火山研究的论文

A.Robertson船上科学家小组

（Department of Geology and Geophysics,West Mains Road,Edinburgh University Edinburgh EH9 3JW,U.K.）

摘要160航次期间钻探了东地中海克里特岛南部米兰和那不勒斯两个泥火山。这些泥火山位于地中海海脊背面以软泥为主的一个增生复合体上，复合体系由非洲板块的新第三纪至全新世深海沉积物在欧亚板块之下向北俯冲造成的。只有靠钻探，才能确定泥火山的年代和地下构造。主要结论是，两个泥火山活动周期＞1Ma，并且主要由以泥质为基质的砂岩和灰岩碎屑组成的多期碎屑流（沉积）组成。这些基质可能是来自位于俯冲滑脱带内地中海海脊增生复合体之下的晚中新世（Messinian期）超压富流体软泥，相反，石化碎屑主要来自中中新世地层，到那时为止，石化碎屑也许已成为上覆增生复合体的一部分了。对“泥质角砾岩”的碎屑流起源的认识改变了粘性软泥侵入的早期观点。

关键词地中海泥火山增生楔大洋钻探计划（ODP）

1引言

北京国际地质大会期间，中华人民共和国正在认真考虑成为大洋钻探计划的一个成员国。国际地质大会讨论会进行了ODP的讨论，尤其得到了与会的中国代表的热情支持。第一作者提交了一篇概括克里特岛南部地中海海脊两个泥火山钻探结果的论文。这是1995年春季和夏季在地中海进行的两个航次其中的一个（图1）。160航次有构造和古海洋两个目标。古海洋学涉及上新世至全新世深海富含有机物软泥，即腐泥的起源问题。构造方面的目标是双重的。第一个涉及Eratosthenes海山的碰撞过程，该海山是晚中生代至新第三纪的碳酸盐台地，沿东地中海的非洲和欧亚板块的活动板块边界同塞浦路斯南部相接。第二个目的即这里概括的涉及位于地中海海脊之上奇特的泥火山的成因，它是新第三纪—全新世期间非洲板块向欧亚板块下面俯冲造成的，是一个以软泥为主的增生楔。这项研究花了10天时间。160航次之后，161航次在西地中海又开展并进行了腐泥的研究及与阿尔沃兰海开启有关的张性地壳作用的调查。

图1ODP160航次米兰和那不勒斯两个泥火山970和971孔位的构造环境和位置图

这个航次有构造和古海洋学方面两个目标。构造的目标是研究塞浦路斯南部Eratosthenes海山的环境和泥火山的成因，就像这里讨论的。古海洋学涉及富含有机物的深海沉积物，即最近5Ma期间整个地中海深海盆地聚集的腐泥的成因

这篇短文遵循一种最新观点，原文实际上是在海上写成的，描述了当时深海钻探中海洋的某些令人兴奋的发现。大洋钻探计划为国际大洋科学界的协作和新发现提供了一个难得的机会。详细资料参见160航次原始报告和相关初步结果[1,2]。

2区域地质背景

80年代后期，意大利科学家在克里特岛南部150km的地中海海脊发现了穹隆构造[3,4]。地中海海脊（长500km，宽100km）解释为增生的棱柱体，最近25Ma发育而成，是欧亚板块之下的非洲板块向北俯冲的结果。地震反射研究已发现了海底具有许多丘状构造特征，经取样，活塞岩心中含有奇特的像奶油冻一样结构的空虚软泥，称为泥砾。它们由软砂质、富粘土的基质中的硬的和软的岩石碎屑组成。这些丘状体最初被解释为底辟构造，是一些向上侵入到海底的相对粘稠的物质[3～6]。在1993年，联合国教科文组织发起的国际考察队乘俄罗斯考察船Gelendzhik号返回到该地区[7,8]。运用水下照相技术，他们发现了至少其中的一个构造——那不勒斯穹隆，目前还在喷出流体，并且周围环绕着细菌席。共生的冷泉群落包括带壳生物。深拖地震仪也发现了从中心喷口向外辐射的火山泥流。因而提出这样一个问题：软泥构造是像穹隆一样的粘性侵入体还是喷出的富碎屑的泥质沉积物火山锥？

