近日，吉林大學地球科學學院劉仲蘭教授等人與來自美國哥倫比亞大學、法國巴黎高等師范大學、法國西布列塔尼大學的科學家合作，報導了發(fā)生在大洋中脊的逆沖地震事件以及其形成動力學機制，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)板塊構造理論。這一研究成果以‘Mid-ocean ridge unfaulting revealed by magmatic intrusions’為題，于2024年4月11日發(fā)表在Nature 期刊。

洋中脊是典型的離散板塊邊界，巖石圈板塊之間的離散過程在此形成了覆蓋地球表面約三分之二的深海盆地。根據(jù)板塊構造理論，構造伸展和與之相關的正斷層是離散板塊邊界構造變形的主旋律。然而，發(fā)生在2022年北大西洋洋中脊的一次地震活動讓這種傳統(tǒng)觀點受到了挑戰(zhàn)：

1) 慢速洋中脊附近的逆沖斷層地震事件：

在2022年9月26日，位于北緯54°的北大西洋洋中脊發(fā)生了一個震級大于4級的正斷層地震活動。該地震事件持續(xù)了大約80小時，并發(fā)生了從北到南的遷移。在該地震事件向南遷移的過程中，在距離新生火山軸以東15公里處的一個斷層面上發(fā)生了一次5.1級的逆斷層地震，表明新生大洋中脊正在發(fā)生構造縮短。在2022年9月29日至2023年1月4日期間，又發(fā)生了11次震級高達5.9級的逆斷層地震事件，這些地震活動對稱地分布在新生火山軸兩側大約15公里處的兩個狹窄區(qū)域內（圖.1a）。受到該次地震活動的啟發(fā)，作者們發(fā)現(xiàn)早在2014年11月，在西北印度洋的卡爾斯伯格洋中脊上也發(fā)生了類似的地震序列（圖.1b）

2）逆斷層地震事件在海底地形上留下構造印跡：

為了檢驗這種構造縮短的可靠性，作者們進一步通過海底地形解譯分析構造應變量與離軸距離之間的關系。地形分析的結果顯示，在檢測到逆沖地震的兩個區(qū)域，構造應變量（伸展量）會在離軸大約15公里處發(fā)生一個明顯的減小（圖2）。這種構造伸展量的急劇減小也表明構造縮短過程的存在，并且地形上顯示的構造縮短位置與發(fā)生的逆斷層地震事件位置在空間上重合。通過對全球已有公開多波束海底地形數(shù)據(jù)的洋中脊進行類似的分析，作者們發(fā)現(xiàn)大部分具有中央裂谷的對稱型慢速-中速洋中脊均在地形上表現(xiàn)出類似的特征：在離軸一定的范圍內會發(fā)生構造縮短。

3）慢速大洋中脊逆斷層地震活動的力學機制：

為了檢驗離散板塊邊界發(fā)生構造縮短在動力學可行性，作者們進一步開展了二維的地球動力學數(shù)值模擬研究。模擬的結果顯示，對于一個具有中央裂谷的對稱型洋中脊，新生洋殼在中央裂谷內發(fā)生撓曲（Bending），這種撓曲作用會隨著新生洋殼從裂谷中心離軸出來的時候釋放（unbending），從而產(chǎn)生S一個水平壓縮區(qū)域（圖3.a）,在這個區(qū)域內，水平偏應力超過～10MPa，達到壓縮莫爾-庫倫破裂閾值，應力峰值位于離軸約15 公里處，與發(fā)生逆沖地震的空間位置重疊。

這是一項綜合地震觀測（地球物理學）、地形解譯（地質學）和地球動力學數(shù)值模擬多學科交叉的前沿研究。美國科學院院士，哥倫比亞大學G?ran Ekstr?m教授主導了地震數(shù)據(jù)的解譯，法國巴黎高等師范大學(ENS) Jean Arthur Olive博士，Javier Escartin教授以及法國西布列塔尼大學Manon Bickert博士主導了海底地形的解釋工作；哥倫比亞大學Roger Buck 教授和吉林大學地球科學學院劉仲蘭教授主導了地球動力學數(shù)值模擬工作。該研究受到美國能源部（DE-NA0003920），吉林大學創(chuàng)新團隊（2021TD-05）和法國政府Investissement d’Avenir 基金的聯(lián)合資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07247-w#Ack1