地中海海脊ODP腿泥火山钻探研究
(英国爱丁堡大学西主干道地质与地球物理系，爱丁堡EH9 3JW)
在160的航程中，在地中海东部的克里特岛南部钻出了米兰和那不勒斯两座泥火山。这些泥火山位于地中海海脊背面一个以软泥为主的增生杂岩上，该杂岩系是由欧亚板块下非洲板块新近纪至全新世深海沉积物向北俯冲所致。只有通过钻探才能确定泥火山的年龄和地下结构。主要结论是:两座泥火山的活动期为> > 1Ma，主要由砂岩和灰岩碎屑夹泥质基质组成的多期泥石流(沉积)组成。这些基底可能来自俯冲拆离带地中海脊增生杂岩下晚中新世(墨西拿纪)的超压富流体软泥。相反，石化碎屑主要来自中中新世地层，到那时，石化碎屑可能已经成为上覆增生杂岩的一部分。对“泥质角砾岩”中泥石流成因的认识，改变了早期粘性软泥侵入的观点。
地中海泥火山；增生楔；大洋钻探计划
1简介
在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成员。在国际地质大会的研讨会上讨论了ODP，特别得到了中国代表的热烈支持。第一作者提交了一篇论文，总结了克里特岛南部地中海脊上两座泥火山的钻探结果。这是1995(图1)春夏在地中海的两次航行之一。航次160有两个目标:构造和古海洋。古海洋学涉及上新世至全新世深海富有机质软泥的成因，即腐泥。结构的目标是双重的。第一个涉及厄拉多塞海山的碰撞过程，它是一个从晚中生代到新近纪的碳酸盐台地，沿地中海东部非洲和欧亚板块的活动板块边界与南塞浦路斯接壤。第二个目的是总结位于地中海脊上的奇特泥火山的成因，它是由非洲板块在新近纪-全新世期间俯冲到欧亚板块之下造成的，是一个以软泥为主的增生楔。这项研究花了10天。继160航次后，在西地中海进行了161航次，开展了腐泥研究和与阿尔伯伦海开敞有关的伸展地壳作用调查。
图1 ODP160米兰和那不勒斯两座泥火山在970和971的构造环境和位置图。
这次航行有两个目标:大地构造和古海洋学。该结构的目标是研究塞浦路斯南部厄拉多塞海隆的环境和泥火山的成因，如本文所述。古海洋学涉及富含有机质的深海沉积物，即最近5Ma期间整个地中海深海盆地堆积的腐泥的起源。
这篇文章遵循一个新的观点。原文实际上是在海上写的，描述了当时深海钻探时对海洋的一些激动人心的发现。大洋钻探计划为国际海洋科学界的合作和新发现提供了一个难得的机会。详见航次160原始报告及相关初步结果。
2区域地质背景
20世纪80年代末，意大利科学家在克里特岛以南150公里的地中海山脊发现了穹顶结构。地中海海脊(长500km，宽100km)被解释为一个增生的棱柱，它形成于最近25Ma，是非洲板块向北俯冲到欧亚板块之下的结果。地震反射研究发现，海底有许多类似山丘的结构特征。经取样，活塞岩芯中含有奇怪的空软泥，结构似奶油冻，称为泥砾。它们由软沙质和富含粘土的基质中的软硬岩石碎片组成。这些土墩最初被解释为底辟构造，是向上侵入海底的相对粘稠的物质。使用水下摄影，他们发现了至少一个结构，那不勒斯圆顶，它仍然在喷出液体，并被细菌垫包围。* * *冷泉群落包括甲壳类动物。深拖地震仪也发现火山泥流从中央喷口向外辐射。因此，提出了一个问题:软泥结构是类似富含碎屑的泥质沉积物的穹丘或火山锥的粘性侵入体吗？
米兰泥火山的结果
第一个钻孔结构是东部的米兰穹顶(图2A)。地震反射数据显示，它具有宽边帽的形状，中央火山锥被终止于海底的倾斜侧翼包围。穹窿侧翼下的地震反射层向内倾斜，火山下形成碗状凹陷。这种独特的结构是如何形成的？从两个结构的外侧到脊部钻一个浅孔(小于200米)。在石灰质软泥中钻入几米深后，收集了大量的沉积物岩心，并在坚硬的砂质粘土中发现了分散的坚硬和柔软的岩石碎片(图3)。在这之下，我们发现了几层薄薄的层状深海沉积物，它们被富含粘土的砂、粉砂和砾石层依次覆盖，其中一些代表了浊流沉积的证据。令我们惊讶的是，船上的古生物学家确定的最低富含砾石层以下深海沉积物的年龄为1.75Ma。米兰结构非常活跃，至少是周期性的，周期很长。进一步的信息来自地球物理方法的测井曲线。地层显微镜扫描仪发现了至少半米厚的泥质泥石流和固结碎屑多次喷出形成的层状结构。
图2 160航次米兰泥火山(A)和那不勒斯泥火山(B)综合岩石地层图。
它们显示了两座泥火山下可见的地震反射层。米兰和那不勒斯泥质结构两翼之下存在向内倾斜的反射层，用于指示泥火山作用期间的逐渐沉降过程。纵坐标的深度是指海床以下的深度。
起初，人们认为富泥角砾岩代表了泥坑的泥石流。它们能分布在离喷发中心多远的地方？为了解决这个问题，我们从结构的侧面打了另一个钻孔。我们钻透了周围海底的典型沉积物(即半深海沉积物、磷酸盐软泥和腐泥)，结果表明，泥火山喷发流距米兰泥火山喷发中心不到1km。因此，我们钻得更靠近泥质结构，内翼的岩芯显示了另一种泥流的证据，因此山脊区域由砂质物质组成，可以形成中心堵塞结构。
