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Nature:大洋转换断层处的拉张构造与两阶段地壳增生
2021-07-07 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  转换断层是三种基本的板块边界之一,全球总长度超过48 000 kmBird, 2003),它们的发现为板块构造理论的建立奠定了重要的基础(Wilson, 1965)。根据断层所切穿的地壳类型,转换断层可分为大洋与大陆两类。大洋转换断层形成于两个平行的扩张洋脊区段之间,沿着它们,年龄不同的大洋岩石圈彼此相对滑动(图1Ito2021),具有典型的走滑性质。大洋转换断层及其相连的破裂带在协调构造板块的水平运动、建立洋脊与海沟联结等方面发挥着重要作用(Hensen et al., 2020)。同时,大洋转换断层也是地震活跃带,常伴有大地震或海啸的发生,例如,2012年的苏门答腊-沃顿盆地地震(M8.6)和1941年的大西洋Gloria地震(M8.4)都发生在与大洋转换断层相连的破裂带上(Hensen et al., 2020)。因此,大洋转换断层具有重要的研究意义。 

1 大洋转换断层示意图 (Ito, 2021)。两条平行的红色粗线代表扩展洋脊,蓝色区域代表转换断层变形区。Grevemeyer et al.(2021)的模拟结果发现该区域既遭受剪切又遭受拉张,后者造成了转换变形区更深的水深

  在板块构造原本的框架中,转换断层处构造板块的物质既不生成,也不消减。近期,来自德国亥姆霍兹海洋研究中心的Grevemeyer及其合作者在Nature上发表文章(Grevemeyer et al., 2021),更新了我们对大洋转换断层的传统认识。作者研究发现:洋中脊处新生的洋壳在转换变形区(图1中的蓝色区域)遭受了倾斜拉张减薄,当它们穿过相邻的洋脊时又被第二期岩浆作用所加厚。据此他们提出:转换断层造成了洋壳的拉张和两阶段增生,在塑造海底形态方面发挥着积极的作用,并非如传统板块构造认为的转换断层只是保守型板块边界。 

  Grevemeyer等收集并分析了全球41个大洋转换断层系统的高分辨率多波束海底地形数据,发现转换变形区(转换峡谷)的水深都显著大于域外的破裂带(多达1.6 km;图2)。这种快速的水深变浅与传统观点,即洋壳随着年龄的增大其水深不断增加相矛盾。在进一步分析转换峡谷水深与洋脊扩张速率之间的关系之后,他们发现:在慢速(20-55 mm/yr)或超慢速(<20 mm/yr)扩张洋脊处形成的转换峡谷水深最大,而在快速(55-140 mm/yr)扩张洋脊处形成的转换峡谷水深最小。换句话说,转换峡谷的深度与转换断层两侧的洋壳年龄的差异有关,年龄差异越大,转换峡谷越深,反之亦然。为了解释这一现象,Grevemeyer等利用开源的计算地球动力学程序ASPECTKronbichler et al., 2012)开展了三维数值模拟实验。数值模拟基于粘-塑性流变模型开展,通过在模型的上表面施加一个走滑型的速度边界条件来驱动模型的演化。模拟结果显示,转换断层处的板块边界随着深度不断倾斜,由此引发了水平伸展(图3)。伸展导致了转换变形区岩石圈的减薄和水深的加深,伸展和加深量随着转换断层两侧洋壳年龄的差异的增加而增大。由于扩张速率越慢,转换断层两侧洋壳年龄相差越大,因此,模拟结果合理地解释了转换变形区水深加深及其与洋脊扩展速率的关系。Grevemeyer等的模型并没有模拟岩浆与熔流体作用(Chen and Faccenda2019),作者将从转换变形区到破裂带水深变浅的现象归因于相邻洋脊的岩浆充填与再造,主要依据是域外平行于临近洋脊的一系列“J”形脊、圆形火山穹隆以及其他山丘状的地形特征(图2中的椭圆区域)。类似的“J”形脊之前在中快速扩张洋脊附近已有报道(Lonsdale, 1986; Fornari et al., 1989),但是Grevemeyer等在所有类型的扩张洋脊都发现有这样的地形特征,作者认为转换变形区与破裂带之间的水深变浅现象与扩张速率无关。 

