洋中脊作为离散型边界，是大洋的扩张中心和新洋壳的产生地带。当今洋壳占约三分之二的地球表面积，因此理解洋中脊处洋壳的增生和变形过程是认识板块构造和地球演化的关键。海洋地震学探测是获取相关信息的重要途径。但与大陆板块边界地区相比，洋中脊地区往往为深水覆盖，布设地震仪器的成本更高、难度更大，难以保障观测数据在数量和质量上满足研究需求。
受地幔柱上涌影响，冰岛地区的大西洋洋中脊抬升至海平面之上，因此是研究洋壳形成、扩张洋脊动力学、地幔柱和洋中脊相互作用的理想地区。该地区大西洋洋中脊的扩张方向为106°，扩张速率为18.5 mm/yr，扩张过程由一系列火山裂谷作用所调节（图1a）。可能受地幔柱位置变化的影响，冰岛的活动裂谷带位置整体发生了东向跃迁。当前地幔柱头位于Vatnajokull冰盖附近区域下方(Shorttle et al., 2010)，因此东裂谷带可能正逐渐取代西裂谷带。冰岛的地壳远厚于正常洋壳的平均7 km厚度，且呈显著空间变化（图1b；Jenkins et al., 2018）：在Vatnajokull冰盖附近区域最厚，向外围具有逐渐减薄的趋势。这种变化特征可能受裂谷作用和地幔柱活动共同控制。冰岛地壳温度整体较高，地温梯度为40-50 ℃/km (Flóvenz & Saemundsson, 1993）。因此孕震深度较浅，约为7 km，该深度上方的上地壳以脆性变形为主，变形特征可以直接通过地震和地表地质观测约束。而更深部的下地壳可能以韧性变形（地壳流）为主，但对其观测十分困难。地震各向异性是地球内部变形的直接反映，剪切波在各向异性介质中传播时，波速会随传播方向/偏振方向的变化而变化。因此利用剪切波获取地球内部各向异性信息，是认识地球内部变形特征的有效手段。前人主要针对冰岛的上地幔各向异性开展了研究，对下地壳各向异性及变形特征的认识相对不足。
图1 冰岛构造图。(a) 火山裂谷带分布特征。黑色虚线和实线分别表示不活跃和活跃的火山裂谷带(Harearson et al., 2008)；NVZ、EVZ、WVZ分别表示北、东、西火山裂谷带；Vatnajokull冰盖大致对应于地幔柱头的位置；图片引自Jenkins et al., 2018；(b) 地壳厚度变化。插图显示了台站对分布和地震射线路径的覆盖范围
最近，英国剑桥大学的Omry Volk等与德国GFZ学者合作，基于背景噪声数据获取了冰岛地区75个台站对之间路径上垂直极化（VSV）和水平极化（VSH）的剪切波速度结构，并计算了相应的径向各向异性参数ξ = (VSH/VSV)2，以约束地壳变形模式，相关结果发表于Nature Geoscience (Volk et al., 2021)。他们的观测显示（图2），冰岛地区上地壳（尤其是0-5 km）的平均径向各向异性参数ξ明显小于1，即水平极化的剪切波速VSH小于垂直极化的剪切波速VSV。这种各向异性特征可能与板块扩张过程中大洋上地壳的变形方式有关：脆性上地壳整体发生伸展变形，导致裂隙和火山裂谷带中的侵入岩墙发生定向排列，从而造成VSH < VSV。在更深处～10-35 km的下地壳范围，ξ显著大于1，即VSH > VSV（图2）。作者推测下地壳这种各向异性的成因主要有两种：（1）大洋下地壳具有分层结构，并已在折返洋壳中获得了观测证据(Jousselin et al., 2012)。对于细密成层的层状介质，当地震波波长远大于薄层厚度时，虽然各薄层的组成矿物本身是各向同性的，但由于各层的弹性参数不同而总体上表现为各向异性特征(Backus, 1962)。这种各向异性属于SPO（Shape-preferred orientation）型，ξ不随方位变化。（2）下地壳的韧性变形导致各向异性矿物发生沿特定方向的晶格优选定向（Lattice-preferred orientation，LPO），产生各向异性。LPO型的各向异性会导致ξ随方位明显变化(Bastow et al., 2010)。
图2 研究区平均一维速度结构及径向各向异性。（a）蓝色和橘黄色实线分别表示基于不同初始模型反演得到的VSV和VSH速度模型。插图显示了用于反演的Love波（橘黄色）和Rayleigh波（蓝色）的观测（点）和拟合（实线）频散曲线；（b）研究区平均径向各向异性的深度变化。不同线条表示来自不同初始模型的结果（Volk et al., 2021）
由于不同台站对之间的地震射线传播方向不同（图1b插图），作者借此分析了径向各向异性的方位变化特征以进一步约束各向异性成因（图3）。结果显示，上、下地壳径向各向异性都具有方位变化特征，而且这种变化和洋中脊扩张方向具有很好的一致性。这进一步表明，上地壳径向各向异性与上地壳伸展变形有关；下地壳则存在LPO型各向异性。由于冰岛下地壳可能富含橄榄石(Jenkins et al., 2018)，因此其各向异性可能受控于橄榄石的LPO特征。作者推测，冰岛下方存在与洋中脊扩张方向一致的地壳流，不仅使下地壳物质发生迁移，而且流动层内部可能存在速度梯度，使下地壳物质发生剪切变形从而产生了各向异性。
