原位海底地震大地测量捕获的海底扩张事件解剖

《Nature》：Anatomy of a seafloor spreading event captured by in situ seismogeodesy

　　

在地质时间尺度上，海底的生长涉及洋中脊（MORs）处的岩浆性与构造性伸展。由于对这些海底板块边界开展地震大地测量监测（seismogeodetic monitoring）仍然具有挑战性，因此关于这些系统如何在年际时间尺度上运作，目前所知甚少。本文据研究人员所知，首次报告了对一个洋中脊（MOR）节段裂谷事件的原位观测；该观测结合了水声（hydroacoustic）、直达路径测距（direct-path ranging）与海底压力（bottom-pressure）测量，以及重复海底测图。该事件于2024年4月26日开始，发生在东南印度洋脊（SEIR）约37°?S附近的脊轴处；当时仪器部署于脊轴及邻近Amsterdam转换断层（TF）横跨区域仅两个月。事件起始表现为沿轴向谷快速迁移的伸展性地震群。该事件造成谷底下沉4?m，并导致谷地两侧发生超过1?m的水平伸展。研究人员将其解释为一个席状储库（sill-like reservoir）放气（deflation），并向脊轴方向供给传播中的岩墙（dykes）。这些岩墙最终在约16天内导致约1.6亿?m³熔岩喷溢至海底，同时诱发谷地边界正断层上的有震与无震滑移，并最终触发邻接转换断层上的地震活动。因此，由岩浆过程诱发的大尺度无震滑移，可能是洋中脊正断层累积位移的主要机制，这可以解释其已有充分文献记录的地震亏损（seismic deficit）。

这篇发表于《Nature》的论文聚焦于洋中脊海底扩张事件的直接观测问题。地球表面约三分之二由总长约65,000?km的洋中脊（MOR，mid-ocean ridges，洋中脊）系统形成，新岩石圈板块在这些狭窄板块边界处生成并以厘米/年的速率分离。洋中脊之下，上涌地幔在减压过程中发生部分熔融，浮力驱动的岩浆向脊轴上升，并在由转换断层（TF，transform fault，转换断层）或非转换错断界定的扩张节段内结晶形成新的洋壳。然而，岩浆侵位并不足以承担全部板块离散，部分伸展必须由不同尺度的正断层滑移来容纳。长期来看，岩浆作用与构造变形的耦合塑造了遍布大洋底部的深海丘陵地貌；但在短时间尺度上，这些过程如何发生、如何耦合、应力如何积累与释放，仍缺乏连续直接观测。尤其是，海底扩张通常被认为以离散的“量子式”伸展事件发生，涉及地震、岩墙侵位与喷发，但由于难以在海底板块边界上多年连续同步监测微弱地震活动及海底水平、垂向位移，导致洋中脊节段与邻近转换断层之间是否同步活动、为何洋中脊在高长期形变率下却释放较少地震能量等关键问题长期未解。基于这一背景，研究人员在东南印度洋脊（SEIR）37°?07′?S附近I1节段及邻近Amsterdam转换断层部署自主式地震大地测量观测系统，并在部署仅两个月后幸运捕获到一次显著的海底扩张事件，从而获得了对洋中脊扩张全过程的原位记录。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：在Saint Paul–Amsterdam海台区域布设5台自主式水听器阵列，用于通过T-wave与H-wave定位区域地震与海底喷发相关声学事件；在脊轴谷及Amsterdam转换断层两侧布设15个声学应答器，利用直达路径测距监测海底水平相对位移；在轴向谷底部署自校准海底压力记录仪（BPR，bottom-pressure recorder）以连续获取垂向形变；并在2024年部署航次与2025年维护航次期间重复开展船载多波束地形测量，通过数字地形模型（DTM）差分识别新熔岩流范围与厚度；此外结合二维弹性位错模型与库仑应力变化计算，对岩墙、岩床与断层滑移的贡献进行定量反演。样本来源为东南印度洋SEIR I1节段、Amsterdam TF及Boomerang TF所在海底区域的原位连续观测数据。

