徐浩波，管清勝,3，許明珠,4，刁云云

(1.自然資源部 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012;2.自然資源部 海底科學重點實驗室,浙江 杭州 310012;3.南京大學 地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210023;4.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590)

0 引言

通常認為洋中脊是巖漿作用活躍的離散邊界，然而在慢速和超慢速擴張洋中脊，存在著一些缺乏巖漿作用卻構(gòu)造作用活躍的洋脊段，它可發(fā)育長周期(1～2 Ma)、大斷距(>10 km)、低角度(約為30°)的拆離斷層[1-5]。已有研究表明拆離斷層的形成與演化受巖漿供給量以及軸部巖石圈厚度、溫度、擴張速率等因素的控制[6-10]。TUCHOLKE et al[8]通過數(shù)值模擬得出，拆離斷層形成時巖漿通量占洋中脊擴張的比例為30%～50%，這一結(jié)果在大西洋慢速擴張洋中脊拆離斷層的觀測中得到了證實。一些數(shù)值模擬研究顯示洋中脊發(fā)育拆離斷層需滿足軸部脆性巖石圈厚度小于15 km 的條件，否則只能形成排列密集的斷層[6]。根據(jù)巖石力學原理，當脆性巖石圈厚度大于15 km，維持拆離斷層滑動的撓曲力呈指數(shù)上升，大大超過新斷層形成的剪切屈服應力，形成正斷層；反之，則可能形成拆離斷層[7,10]。在拆離斷層發(fā)育過程中，隨著海水進入斷層通道，斷層面的幔源橄欖巖發(fā)生蝕變或者水化，形成蛇紋巖化橄欖巖，極大地降低斷層面周圍巖石的強度[11]，完全的蛇紋巖化作用將導致巖石強度降低30%～60%[12]，而巖石強度的降低將有利于拆離斷層的持續(xù)發(fā)育[13]。

在西南印度洋中脊(Southwest Indian Ridge,SWIR)東段存在典型非巖漿擴張段，海底為一種獨特的光滑地形，軸部巖石圈厚度可達20～25 km[14]，玄武巖地殼非常薄或缺失[15-17]，兩翼為連續(xù)發(fā)育的拆離斷層面[18-20]。SAUTER et al[19]的海底擴張模型描繪了發(fā)育光滑地形的過程，如在洋脊軸部兩翼，斷層的傾向會不斷地發(fā)生翻轉(zhuǎn)以及拆離斷層的板塊擴張量占擴張總量的絕大部分等。但對于在SWIR連續(xù)發(fā)育的拆離斷層，暫無法用巖石力學理論解釋，極有可能受到了蛇紋巖化作用控制。

本文通過快速拉格朗日連續(xù)介質(zhì)分析法模擬了有、無蛇紋巖化作用對SWIR洋中脊拆離斷層發(fā)育的影響，對比從斷層形成到停止過程中，兩種模型在水平斷距、生命周期、力學和演化過程的差異，為認識超慢速洋脊末端擴張機制提供科學支撐。

1 區(qū)域背景

研究區(qū)位于西南印度洋中脊東段，西起梅爾維爾破裂帶(Melville Fraction Zone,MFZ)，東至羅德里格斯三聯(lián)點(Rodrigues Triple Junction,RTJ)，全長約 660 km(圖1)。洋脊段全擴張速度僅為16 mm/a[21]，是典型的超慢速擴張洋中脊。該區(qū)地貌特征與其他快速、中速和慢速擴張洋中脊不同，海底表面廣泛分布著一種獨特的光滑地形，約占海底總面積的37%[18](圖1)。光滑地形一般位于洋脊段的末端，具有光滑、圓形的寬闊山脊，缺少火山錐和斷層陡坡，山脊長15～30 km，高500～2 000 m，具有高的剩余地幔布格重力異常[22]和低的磁異常特征[23]，山脊兩翼對稱或外側(cè)陡峭，內(nèi)側(cè)平緩[24]。光滑地形的地殼厚度僅為2～5 km，由蛇紋巖化和破碎橄欖巖組成[25]，含極少量玄武巖或輝長巖[11]。這些“非傳統(tǒng)洋殼”通過拆離斷層從軸部的裂谷區(qū)域剝離到海底表面[26]。拆離斷層的斷面長度為60～95 km，生命周期為 0.6～1.5 Ma[12]。隨著拆離斷層的發(fā)育，斷層下盤不斷被傾向相反的新斷層切割，導致洋中脊軸線走向不斷跳躍[19]。

