三联点

更新时间:2022-08-25 14:00

三联点(Triple Junction)是指任意3个板块边界:离散型(ridge)、聚敛型(trench)和剪切型(transform fault)的交汇处。

研究概述

三联点(Triple Junction)是指任意3个板块边界:离散型(ridge)、聚敛型(trench)和剪切型(transform fault)的交汇处。自Mckenzie和Morgan首次详细论述此概念以来,众多学者开展了这项研究。例如,York针对Mckenzie和Morgan三联点分类做了补充说明;York单纯针对地幔柱成因的三联点对板块构造的指示意义做了分析;Pichon和Huchon、Ligi等、Bird等、Tesfaye等利用不同手段,研究了不同类型的三联点的演化过程;Carracedo、Georgen和LinJ、Walter、Geyer和Marti从几何模型、物理模拟、应力场模拟,以及热场模拟等方面对三联点的发育过程进行了定量或者半定量化的模拟;Fossen等结合实际三联点构造背景,分析了构造演化过程对油气效应的影响。国内专家也对已发现的三联点进行了不同程度的构造演化分析与研究,如田勤俭和丁国瑜、李松林和赖晓玲分析了青藏高原东北缘疑似三联点构造特征;左仁广和汪新庆针对不同三联点的地质模型进行了初步的研究探讨。

概念的提出

对三联点的最早认识源于板块构造,认为地幔柱在板块运动中起着驱动力的作用。因此三联点传统上被认为是3个离散边界或者是张裂裂谷的交汇处,即伴随着地幔柱上涌,在巨大岩石圈穹窿上,沿大致成120°交角的3支三叉裂谷系,推测是因为这样需要最小力。最早详细论述三联点概念的学术论文是McKenzie和Morgan的《The evolution of triple junction》,文中根据3种板块边界类型和每一个边界的受力状况将三联点分为16种类型,即RRR、TTT(a)、TTT(b)、FFF、RRT、RRF、TTR(a)、TTR(b)、TTR(c)、TTF(a)、TTF(b)、TTF(c)、FFR、FFT、RTF(a)和RTF(b)型,并且根据其稳定性进一步又划分为稳定型和不稳定型两种。稳定型三联点是指在不同地质历史时期的发展过程中该三联点的几何特征不会随着时间而改变,即一个稳定的三联点在各个不同的地质历史时期都应该保持相同的几何形状,而不稳定的三联点则会改变其形状或类型等,同时认为在16种可能的三联点中有14种在特定的情况下会达到稳定的状况,只有FFF和RRF型三联点在任何状况下都无法达到稳定状态。

之后,随着研究的进一步深化,谈到三联点所处洋壳和陆壳特征,几乎都不可避免地涉及到三联点的构造轨迹、结构类型、几何学、运动学、稳定性和不稳定性特征等方面。Pichon和Huchon指出McKenzie和Morgan对三联点运动特征的论述是不全面的,只考虑了正切平面下的三联点,忽视了下沉板块之间的三维相互作用。York的研究认为,除了McKenzie和Morgan提出的14种外,在适当的条件下有15种会达到稳定状况。

世界上已发现存在的三联点有:TTT—Boso三联点;FFF型—Karliova三联点;TTR型—Chile三联点;FFT型—勘察加—阿留申(Kamchatka—Aleutian)三联点;RFF型—Queen Charlotte三联点、Bouvet三联点;RRF型—Macquarie Triple三联点;FFF型—Mendocino三联点;RRR型—Afar三联点、Azores三联点、Galapagos三联点、Rivera三联点、Rodrigues三联点、Tongareva三联点等。在中国大陆内部有很多似三联点构造,如海原—银川附近、西安、临汾附近、焦作—新乡附近、鲜水河—龙门山附近、北京附近、渤海湾附近等。

三联点的识别及描述

三联点轨迹的组合形态主要以“丁”字形和“人”字形为主,各要素的具体展布形态与组合取决于3个板块边界的几何相容性和板块运动的相互补偿协调。对三联点的识别有很多种方法,如根据地表对不同时间尺度构造作用的响应、地震成像技术、全球定位系统以及长期的地质记录等。例如,红河—亚丁湾—东非裂谷可以直观地看到一个几何三联点的破裂形状;Tenerife岛上因火山岩的分布,结合动力学等推测的三联点;根据后期沉积物的快速沉积、地形测量、小型的河流被隆起切断改道,以及地震成像等方法识别出Mendocino三联点;通过断裂带分布识别出的青藏高原北隅三联点;通过缝合线的识别发现的东秦岭三联点等。随着水深测量、人工地震、重力、磁力等地球物理技术的发展和广泛应用,对三联点的识别有了更直接和简便的方法,不但使得三联点构造在一定程度上能够更直观地展现出来,并且对三联点板块边界的确定起着越来越重要的作用。

