后中新世张扭性开裂作用——北部红海

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Post-Miocene Transtensional Opening of the Northern Red Sea

　　

北部红海（Northern Red Sea, NRS）的开裂机制及地壳特征一直是颇具争议的科学议题。为了阐明该区域的裂谷作用性质，研究人员在Al Wajh碳酸盐台地（AWCP）近海采集了二维多道反射地震数据（2D multi-channel reflection seismic, MCS），并辅以高分辨率测深数据（high-resolution bathymetric data）。沿先前提出的裂谷轴，识别出一个主要弯曲地堑系统，走向为NNW-SSE，表现出走滑带（strike-slip zone）的典型特征。观测到的滑动为左旋（left-lateral），并具有显著的伸展分量。在Mabahiss深部，断裂带向南弯曲并发生阶跃。因此，该盆地作为拉分盆地（pull-apart basin）运作，并被认为是Zabargad断裂带（Zabargad Fracture Zone, ZFZ）的一部分。测深数据突显了研究区现今复杂的海底地形，这是由多种地下盐构造（salt structures）造成的。它们的表面形态反映了当前的构造体制。已识别出三个不同的域。第一个域包括AWCP及其周边斜坡。第二个域包括裂谷的远端部分，其中盐构造走向为NNW-SSE，与推断的裂谷轴一致。在第三个近端域中，盐构造在某些地方斜交于裂谷轴。这归因于固有伸展及横切走滑带的正断层作用。研究人员的结论表明，北部红海（NRS）正处于从大陆裂谷向海底扩张的过渡阶段。观测到的岩浆侵入（magmatic intrusions）和海底火山（submarine volcanoes）是大陆破裂的前兆。

**论文解读：北部红海后中新世张扭性开裂作用**

**研究背景与问题**

红海被视为新生洋盆形成的典型区域，但其开裂机制及地壳性质存在长期争议。关于裂谷模式，存在纯剪切对称裂谷与简单剪切非对称裂谷两种对立观点；关于地壳性质，一派认为整个红海盆地为洋壳，另一派则认为南部和中部已接近洋壳阶段，而北部红海（NRS）为超伸展大陆地壳。此外，NRS发育厚的中新世移动盐层，掩盖了基底断裂的构造形态，增加了裂谷构造重建的难度。盐层既可能遮挡深部结构，也可能通过其变形特征反映构造体制。现有研究对NRS内走滑断裂的作用认识不足，尤其是沿裂谷轴的走滑运动及其与拉分盆地的关系。因此，开展这项研究旨在利用新采集的多道反射地震（MCS）和测深数据，结合重力、磁力及地震资料，揭示NRS沙特阿拉伯段Al Wajh碳酸盐台地（AWCP）近海的构造体制，并探索NRS盆地的开裂机制。该研究论文发表在《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》。

**研究内容与结论**

研究人员在2023年RV Meteor M193航次中，于AWCP近海采集了高分辨率多道反射地震数据和多波束测深数据，并结合垂直重力梯度（VGG）、磁力异常及历史地震数据，对研究区进行了综合构造解析。主要结论包括：识别出一个沿NNW-SSE走向的弯曲地堑系统，其深部断层呈向下收敛的花状构造，表明为左旋走滑带（strike-slip zone），并具有显著的伸展分量，形成张扭性（transtension）环境。在Mabahiss深部，走滑断裂发生弯曲和阶跃，形成菱形拉分盆地（pull-apart basin），长约50 km，宽约16 km，沉积充填超过2 km，该盆地被认为是Zabargad断裂带（ZFZ）的北端部分。研究区盐构造分为三个域：AWCP及周边斜坡的盐脊（salt anticlines）受碳酸盐台地加载驱动；远端裂谷部分盐墙（salt walls）走向NNW-SSE，平行于裂谷轴；近端部分盐墙斜交于裂谷轴，归因于横切走滑带的伸展作用。岩浆活动（包括Mabahiss Mons火山、岩墙、岩脉及岩浆侵入体）沿断裂系统分布，表明其为大陆破裂的前兆。综合证据表明，NRS正处于从大陆裂谷向海底扩张的过渡阶段，而非已有洋壳的开裂。

**重要意义**

该研究揭示了NRS轴部存在大型张扭性走滑系统，修正了以往纯剪切或简单剪切模型的局限性，为理解红海斜向开裂提供了关键构造证据。证实Mabahiss深部为拉分盆地，明确了ZFZ向北延伸的构造几何形态。盐构造的三域划分展示了盐层对构造体制的响应，为盐盆地构造解析提供了新范例。此外，岩浆活动与走滑断裂的时空关联，暗示了断裂在岩浆运移中的控制作用，为大陆破裂前兆研究提供了重要约束。

**主要技术方法**

1. **多道反射地震（MCS）数据采集与处理**：使用144道数字电缆（主动长度600 m，组间距4.167 m）和双气枪簇（总容积105 in3 + 45 in3）震源，以25 m间距激发，采样率1 ms。经ProMAX软件处理，包括带通滤波（20–200 Hz）、球面扩散校正、二维表面相关多次波估计与压制、动校正、叠加（面元12.5 m）及叠后时间偏移。最终带通滤波（20–60 Hz）增强盐层下成像。
2. **多波束测深数据**：使用Kongsberg EM710/EM122系统，经QPS Qimera软件处理，包括潮汐校正（基于GEOSA Al Wajh站）和声速剖面校正（12次CTD及XVS探针），最终网格分辨率30 m。
3. **重力数据**：采用全球海洋重力场模型SIO V32.1的垂直重力梯度（VGG），空间分辨率1–2 km，对浅层高频地质结构敏感。
4. **磁力与地震数据**：利用不同航次船载磁力数据（经LCS-1卫星模型融合）和USGS历史地震目录（M>4.0，震源深度~10 km），与MCS结果相互验证。

