近日，國際知名地學期刊Earth and Planetary Science Letters發表了伟德国际1916备用网址王毛毛副教授及其合作者基于國際大洋發現計劃IODP 372、375航次的最新成果: “Compactive deformation of incoming calcareous pelagic sediments, northern Hikurangi subduction margin, New Zealand: Implications for subduction processes”。
俯沖帶巨型逆沖斷層（megathrusts）的結構和地震行為受輸入海洋闆塊諸多因素的影響，諸如海底粗糙度，俯沖輸入的組成和物理性質、洋殼的水文地質和熱狀态等。俯沖輸入的岩石地層是影響俯沖過程的一個重要變量，因為其物理特性和厚度可以影響流體的産生和滲透，從而影響流體壓力、變形機制、力學強度和斷層滑移行為。野外觀測和實驗室研究揭示出鈣質岩石，包括白垩和泥灰岩等，表現出與富含泥質的矽質岩相比具有不同的力學、摩擦及流變特性。盡管在全球俯沖帶廣泛存在輸入的鈣質岩石，但是少有研究調查這類岩石在俯沖之前的固結和收縮變形機制，因此關于其對後續俯沖和增生過程的潛在影響了解甚少。
圖1 a)研究區大地構造位置，灰色、白色及黃色代表二維地震反射剖面的位置，藍色透明區塊代表三維地震數據的位置, b)地震測線05CM-04的地質解釋剖面揭示的希庫朗伊俯沖帶剖面結構
針對上述科學問題，研究團隊利用二維和三維地震反射數據，結合國際大洋發現計劃372和375航次提供的岩石物理數據和岩心，對南太平洋新西蘭希庫朗伊（Hikurangi）俯沖帶輸入沉積序列中的正斷層的結構、生長曆史、滑移速率進行了研究。地震相幹深度切片和垂直地震剖面都顯示出這些斷層表現出多邊形的結構以及與斷層相關流體遷移的聲學證據，而這在俯沖邊緣鮮有報道。這些多邊形斷層表現出緊密間隔和層位限定的特征，主要局限在古新世-上新世的深海碳酸鹽和鈣質泥岩中。
圖2 IODP U1520鑽孔的岩性、地質單元、孔隙度、裂縫密度、構造和P波速度剖面
運動學模拟和二維斷層位移量分析揭示出其斷距向上和向下遞減的特點，利用位移量極值的位置可識别出兩類斷距剖面，反映了其層位岩石物性的側向變化。這些多邊形斷層系統（polygonal fault systems）的形成可能與深海沉積單元脫水過程中的成岩作用誘發的剪切破壞和與流體逃逸相關的體積收縮有關。地震反射剖面的解釋顯示這些斷層具有有限的斷距，通常小于30 m。斷層生長序列揭示多個同時期的海底變形與沉積間隔，在深海沉積時期的典型滑移率為0.5-3 m/Ma，而在陸相沉積充填開始之後迅速增加至大于20 m/Ma。這些觀測數據表明由海溝充填楔對深海沉積物的快速加載導緻多邊形斷層的複活和快速生長。
圖3 a) 4650m深度的地震相幹切片展示了輸入深海鈣質層序中的多邊形斷層的平面結構，b)水平地震相幹切片與垂直地質剖面的折疊圖
圖4 俯沖過程中多邊形斷層系統的活化對增生楔底部構造、流體和地震活動影響的模式圖
本研究指出俯沖帶輸入層序中發育的多邊形斷層可能在俯沖過程中影響闆塊界面的性質和上覆增生楔的構造變形及其演化。增生楔下部的繼承性收縮構造的重新複活将會維持或者重新開啟裂縫滲透性，并促進增生楔下部流體的向上流動或者沿着俯沖界面的流體滲漏。這些過程常被用來解釋希庫朗伊北緣的地震現象，包括地震震顫和突發型重複地震等。在全球其他俯沖帶，特别是具有較厚碳酸鹽和鈣質泥岩輸入層序的地方，這些細粒深海沉積單元中發育的繼承性結構對淺部俯沖力學和增生楔演化的影響可能會被嚴重低估。
論文第一作者和通訊作者為伟德国际1916备用网址王毛毛副教授，合作者包括新西蘭國家水和大氣研究所（NIWA）Philip Barnes首席科學家，美國萊斯大學Julia Morgan教授，英國帝國理工學院Rebecca Bell高級講師，美國夏威夷大學Gregory Moore教授，英國卡迪夫大學Ake Fagereng教授，美國德州大學奧斯汀分校Demian Saffer教授，以及來自加州大學聖克魯茲分校、葡萄牙海洋與大氣研究所、俄勒岡州立大學、新西蘭地質與核科學研究所、德州農工大學的研究人員。研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國大洋發現計劃等的資助。
Wang. M, P.M. Bares, J.K. Morgan, R.E Rebecca, G.F Moore, M. Wang, A. Fagereng, H. Savage, D. Gamboa, R.N Harris, S. Henrys, J. Mountjoy, A.M Tréhu, D. Saffer, L. Wallace, K, Petronotis, Compactive deformation of incoming calcareous pelagic sediments, northern Hikurangi subduction margin, New Zealand: Implications for subduction processes, Earth and Planetary Science letters, 2023, 605, 118022, https://doi.org10.1016/jepsl.2023.118022.
原文鍊接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X23000353
