西太平洋麦哲伦海山链的海山地貌及成因

朱本铎，梁德华，崔兆国

(广州海洋地质调查局，广东 广州，510760)

摘要：中、西太平洋海域的海山年龄介于65 Ma~150 Ma 之间，均为白垩纪以来多期岩浆活动所形成，基底为白垩世玄武岩。海山按形态、构造等因素分为平顶型海山和尖峰型海山2类。麦哲伦海山链位于西太平洋，发育的海山均为平顶型海山，海山水深1 500~6 000 m，通常由1个大型主体海山和1个伴生海山构成。海山顶部发育大规模的山顶平台，地形平坦；海山山坡地形陡峭，并呈上陡下缓的形态；海山平台覆盖较厚的第四纪有孔虫砂和钙质软泥。麦哲伦海山链是一组板内火山型海山，为多期大规模的海底火山活动形成，呈十分复杂的海底地貌和构造形态。海山基底形成后随着太平洋板块的扩张而不断漂移，在水平漂移的同时还发生了垂直方向上的升降，出露海面形成海岛，山顶被夷平，或上升至离海面较近的浅水位置接受浅海相沉积，后又沉降水深至大于1 000 m的海底，构成大规模的海山链。

关键词：麦哲伦海山链；海山地貌；地貌成因

中图分类号：P736.12          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)S2-0092-07

Geomorphologic characteristics and genesis of Magellan seamount chain in the western Pacific

ZHU Ben-duo, LIANG De-hua, CUI Zhao-guo

(Guangzhou Marine Geological Survey Bureau, Guangzhou 510760, China)

Abstract: The age of the mid and western Pacific seamounts changes between 60 Ma and 150 Ma. These seamounts were formed by magma activities since Cretaceous, and their substrate rocks are Cretaceous basalts. The study results indicate that these seamounts can be divided into top flat seamounts and spire seamounts according to their shape and tectonic features. Magellan seamounts chain locates in western Pacific and is composed of top flat seamounts. Magellan seamounts lay in 1 500 m to 6 000 m depth, usually composing of a main large seamount and an associated small seamount. The top flat seamount is characterized by large flat roof and steep slope with the listric shape. The flat roofs are covered by Quaternary foraminifer sand and calcium ooze. Most of the seamounts belong to intraplate volcanic seamounts resulted from multiple submarine and plate movements. Complicated submarine morphology and tectonic landform originate from multi-phase large scale volcanic activities. The seamounts drifted with the Pacific Plate extension after the formation of the substrate, then the seamount chains and groups were affected by the activities of active fracture zone hot spots. The seamounts drifted horizontally accompanied by vertical uplift and drop. Some seamounts came out of the sea level as islands with the top eroded, some uplifted near the sea level covered by neritic sediments, and then subsided to the sea bottom of more than 1 000 m depth and constructed large scale seamount groups.

Key words: Magellan seamount chain; geomorphology of seamounts; geomorphologic genesis

中、西太平洋的洋壳主要形成于中生代，西部洋壳年龄超过了165 Ma，海底发育大量海山和海底高 原^[1]。这些海山并非无序地散落在大洋盆地上，而是按一定的规律排列构成多个海山区或海山链，如皇帝－夏威夷海岭、莱恩海山链、中太平洋海山区、马绍尔海山链、马尔库斯－威克海山区、吉尔伯特海山链、麦哲伦海山链等(图1)。海山是太平洋板块扩张和板块内地幔柱共同作用的产物，也是研究板内岩浆活动及板块扩张活动历史的良好海域。

同一海山区内的海山，由于地质构造条件和发育演化历史相近，其地貌特征往往有一定的规律性可循。麦哲伦海山链位于西太平洋的东马里亚纳海盆，西邻马里亚纳海沟，是库拉板块内部规模较大的1条海底火山链，北北西走向，由十余座大型平顶型海山组成。本研究以麦哲伦海山链中的5个海山为例，研究该海山链中海山的地貌特征及其成因。5个海山暂命名为WA，WB，WC，WD和WE。本研究所用的资料包括海山的全覆盖多波束水深数据、海山岩石样品测年、地质取样等，均为大洋项目研究所测量和处理，数据质量可靠。研究的海山位置图如图1所示。

1  海山的分类与组合

现有的研究表明^[2-3]：中、西太平洋的海山按其地貌形态和构造特征可分为平顶型海山和尖峰型海山2类。2类海山在产出和组合形式、地形地貌、成因与演化等方面均有明显差异。平顶型海山的山体规模较大，在发展历史上，曾经露出海面遭受较长时期风化剥蚀，形成大规模的山顶平台，后沉没水下，山顶沉积物发育；尖峰型海山的山体较小，一般未出露海面或出露时间甚短，故未能形成大规模的平台，山顶沉积物不发育或甚薄。

