侵入岩浆作用、板块应力与正交扩张 versus 斜向扩张中洋脊的成因

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Intrusive Magmatism, Plate Stresses, and the Cause of Orthogonal Versus Oblique Spreading Mid-Ocean Ridges

　　

： 正交扩张脊段被洋底转换断层(Transform Fault, TF)分隔，与无TF且呈斜向扩张的脊段之起源，是板块构造学中长期存在的谜题。研究人员采用三维(3D)地球动力学模型模拟沿两段初始垂直于海底扩张方向及其间TF的轴向岩浆侵入(intrusive magmatism)。侵入带动态迁移至深度平均水平"有效应力(effective stress)"的局地极大值处。无论是模拟粘弹–塑性流变的三维数值模型，还是二维薄弹性板模型均预测TF上的剪应力会导致岩石圈张力不对称，致使脊段末端相向迁移并最终形成斜向扩张脊。弱TF、板边界带下方岩石圈迅速增厚、较高的岩浆容纳扩张率(magmatically accommodated spreading rate)，以及侵入局限于脊轴下方窄带，均促进带TF的正交扩张。这些条件在慢速及以上扩张速率（发生正交扩张）下有观测或预期。相反，强TF、板边界下方岩石圈缓慢增厚、较低岩浆容纳伸展率，及脊轴两侧较宽的侵入带促进斜向扩张。这些条件预计促使典型慢速及超慢速扩张环境中观测到的斜向扩张。在非典型的受热点影响雷克雅内斯脊(Reykjanes Ridge)，推断异常高岩浆供给造成的宽亚轴向岩浆侵入带促进了斜向扩张。

论文解读：

本文发表于《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》，研究背景在于中洋脊(Mid-Ocean Ridge, MOR)板块边界存在两种典型几何形态：其一是脊段垂直（正交）于扩张方向并被洋底转换断层(Transform Fault, TF)分隔；其二是脊段斜向(oblique)于扩张方向且无TF。为何同一全球洋盆中出现这两种截然不同的构型，是板块构造理论中的长期未解之谜。以往解释多侧重软流圈部分熔融导致的流变非均质性，而本文从岩石圈力学与岩浆侵入(mode I opening deformation)耦合的角度探讨此问题——即TF剪切诱发的岩石圈应力不对称如何影响脊段重组及TF稳定性，以及岩浆供给特征和岩石圈热结构在其中扮演的角色。

为开展研究，研究人员采用的主要关键技术方法如下：建立三维(3D)粘弹–塑性(viscoelastic–plastic)流变学数值模型，使用LaMEM代码求解Cauchy动量方程、质量守恒与能量守恒，模拟含热对流扩散的岩石圈–软流圈系统，脊轴岩浆侵入以连续方程中物质发散(dilation)模拟magmatically accommodated spreading fraction M；侵入带可固定或依据深度平均水平有效应力σ_xx? P_m（P_m为静岩压力假设下岩浆压力）动态迁移至局地极大值；辅以二维(2D)薄弹性板(thin elastic plate)解析模型计算膜力(resultant force) N_xx及应力不对称，验证三维数值结果；参数研究中变化TF摩擦系数μ_TF（对应不同TF剪切强度）、TF初始长度L、增强冷却倍数(Nusselt数Nu，控制岩石圈离轴增厚速率)、岩浆容纳扩张分数M及岩浆供给可用宽度w_m，并以TF缩短速率|dL/dt|和跨轴应力不对称参数为正交扩张失稳的量化指标。

研究结果归纳如下：

3 转换断层对应力不对称与斜向扩张的影响(3 The Transform Effect on Stress Asymmetry and Oblique Spreading)

3.1 转换断层剪切引起的岩石圈应力不对称(3.1 Asymmetry in Lithospheric Stress Due To Transform Shear)

通过固定与动态释放侵入带对比发现，TF上的剪应力对板块运动产生阻力，使北侧脊段TF侧水平拉张应力σ_xx高于断裂带(fracture zone)侧，造成跨脊轴的有效应力(effective stress, σ_xx? P_m)横向不对称。该不对称驱动侵入带末端向彼此弯曲、TF缩短，最终两脊段合并为单一斜向扩张脊。三维数值模型与二维薄板弹性解给出的膜力N_xx分布及应力场特征吻合。

3.2 转换断层附近有效应力的二维弹性解(3.2 2D Elastic Solutions of Effective Stress Near a Transform Fault)