Setting of the OHA-GEODAMS experiment
论文首先介绍OHA-GEODAMS观测计划的构造背景与实验设计。研究区位于Saint Paul–Amsterdam火山高原北端，该高原目前正被SEIR切割分离；局部扩张速率依据磁异常估算为61?mm?year^?1，依据空间大地测量估算为63?mm?year^?1。I1节段海底地貌具有典型中速扩张洋中脊特征，约2,000?m深的轴向谷两侧发育被断层控制的深海丘陵。研究人员构建了同时覆盖脊段与转换断层的综合观测系统：区域尺度水声监测用于捕获低震级地震与喷发声学信号，脊谷及TF两套声学测距阵列用于获取水平位移，谷底BPR用于高时间分辨率记录垂向位移。这是首次在一个具有显著构造活动的洋中脊节段及其邻接转换断层上同步实施上述全部观测手段，为后续事件解析奠定了数据基础。

Seismicity and seafloor displacements
这一部分展示了事件起始、迁移及形变记录。2024年4月26日19:56?UTC，I1节段中部开始出现显著伸展性地震群，随后发生Mw?4.9正断层地震。初始活动沿轴向谷向东南迁移超过8?km，之后又发生一系列Mw?≥?5正断层地震，并从节段中心向西北迁移超过9?km。研究人员指出，这种双向快速迁移模式是伸展性板块边界岩墙传播事件的典型特征，尽管本次传播速率约2–3?m?s^?1，明显快于既往类似事件。BPR同步记录到谷底一系列离散沉降事件，与早期较大地震几乎同时发生。结合震源机制和弹性半空间模型，研究人员认为这些地震震源深度不可能大于约5?km，明显浅于GCMT目录给出的12–16?km，说明远震定位在该偏远海区存在较大偏差。随后，在Mw?5.1事件之后，谷底沉降速率显著加快，至21:40累计达1.2?m，之后继续放缓但持续沉降，6天总沉降量达4.2?m，其中83%发生在前16?h。研究人员将这种显著谷底下沉解释为下伏岩浆储库排空，尤其21:03至21:40的快速沉降阶段，代表岩浆储库向西北传播岩墙快速供浆。BPR记录到底层海水温度上升，提示熔岩可能在22:00前后已到达海底，之后较慢沉降则可能反映储库通过开放裂隙持续向海底输送岩浆。

与此同时，跨越轴向谷的直达路径声学测距阵列记录到显著水平位移。以TP7为中心，谷西南侧台站与TP7间基线延长最高达1.30?m，而东北侧若干基线则缩短0.53–0.86?m。后续至2024年6月，部分伸长基线累计延长达1.80?m。研究人员指出，如此大的位移远超既往Axial Seamount事件所测得水平形变。TP6–TP7基线缩短以及TP7内置压力计记录到的同步沉降，提示岩浆储库放气中心位于BPR与TP7下方。基于这些位移特征，论文进一步指出，单一放气岩床（sill）模型虽可解释巨大垂向沉降，但会导致所有台站向TP7收缩，无法解释西南侧基线伸长，因此必须引入岩墙张开与正断层滑移两类伸展源。

研究人员利用二维弹性位错模型，对岩床放气、岩墙张开和正断层滑移的不同组合进行了1,000万组随机采样，并以TP7处沉降及多条基线长度变化为约束筛选出2,203组拟合良好的模型。所有合理模型共同指向：一处深度至少3,500?m的岩床发生12–18?m闭合；一条根植于该岩床、上延至海底下83–377?m的岩墙发生1.0–3.3?m张开；一条延伸至数千米深度的正断层发生0.6–3.1?m滑移；总水平伸展量为2.1–4.0?m，其中多数模型显示岩墙承担的伸展多于断层。文中给出的代表性模型显示，深约3,577?m、宽2,500?m的岩床放气9.8?m，一条岩墙上延至海底下57?m并张开1.4?m，同时一条向东北倾60°的谷边正断层发生1.9?m滑移，合计产生2.4?m水平伸展，相当于该脊段约38年扩张量。更关键的是，这一断层滑移量比本次Mw?≈?5地震群可解释的同震滑移高一个数量级，表明断层运动主要以无震滑移形式发生。