麦哲伦海山链发育的海山均为平顶型海山，一般由1座或2座相对独立的大型平顶海山构成，并发育小型伴生海山，海山之间或以谷地分隔，或以山脊相连，组合为小型“海山区”。

本研究的5个海山中除WD海山为一孤立的大型平顶型海山外，WA，WB和WC等3个海山区均由一大型主体海山和一小型伴生海山构成，WE海山区由2个形态和规模都较为相似的海山构成，海山之间以盆地相隔。表1为5个海山的地形要素统计，从表中可看出：WA海山区和WC海山区的主体海山(WA-1和WC-1)规模最大，面积分别为10 727 km²和10 663 km²，这2个海山区的伴生海山(WA-2和WC-2)规模最小，面积分别为789 km²和1 359 km²； WB海山区的伴生海山(WB-2海山)面积为2 091 km²，除此3个伴生海山规模较小外，其他海山的面积都超过3 000 km²。

WA-2、WB-2为伴生海山，山体规模较小，山顶平台规模也相对较小，面积在125~366 km²之间。其他海山的山顶平台面积都超过1 000 km²，WC-1海山的平台面积更是达到3 102 km²。整体上，平顶型海山发育地形平坦和规模庞大的山顶平台，平台与整个海山的面积比大于10%。

图1  研究海山位置图

Fig.1  Location of seamounts in studied area

表1  海山地形要素统计

Table 1  Elements of the seamounts

2  海山地貌

2.1  海山地貌的基本特征

海山由地形平坦的平台和陡峭的山坡这2个大型地貌单元构成。从表1分析可见，海山的山顶平台水深为1 500~2 400 m，山麓水深一般为3 700~5 500 m，其中WB和WC 2个海山区4个海山的平台边缘水深等于或超过2 000 m，其余海山的平台边缘水深在    2 000 m以浅。一般而言，山顶平台地形平坦，地势自中心向平台周边下降，最大高差小于300 m，平均坡度在2°以内。而且平台地形随水深向周边增大，坡度也逐渐增加，形成离平台中心越远，水深和坡度越大的地貌格局。平台或发育少量洼地、隆丘、海丘等微地貌单元。

海山山坡自山顶平台边缘延伸至4 500~5 500 m水深段，山麓与大洋盆地相接，地形坡度在12.5°~20.0°之间，最大高差达4 000 m。山坡一般呈上陡下缓的地形特征，上坡段地形陡峭，下坡段地形平缓。一些平顶型海山的山坡坡度分带显著，相同坡度的地貌单元环绕山坡展布，水深对地貌的控制作用较为明显；一些平顶型海山的山坡地貌单元则分布不规则，水深对地貌的控制作用不明显。山坡上多发育陡坎、洼地、隆丘等微地貌单元，多数海山山坡发育大规模的山脊，垂直贯穿整个山坡，脊顶与脊底水深高差500~      1 000 m。

2.2  典型海山地貌分析

麦哲伦海山链中部WA海山为平顶型海山。如WA海山地形图(图2)、三维地形图(图3)所示：海山平面投影大致呈椭圆状，长约130 km，向NE方向延伸。WA海山山麓水深为5 500 m，在3 000 m以浅的山坡开始发育成2个平顶型海山，分别为WA-1海山和WA-2海山。WA-1海山规模庞大，为主体海山；WA-2海山相对规模较小，属伴生海山，两海山之间相距约10 km。海山由宽阔平缓的山顶平台和陡峭的山坡所构成，总面积为11 516 km²。

2.2.1  WA-1海山

山顶平台长63.5 km，平台边缘水深1 500~1 650 m，中心最小水深约1 350 m，与边缘的最大高差为300 m。如海山地形剖面图(图4)所示：整体上平台中心地势高，地形向边缘缓缓倾斜下降，坡度在0.5°~2.0°之间。在山顶平台南部边缘地带1 500 m水深线附近，发育2个小型深坑。深坑直径均约为3 km，两者相距约28 km，水深至少达2 950 m，与平台高差达1 450 m。这2个深坑存在的可靠性已得到2次多波束测深的资料证实，推测为后期岩浆作用形成的熔岩隧道(图3)。

海山山坡自山顶平台边缘1 500 m水深开始，山坡水深急速增大，到山麓最大水深达5 000 m，高差3 500 m，形成陡峭的山坡，其中4 000 m以浅水深段最陡，平均坡度为10.9°；4 000 m以深的近山麓坡段，地形明显变缓，平均坡度为4.3°。