基于薄弹性板平面力学的解析解显示，TF剪切力 resultant N_TF与脊侧正断层强度 N_R（取决于轴部岩石圈厚度与摩擦角）共同控制沿脊轴方向有效应力梯度。岩石圈厚度采用高斯函数拟合快增厚近轴区加√x慢增厚远轴区，与三维模型温度场导出的岩石圈等温面(1000℃)吻合良好。

4 影响正交扩张稳定性的性质(4 Properties Influencing the Stability of Orthogonal Spreading)

4.1 转换断层摩擦强度(4.1 Transform Frictional Strength)

降低TF摩擦系数μ_TF（弱TF）显著降低应力不对称与TF缩短速率，利于正交扩张稳定；增大μ_TF（强TF）增大剪应力、加剧不对称，促进斜向重组。二维弹性模型复现该趋势。

4.2 转换断层长度(4.2 Transform Length)

变化TF初始长度L(5–50 km)对跨轴应力梯度及TF缩短速率影响甚微，说明正交扩张稳定性对TF绝对长度不敏感，与全球洋中脊TF长度跨越一个数量级却均可存在正交–TF构型一致。

4.3 岩石圈离脊轴增厚速率(4.3 Rate of Lithospheric Thickening Away From Ridge Axes)

归一化离轴增厚率(dh/dx)/h₀（h₀为轴部岩石圈厚度）越大（即轴薄且离轴迅速增厚），轴部有效应力峰越突出，TF诱发的不对称影响越小，正交扩张越稳定；反之厚轴且慢增厚促进斜向扩张。

4.4 沿轴岩浆侵入率变化(4.4 Along-Axis Variation in Magma Intrusion Rate)

降低脊段端部岩浆容纳扩张分量M_min(0.35–0.65)导致TF内侧角(inside corner)形成拆离断层(detachment fault)，并使轴岩石圈因岩浆供热减少而增厚、离轴增厚率减小，从而促进斜向扩张重组。

4.5 岩浆供给带宽度(4.5 Width of the Magma Supply Zone)

当可供岩浆填充新生侵入的跨轴宽度2w_m收窄至接近侵入带固有宽度w_I(1.5 km)时，侵入带无法向TF侧迁移，TF缩短停止，正交扩张稳定；宽w_m则允许侵入带偏移，促进TF缩短与斜向化。

5 讨论与结论(Discussion & Summary and Conclusions——浓缩自原文第5及第6节)

研究人员指出模型未模拟沿轴侵入带传播及细观斜向脊内次级不连续，对比宜在大尺度板块边界进行。讨论部分强调：(1)弱TF促正交扩张与蜡模、砂箱实验及天然TF低剪切应力证据相符；(2)TF长度不敏感符合全球观测；(3)轴部薄岩石圈+快离轴增厚及窄岩浆供给带促正交扩张，与慢–快速扩张MOR地震探测到的浅莫霍与窄部分熔融地壳一致；(4)慢速及超慢速扩张因低岩浆通量致轴岩石圈较厚、离轴增厚缓、岩浆侵入带较宽，促斜向扩张（如中大西洋脊MAR及西南印度洋脊SWIR部分段）；(5)雷克雅内斯脊(Reykjanes Ridge)受冰岛热点异常高岩浆通量致宽亚轴向岩浆侵入带，虽岩浆丰富仍发生斜向扩张及TF消失，且北段先斜向化符合通量南减规律。

结论部分翻译浓缩：

本研究评估了促使中洋脊正交扩张并伴TF versus 无TF斜向扩张的力学成因。三维数值模型显示初始正交脊段因TF剪切引发岩石圈水平有效应力不对称，使侵入带动态迁至TF侧更高拉张区，脊段末端相向弯曲、TF缩短并形成斜向扩张脊。TF长度不影响正交扩张稳定性；低TF摩擦（弱TF）、轴部薄岩石圈及快速离轴增厚、侵入局限于窄带促进正交扩张与TF存续——为慢速及以上扩张MOR地球物理观测所支持。反之强TF、轴厚且离轴慢增厚、宽跨轴岩浆侵入带促进斜向扩张——对应典型慢速及超慢速扩张环境。雷克雅内斯脊例外情况中，热点致异常高岩浆通量产生宽岩浆侵入带是导致斜向扩张与TF不稳定的原因，且其历史上由正交转斜向的时间南延与岩浆通量向南递减一致。