3从米兰泥火山得到的结果

第一个钻探的构造是东部的米兰穹隆（图2A）。地震反射资料发现它有像阔边帽似的形状，中心火山锥被终止在海底的倾斜侧翼包围着。穹隆侧翼下面的地震反射层向内倾斜，火山下面形成一个像碗一样的凹陷。这样独特的构造是怎样形成的？从外侧向两个构造的脊部钻一个浅孔＜200m）剖面。在钻了几米深海钙质软泥后，采集到一个一个块状沉积物岩心，发现在坚硬的砂质粘土中散布着硬的及软的岩石碎片（图3）。在这之下，我们发现了几个层状深海沉积物薄层，依次被多层富粘土砂、粉砂和砾覆盖，其中某些代表了浊流沉积的证据。令我们吃惊的是船上古生物学家测定的年龄：最低富砾层之下的深海沉积物是1.75Ma。米兰构造很活跃，至少是周期性的，周期非常长。进一步的资料来自于地球物理方法的测井曲线。地层显微扫描仪发现了泥质碎屑流多次喷出形成的层状构造和至少半米厚的固结碎屑。

图2160航次中钻探的米兰泥火山（A）和那不勒斯泥火山（B）的岩性地层综合图

它们显示出两个泥火山下面可见的地震反射层。米兰和那不勒斯泥质构造两翼之下的向内倾斜反射层的存在，用来表示泥火山作用期间渐进的沉陷过程。纵坐标的深度指海底以下深度

最初认为富泥的角砾岩代表了从泥火山口喷出的碎屑流。它们从喷发中心喷出可分布多远？为了解决这个问题，我们从构造的侧翼又布了另一个钻孔。我们钻穿了周围海底中典型的沉积物（即半深海沉积物，磷酸盐软泥和腐泥），结果显示出泥火山喷发从米兰泥火山的喷发中心向外流动不到1km。因此，我们向泥质构造更靠近一点进行钻探，内翼的岩心显示出泥碎屑流的另一个证据，因而，脊部地区由可形成中心栓状构造的砂质物质组成。

当船上的地球化学家处理他们的数据时感到很惊讶，从脊部点位采到的一些岩心明显充满气体。冰状的甲烷和水的混合物，称为笼形化合物（即气体水合物），存在于海底之下30～40m深处。从脊部采到的溶液盐度相对低，表示笼形化合物在采样过程中分解了，并且被带到了表面。相比之下，在较深处，孔隙水的盐度通常比地中海底层水大许多：这是因为假设下面存在的Messinian期蒸发盐的溶解作用所致。这种盐是在晚中新世，大约6～5Ma以前，当地中海海平面比现在低得多的时候，广泛沉淀下来的[9]。

图3米兰泥火山采到的厚的相对均质的泥质碎屑流的典型例子

上部显示出“泥质角砾岩”的典型结构，被解释为碎屑流；暗的碎屑（中间）是石英砂岩，被解释为浊积岩；靠近照片下方均质的碎屑是大块的岩屑砂屑岩（砂岩）；点位970A，岩心10X，剖面1的56～82.5cm处

4从那不勒斯泥火山得到的结果

我们再一次采用了钻探钻孔剖面的方法（图2B）。首先，把钻探套管定位在希望采到的岩心的侧翼外边，然后确定泥火山锥羽毛状边缘的年代。我们正好定位在目标物上：在薄的深海沉积物下面，钻穿了类似米兰泥火山上的泥质角砾岩，然后直接进入标准的深海沉积物中，确定其年代为1.5～1.2Ma或者更老一些。为了找出这些角砾岩有多厚，又钻进了靠近中心火山锥底面的渠状断陷中。钻到180m以后，岩心钻取率很低，仍然处于富泥碎屑流中。在这里，发现了有油气存在的迹象：把样品放在紫外线下发出强烈的荧光。这样就面临着一个问题：我们为了安全的原因就要关闭这个钻孔吗？然而，这里没有活跃的油气移动的迹象，可继续进行我们计划的最大深度。由于钻孔条件比较差，试图用地球物理测井，也只有部分钻孔成功。然而，我们在解释为泥流的泥质角砾岩中发现了清晰的地层。