对三联点的描述主要牵扯到板块边界与相对旋转和移动速度的方向和大小。获取这些变量的方法有多种。例如,如果有新的洋壳产生,板块移动的速度矢量就可以通过磁条带来确定,同时也可以确定板块的边界;如果是转换断层边界,板块的速度方向应该平行于断层的延伸方向。当然,最常用的确定板块边界的方法还是通过天然地震的分布情况,同时天然地震还可以确定板块的运动方向和板块之间相对运动速度的大小。随着GPS活动网络的发展,使得对于地质研究对象长期不间断的检测成为现实,并且可以进行时间和空间的横向和纵向对比,使得对板块运动定量描述的详细程度和可靠程度都大幅度地提高。

三联点的发育及演化过程

由于岩石圈下伏软流圈的上涌导致3个裂谷破裂相交形成的RRR型三联点形成机制和演化的特殊性,对它的研究也最为广泛。它们由地幔底辟上拱产生,属主动型裂谷。其中两支进一步发展成为大洋,第三支夭折成为坳拉谷,并且坳拉谷与新生洋盆、被动大陆边缘相连,但是当洋盆发生俯冲作用,继而使被动大陆边缘演化为碰撞造山带的一部分时,先前的衰退裂谷成为自造山带伸向大陆内克拉通内部的拗拉槽。衰退裂谷一般位于被动大陆边缘的凹角处。有的衰退谷只表现为一个有碱性物质侵入的一条缝合线,有的会有复杂的沉积充填、火山活动或经历复杂的构造改造。在新生洋盆的扩张过程中,衰退裂谷不再发生裂陷沉降而发生热沉降,并可能成为大陆地区的物源输入大陆边缘的通道。在洋盆俯冲消减直至发生大陆碰撞的过程中,衰退裂谷还有可能发生一些轻微的挤压构造作用。世界上很多大河都沿着衰退的裂谷流入大海,它们携带的三角洲沉积物的楔入扩大了裂谷的范围。新的裂谷经常形成于老的裂谷的重新活化,如大西洋在中生代的张裂是在早古生代发生过张裂,在晚古生代又闭合的构造基础上发生的。新的裂谷或者沿着海洋关闭的缝合线继续发展,这种现象往往是因为裂谷或缝合线伸张透过大陆岩石圈的薄弱带和地幔柱相连产生。

三联点的演化涉及到洋脊的相互伸展增殖、干扰及板块运动(方向和速率)的变化过程,三联点的动态演化既可能改变三联点的结构形态和运动状态,也可能改变其结构类型。例如,大西洋的张裂开始于南美和非洲板块,在现今的几内亚湾形成一个RRR型三联点,北西向的Benue裂谷是这个三联点消亡的一支等。同时,研究还发现,并不是所有的RRR型三联点都要有热点或者是软流圈地幔的存在,而且热点的位置或者软流圈地幔不一定都恰好位于RRR型三联点的交汇处,如红河亚丁湾在形成初期是一个FFR型的三联点,它是由于在红海裂谷北部末端有斜向狭长的火山物质沿着裂谷上涌产生的应力作用,使得红河裂谷末端分叉为两个剪切带,即苏伊士海湾剪切带和亚喀巴湾剪切带,使得早期的FFR型三联点转化为FRR型,并最终演化为RRR型,或者直接从FFR型演化为RRR型三联点,而不是像York解释的由于热点在三联点中心上涌形成的RRR型三联点。

