蛇纹岩化作用对超慢速洋中脊拆离断层发育的影响

徐浩波，管清胜,3，许明珠,4，刁云云

(1.自然资源部 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012;2.自然资源部 海底科学重点实验室,浙江 杭州 310012;3.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023;4.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590)

0 引言

通常认为洋中脊是岩浆作用活跃的离散边界，然而在慢速和超慢速扩张洋中脊，存在着一些缺乏岩浆作用却构造作用活跃的洋脊段，它可发育长周期(1～2 Ma)、大断距(>10 km)、低角度(约为30°)的拆离断层[1-5]。已有研究表明拆离断层的形成与演化受岩浆供给量以及轴部岩石圈厚度、温度、扩张速率等因素的控制[6-10]。TUCHOLKE et al[8]通过数值模拟得出，拆离断层形成时岩浆通量占洋中脊扩张的比例为30%～50%，这一结果在大西洋慢速扩张洋中脊拆离断层的观测中得到了证实。一些数值模拟研究显示洋中脊发育拆离断层需满足轴部脆性岩石圈厚度小于15 km 的条件，否则只能形成排列密集的断层[6]。根据岩石力学原理，当脆性岩石圈厚度大于15 km，维持拆离断层滑动的挠曲力呈指数上升，大大超过新断层形成的剪切屈服应力，形成正断层；反之，则可能形成拆离断层[7,10]。在拆离断层发育过程中，随着海水进入断层通道，断层面的幔源橄榄岩发生蚀变或者水化，形成蛇纹岩化橄榄岩，极大地降低断层面周围岩石的强度[11]，完全的蛇纹岩化作用将导致岩石强度降低30%～60%[12]，而岩石强度的降低将有利于拆离断层的持续发育[13]。

在西南印度洋中脊(Southwest Indian Ridge,SWIR)东段存在典型非岩浆扩张段，海底为一种独特的光滑地形，轴部岩石圈厚度可达20～25 km[14]，玄武岩地壳非常薄或缺失[15-17]，两翼为连续发育的拆离断层面[18-20]。SAUTER et al[19]的海底扩张模型描绘了发育光滑地形的过程，如在洋脊轴部两翼，断层的倾向会不断地发生翻转以及拆离断层的板块扩张量占扩张总量的绝大部分等。但对于在SWIR连续发育的拆离断层，暂无法用岩石力学理论解释，极有可能受到了蛇纹岩化作用控制。

本文通过快速拉格朗日连续介质分析法模拟了有、无蛇纹岩化作用对SWIR洋中脊拆离断层发育的影响，对比从断层形成到停止过程中，两种模型在水平断距、生命周期、力学和演化过程的差异，为认识超慢速洋脊末端扩张机制提供科学支撑。

1 区域背景

研究区位于西南印度洋中脊东段，西起梅尔维尔破裂带(Melville Fraction Zone,MFZ)，东至罗德里格斯三联点(Rodrigues Triple Junction,RTJ)，全长约 660 km(图1)。洋脊段全扩张速度仅为16 mm/a[21]，是典型的超慢速扩张洋中脊。该区地貌特征与其他快速、中速和慢速扩张洋中脊不同，海底表面广泛分布着一种独特的光滑地形，约占海底总面积的37%[18](图1)。光滑地形一般位于洋脊段的末端，具有光滑、圆形的宽阔山脊，缺少火山锥和断层陡坡，山脊长15～30 km，高500～2 000 m，具有高的剩余地幔布格重力异常[22]和低的磁异常特征[23]，山脊两翼对称或外侧陡峭，内侧平缓[24]。光滑地形的地壳厚度仅为2～5 km，由蛇纹岩化和破碎橄榄岩组成[25]，含极少量玄武岩或辉长岩[11]。这些“非传统洋壳”通过拆离断层从轴部的裂谷区域剥离到海底表面[26]。拆离断层的断面长度为60～95 km，生命周期为 0.6～1.5 Ma[12]。随着拆离断层的发育，断层下盘不断被倾向相反的新断层切割，导致洋中脊轴线走向不断跳跃[19]。

图1 西南印度洋中脊61°E—67°E多波束水深地形图Fig.1 Topographic map of the Southwest Indian Ridge between 61°E-67°E(红色实线为扩张中心轴部，黑色实线为地形剖面。SWIR表示西南印度洋中脊，CIR表示中印度洋中脊，SEIR表示东南印度洋中脊，MFZ表示梅尔维尔断裂带，RTJ表示罗德里格斯三联点。数字表示洋中脊段编号。圆圈和菱形表示SMOOTH SEAFLOOR航次和EDUL航次的岩石样本，圆圈中扇形的面积表示岩石的比例。)(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 水深数据来源及处理