当船上的地球化学家处理他们的数据时，他们惊讶地发现，从脊点收集的一些岩心显然充满了气体。冰冷的甲烷和水的混合物，称为笼形化合物(气体水合物)，存在于海床以下30 ~ 40m的深度。从海脊收集的溶液盐度相对较低，这意味着包合物在取样过程中被分解并带到了表面。相比之下，在更深的深度，孔隙水的盐度通常远高于地中海底层水:这是因为墨西拿时期蒸发盐的溶解。这种盐在晚中新世广泛沉淀，大约6 ~ 5 Ma前，当时地中海的海平面比现在低得多[9]。
图3米兰泥火山采集的厚层相对均质泥质泥石流典型实例。
上部为典型的“泥质角砾岩”结构，解释为泥石流；暗色碎屑(中)为应时砂岩，解释为浊积岩；照片底部附近的均质碎屑是大块的碎屑和砂岩；970A点，岩心10X，剖面1 56 ~ 82.5cm。
那不勒斯泥火山的结果
我们再次采用了钻一个钻孔剖面图的方法(图2B)。首先，将钻井套管定位在待开采的岩心的侧面之外，然后确定泥火山锥体羽状边缘的年龄。我们正位于目标上:在薄薄的深海沉积物下，钻穿了类似米兰泥火山上的泥质角砾岩，然后直接进入标准深海沉积物，确定其年龄为1.5 ~ 1.2 Ma或更老。为了查明这些角砾岩的厚度，他们被钻入中央火山锥底部附近的通道状断陷。钻至180m后，岩心钻速很低，仍处于富含泥浆的泥石流中。在这里，发现了石油和天然气的迹象:样品暴露在紫外光下，发出强烈的荧光。所以我们面临一个问题:为了安全起见，我们要关闭这个钻孔吗？但是，这里没有活跃的油气运移迹象，我们可以继续进行我们计划的最大深度。由于钻井条件差，尝试了地球物理测井，只有部分钻井成功。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。
钻入山脊区域的顶部。那里的沉积物充满了气体，含有刺激性的硫化氢气体。由于气体压力高，已采取安全预防措施，其成分表明它是一种与细菌降解有关的相对较浅的来源。这不能构成安全事故。我们可以按计划再取样几十米。很快，我们收集的软泥开始变干，结霜成结晶盐，有的甚至含有小块的结晶石盐，推测是在墨西拿时期。接下来，我们将船重新定位到1993年格连兹克探险队发现的活火山口山脊区域进行取样。取样进行得很顺利。当第三个核心到达甲板时，未经适当处理就爆炸了。泥浆溅得到处都是！原因是气体体积因温度升高而迅速膨胀。幸运的是，除了制作样品的人和一些包装袋很脏之外，没有人受伤。这是一起安全事故。虽然我们不想这样做，但是我们没有选择。当我们收起套管，这场激动人心的地中海东部泥火山探险就此结束。幸运的是，这些是我们计划钻的最后一个洞，几乎没有数据丢失。
5讨论
现在我们知道米兰穹窿是海底泥火山，至少在1.5Ma前开始形成，那不勒斯构造至少在1.5 ~ 1.2 Ma(图4A和b)。相对于火山中心，地震反射层向内倾斜，说明火山锥已经逐渐坍塌。早期喷发形成不稳定碎屑沉积物火山锥，包括泥质碎屑流和浊积岩。然后开始大规模流出泥流，深海聚集体四处散落，最终形成现在的火山锥。
气体水合物只能在有限的温度/压力范围内形成。如果一种温度相对较高的流体从深处溢出，它将是不稳定的。与此相一致的是，天然气水合物被发现与不活跃的米兰泥火山有关。相比之下，主动喷射流体和气体的那不勒斯火山似乎缺少气体水合物。
是什么驱动了地中海脊北部边缘附近的泥火山作用？作为中生代特提斯海的残余，该区地中海深部盆地处于非洲板块与欧亚板块碰撞闭合的最后阶段，增生楔的北缘向北插入克里特岛南部大陆地壳之下。这个挤压带可能是超压富流体矿床的所在地。通常，明显堆积在其上的厚厚的深海沉积物层会阻止这种物质向上移动。然而，当地中海脊的逆冲断层作用被触发时，它被用作超压物质向上移动到海底的一种方式(图5)。至少部分填充物质可能来自挤压带晚中新世墨西拿的无化石软泥。石灰岩和砂岩碎屑的可能原因是它们被水力破碎和物理剥蚀的混合作用挤出上覆的中新世增生沉积物。富含泥浆和碎屑的物质被带到顶部，最后喷出海底，形成多级泥石流。
图4米兰泥火山(a)和那不勒斯泥火山(b)解释剖面
泥泞的碎屑从中央火山口流出，聚集在凹陷的山谷洼地或邻近地区；1—弹射区；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展阶段
第一阶段早期喷发形成碎屑火山锥；第二阶段，多碎屑流形成为泥火山的主体结构，这与边缘谷洼的逐渐沉降有关
6结论
通过对地中海东部泥丘10天的考察，我们对深海泥火山作用有了重要发现。已知米兰和那不勒斯的泥穹是海底泥火山，可能类似于汇聚边缘下的环境，像巴巴多斯俯冲杂岩。对于岩浆火山来说，这些泥火山似乎有几百万年的周期。在其他海底构造活跃区可以发现更多的泥火山。毫无疑问，其他科学家将很快继续调查这一奇特的地质现象。
在所有的深海钻探航行中，没有船长、船员和海洋技术人员的支持，将一事无成。
(周丽君译，徐东语校)
参考
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