还如Bouvet三联点从形成,经历过从RFF—RRF—RRR—RFF—RRR的演化过程。由于Bouvet三联点构造演化的复杂性,也有学者提出Bouvet三联点既不是简单的RFF型也不是简单的RRR型三联点,而是复杂的综合型三联点,它在区域上属于RRR型,在交汇域则表现为以转换断层连接为主,故有的学者称其为RFF型,有的学者称其为不规则RRR型。还有的三联点的位置会随着构造演化迁移,如Afar三联点和Tongareva三联点等。三联点普遍存在随着地质历史的迁移在空间上会在一个或多个板块上留存有连续的迁移证据,如日本TTT三联点、Galapagos三联点、Tongareva三联点、Afar三联点、Mendocino三联点等。

有些三联点的交汇域处往往存在一个变形相对微弱的微板块,并且它通常对3个大板块边界的几何形态、变形强度和运动过程轨迹产生影响,如Galapagos三联点、Bouvet三联点、Pacific—Farallon—Phoenix三联点和Pacific—Antarctic—Nazca三联点等。Bouvet三联点从侏罗纪形成至白垩纪期间发生过多次幕式的裂谷隆起和微板块的形成,在149Ma的时候Bouvet三联点是RFF性质的,在123Ma的时候在演化过程中出现了Trinidad微板块,在122Ma的时候在Trinidad微板块周围出现了数个裂谷隆起,其中一个隆起形成了Magellan微板块,在120Ma的时候两个板块都拼合在太平洋板块上,Bouvet三联点演化为RRR型三联点,并且位置“跳跃”至南部。又如,位于西波西米亚地块的古三联点,由于相对集中的地幔火山作用使得古三联点及微板块恢复运动,从而改变和控制着三联点的迁移路径。

三联点的幕式变化、迁移过程、反复的裂缝传播导致了微板块的形成、变大或者与周边板块的拼合。三联点的几何形状在时间和空间上都变化较大。三联点的位置迁移往往导致某些构造特征上的变化,如死亡的转换断层、直接或者潜在弯曲的假断层(straight and potentially curving pseudo faults)、以网状存在的深海丘陵(abyssal-hillfabric)以及因裂缝而发现的古微板块活动等。甚至有些运动学上认为是稳定的三联点也会发生幕式的迁移。

模拟研究

国内外对三联点的模拟主要有数字模拟、物理模拟、热模拟、应力场模拟等方面,但主要都是针对地幔柱引起的RRR型三联点。用数学方法研究地质问题首先要考虑的是地质数据自身的特点,以便于建立数学模型,适合计算机对数据进行采集、存储、加工处理等。RRR型三联点因成因上的特殊性和简单性,是三联点问题中物理机制最简单的一种,因而被较多地用来模拟。

最早进行有关RRR型三联点三维数字模拟的是Georgen和LinJ,主要对发育在洋壳上RRR型三联点的地幔流和热结构特征进行了模拟。针对洋壳上发育的Rodrigues(RTJ)、Azores(ATJ)和Galapagos(GTJ)三联点特征,Georgen和LinJ首先忽略掉微板块等因素的影响,并依据统计学的分析,找出三联点在几何上的相似性,简化出一个简单的几何模型,并假设板块的速度矢量垂直于每一支裂谷,大小等于裂谷张裂速度的一半。模型的垂向边界和底部的边界速度条件设定为与深度和离假设的裂谷轴的垂向距离有关的函数,然后使用解析法,规定模型中每一个网格节点处于上升流和水平流速度作用的结果。模型的顶底温度设为0~1350℃范围,水平温度梯度设为0℃/km。为了能够研究地幔流和沿着每一支裂谷至少1000km长度的热场,模型的大小为2000km×2000km×200km,离散为41×41×15的网格节点。在靠近三联点的位置水平分辨率最高,靠近模型表面的速度和温度梯度达到最高,同时垂向分辨率也最大,垂向和水平的网格间距分别为5~29km和20~99km。最后通过三维数据模拟总结出:在组成三联点中的三个扩张轴中扩张速率最慢的一支和另外两个近共线的扩张轴在近正交的情况下,不同扩张速率导致地幔流的速度和温度结构不同。沿着扩张速度比较慢的两支扩张轴,其上升流的速度和温度沿着扩张轴向靠近三联点方向都呈上升趋势,然而沿着扩张速度比较快的扩张轴,其上升流速度和温度结构都没有明显的变化。这种情况和单独、一支扩张脊的情况比较相似。和RTJ三联点比较相似的三联点,沿着其扩张速度比较慢的一支扩张轴靠近三联点方向,其上升流速度的上升幅度可以在20km范围内上升3倍。在部分熔融区深度其温度上升可达75℃。在和RTJ三联点相似的模型中,将每一支扩张速度都提高2.4倍(类似于GTJ三联点),发现沿着扩张轴,其上升流速度和温度都没有明显的变化,然而,如果把每一支扩张轴的扩张速度降低2.4倍,则发现快速扩张和慢速扩张轴之间的差别明显了。因此,地球动力对慢速扩张的三联点系统的影响比对快速扩张三联点系统的影响更大。

