极的极性并不是固定的，而是发生着周期性的反转，有的时期地磁南、北极方向与现在一致，有的时期则正好相反。所以，极性反转现象是地磁场演化的一个基本特征，通常把保持一定的地磁极性的大阶段（大约相隔100万年以上）称为极性期，把每个极性期内的短期转向时间称为极性事件。如果根据不同时期岩石磁化的方向排列出地磁场转向的先后顺序，并利用岩石同位素年龄测定方法测出各个极性期和极性事件的延续时间，就可以建立古地磁场转向年代表。

2.海底磁异常条带及其成因

海底磁异常条带是50年代后半期发现的，其特点是大致平行于洋中脊轴线延伸，正负异常相间排列并对称地分布于大洋中脊两侧，单个磁异常条带宽约数公里到数十公里，纵向上延伸数百公里以上而不受地形影响，在遇到洋底断裂带时被整体错开。对于这种磁异常条带的成因，曾一度使人们困惑不解，有人认为这是洋底岩石磁性强弱不同所引起的，但这种观点不能解释磁条带分布的规律性，也与当时所获得的海底地质资料不吻合。1963年，英国学者瓦因和马修斯结合海底扩张假说与地磁场倒转现象，对海底磁异常条带作了极为成功的解释。他们认为海底磁异常条带不是由海底岩石磁性强弱不同所致，而是在地球磁场不断倒转的背景下海底不断新生和扩张的结果。高温的地幔物质不断沿大洋中脊轴部上涌冷凝形成新的海底，当它冷却经过居里温度时，新生的海底玄武岩层便会沿当时地磁场方向磁化。随着海底扩张，先形成的海底向两侧推移，在中脊顶继续不断地形成新的海底，如果某个时候地磁场发生转向，则这时形成的海底玄武岩层便在相反的方向上被磁化。这样，只要地磁在反复地转向，海底又不断地新生和扩张，那就必然会形成一条条正向和反向磁化相间排列、平行洋脊对称分布的磁化条带。扩张的海底就像录音磁带那样记录了地磁场转向的历史。正向磁化的海底条带由于加强了地磁场强度而形成正异常，反向磁化的海底条带由于抵消了一部分地磁场强度而形成负异常。

上述推断不仅合理地解释了海底磁异常条带的成因，而且也与大陆岩石和深海沉积的古地磁研究成果相吻合。60年代中期，一些学者通过将洋脊两侧的海底正、负磁异常条带与大陆岩石古地磁研究获得的地磁场转向年代表进行对比发现，海底正、负磁异常的排列，与地磁场转向年代表中的正向段和反向段完全可以一一对比，而且磁条带的宽度也与地磁场转向年代表中极向的时间长短成正比关系。与此同时，对取自海底的沉积物岩心的弱剩余磁性研究也取得了重要成果。在沉积岩心中交替地出现正向和反向磁化段，正向、反向磁化段的厚度可以与地磁场转向年代表中正极性期和反极性期的时间长短一一对比，也可以与海底正、负磁异常条带相对比。这3种相互独立的磁性测量资料服从于统一的变化规律，充分证实了它们是在地磁场频繁倒转的统一背景下形成的（有人称为：“三位一体”）。这不仅说明了上述海底磁条带成因的正确性，同时也为海底扩张说取得了决定性的证据。

（二）深海钻探成果

深海钻探工作开始于1968年，在几年的时间里，著名的深海钻探船“格罗玛挑战者”号在世界各大洋进行了广泛的钻探和取样，取得了丰硕的成果。深海钻探证实，深海沉积物由洋脊向两侧从无到有，从薄到厚，沉积层序由少到多，最底部沉积物的年龄愈来愈老，并且与海底磁异常条带所预测的年龄十分吻合，深海钻探所采得的最老沉积物的年龄不老于1.7亿年（晚侏罗世）。因此深海钻探成果令人信服地证实了海底扩张理论。

（三）转换断层的发现

洋脊被一系列横向断层切割，断层长度可达数千公里，断层两侧洋脊被明显错断，错距可达数百至千余公里。断裂带多已成为很深的沟槽，从海底地貌图上看得十分清楚。这种巨大规模的横向断层早在50年代即已发现，曾被认为是一般的平移断层，并用以证明地壳中存在着巨大规模的水平运动。但是，它的实际意义远不止于此。1965年，加拿大学者威尔逊（Wilson，1965）指出，这种横断中脊的断裂带不是一般的平移断层，而是自中脊轴部向两侧的海底扩张所引起的一种特殊断层。威尔逊称之为转换断层（transform  fault）。

转换断层具有不同于一般平移断层的特征。其一，如果是平移断层，则随着时间的推移，断层两侧的洋脊将越离越远；但如果是转换断层，虽然中脊轴两侧海底不断扩张，断层两侧洋中脊之间的距离并不一定加大。其次，如果是平移断层，错动是沿整条断裂线发生的；至于转换断层，相互错动仅发生在两侧中脊轴之间的段落上（BC段），在该段落以外的断裂带上，断层两侧海底的扩张移动方向相同，其间没有相互错动。第三，转换断层中相互错动段的错动方向，恰好与平移断层中把洋脊错开的方向相反，这一点是转换断层和平移断层的最重要区别。

沿洋底的这种转换断层记录到频繁的地震活动，这显然是断层两侧岩块发生相对错动引起的。调查表明，地震活动几乎都集中在被错开的洋脊之间的断层段上，而其余部分一般没有地震发生。而且对来自洋底断裂带上的地震的分析证明，断层错动的方向与转换断层所要求的方向完全相符。这就证实了转换断层是确实存在的。转换断层是由洋中脊的海底扩张引起的，转换断层的错动方向也就是海底扩张的方向，所以转换断层的发现和验证，为海底扩张说提供了又一有力的依据。

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