Nature：大洋轉換斷層處的拉張構造與兩階段地殼增生
轉換斷層是三種基本的板塊邊界之一，全球總長度超過48000 km（Bird, 2003），它們的發現為板塊構造理論的建立奠定了重要的基礎（Wilson, 1965）。根據斷層所切穿的地殼型別，轉換斷層可分為大洋與大陸兩類。大洋轉換斷層形成於兩個平行的擴張洋脊區段之間，沿著它們，年齡不同的大洋岩石圈彼此相對滑動（圖1；Ito，2021），具有典型的走滑性質。大洋轉換斷層及其相連的破裂帶在協調構造板塊的水平運動、建立洋脊與海溝聯結等方面發揮著重要作用（Hensen et al., 2020）。同時，大洋轉換斷層也是地震活躍帶，常伴有大地震或海嘯的發生，例如，2012年的蘇門答臘-沃頓盆地地震（M8.6）和1941年的大西洋Gloria地震（M8.4）都發生在與大洋轉換斷層相連的破裂帶上（Hensen et al., 2020）。因此，大洋轉換斷層具有重要的研究意義。
圖1 大洋轉換斷層示意圖 (Ito, 2021)。兩條平行的紅色粗線代表擴充套件洋脊，藍色區域代表轉換斷層變形區。Grevemeyer et al.(2021)的模擬結果發現該區域既遭受剪下又遭受拉張，後者造成了轉換變形區更深的水深
在板塊構造原本的框架中，轉換斷層處構造板塊的物質既不生成，也不消減。近期，來自德國亥姆霍茲海洋研究中心的Grevemeyer及其合作者在Nature上發表了文章（Grevemeyer et al., 2021），更新了我們對大洋轉換斷層的傳統認識。作者研究發現：洋中脊處新生的洋殼在轉換變形區（圖1中的藍色區域）遭受了傾斜拉張減薄，當它們穿過相鄰的洋脊時又被第二期岩漿作用所加厚。據此他們提出：轉換斷層造成了洋殼的拉張和兩階段增生，在塑造海底形態方面發揮著積極的作用，並非如傳統板塊構造認為的轉換斷層只是保守型板塊邊界。
Grevemeyer等收集並分析了全球41個大洋轉換斷層系統的高解析度多波束海底地形資料，發現轉換變形區（轉換峽谷）的水深都顯著大於域外的破裂帶（多達1.6km；圖2）。這種快速的水深變淺與傳統觀點，即洋殼隨著年齡的增大其水深不斷增加相矛盾。在進一步分析轉換峽谷水深與洋脊擴張速率之間的關係之後，他們發現：在慢速（20-55mm/yr）或超慢速（<20mm/yr）擴張洋脊處形成的轉換峽谷水深最大，而在快速（55-140mm/yr）擴張洋脊處形成的轉換峽谷水深最小。換句話說，轉換峽谷的深度與轉換斷層兩側的洋殼年齡的差異有關，年齡差異越大，轉換峽谷越深，反之亦然。為了解釋這一現象，Grevemeyer等利用開源的計算地球動力學程式ASPECT（Kronbichler et al., 2012）開展了三維數值模擬實驗。數值模擬基於粘-塑性流變模型開展，透過在模型的上表面施加一個走滑型的速度邊界條件來驅動模型的演化。模擬結果顯示，轉換斷層處的板塊邊界隨著深度不斷傾斜，由此引發了水平伸展（圖3）。伸展導致了轉換變形區岩石圈的減薄和水深的加深，伸展和加深量隨著轉換斷層兩側洋殼年齡的差異的增加而增大。由於擴張速率越慢，轉換斷層兩側洋殼年齡相差越大，因此，模擬結果合理地解釋了轉換變形區水深加深及其與洋脊擴充套件速率的關係。Grevemeyer等的模型並沒有模擬岩漿與熔流體作用（Chen and Faccenda，2019），作者將從轉換變形區到破裂帶水深變淺的現象歸因於相鄰洋脊的岩漿充填與再造，主要依據是域外平行於臨近洋脊的一系列J型脊、圓形火山穹隆以及其他山丘狀的地形特徵（圖2中的橢圓區域）。類似的J型脊之前在中快速擴張洋脊附近已有報道（Lonsdale, 1986; Fornari et al., 1989），但是Grevemeyer等在所有型別的擴張洋脊都發現有這樣的地形特徵，作者認為轉換變形區與破裂帶之間的水深變淺現象與擴張速率無關。
圖2 不同擴張速率的洋脊與轉換斷層相交處的水深（Grevemeyer et al., 2021）。（a）洋脊、轉換斷層及破裂帶之間幾何接觸關係的示意圖；（b）東太平洋海隆北部的Eastern Clipperton洋脊，代表快速擴張洋脊（103mm/yr）；（c）東南印度洋脊處的Vlamingh轉換斷層-洋脊系統，代表中速擴張洋脊（63mm/yr）；（d）南大西洋東段的洋脊-轉換斷層系統，代表慢速擴張洋脊（32.8mm/yr）；（e）西南印度洋脊北部的Marion轉換斷層-洋脊系統，代表超慢速擴張洋脊（16.5mm/yr）；（f ）西南印度洋脊南部的Atlantis II轉換斷層-洋脊系統，代表超慢速擴張洋脊（14.8mm/yr）。黑色點線指示擴充套件洋脊的軸，實線（黑或白）表示轉換變形區，虛線（黑或白）代表破裂區，黑色橢圓指示域外破裂區發育的J型脊、火山錐或圓丘
圖3 洋脊-轉換斷層相互作用的數值模擬（Grevemeyer et al., 2021）。彩圖顯示的是粘度結構。轉換斷層兩側大洋板塊年齡的差異造成了強度的非對稱性，這導致轉換邊界往下不斷傾斜。綠線表示板塊在不同深度上的邊界，灰色箭頭代表地幔流動的方向，流速大小正比於箭頭的長短
Grevemeyer等人的發現和解釋更新了我們對大洋轉換斷層的認知，但其中某些結論仍然有待進一步檢驗和審視。例如，（1）轉換變形區發生的地震主要走滑性質的，並非是張性的（見Ito, 2021及其引文）；（2）重力測量顯示在慢速擴張洋脊附近洋殼並未增厚（Gregg et al., 2007）；（3）相鄰洋脊處產出的岩漿如何在外側形成一系列平行於洋脊的J型脊仍然不清楚。此外，作者也未探討大洋轉換斷層如何形成的問題（Gerya, 2010, 2016）。未來轉換斷層研究的突破將有賴於更詳細的海底觀測、更多洋脊附近岩石樣品的獲取和地球化學分析以及更切實際的動力學模擬研究。
主要參考文獻
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（撰稿：陳林/岩石圈室）
校對：張騰飛、姜雪蛟