圖1 西南印度洋中脊61°E—67°E多波束水深地形圖Fig.1 Topographic map of the Southwest Indian Ridge between 61°E-67°E(紅色實線為擴張中心軸部，黑色實線為地形剖面。SWIR表示西南印度洋中脊，CIR表示中印度洋中脊，SEIR表示東南印度洋中脊，MFZ表示梅爾維爾斷裂帶，RTJ表示羅德里格斯三聯(lián)點。數(shù)字表示洋中脊段編號。圓圈和菱形表示SMOOTH SEAFLOOR航次和EDUL航次的巖石樣本，圓圈中扇形的面積表示巖石的比例。)(The red solid line marks the spreading center,the black solid lines indicate topographic profiles.SWIR is Southwest Indian Ridge,CIR is Center Indian Ridge,SEIR is Southeast Indian Ridge,MFZ is Melville fracture zone;RTJ is Rodrigues Triple Junction.Numbers represent ridge segments.Circles and diamonds respectively represent dredges from SMOOTH SEAFLOOR Cruise and EDUL Cruise,the area of the fan in the circle shows the proportion of rocks.)

2 材料和方法

2.1 水深數(shù)據(jù)來源及處理

研究區(qū)域的水深數(shù)據(jù)通過General Bathymetric Chart of the Oceans (GEBCO)的全球海陸一體數(shù)字高程和水深模型產(chǎn)生(GEBCO_2019.grd，https:∥www.gebco.net/data_and_products/gridded_bathymetry_data/gebco_2019/gebco_2019_info.html)，區(qū)域范圍從SWIR的MFZ至RTJ(61°E—67°E，圖1)。在該水深數(shù)據(jù)的基礎上截取光滑地形內(nèi)垂直于洋中脊軸部的13條剖面，每條剖面基本上穿過了這些線性山脊的最高點。測量各斷層斷層面的水平投影長度。

2.2 數(shù)值模擬方法

采用快速拉格朗日連續(xù)介質(zhì)分析法[27]模擬拆離斷層作用，該方法已成功模擬了洋中脊、俯沖帶的斷層作用、巖墻侵入等局部應變[6-10,28-30]。巖石圈按照流變性可劃分為脆性巖石圈和韌性巖石圈。位于巖石圈中上層的脆性巖石圈，溫度與深度呈線性關(guān)系，主要發(fā)生彈-塑性變形(斷層)，服從摩爾庫倫剪切屈服[31]：

τ=C+μ

(1)

式中：C為隨巖石塑性變形變化的內(nèi)聚力；μ為摩擦系數(shù)；τ為滿足斷層發(fā)育的剪切屈服應力，單位：MPa。

當巖石圈發(fā)生斷裂時，斷裂區(qū)巖石的強度急劇變小，根據(jù)公式(1)模擬斷層在巖石圈破裂形成和發(fā)育過程，公式如下

C=C(0)[1-(εps/εc)]

(2)

式中：C(0)為未發(fā)生斷裂的巖石內(nèi)聚力，單位：MPa;εps為累積塑性應變，εc為塑性應變特征量，單位：MPa。在模擬過程中，為避免巖石破碎后像沙子一樣流動而使模擬結(jié)果不穩(wěn)定，設定完全破碎的巖石內(nèi)聚力值為4 MPa[6-7]。

韌性巖石圈位于巖石圈下層，隨深度增加溫度急劇升高，服從粘彈性變形。這一變形機制服從麥克斯韋粘彈性模型[32-34]，公式如下：

(3)

(4)

為防止模型的三角形網(wǎng)格單元變形過大造成數(shù)據(jù)振蕩，設置單元變形角度閾值為10°，當變形過大，超過10°時，重新網(wǎng)格化。

2.3 模型

為研究蛇紋巖化在洋中脊擴張中的作用，分別設置無蛇紋巖化作用(模型Ⅰ)和有蛇紋巖化作用(模型Ⅱ)的洋中脊擴張模型。如圖2所示，模型長150 km，寬50 km。在洋中脊軸部區(qū)域(0～30 km)，網(wǎng)格分辨率為0.5 km× 0.5 km；在離軸區(qū)域(30～75 km)，網(wǎng)格分辨率為2 km×2 km。模型的半擴張速率(u)為7 mm/a，頂部邊界初始溫度為0 ℃，底部邊界初始溫度為1 300 ℃，橄欖巖的脆塑性轉(zhuǎn)化溫度(BDT)為750 ℃[28,33]。軸部巖石圈的初始厚度為 20 km，離軸75 km，巖石圈厚度為35 km，巖性為單一的橄欖巖，熱液系數(shù)Nu為4[10]，參數(shù)見表1。

表1 模型主要參數(shù)Tab.1 Summary of model parameters

圖2 初始模型示意圖Fig.2 Schematic map of the initial model(黑色實線表示地幔橄欖巖脆塑性轉(zhuǎn)化溫度，紅色虛線表示蛇紋巖化作用溫度上限，箭頭表示擴張方向。)(Black solid line is temperature of brittle-ductile transition temperature of mantle peridotite,red dash line is temperature of serpentinization occurs,arrows are spreading direction.)