New lava flows on the seafloor
通过2024与2025年重复多波束测图的数字地形模型差分，研究人员识别出轴向谷底显著的正高程变化，局部厚度超过90?m，并将其解释为新形成的大规模熔岩流。新熔岩主要沿两条平行带分布：其一位于谷西南壁脚下，形成长约4?km、体量最大的熔岩斑块，与多个大型正断层地震位置相邻；其二沿2024年已测得的轴向火山高地分布，由若干离散或连通的熔岩斑块组成。另有两个较薄熔岩斑块位于节段东南端，可能由最初向东南传播的岩墙供给。总体新熔岩体积估算为1.48–1.60?×?10⁸?m³，与其他洋中脊喷发环境所报道量级相当。关于喷发时序，论文依据两类间接证据约束：一是BPR快速沉降阶段斜率变化与4月26日22:00开始的海底温度升高相一致；二是由熔岩–海水相互作用产生的短时高能H-wave声学事件自4月27日06:00前后开始大量出现。至5月12日，至少由三台水听器记录到2,150余次H-wave，此后停止，表明主体喷发持续约16天，平均熔岩喷出速率约9–10百万?m³?day^?1，折合116?m³?s^?1，并在2024年6月15–16日出现短暂末次喷发。H-wave活动的三个主要脉冲与BPR记录的海底温度上升相对应，其震源集中于北部熔岩流区，说明该区是主要喷发中心。

Transform activation and strain budget
在岩墙停止向北传播后不久，Boomerang TF区域开始出现意外的离轴正断层事件及走滑事件；约20分钟后，Amsterdam TF发生多次走滑地震，包括一次显著Mw?5.9事件。尽管应答器倾斜和声速周期变化妨碍了TF阵列基线变化的可靠解析，但地震时序清楚显示，两条转换断层的活动很可能由相邻脊轴岩墙传播所触发。库仑静态应力变化计算也支持该解释。2024年事件触发的转换断层地震矩释放约为Amsterdam TF上12?PJ?km^?1、Boomerang TF上3?PJ?km^?1，与该区域过去几十年重复出现的矩释放脉冲规模相当。

相比之下，约25?km长的I1扩张节段在2017年前几乎未释放可探测的正断层地震矩，2017–2023年累计释放约14?PJ?km^?1，而2024年迁移地震群额外贡献约22.6?PJ?km^?1。然而，拟合地球物理观测的绝大多数模型都要求比22.6?PJ?km^?1更大的正断层矩，模型中位数为92.3?PJ?km^?1。由于这一“测地矩”同时包含有震与无震分量，因此可推算本次断层滑移约24%为有震、约76%为无震。论文据此明确证明，洋中脊正断层能够经历显著无震滑移事件，这为解释洋中脊伸展地震亏损提供了直接证据。

进一步地，研究人员使用几何矩（potency，位能矩）统一刻画岩墙与断层对扩张的贡献。若按63?mm?year^?1扩张速率和5?km厚岩石圈估算，脊段沿轴每米每年的水平几何矩积累率为315?m²?year^?1。模型显示，2024年事件中由断层滑移释放的水平位能矩中位数约1.3?×?10³?m²，由岩墙贡献的中位数约1.0?×?10⁴?m²，合并后总水平位能矩中位数约12.3?×?10³?m²，相当于SEIR该段约39年的板块离散积累量。由此，论文提出洋中脊扩张节段可能经历长时间相对静默的拉张储能，而邻接转换断层则通过频繁滑移持续释放位移；当脊段应力积累到一定程度时，便通过包含岩墙侵位、断层滑移及显著无震滑移在内的“量子式”海底扩张事件集中释放，机制上类似于火山塌陷事件中的协同岩浆—构造响应。

讨论部分的核心在于：本研究通过原位水声、海底测距、海底压力与重复测图的联合观测，首次完整捕获了洋中脊一次海底扩张事件的起始、传播、喷发与向转换断层传递应力的全过程。结果表明，岩浆储库放气、岩墙沿脊传播、海底熔岩喷发、谷边正断层的有震—无震复合滑移以及邻接转换断层触发，构成了一个耦合的构造—岩浆系统。论文最重要的推进在于直接证明：洋中脊正断层位移积累并非主要依赖地震，而可能主要依赖岩浆过程诱发的大尺度无震滑移；这不仅解释了长期观测中的地震矩亏损，也为理解海底扩张的时间离散性、脊段与转换断层之间的应力耦合方式以及洋壳形成过程提供了新的观测依据。

研究结论部分可译为：研究人员认为，扩张节段会经历数十年的相对静默拉伸，而其邻接转换断层则通过频繁滑移事件累积位移。洋中脊节段中建立起来的应力，随后在海底扩张的量子式事件中得到释放；这类事件同时涉及岩墙侵位与断层滑移，并包括脊轴边界正断层上的显著无震滑移，类似于Kīlauea在2018年的塌陷事件。该机制可能是洋中脊正断层累积位移的主要方式，并有望解释全球目录中这类断层的地震矩亏损。