Walter和Troll在基于Merle等1996年对Tenerife岛火山作用所建立的模型基础上,通过砂堆物理模拟实验,揭示出三联点每一个轴向的裂谷作用有可能是由下部地层变形诱导的侧向重力驱动所产生。实验过程显示如下。首先只对一个砂堆进行模拟,类似于Merle等1996年的实验结果。在实验过程中,中心部位小小地隆起,砂堆的周围形成脊状的逆冲断层,随着应力的增加砂堆上形成放射状的地堑。对两个单独的砂堆模拟实验时,两个砂锥展布范围会逐步部分地叠加,在应力施加到一定程度时,砂堆的中心位置开始出现沉陷即表示应力达到极限,横穿两个砂堆的中间出现一个地堑。结果类似于自然界中两个火山构造相邻的情况,对Tenerife的演化也有一个启示意义。在进行Tenerife的模拟中,对3个砂堆施加应力达32h后(相当于实际地质时间3Ma),对3个砂堆的中心施加第4个应力,相当于Canadas火山。在中心位置同时还出现了正断裂,该构造代表了伸展构造带的所在位置,也是裂谷发生的潜在区域。模拟结果说明,Tenerife岛的火山成因更倾向于火山岩的重力流和塑性流沿早期的破碎和裂缝侵入。这个结果与Ancochea等解释的Tenerife火山岛的时空演化关系一致,揭示出在三联点中可变形的沉积物对三联点的构造格架有很强的控制性,使得晚期的火山喷发作用导致的扩张作用在构造上可以独立地向外扩张。Tenerife三联点的构造格架是不稳定的,每一个轴的分割作用和重力侧向传播作用起着主导作用。先前火山学认为的由于热点隆起诱导三联点构造的说法,有些过高估计了深部的内力作用。

在Tenerife岛上火山沿NW和NE方向的分布均表现为线性的定向分布,而在Canaria岛南部NS向也有大量火山分布,但分布的趋势却不像前面两个方向的火山那样规律。为了明白Tenerife裂谷带的起源和它们在火山演化过程中的作用,以及验证NS向的火山带是不是像前人说的是三叉裂谷系的第三支,Geyer和Marti在大量前人研究的基础上,结合实际观察数据制作出二维模型,以两个交叉的有限元破碎带表示两个主要的裂谷系统。并简化出流变学模型:将模型覆盖区域远大于研究区域以忽略边界条件的影响,假设地壳是均衡弹性材料,只施加了简单的应力。同时忽略掉实际可能存在的地壳的层理、先前存在的断层、早期的应力等因素。在实验过程中运用有限元方法(FEMFES),采取杨氏模量E=40GPa和泊松比ν=0.25作为标准。结合在自然中实际观测的在不改变研究结论的前提下,在一定范围变换以上参数进行对比研究。我们已经知道火山岩在Tenerife南部斜坡的分布情况,依据最大张应力值场的填充情况可以推算出伸张构造强烈的区域,也代表了火山喷发的中心位置,最大主应力的轨迹也指示了火山物质喷发的指向和裂缝的排布方向。作者的结论同时也支撑了前人对Tenerife的NW和NE两个轴向裂谷的成因演化推论。在Tenerife南部的NS向展布的火山,不仅比NW和NE展布的范围要宽,而且也不像NW和NE两个轴向排列的指向明确。这种现象有可能是由于应力场发生过改变或者是新—老火山作用的叠加导致的结果。所以有关NS向的构造是不是三叉裂谷系的第3支,还要进一步调查。