相同坡度的地貌单元大致上呈条带状环绕海山山坡分布，其中从山坡到山顶平台的转折地带地形最为陡峭，局部坡度超过30°，其形成可能与断裂有关。山坡上发育多个凹谷、隆丘、洼地等微地貌单元。3条大型山脊发源于山顶平台边缘，沿山坡延伸到山麓。山脊脊顶与脊底的最大高差超过1 000 m，且随山脊向下延伸，高差也逐渐减小。

图2  WA海山地形图

Fig.2  Geomorphologic map of WA seamount

图3  WA海山三维地形图

Fig.3  3-Dimension geomorphologic map of WA seamount

2.2.2  WA-2海山

海山山顶平台形态似三角形，中心最小水深度为1 650 m。平台地形呈低缓圆锥状，向四周均匀下降，至平台边缘水深增大为1 850~1 900 m。平台北部地形略为陡峭，平均坡度为3.2°。

从海山地形剖面图(图4)上可见：WA-1和WA-2 2个海山山坡连成一体，地貌特征也相似。在3 000 m以内，WA-2海山从山顶到山坡的转折地带形成陡坡，平均坡度超过15°，呈狭窄的条带状环绕于山顶平台。

图4  WA海山地形剖面图

Fig.4  Geomorphologic profile of WA seamount

2.2.3  地质特征

WA-1 和WA-2海山平台上的表层第四纪沉积物均以松散有孔虫砂为主，平台边缘分布有上新统-更新统粉砂岩和粉砂质泥岩，覆盖在玄武岩和火山角砾岩之上。WA-1平台的东北边缘局部地段出露有始新世的生物碎屑灰岩和有孔虫灰岩，生物碎屑成分有贝类、螺类、珊瑚碎片等。海山4 000 m以浅山坡上一般无沉积物覆盖，地层以早白垩世火山角砾岩和晚白垩世玄武岩为主，局部分布火山碎屑岩^[4]。麦哲伦海山链受大型转换断层的控制，整体走向为北北西向，但海山链内海山的山体走向一般为北东向或近南北向，与海山链整体方向不一致，如WA海山，表明海山的形成可能受到局部断裂活动所控制。

3  海山的成因探讨

3.1  海底构造背景

麦哲伦海山链作为太平洋板块内的一组海山，其形成、演化与板块内其他海山链发展史紧密相关，研究其成因必须与其他海山区或海山链作为一个整体。太平洋板自中新世以来一直往西北方向漂移，现今仍以70.1 mm/ a 的速度向西北移动^[5]。从西太平洋海底磁条带的分布可见(图5)：莱恩海山链、吉尔伯特海山链、马绍尔海山链和麦哲伦海山链所在的位置对应的磁条均被错开，表明北西向断裂的存在，这些海山链受断裂带的控制呈北西向排列。此外，太平洋发育众多北东东或近东西向的转换断层，规模较大者如门多西诺断裂带、墨里断裂带、莫洛凯断裂带、克拉里昂断裂带和克拉帕断裂带等。北西和北东东2组不同方向断裂带的交汇，对海山区的形成起着重要控制作用，中太平洋海山区和马尔库斯-威克海山区即位于上述2组断裂的交汇部位。

图5  西太平洋海底磁条带分布图^[5]

Fig.5  Magnetic lineation in Pacific submarine (modified from Atsushi, 1992)

3.2  海山的形成和演化

3.2.1  海山基底的形成

海山链的形成反映的不但是海底火山的喷发作用，也反映了板块的移动轨迹。现有研究证实，移动的板块经过地幔热点时，如果热点附近的板块内部存在断裂，地幔岩浆即有可能沿着这些破裂构造贯入和喷出，形成海山^[6]。海山链的形态特征和展布方向的改变，除板块活动为主因外，往往还受到板内断裂等局部构造的控制。

据现有资料，中、西太平洋的“海山造山作用”，亦即导致海山形成的大规模火山岩浆喷发活动主要发生于晚侏罗纪-白垩纪。中太平洋海域在白垩纪发生过2次强烈的岩浆喷发，时间分别为87~89 Ma 和120~123 Ma^[7]，岩浆沿断裂带或断裂的交汇部位贯入和喷出，形成了众多海山的基底。而在西太平洋海域，库拉板块内部的扩张作用产生北西向转换断层。从侏罗纪至第三纪期间，沿该转换断层先后发生过5次强烈的火山活动，最终形成了麦哲伦海山链的基底^[8]。