**研究结果**

**3.1 海底地形**：通过多波束测深数据，识别出研究区西南部菱形Mabahiss深部（水深2200 m），其西北缘有Mabahiss Mons火山（具坑状火山口）及无名火山。一个弯曲地堑系统从Mabahiss深部西北角向北北西延伸，宽度2–10 km，高差超550 m，沿裂谷轴方向展布，并伴有深切的峡谷（A）连接上部斜坡与深部。

**3.2 地震地层**：基于MCS数据，依据S反射面（不整合面）划分了Lisan群（上新世至今，平行连续反射）、Ghawwas组（中晚中新世，层状蒸发岩，中低振幅反射）和Mansiyah组（中新世，块状石盐，低振幅或空反射）。岩浆岩呈高振幅粗糙顶部和内部透明特征。S反射面为连续高-中振幅反射，可全区追踪，但在Mabahiss深部被岩浆岩取代。

**3.3 构造结构**：通过MCS剖面p22、p02、p13和p10，深部断层收敛于下部，形成负花状构造（negative flower structures），表明走滑性质。Mabahiss深部边界断层为陡倾正断层，汇聚于深处，盆地充填物（含岩脉）被错断。在东部边界断层发现右旋弯曲（restraining bend），形成压缩区，导致盐层沿断裂面上升形成盐角（salt horn）。该弯曲地堑系统的S反射面错断表明断层活动始于约5 Ma后，并持续至今。

**3.4 盐构造**：根据MCS和测深数据，盐构造覆盖全区，无海底出露。三个域：第一域（AWCP附近）盐脊垂直于台地边缘；第二域（远端）盐墙和迷你盆地走向NNW-SSE，平行于裂谷轴；第三域（近端）盐墙斜交于裂谷轴，走向W-E至WNW-ESE。剖面p14显示盐墙具两期抬升，被S反射面侵蚀，表明盐底辟活动始于5 Ma前。盐席（salt sheets）沿断裂和岩浆侵入体分布，流动方向向陆，表明热异常促进盐流动。

**3.5 岩浆结构**：MCS数据识别出Mabahiss Mons火山（位于走滑断裂与正断层交汇处）及无名火山，后者位于推测的反向R'剪切断裂上。岩墙（dike）平行于拉分盆地西边界断裂，呈海底小脊。岩浆侵入体（如MI2–MI5）位于走滑带附近，呈孤立岩浆中心，非连续扩张脊，与高VGG异常和磁异常对应。地震剖面p13穿过MI3边缘，显示为熔岩流和火山碎屑沉积。

**总结讨论**：研究区存在两个主要断裂系统：NNW-SSE向弯曲走滑带（主位移带，PDZ）和Mabahiss深部拉分盆地。前者为左旋张扭性，由裂谷轴平行走滑和NNE向伸展分量共同作用，形成负花状构造，地震活动（M>4，震源深度~10 km）证实其深根和活动性。后者为走滑断裂阶跃形成的拉分盆地，长约50 km，宽16 km，沉积充填>2 km，其边界断裂显示右旋弯曲压缩区。该拉分盆地被认为是ZFZ的北端，裂谷段向右错断，但剪切为左旋，与转换断层运动学一致。盐构造的三域分布反映不同构造控制：第一域受台地加载驱动，第二域受基底伸展控制，第三域受张扭性应力场控制，伸展作用由盐墙侧向扩张和迷你盆地沉降容纳。岩浆活动沿断裂系统分布，表明断裂为岩浆上升提供通道，且火山位于裂谷段边界，与东非裂谷系统类似。综合讨论认为，NRS处于大陆裂谷向海底扩张的过渡阶段，无洋壳存在的证据（如MCS未探测到洋壳边界、裂谷不整合缺失），且走滑作用早于大陆破裂，这与斜向裂谷的三维数值模拟一致。

**结论翻译**：我们的研究揭示了在沙特阿拉伯段的NRS轴部裂谷带存在一个大型张扭性走滑系统。弯曲的深根断裂既产生释放弯曲（releasing bends）也产生限制弯曲（restraining bends），伸展作用占主导，证据是大量负花状构造（negative flower structures）。S反射面在走滑断裂带内的错断以及断裂在海床的暴露表明，该区域的张扭性作用始于上中新统不整合面形成之后（约5百万年前），并持续至今。这一时间框架与死海/亚喀巴走滑断裂系统的滑动增强相吻合，导致该断裂带内多个拉分盆地的打开。在马巴希斯山（Mabahiss Mons），主走滑断裂弯曲并继续向南延伸。同时，该断裂形成一个阶步（stepover），导致了一个大型拉分盆地的形成，即马巴希斯深部（Mabahiss Deep），其南北向张开。再往南，主走滑断裂继续延伸，证据是该区域等深线的总体走向以及凯布里特深部（Kebrit Deep）与其共线。在此，Ehrhardt和Huebscher（2015）确定了明显的南北向走滑运动。马巴希斯深部和向南延伸的走滑断裂可能是Zabargad断裂带（ZFZ）的一部分，该断裂使裂谷段向右错断；然而，断裂上的剪切是左旋的。很可能，红海张开方向在约12–14 Ma时从垂直于裂谷轴变为斜向，导致早期远端平行裂谷的构造被新的更靠近裂谷轴的张扭性模式所取代，盐构造也斜交于裂谷轴。