钻探进入到脊部地区的顶端。那里的沉积物饱含气体，并含有刺激性的硫化氢气体。由于气体压力很高，已经采取了安全预防措施，它的成分表示其为与细菌降解作用有关的相对浅源成因。这不能构成安全事故，我们可以像计划的那样再对另外的几十米进行取样。不久我们采获的软泥开始变得发干，结霜成结晶盐，有的甚至含有小片的结晶石盐，推测年代为（Messinian）时期。下一步，我们重新把船定位到1993年Gelendzhik考察队发现的活动火山口处的脊部地区取样。取样进行得很顺利，当第三个岩心到达甲板时，还没有适当地进行处理，它就爆炸性地裂开了。软泥溅得到处都有！原因是由于温度提高，气体体积快速膨胀。幸运的是，除了弄样品的人和包装袋有些被弄脏之外，无人受伤。这是一个安全事故。尽管我们不愿这样做，但别无选择。在我们收起了套管的时候，这次令人兴奋的东地中海泥火山探险结束了。很幸运，这是我们计划钻探的最后几个孔位，几乎没有任何资料丢失。

5讨论

现在，我们了解了米兰穹隆是一个海底泥火山，至少1.5Ma前开始形成，那不勒斯构造也至少有1.5～1.2Ma（图4A、B）。相对于火山中心，地震反射层向内倾斜表明了火山锥发生了渐进的塌陷。早期的喷发形成了不稳定碎屑状沉积物的火山锥，包括泥质碎屑流和浊积层。然后泥流的大规模流出才开始了，深海聚集物到处散布，最后构成了目前的火山锥。

气体水合物只能在有限的温度/压力范围内形成，如果有相对高温的流体从深部向上涌溢，它就不太稳定。与这点一致，已发现气体水合物与不太活动的米兰泥火山伴生。相比之下，喷出流体和气体很活跃的那不勒斯火山似乎缺少气体水合物。

是什么力量驱动了靠近地中海海脊北部边缘的泥火山作用？该地区的深地中海盆地作为中生代特提斯海的残余物，是处于非洲板块和欧亚板块碰撞和关闭的最后阶段，增生楔的北部边缘向北插进克里特南部的陆壳之下。这个挤离带可能就是超压富流体沉积物的位置。通常情况下，上面明显加积的深海沉积物厚层阻止这种物质向上移动。然而，当引发了地中海海脊的后冲断层作用时，这就作为超压物质向上移动至海底的途径（图5）。至少部分充填物质可能来源于位于挤离带内部晚中新世的Messinian期无化石软泥。石灰岩和砂岩碎屑的可能成因是水力破碎和物理剥蚀的混合作用把它们从上覆中新世增生沉积物中挤离出来。富泥和富碎屑的物质被带到上面，最后喷出海底成为多期碎屑流。

图4米兰泥火山（A）和那不勒斯泥火山（B）的解释剖面图

泥质碎屑流从中心火山口喷出，在沉陷的谷形洼地内部或者邻近地区聚集；1—喷出带；2—泥火山构造；3—地震反射层；4—晚中新世“M”反射层

图5地中海海脊泥火山的发育阶段

第一阶段早期喷发作用形成了碎屑火山锥；第二阶段多碎屑流形成了泥火山的主要构造，它与边缘谷形洼地的渐进沉陷有关

6结论

通过对东地中海泥穹隆的10天考察，我们对深海泥火山作用有了重要的发现。了解到米兰和那不勒斯泥穹隆是海底泥火山，也许类似于聚敛边缘下的环境，像巴巴多斯俯冲复合体。对于岩浆火山，这些泥火山似乎有几百万年的循环过程。更多的泥火山可在其它的海底构造活动地区被发现。毫无疑问，其它科学家不久将继续这种外来地质现象的考察。

致谢在所有的深海钻探航行中，如果没有船长，船员和海洋技术员的支持，将会一无所获。

（周立君译，许东禹校）

参考文献

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