高压岩石应力不均一性揭示深部俯冲界面瞬态耦合机制

本研究针对深部俯冲带过渡区（40–60 km）的应力分布与蠕变机制难题，通过分析北祁连古俯冲带蓝片岩相变硅质岩的显微剪切带，发现其记录了以位错蠕变（dislocation creep）为主导的瞬态高应变速率（10?9 s?1）和高剪切应力（>100 MPa）。该研究首次为深部慢滑移事件（SSEs）区域的块体相互作用提供了地质证据，揭示了俯冲界面多尺度力学反馈机制。

　　

俯冲带是地球板块构造中能量与物质交换的关键场所，其深部界面（尤其是40–60 km深度的过渡区）的力学行为直接关联大地震的发生与慢滑移事件（Slow Slip Events, SSEs）。然而，由于直接观测的局限性，该区域的应力分布、蠕变机制及流体作用长期存在争议。传统地球物理手段虽能捕捉SSEs的瞬态信号，但无法揭示其微观物理过程。在此背景下，来自中国地质科学院、北京大学及法国里昂大学的研究团队，通过对北祁连造山带高压—低温变质带中变硅质岩的精细分析，首次发现了记录深部俯冲界面瞬态耦合的显微构造证据，相关成果发表于《Nature Communications》。

关键技术方法

研究团队综合运用野外构造解析、电子背散射衍射（EBSD）石英组构分析、石榴子石碳质物温度计（RSCM）、电子探针（EPMA）矿物化学成分测定、相平衡模拟（Perple_X）及⁴⁰Ar/³⁹Ar年代学测试，限定了变形温压条件（490±10°C, 1.5±0.1 GPa）、应变速率与应力值，并通过石英古应力计（“sliding resolution” piezometer）量化了块体与基质间的应力差异。

研究结果

地质与构造背景

北祁连高压—低温混杂岩带作为早古生代古俯冲通道的露头，保存了完整的蓝片岩相变质序列。研究聚焦于清水峡剖面中嵌入钙质片岩基质的变硅质岩块，其内部可划分为粗粒变硅质岩（CMC）和显微剪切变硅质岩（MSMC）两类构造单元。野外与显微构造分析表明，MSMC中发育平行面理的显微剪切带（厚度<200 μm），切割早期石英条带，并伴随云母定向排列。

变硅质岩块与钙质片岩基质的变形对比

EBSD分析显示，钙质片岩中的石英脉以亚颗粒旋转重结晶（subgrain rotation recrystallization）为主，剪切应力为23–25 MPa，应变速率约10^?12 s^?1；而MSMC中的显微剪切带则记录了更高的应力（126–143 MPa）和应变速率（>10^?9 s^?1）。石英组构与晶内畸变模式一致指向位错蠕变主导的变形机制。

显微剪切形成的温压条件评估

基于石墨温度计（RSCM）与白云母硅含量等值线（Si p.f.u.）限定的相平衡模拟，确定显微剪切作用发生于490°C和1.5 GPa条件下，对应俯冲带50–60 km深度。⁴⁰Ar/³⁹Ar定年（467±3 Ma）进一步确认变形时代与区域蓝片岩相变质事件同步。

讨论与机制阐释

研究提出，变硅质岩块中高应力显微剪切带的形成与深部SSEs引发的瞬态块体相互作用直接相关。数值模拟表明，当强刚性块体在弱基质中含量超过50%时，可形成“力链”效应，局部放大应力并激活位错蠕变。此外，块体内部较低的孔隙流体压力因子（λ<0.86）与基质中高流体压力（λ>0.97）的差异，进一步促进了应变局部化。这种瞬态耦合过程的持续时间被估算为5–40年，与现代SSEs的时间尺度吻合。

结论与意义

本研究通过多尺度地质学分析，揭示了深部俯冲带过渡区中应力异质性的形成机制，首次将显微尺度的位错蠕变记录与区域慢滑移事件关联，为理解俯冲界面瞬态耦合提供了关键地质证据。该成果不仅深化了对深部地震循环过程的认识，也为数值模拟与地球物理观测提供了重要的岩石力学约束。