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近日，国际知名地学期刊Earth and Planetary Science Letters发表了河海大学海洋学院王毛毛副教授及其合作者基于国际大洋发现计划（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”。
俯冲带巨型逆冲断层（megathrusts）的结构和地震行为受输入海洋板块诸多因素影响，诸如海底粗糙度、俯冲输入组成及其物理性质、洋壳水文地质及其热状态等。俯冲输入的岩石地层是影响俯冲过程的重要变量，因为其物理特性和厚度可以影响流体的产生和渗透，进而影响流体压力、变形机制、力学强度和断层滑移行为。野外观测和实验室研究揭示，钙质岩石（包括白垩和泥灰岩等）呈现出与富含泥质硅质岩不同的力学、摩擦及流变特性。尽管全球俯冲带广泛存在输入的钙质岩石，但少有研究调查这类岩石在俯冲之前的固结和收缩变形机制，因此关于其对后续俯冲和增生过程的潜在影响了解甚少。
图1 a)研究区大地构造位置，灰色、白色及黄色代表二维地震反射剖面的位置，蓝色透明区块代表三维地震数据的位置, b)地震测线05CM-04的地质解释剖面揭示的希库朗伊俯冲带剖面结构
针对上述科学问题，研究团队利用二维和三维地震反射数据，结合国际大洋发现计划372和375航次的岩石物理数据和岩芯，对南太平洋新西兰希库朗伊（Hikurangi）俯冲带输入沉积序列中正断层的结构、生长历史、滑移速率进行了研究。地震相干深度切片和垂直地震剖面都显示出这些断层的多边形结构以及与断层相关流体迁移的声学证据，这在俯冲边缘鲜有报道。这些多边形断层表现出紧密间隔和层位限定特征，主要局限在古新世－上新世的深海碳酸盐和钙质泥岩中。
图2 IODP U1520钻孔的岩性、地质单元、孔隙度、裂缝密度、构造和P波速度剖面
运动学模拟和二维断层位移量分析揭示，其断距具有向上和向下递减的特点，利用位移量极值的位置可识别出两类断距剖面，反映了其层位岩石物性的侧向变化。这些多边形断层系统（polygonal faults system）的形成可能与深海沉积单元脱水过程中成岩作用诱发的剪切破坏以及流体逃逸相关的体积收缩有关。地震反射剖面解释显示，这些断层具有有限的断距，通常小于30 m。断层生长序列揭示了多个同时期的海底变形与沉积间隔，在深海沉积时期典型滑移率为0.5-3 m/Ma，而在陆相沉积充填开始后迅速增加至大于20 m/Ma。这些观测数据表明，海沟充填楔对深海沉积物的快速加载导致了多边形断层复活并快速生长。
图3 a) 4650m深度的地震相干切片展示了输入深海钙质层序中多边形断层的平面结构，b)水平地震相干切片与垂直地质剖面的折叠图
图4 俯冲过程中多边形断层系统的活化对增生楔底部构造、流体和地震活动影响的模式图
本研究指出，俯冲带输入层序中发育的多边形断层可能在俯冲过程中影响板块界面性质以及上覆增生楔构造变形及其演化。增生楔下部继承性收缩构造的重新复活将会维持或重新开启裂缝渗透性，并促进增生楔下部流体向上流动或沿俯冲界面进行流体渗漏。这些过程常被用来解释希库朗伊北缘的地震现象，包括地震震颤和突发型重复地震等。在全球其他俯冲带，特别是具有较厚碳酸盐和钙质泥岩输入层序的地方，这些细粒深海沉积单元中发育的继承性结构对浅部俯冲力学和增生楔演化的影响可能会被严重低估。
论文第一作者和通讯作者为河海大学海洋学院王毛毛副教授，合作者包括新西兰国家水和大气研究所（NIWA）Philip Barnes首席科学家，美国莱斯大学Julia Morgan教授，英国帝国理工学院Rebecca Bell高级讲师，美国夏威夷大学Gregory Moore教授，英国卡迪夫大学Ake Fagereng教授，美国德州大学奥斯汀分校Demian Saffer教授，以及来自加州大学圣克鲁兹分校、葡萄牙海洋与大气研究所、俄勒冈州立大学、新西兰地质与核科学研究所、德州农工大学的研究人员。这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国大洋发现计划等的资助。
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.
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X23000353
撰稿：王毛毛
编辑：李阳阳
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