研究区域的水深数据通过General Bathymetric Chart of the Oceans (GEBCO)的全球海陆一体数字高程和水深模型产生(GEBCO_2019.grd，https:∥www.gebco.net/data_and_products/gridded_bathymetry_data/gebco_2019/gebco_2019_info.html)，区域范围从SWIR的MFZ至RTJ(61°E—67°E，图1)。在该水深数据的基础上截取光滑地形内垂直于洋中脊轴部的13条剖面，每条剖面基本上穿过了这些线性山脊的最高点。测量各断层断层面的水平投影长度。

2.2 数值模拟方法

采用快速拉格朗日连续介质分析法[27]模拟拆离断层作用，该方法已成功模拟了洋中脊、俯冲带的断层作用、岩墙侵入等局部应变[6-10,28-30]。岩石圈按照流变性可划分为脆性岩石圈和韧性岩石圈。位于岩石圈中上层的脆性岩石圈，温度与深度呈线性关系，主要发生弹-塑性变形(断层)，服从摩尔库伦剪切屈服[31]：

τ=C+μ

(1)

式中：C为随岩石塑性变形变化的内聚力；μ为摩擦系数；τ为满足断层发育的剪切屈服应力，单位：MPa。

当岩石圈发生断裂时，断裂区岩石的强度急剧变小，根据公式(1)模拟断层在岩石圈破裂形成和发育过程，公式如下

C=C(0)[1-(εps/εc)]

(2)

式中：C(0)为未发生断裂的岩石内聚力，单位：MPa;εps为累积塑性应变，εc为塑性应变特征量，单位：MPa。在模拟过程中，为避免岩石破碎后像沙子一样流动而使模拟结果不稳定，设定完全破碎的岩石内聚力值为4 MPa[6-7]。

韧性岩石圈位于岩石圈下层，随深度增加温度急剧升高，服从粘弹性变形。这一变形机制服从麦克斯韦粘弹性模型[32-34]，公式如下：

(3)

(4)

为防止模型的三角形网格单元变形过大造成数据振荡，设置单元变形角度阈值为10°，当变形过大，超过10°时，重新网格化。

2.3 模型

为研究蛇纹岩化在洋中脊扩张中的作用，分别设置无蛇纹岩化作用(模型Ⅰ)和有蛇纹岩化作用(模型Ⅱ)的洋中脊扩张模型。如图2所示，模型长150 km，宽50 km。在洋中脊轴部区域(0～30 km)，网格分辨率为0.5 km× 0.5 km；在离轴区域(30～75 km)，网格分辨率为2 km×2 km。模型的半扩张速率(u)为7 mm/a，顶部边界初始温度为0 ℃，底部边界初始温度为1 300 ℃，橄榄岩的脆塑性转化温度(BDT)为750 ℃[28,33]。轴部岩石圈的初始厚度为 20 km，离轴75 km，岩石圈厚度为35 km，岩性为单一的橄榄岩，热液系数Nu为4[10]，参数见表1。

表1 模型主要参数Tab.1 Summary of model parameters

图2 初始模型示意图Fig.2 Schematic map of the initial model(黑色实线表示地幔橄榄岩脆塑性转化温度，红色虚线表示蛇纹岩化作用温度上限，箭头表示扩张方向。)(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.)

模型设置不同的岩石流变性来模拟橄榄岩(模型Ⅰ)和蛇纹岩化橄榄岩(模型Ⅱ)，具体参数见 表2，其中设置蛇纹岩化橄榄岩的密度为 3 000 kg/m3，对应的蛇纹岩化程度为30%，与根据地震波速推导的平均蛇纹岩化程度一致[41]。

表2 岩石流变性参数Tab.2 Rheological parameters of rocks

3 结果与分析

3.1 断层模拟

无蛇纹岩化作用下(模型Ⅰ)，模型共运行 4.5 Ma。0～2.2 Ma时，洋中脊轴部两翼发育一系列杂乱且密集的正断层(F1～F9)，断层倾向为朝向轴部和背向轴部，有较高的倾角(约70°)，生命周期集中在0.20～0.33 Ma，断距集中在3.0～4.9 km(表3，图3a 和3b)，新断层共轭形成在洋脊的另一侧。断层的活动主要集中在轴部，离轴岩石圈的厚度急剧增加，其断层活动迅速被轴部新发育的断层取代。模拟显示海底表面基本为短期断层构造，无长期滑动的单一断层。在模拟过程中，可见轴部一侧、倾向轴部的断层下盘频繁发育次级垂直或背向轴部的断裂，这些断裂活动的周期非常小，发育后迅速停止，未形成具有明显断距的正断层。同时，轴部出现两个倾向相反的断层(如F6和F7)，互相切割，形成“人”字的地垒构造，随着下盘不断滑动抬升，拆离出深部的幔源岩石。2.2 Ma以后，洋中脊轴部发育形成对称的地垒D10和D11。