2 不同扩张速率的洋脊与转换断层相交处的水深(Grevemeyer et al., 2021)。(a)洋脊、转换断层及破裂带之间几何接触关系的示意图;(b)东太平洋海隆北部的Eastern Clipperton洋脊,代表快速扩张洋脊(103 mm/yr);(c 东南印度洋脊处的Vlamingh转换断层-洋脊系统,代表中速扩张洋脊(63 mm/yr);(d 南大西洋东段的洋脊-转换断层系统,代表慢速扩张洋脊(32.8 mm/yr);(e 西南印度洋脊北部的Marion转换断层-洋脊系统,代表超慢速扩张洋脊(16.5 mm/yr);(f )西南印度洋脊南部的Atlantis II转换断层-洋脊系统,代表超慢速扩张洋脊(14.8 mm/yr)。黑色点线指示扩展洋脊的轴,实线(黑或白)表示转换变形区,虚线(黑或白)代表破裂区,黑色椭圆指示域外破裂区发育的“J”形脊、火山锥或圆丘

3 洋脊-转换断层相互作用的数值模拟(Grevemeyer et al., 2021)。彩图显示的是粘度结构。转换断层两侧大洋板块年龄的差异造成了强度的非对称性,这导致转换边界往下不断倾斜。绿线表示板块在不同深度上的边界,灰色箭头代表地幔流动的方向,流速大小正比于箭头的长短

  Grevemeyer等的发现和解释更新了我们对大洋转换断层的认知,但其中某些结论仍然有待进一步检验和审视。例如,(1) 转换变形区发生的地震主要走滑性质的,并非是张性的(见Ito, 2021及其引文);(2) 重力测量显示在慢速扩张洋脊附近洋壳并未增厚(Gregg et al., 2007);(3) 相邻洋脊处产出的岩浆如何在外侧形成一系列平行于洋脊的“J”形脊仍然不清楚。此外,作者也未探讨大洋转换断层如何形成的问题(Gerya, 2010, 2016)。未来转换断层研究的突破将有赖于更详细的海底观测、更多洋脊附近岩石样品的获取和地球化学分析以及更切实际的动力学模拟研究。    

  主要参考文献

  Bird P. An updated digital model of plate boundaries[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2003, 4(3). 

  Chen L, Faccenda M. Subductioninduced upwelling of a hydrous transition zone: Implications for the Cenozoic magmatism in northeast China[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2019, 124(11): 11489-11504. 

  Gerya T. Dynamical instability produces transform faults at mid-ocean ridges[J]. Science, 2010, 329(5995): 1047-1050. 

  Gerya T V. Origin, evolution, seismicity, and models of oceanic and continental transform boundaries[M]//Plate Boundaries and Natural Hazards. AGU Geophysical Monograph Series, 2016, 219: 39-76. 

  Gregg P M, Lin J, Behn M D, et al. Spreading rate dependence of gravity anomalies along oceanic transform faults[J]. Nature, 2007, 448(7150): 183-187. 

  Grevemeyer I, Rüpke L H, Morgan J P, et al. Extensional tectonics and two-stage crustal accretion at oceanic transform faults[J]. Nature, 2021, 591(7850): 402-407. 原文链接 

  Hensen C, Duarte J C, Vannucchi P, et al. Marine transform faults and fracture zones: a joint perspective integrating seismicity, fluid flow and life[J]. Frontiers in Earth Science, 2019, 7: 39. 

  Ito G. Oceanic fault zones reconstructed[J]. Nature, 2021, 591: 376-377. 

  Kronbichler M, Heister T, Bangerth W. High accuracy mantle convection simulation through modern numerical methods[J]. Geophysical Journal International, 2012, 191(1): 12-29. 

  Wilson J T. A new class of faults and their bearing on continental drift[J]. Nature, 1965, 207(4995): 343-347.

  (撰稿:陈林/岩石圈室)

 
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