模型設置不同的巖石流變性來模擬橄欖巖(模型Ⅰ)和蛇紋巖化橄欖巖(模型Ⅱ)，具體參數(shù)見 表2，其中設置蛇紋巖化橄欖巖的密度為 3 000 kg/m3，對應的蛇紋巖化程度為30%，與根據(jù)地震波速推導的平均蛇紋巖化程度一致[41]。

表2 巖石流變性參數(shù)Tab.2 Rheological parameters of rocks

3 結(jié)果與分析

3.1 斷層模擬

無蛇紋巖化作用下(模型Ⅰ)，模型共運行 4.5 Ma。0～2.2 Ma時，洋中脊軸部兩翼發(fā)育一系列雜亂且密集的正斷層(F1～F9)，斷層傾向為朝向軸部和背向軸部，有較高的傾角(約70°)，生命周期集中在0.20～0.33 Ma，斷距集中在3.0～4.9 km(表3，圖3a 和3b)，新斷層共軛形成在洋脊的另一側(cè)。斷層的活動主要集中在軸部，離軸巖石圈的厚度急劇增加，其斷層活動迅速被軸部新發(fā)育的斷層取代。模擬顯示海底表面基本為短期斷層構(gòu)造，無長期滑動的單一斷層。在模擬過程中，可見軸部一側(cè)、傾向軸部的斷層下盤頻繁發(fā)育次級垂直或背向軸部的斷裂，這些斷裂活動的周期非常小，發(fā)育后迅速停止，未形成具有明顯斷距的正斷層。同時，軸部出現(xiàn)兩個傾向相反的斷層(如F6和F7)，互相切割，形成“人”字的地壘構(gòu)造，隨著下盤不斷滑動抬升，拆離出深部的幔源巖石。2.2 Ma以后，洋中脊軸部發(fā)育形成對稱的地壘D10和D11。

蛇紋巖化作用下(模型Ⅱ)，模型共運行6 Ma，連續(xù)發(fā)育9個斷層，斷距為4.5～6.9 km，生命周期為0.4～0.8 Ma(表3，圖3c和3d)。其中F1、F3、F4、F5、F7和F9與模型Ⅰ斷層中F1～F9的模式類似，共軛形成在洋脊另一側(cè)，但其斷距明顯增加，生命周期顯著變長。模型Ⅱ出現(xiàn)了新的斷層發(fā)育模式，D2、D6和D8最初形成于老斷層的下盤，傾向與老斷層相反。在斷層F7滑動約5 km后，其下盤開始持續(xù)從軸部向外拆離幔源橄欖巖并彎曲，導致?lián)锨χ饾u積累。當F7繼續(xù)滑動至6 km時，D8處形成新生裂縫，裂縫在蛇紋巖化作用下，其巖石流變性進一步降低，導致D8沿著蛇紋巖化作用帶發(fā)育。

圖3 模型的斷層演化Fig.3 Evolution of faults in the models(黑色實線表示不活動的斷層，黑色虛線表示活動的斷層，紅色虛線為蛇紋巖化溫度參考閾值，白色實線表示巖石圈底部界面。)(The black lines denote inactives faults,the dashed back lines represent active faults,the red dotted line represents the threshold of serpentinization temperature and the white solid line represents the brittle lithosphere bottom interface.)

表3 兩個模型的斷層統(tǒng)計Tab.3 Characteristics of fault in two models

根據(jù)SWIR研究區(qū)域內(nèi)水深數(shù)據(jù)表明，53%斷層面水平投影長度為4～8 km，與模型Ⅱ的結(jié)果相符(圖4)。

圖4 模型中斷層水平投影長度與SWIR觀測結(jié)果的比較Fig.4 Comparison of the horizontal distance from emergence to breakaway of faults in the modeling with the field observation of SWIR(綠色區(qū)域代表斷層的水平投影長度，研究區(qū)域內(nèi)53%的斷層水平投影長度位于這個范圍。)(The green area represents the horizontal offset of the fault,which contain 53% of fault in the study area.)