蛇纹岩化作用下(模型Ⅱ)，模型共运行6 Ma，连续发育9个断层，断距为4.5～6.9 km，生命周期为0.4～0.8 Ma(表3，图3c和3d)。其中F1、F3、F4、F5、F7和F9与模型Ⅰ断层中F1～F9的模式类似，共轭形成在洋脊另一侧，但其断距明显增加，生命周期显著变长。模型Ⅱ出现了新的断层发育模式，D2、D6和D8最初形成于老断层的下盘，倾向与老断层相反。在断层F7滑动约5 km后，其下盘开始持续从轴部向外拆离幔源橄榄岩并弯曲，导致挠曲力逐渐积累。当F7继续滑动至6 km时，D8处形成新生裂缝，裂缝在蛇纹岩化作用下，其岩石流变性进一步降低，导致D8沿着蛇纹岩化作用带发育。

图3 模型的断层演化Fig.3 Evolution of faults in the models(黑色实线表示不活动的断层，黑色虚线表示活动的断层，红色虚线为蛇纹岩化温度参考阈值，白色实线表示岩石圈底部界面。)(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 两个模型的断层统计Tab.3 Characteristics of fault in two models

根据SWIR研究区域内水深数据表明，53%断层面水平投影长度为4～8 km，与模型Ⅱ的结果相符(图4)。

图4 模型中断层水平投影长度与SWIR观测结果的比较Fig.4 Comparison of the horizontal distance from emergence to breakaway of faults in the modeling with the field observation of SWIR(绿色区域代表断层的水平投影长度，研究区域内53%的断层水平投影长度位于这个范围。)(The green area represents the horizontal offset of the fault,which contain 53% of fault in the study area.)

3.2 蛇纹岩化作用的力学机制

3.2.1 断层倾向反转的力学机制

LAVIER et al[6-7]通过改变特征塑性应变参数来模拟岩石圈断层形成和破裂，一旦断层形成，岩石圈将失去所有内聚力，剪切屈服应力达到阈值(σd)，应力第二不变量(σⅡ)和剪切屈服应力阈值(σd)之间存在线性关系：

(5)

如图5a所示，截取两个模型的每个断层面网格点的σⅡ，每隔2 km取平均值。在2 km和4 km深度时，模型Ⅰ断层面的σⅡ分别为1.74×107N·m-1和3.82×107N·m-1；在4 km和 8 km 时，模型Ⅱ断层面的σⅡ为1.05×107N·m-1和2.79×107N·m-1，σⅡ与深度之间的关系为

图5 剪切屈服应力阈值(a)、滑动摩擦力(b)与深度的关系Fig.5 The relationships between threshold of shear yield stress(a),sliding friction force(b)and depth

(6)

式中：M和N皆为经验系数，通过曲线拟合获得。

模型Ⅰ中系数M为0.130，模型Ⅱ中系数M为0.078。根据公式(5)和(6)，可知，与模型Ⅰ相比，模型Ⅱ中剪切屈服应力阈值σd减小约40%，表明蛇纹岩化作用使得岩石圈的剪切屈服应力减小，从而导致新断层更容易形成。模型Ⅱ中，断层D2、D6和D8形成于老断层的下盘(图3d)，而模型Ⅰ中各断层均无此现象，表明断层在持续拆离出露过程中，蛇纹岩化作用使下盘的一系列裂缝成为薄弱带，最终导致了倾向反转的主断层发育。

3.2.2 断层断距增加的力学机制

断层生命周期受其下盘挠曲力(Fb)和滑动摩擦力(Ff)的共同控制[10]。挠曲力是在断层活动中剥离出海底的断层下盘因均衡作用发生旋转弯曲而产生的力。断层在沿断层面滑动时会产生摩擦力(Ff)，Ff随深度增加而增加，一旦断层无法克服这一滑动摩擦力，滑动停止。当Fb与Ff之和超过阈值，新断层形成；否则，断层持续滑动。断层下盘Fb满足以下公式[6]：

(7)

式中：A为Fb最大值，单位：Pa·m-1；B为经验系数；H为岩石圈厚度，单位：km；Δx′为断层断距，单位：km。

对σⅡ沿着断层面进行曲线积分，得到Ff,公式如下

(8)

式中：l为断层面的曲线；μ为摩擦系数；ρ为密度，单位：kg/m3；g为重力常数，取值9.8，单位：N；h为断层面垂向厚度，单位：km；C为内聚力，单位：MPa。模拟显示模型Ⅰ、Ⅱ中断层的平均断距分别为 3.65 km 和5.61 km。当岩石圈厚度为20 km时，根据公式(7)，模型Ⅰ的断层达到平均断距对应的Fb约为4×1011N·m-1,而模型Ⅱ的Fb约为6×1011N·m-1，两者相差2×1011N·m-1。随着断距增大，两模型Fb的差值进一步增大。当岩石圈厚度小于 20 km 时，两模型Fb之差小于 2×1011N·m-1。