图3 径向各向异性的方位变化。黑点代表不同台站对的径向各向异性（Volk et al., 2021）
如果Volk等提出的地壳流模式是合理的，那么对于足够厚且足够热并同时发生伸展变形的洋壳，比如火山型大陆裂解边缘（如北大西洋被动陆缘附近，White et al., 2008）、地幔柱与洋中脊相互作用的地区（如东太平洋洋隆、西南印度洋洋中脊、南大西洋南部洋中脊，Whittaker et al., 2015），就可能存在地壳流。对于一些早先普遍认为是地幔柱成因、但新观测发现可能形成于洋底扩张环境的大洋高原（如西北太平洋Shatsky隆起，相关前沿报道见《NG：大塔穆火山成因新解》），可能也会出现类似的地壳流现象。由于地球是在不断冷却的，所以在遥远的地质历史时期，大洋地壳流的存在可能比现今更为广泛。因此，Volk等研究的重要性不仅在于解释了冰岛的区域性地壳流，而且对于认识全球大洋地区地震各向异性、洋壳的流变特征、洋壳增生和变形过程及其机制具有普遍意义。此外，他们获得的大洋下地壳可能存在与地幔类似的显著LPO型各向异性观测，也为更有效地分析远震剪切波分裂结果、开展大洋壳幔变形综合研究提供了基本约束。
主要参考文献
Backus G E. Long‐wave elastic anisotropy produced by horizontal layering[J]. Journal of Geophysical Research, 1962, 67(11): 4427-4440.
Bastow I D, Pilidou S, Kendall J M, et al. Melt‐induced seismic anisotropy and magma assisted rifting in Ethiopia: Evidence from surface waves[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2010, 11(6).
Flóvenz ó G, Saemundsson K. Heat flow and geothermal processes in Iceland[J]. Tectonophysics, 1993, 225(1): 123-138.
Harearson B S, Fitton J G, Hjartarson á. Tertiary volcanism in Iceland[J]. Jokull, 2008, 58: 161-178.
Jenkins J, Maclennan J, Green R G, et al. Crustal formation on a spreading ridge above a mantle plume: receiver function imaging of the Icelandic crust[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2018, 123(6): 5190-5208.
Jousselin D, Morales L, Nicolle M, et al. Gabbro layering induced by simple shear in the Oman ophiolite Moho transition zone[J]. Earth & Planetary Science Letters, 2012, 331-332(none):55-66.
Shorttle O, Maclennan J, Jones S M. Control of the symmetry of plume‐ridge interaction by spreading ridge geometry[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2010, 11(7).
Volk O, White R S, Pilia S, et al. Oceanic crustal flow in Iceland observed using seismic anisotropy[J]. Nature Geoscience, 2021, 14(3): 168-173.（原文链接）
White R S, Smith L K, Roberts A W, et al. Lower-crustal intrusion on the North Atlantic continental margin[J]. Nature, 2008, 452(7186): 460-464.
Whittaker J M, Afonso J C, Masterton S, et al. Long-term interaction between mid-ocean ridges and mantle plumes[J]. Nature Geoscience, 2015, 8(6): 479-483.
（撰稿：高一帆，陈凌/岩石圈室）