3.2 蛇紋巖化作用的力學機制

3.2.1 斷層傾向反轉(zhuǎn)的力學機制

LAVIER et al[6-7]通過改變特征塑性應變參數(shù)來模擬巖石圈斷層形成和破裂，一旦斷層形成，巖石圈將失去所有內(nèi)聚力，剪切屈服應力達到閾值(σd)，應力第二不變量(σⅡ)和剪切屈服應力閾值(σd)之間存在線性關(guān)系：

(5)

如圖5a所示，截取兩個模型的每個斷層面網(wǎng)格點的σⅡ，每隔2 km取平均值。在2 km和4 km深度時，模型Ⅰ斷層面的σⅡ分別為1.74×107N·m-1和3.82×107N·m-1；在4 km和 8 km 時，模型Ⅱ斷層面的σⅡ為1.05×107N·m-1和2.79×107N·m-1，σⅡ與深度之間的關(guān)系為

圖5 剪切屈服應力閾值(a)、滑動摩擦力(b)與深度的關(guān)系Fig.5 The relationships between threshold of shear yield stress(a),sliding friction force(b)and depth

(6)

式中：M和N皆為經(jīng)驗系數(shù)，通過曲線擬合獲得。

模型Ⅰ中系數(shù)M為0.130，模型Ⅱ中系數(shù)M為0.078。根據(jù)公式(5)和(6)，可知，與模型Ⅰ相比，模型Ⅱ中剪切屈服應力閾值σd減小約40%，表明蛇紋巖化作用使得巖石圈的剪切屈服應力減小，從而導致新斷層更容易形成。模型Ⅱ中，斷層D2、D6和D8形成于老斷層的下盤(圖3d)，而模型Ⅰ中各斷層均無此現(xiàn)象，表明斷層在持續(xù)拆離出露過程中，蛇紋巖化作用使下盤的一系列裂縫成為薄弱帶，最終導致了傾向反轉(zhuǎn)的主斷層發(fā)育。

3.2.2 斷層斷距增加的力學機制

斷層生命周期受其下盤撓曲力(Fb)和滑動摩擦力(Ff)的共同控制[10]。撓曲力是在斷層活動中剝離出海底的斷層下盤因均衡作用發(fā)生旋轉(zhuǎn)彎曲而產(chǎn)生的力。斷層在沿斷層面滑動時會產(chǎn)生摩擦力(Ff)，F(xiàn)f隨深度增加而增加，一旦斷層無法克服這一滑動摩擦力，滑動停止。當Fb與Ff之和超過閾值，新斷層形成；否則，斷層持續(xù)滑動。斷層下盤Fb滿足以下公式[6]：

(7)

式中：A為Fb最大值，單位：Pa·m-1；B為經(jīng)驗系數(shù)；H為巖石圈厚度，單位：km；Δx′為斷層斷距，單位：km。

對σⅡ沿著斷層面進行曲線積分，得到Ff,公式如下

(8)

式中：l為斷層面的曲線；μ為摩擦系數(shù)；ρ為密度，單位：kg/m3；g為重力常數(shù)，取值9.8，單位：N；h為斷層面垂向厚度，單位：km；C為內(nèi)聚力，單位：MPa。模擬顯示模型Ⅰ、Ⅱ中斷層的平均斷距分別為 3.65 km 和5.61 km。當巖石圈厚度為20 km時，根據(jù)公式(7)，模型Ⅰ的斷層達到平均斷距對應的Fb約為4×1011N·m-1,而模型Ⅱ的Fb約為6×1011N·m-1，兩者相差2×1011N·m-1。隨著斷距增大，兩模型Fb的差值進一步增大。當巖石圈厚度小于 20 km 時，兩模型Fb之差小于 2×1011N·m-1。

模型Ⅰ和模型Ⅱ滑動摩擦力與深度關(guān)系如圖5b所示。深度小于5 km時，模型Ⅰ和模型Ⅱ中斷層的Ff值分別為2.61×1011N·m-1和 1.28×1011N·m-1，相差1.33×1011N·m-1，小于Fb的差值，說明在巖石圈較薄的情況下，斷層主要受到滑動摩擦力和撓曲力共同控制。深度為5～15 km時，模型Ⅰ和模 型Ⅱ的斷層的Ff值分別為23.48×1011N·m-1和 11.21×1011N·m-1，相差12.27×1011N·m-1，而此時兩者Fb的差值小于2×1011N·m-1，表明在巖石圈較厚的情況下，F(xiàn)b增加遠遠不足以抵消Ff的減小，斷層主要受到滑動摩擦力的控制，模型Ⅱ的滑動距離更長，活動周期更長(表3)。隨著巖石圈厚度進一步增大，模型Ⅰ中斷層持續(xù)滑動需克服的Fb和Ff更大，此時下盤形成一新斷層比維持滑動更加容易，因此表現(xiàn)為斷層僅滑動3～5 km即停止。模型Ⅱ中，受蛇紋巖化作用，斷層剪切帶周圍巖石的強度降低，斷層滑動需要克服的滑動摩擦力Ff相對模型Ⅰ小12.47×1011N·m-1(47%)，所以模型Ⅱ的滑動距離更長，活動周期更長。