模型Ⅰ和模型Ⅱ滑动摩擦力与深度关系如图5b所示。深度小于5 km时，模型Ⅰ和模型Ⅱ中断层的Ff值分别为2.61×1011N·m-1和 1.28×1011N·m-1，相差1.33×1011N·m-1，小于Fb的差值，说明在岩石圈较薄的情况下，断层主要受到滑动摩擦力和挠曲力共同控制。深度为5～15 km时，模型Ⅰ和模 型Ⅱ的断层的Ff值分别为23.48×1011N·m-1和 11.21×1011N·m-1，相差12.27×1011N·m-1，而此时两者Fb的差值小于2×1011N·m-1，表明在岩石圈较厚的情况下，Fb增加远远不足以抵消Ff的减小，断层主要受到滑动摩擦力的控制，模型Ⅱ的滑动距离更长，活动周期更长(表3)。随着岩石圈厚度进一步增大，模型Ⅰ中断层持续滑动需克服的Fb和Ff更大，此时下盘形成一新断层比维持滑动更加容易，因此表现为断层仅滑动3～5 km即停止。模型Ⅱ中，受蛇纹岩化作用，断层剪切带周围岩石的强度降低，断层滑动需要克服的滑动摩擦力Ff相对模型Ⅰ小12.47×1011N·m-1(47%)，所以模型Ⅱ的滑动距离更长，活动周期更长。

3.3 地质观测

研究区域的水深数据表明，西南印度洋中脊光滑地形发育的拆离断层的断距为2.7～17 km，平均值为8 km(图6a)，模型Ⅱ显示断层的断距约为 5～7 km(图6b)，与实际观测相符[12]。根据AA’剖面不同时期的构造解释图(图6d，6e)，D1是活动的拆离断层，呈E—W走向，长约36 km，朝向洋脊轴部(向南)，倾角约为32°，显示断层面曾经历倾斜弯曲。D1 的形成可分为下盘裂缝发育期和主断层形成期两个时期。

图6 实测SWIR 61°E—67°E光滑地形的断层断距分布(a)；两个模型的断层断距和生命周期示意(b)；SWIR 64.6°E多波束地形特征(c)；沿剖面AA’不同时期的构造解释(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)

下盘裂缝发育期(约0.3 Ma之前，图6d)：D2为老的拆离断层，其线性山脊呈E—W走向，宽约 27 km，形成在洋中脊南翼，其倾角约为20°。此时D2已经历长达1.1 Ma的过程，其下盘延伸至洋中脊轴部的脆性岩石圈基底，不断从深部拆离出幔源橄榄岩。在旋转弯曲过程中下盘在挠曲力和摩擦力的作用下形成初期大小不一的裂缝。

主断层形成期(图6e)：裂缝中的橄榄岩广泛与海水作用形成蛇纹岩化橄榄岩，这可能是地震波低速带的成因[39]。蛇纹岩化进一步作用使裂缝成为薄弱带，主断层D1开始发育，其倾向与D2相反。此时洋中脊轴部跳跃到D1南侧。同样，D2由更老的D3断层下盘发育而来。

模拟结果也表明了蛇纹岩化对断层下盘岩石的弱化作用，使其下盘更容易形成极性相反的拆离断层，导致D1和D2的倾向发生改变。但是蛇纹岩化作用无法解释断距超过10 km的大型拆离断层。热液冷却系数增大、轴部岩石圈厚度显著增加和底倾角发生相应改变，导致断层水平滑移距离增大，可能是导致拆离断层持续发育的重要因素[42-44]。此外，深部幔岩的重结晶作用也可能影响拆离断层的发育[45]。

4 结论

本文通过数值模拟结合实际观测资料分析，探讨了蛇纹岩化作用对拆离断层发育的影响，并定量解释了其应力机制，得到以下结论：

(1)蛇纹岩化作用延长了拆离断层的生命周期，无蛇纹岩化作用时断层的生命周期为0.20～0.33 Ma，断距为3.0～4.9 km，蛇纹岩化作用下生命周期增加到0.40～0.80 Ma，断距增长为4.5～6.9 km。

(2)虽然厚的岩石圈使断层面的挠曲力增大，但蛇纹岩化作用使滑动摩擦力减小程度更大，导致拆离断层活动周期延长。

(3)蛇纹岩化作用使拆离断层下盘发生断裂时所需要的剪切屈服应力减小了约40%，导致下盘不断被倾向相反的新断层切割。

(4)SWIR非岩浆段的拆离断层发育经历了两个主要时期：下盘裂缝发育期，蛇纹岩化作用使下盘更容易发育出新断层；主断层期，蛇纹岩化作用使断层滑动持续时间更长、滑动距离更长。