3.2.2  海山的漂移

中、西太平洋海山的同位素年龄多在65 Ma~150 Ma之间，其分布有自北西向南东逐渐变新的趋势，证实海山链的形成与太平洋板块的不断扩张有关。从早白垩到Aptian 期，海山群随太平洋板块向西偏南方向运动；在晚Aptian (约110 Ma)之后，板块运动方向转向西北，海山群漂移至今天的位置^[9]。上述海山漂移的主要证据如下：

(1) 武光海等^[2]通过对中太平洋海山Allison 和Resolution基底玄武岩的古地磁研究，得出的结论为2个海山起源于南太平洋的法属玻利尼西亚群岛海域(14.2°S)，后漂移至现今的位置。

(2) 中、西太平洋海山的年龄总体上从东南向西北逐渐增大，这证明热点和板块扩张共同作用形成海山，使海山年龄有规律的递增。但具体到每个海山链或海山区，海山年龄并不是遵循线性递减规律，这表明海山的形成还受到多个热点和多期火山活动的影响。在麦哲伦海山链，WB、WA、WD、WE、WC海山区自东南向西北方向排列(图1)，从海山玄武岩的年龄(表2)分析，海山的年龄整体上按其排列方向递增，但有些海山的年龄并不符合此变化规律。这可能是因为麦哲伦海山链经历了五期火山活动，海山在漂移的同时，经历了不同时期不同热点作用所至。WE海山区的2个海山年龄相差10 Ma，证明同一小型海山区的海山也不是同期形成。

表2  麦哲伦海山区玄武岩同位素年龄

Table 2  Basalt ages of Magellan seamounts

(3) 部分海山空间排列不规则，如中太平洋海山区和马尔库斯－威克海山区中的海山。这一现象被认为起因于多个热点共同作用引起多期岩浆活动以及太平洋板块漂移方向变化的综合结果^{[2, 10]}。另外，麦哲伦海山链的海山区一般发育2个以上的海山，它们可能起源于不同期次的岩浆活动。海山山坡常发育海丘、台地、山脊等小型地貌，表明海山形成之后有岩浆活动对海山地貌进行改造。

3.2.3  海山的升降

火山作用只是造成了海山玄武岩基座的形成。中、西太平洋大量平顶型海山的存在，以及海山山顶平台上的陆源沉积，均表明海底火山曾经一度露出海面和遭受风化剥蚀，此后再度下沉至海面之下，成为现今的平顶海山。这一认识的主要证据如下：

(1) 地震波反射资料、同位素资料及钻探直接获得的地层资料，证实不少海山上存在喀斯特地貌^{[2, 11]}。这表明平顶型海山曾处于热带海域接受浅海碳酸岩沉积后出露水面，海山顶部有陆地生物繁盛的历史，此后再沉降于海底。

(2) 麦哲伦海山链的海山平台普遍发育第四系有孔虫砂和硅钙质粘土，并含珊瑚和贝壳碎片，证明海山顶部曾在浅海位置接受沉积。 “海洋四号”调查船曾在莱恩海岭北端的海山顶部采到的样品中，发现鹅卵状的硅质岩石^[12]，表明此类平顶型海山顶部曾处于滨海环境，岩石受到风化和波浪冲刷。

4  结论

(1) 中、西太平洋的海山可分为平顶型海山和尖峰型海山2种类型。麦哲伦海山链的海山均为平顶型海山，由平坦的山顶平台和陡峭的山坡构成。平台与海山的面积比大于10%，边缘水深在1 400~2 400 m之间，平均坡度在2°以内。山坡自山顶平台边缘延伸至4 500~5 500 m水深段的山麓与大洋盆地相接，地形坡度在12.5°~20°之间，最大高差达4 000 m。山坡地形特征为上陡下缓，并发育陡坎、洼地、隆丘和大型山脊。

(2) 海山基座的形成起因于海底火山喷发，基座岩石主要为拉斑玄武岩和橄榄玄武岩，多形成于65 Ma~150 Ma 之间。岩浆沿库拉板块内的一条转换断层经过5次喷发，形成麦哲伦海山链的基座。

(3) 海山链的形成则是海底火山的喷发与海底扩张、以及板内断裂活动联合作用的结果。麦哲伦海山链的海山形成后在随板块漂移过程中，曾一度露出海面遭受风化剥蚀，此后才逐渐下沉至现在的位置。

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(编辑 何运斌)

收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-07-15

基金项目：国际海底“十一五”开发研究项目(DY115-01-01-05，DY115-01-01-03)

通信作者：朱本铎(1968-)，男，广东台山人，教授级高级工程师，从事海洋地质研究工作；电话：020-82251626；E-mail：zhubd@hydz.cn