总之,由于三联点构造的多样性和复杂性,也导致三联点模拟的难度和多解性。针对不同的三联点应要考虑不同的模拟实验材料和方法。

三联点的发育与油气效应

三联点特殊的伸展环境形成的裂谷对油气勘探和开发有重要的指示意义。在对比Canyonlands、Utah和北海Viking形成的三联点裂谷后认为,尽管构造背景不同,但是这些地堑在油气效应方面都有着明显的相似性。首先表现在,在地堑系统较深的部位极容易产生烃类有机物,同时裂谷边缘的转换带断层为油气从小的生油窗运移到浅部的圈闭扮演着良好的通道角色。而随着伸展运动进一步的进行,裂谷会进一步的加深,并不断地伴随着沉降,裂谷深部的更浅部也会形成生油窗。因此裂谷会提供一个长期的生油时限。其次,在地堑系统中通常还发生流体沿断层的垂向运移,甚至横向的封堵断层也会加强或者是连续地起着引导流体垂向运移的作用。同时,由于集中地热分布引起的复杂构造,往往进一步加强了垂向的渗透性。裂谷中的断层不但起着油气运移的通道作用,由于泥岩在断层面的“涂抹效果”有时还会形成良好的不渗透夹层,有利于形成良好的圈闭系统。当然,断层的封闭能力取决于多个因素,如位移量、岩性和相应的地层系统等。地堑系统的共性还表现在裂谷系统中局部构造高点的位置,如断裂伸展的深度、地热隆起的深度等。如果地堑系统比较大,并且这些构造产生在烃类的运移通道上,则比较容易产生较大的油气产量,且浅部的产量往往大于深部的产量,如在Viking三联点中的Viking断陷中,Kvitebjorn油田是在地堑系统中具最有利开发前景的油气田,包括27×106m3的可开采石油储量和7.4×1010m3的可开采天然气储量。

总结前人有关的研究还发现,如果有机物埋藏比较深,则只会发现天然气的累积,并且由于高温高压引起的压实和胶结作用会导致这些区域的渗透性比较差。而在成熟度比较低的裂谷系统中,断裂会产生在比较浅的位置,油气的潜力聚集区也会产生在较浅的位置。

在进行裂谷油气效应分析时还应该综合考虑多方面的因素,如基底的各向异性、现今应力场和现存构造的角度、断陷伸展量、断裂深度、裂谷的对称性和火山物质侵入等的影响。在对比Canyonlands、Utah和北海三联点的Viking裂谷的特征后发现它们都在一定程度上存在有沿裂谷走向的对称性,在一些由不对称的裂谷系统产生的半地堑中也有一些和裂谷相同的特征。例如,现今的红海、亚丁湾和东非裂谷是三联点的典型实例,也是发现的唯一一个发育在海平面以上的RRR型三联点:埃塞俄比亚—红海—亚丁湾三联点是由埃塞俄比亚—红海南端—亚丁湾三联裂谷和苏伊士湾—亚喀巴湾—红海北端三联裂谷组成。红海北部又分出苏伊士湾和亚喀巴湾两个分支裂谷,亚喀巴湾还发育有平移断层,阻碍了苏伊士湾的断裂伸展。其中埃塞俄比亚和红海北部现在依然处于大陆裂谷阶段,红海南部和亚丁湾盆地的轴部已经出现了大洋地壳,亚丁湾盆地轴部甚至出现了新生洋壳扩张形成的转换断层,说明它们已经演化到陆间裂谷阶段。在中新世早中期,红海仍然是以大陆地壳上的地堑(半地堑)、地垒(半地垒)构造为特征。推测中新世红海仍处于大陆内裂谷阶段,但大陆岩石圈厚度已经减薄到相当程度。直到上新世晚期在中央海槽出现由拉斑玄武岩、辉长岩和辉绿岩组成的新的洋壳,其同位素年龄测定为3.5Ma,属晚上新世,自此开始海底扩张一直延续到现在。红海东南端的新生洋壳部分已经与印度Carlsberg大洋中脊相连,热流密度高达90~180mW/m2,地温梯度在28~50℃/km以上。从演化特征分析,红海南部的陆间裂谷是在热点和上地幔柱使地壳隆起破裂形成大陆裂谷基础上进一步海底扩张形成的,如亚丁湾和红海进一步扩张,它们将在未来的地质时期演化为类似于大西洋的新生大洋盆地。勘探表明,石油主要分布在红海北部和苏伊士湾等大陆裂谷部分,在裂谷深部仅有一些天然气出现。这是因为裂谷扩张和新生洋壳的出现使得地温增高导致石油破坏。

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