3.3 地質(zhì)觀測

研究區(qū)域的水深數(shù)據(jù)表明，西南印度洋中脊光滑地形發(fā)育的拆離斷層的斷距為2.7～17 km，平均值為8 km(圖6a)，模型Ⅱ顯示斷層的斷距約為 5～7 km(圖6b)，與實際觀測相符[12]。根據(jù)AA’剖面不同時期的構(gòu)造解釋圖(圖6d，6e)，D1是活動的拆離斷層，呈E—W走向，長約36 km，朝向洋脊軸部(向南)，傾角約為32°，顯示斷層面曾經(jīng)歷傾斜彎曲。D1 的形成可分為下盤裂縫發(fā)育期和主斷層形成期兩個時期。

圖6 實測SWIR 61°E—67°E光滑地形的斷層斷距分布(a)；兩個模型的斷層斷距和生命周期示意(b)；SWIR 64.6°E多波束地形特征(c)；沿剖面AA’不同時期的構(gòu)造解釋(d,e)Fig.6 Offset distribution of fault on smooth seafloor from field observation in SWIR 61°E-67°E(a),offset and duration of each fault in two models(b),topographic map of axis domain at SWIR of 64.6°E(c),tectonic interpretation along topographic profile AA’(d,e)

下盤裂縫發(fā)育期(約0.3 Ma之前，圖6d)：D2為老的拆離斷層，其線性山脊呈E—W走向，寬約 27 km，形成在洋中脊南翼，其傾角約為20°。此時D2已經(jīng)歷長達1.1 Ma的過程，其下盤延伸至洋中脊軸部的脆性巖石圈基底，不斷從深部拆離出幔源橄欖巖。在旋轉(zhuǎn)彎曲過程中下盤在撓曲力和摩擦力的作用下形成初期大小不一的裂縫。

主斷層形成期(圖6e)：裂縫中的橄欖巖廣泛與海水作用形成蛇紋巖化橄欖巖，這可能是地震波低速帶的成因[39]。蛇紋巖化進一步作用使裂縫成為薄弱帶，主斷層D1開始發(fā)育，其傾向與D2相反。此時洋中脊軸部跳躍到D1南側(cè)。同樣，D2由更老的D3斷層下盤發(fā)育而來。

模擬結(jié)果也表明了蛇紋巖化對斷層下盤巖石的弱化作用，使其下盤更容易形成極性相反的拆離斷層，導致D1和D2的傾向發(fā)生改變。但是蛇紋巖化作用無法解釋斷距超過10 km的大型拆離斷層。熱液冷卻系數(shù)增大、軸部巖石圈厚度顯著增加和底傾角發(fā)生相應改變，導致斷層水平滑移距離增大，可能是導致拆離斷層持續(xù)發(fā)育的重要因素[42-44]。此外，深部幔巖的重結(jié)晶作用也可能影響拆離斷層的發(fā)育[45]。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬結(jié)合實際觀測資料分析，探討了蛇紋巖化作用對拆離斷層發(fā)育的影響，并定量解釋了其應力機制，得到以下結(jié)論：

(1)蛇紋巖化作用延長了拆離斷層的生命周期，無蛇紋巖化作用時斷層的生命周期為0.20～0.33 Ma，斷距為3.0～4.9 km，蛇紋巖化作用下生命周期增加到0.40～0.80 Ma，斷距增長為4.5～6.9 km。

(2)雖然厚的巖石圈使斷層面的撓曲力增大，但蛇紋巖化作用使滑動摩擦力減小程度更大，導致拆離斷層活動周期延長。

(3)蛇紋巖化作用使拆離斷層下盤發(fā)生斷裂時所需要的剪切屈服應力減小了約40%，導致下盤不斷被傾向相反的新斷層切割。

(4)SWIR非巖漿段的拆離斷層發(fā)育經(jīng)歷了兩個主要時期：下盤裂縫發(fā)育期，蛇紋巖化作用使下盤更容易發(fā)育出新斷層；主斷層期，蛇紋巖化作用使斷層滑動持續(xù)時間更長、滑動距離更長。