洋壳活动断层特征和动力作用

2022-03-29马庆尊薄万举冯胜涛尹海权于华之王佳龙

大地测量与地球动力学 2022年4期

马庆尊薄万举冯胜涛尹海权周伟于华之王佳龙

1 中国地震局第一监测中心，天津市耐火路7号，300180

陆壳上广泛发育活动断层，每次重大地震都伴有陆壳表层变形运动。洋壳上同样存在大量地震，也发育有众多洋壳活动断层[1]。洋壳活动断层特征与陆壳活动断层特征的差异及这些差异存在的原因值得探讨。自20世纪70年代发现洋底热液以来，洋壳热活动已成为探索和研究的焦点，部分学者开展了广泛的洋壳科学研究[2-4]，发现越来越多的热液喷发区。陆壳热液活动往往与火山和活动构造相关，本文将研究洋壳热活动与洋壳活动构造的相关性。

1 洋壳活动断层特征

观察全球洋壳活动断层发现，除与陆壳具有同样的线性特征外，洋壳活动断层还具有独特的特征，如规则的折叠型活动断层、规则的内部结构、活动断层控制下的褶皱和火山、活动断层沿经度和纬度规律性展布等现象，对这些活动断层的观察和测量不仅使洋壳活动断层特征更加鲜明，也可显示洋壳活动的独特性。

1.1 折叠型活动断层

图1为太平洋某区域的高清模拟影像，中心点坐标为(52°03′32″S，123°02′54″W)，右下角B区紫色方框为折叠型活动断层，A区为对B区内紫色方框部分进行放大。折叠型活动断层在洋壳上广泛分布，在洋壳地形变化区域，如海沟、海岭、海台、洋中脊、洋盆等展布最多，其与其他活动断层的最大区别是在穿越某一区域时出现规则的折叠现象，如交织成网或密集如梳篦。如果将活动断层相邻折叠之间的距离称作折叠距，图中断层的折叠距约为13 km。观察全球折叠断层发现，折叠断层在不同区域的折叠距存在差异，现今洋壳上观测到的最窄折叠距不足3 km，最宽可达到1 189 km。在陆壳断层研究中则未观察到该类断层。

图1 穿越折叠型活动断层地形剖面

图1中折叠断层为2015年版谷歌地球中新出现的活动断层，其部分特征也代表最新活动断层的特征。图中A区域中间白色横线为剖面所在位置，剖面全长118 km，白色竖线为距离标志线，图中已标注距离、沟深、折叠距和活动断层宽度；绿色和红色曲线构成剖面的地形线，纵坐标为高程。剖面最深处为-3 730 m，最浅处为-3 204 m，折叠断层在剖面处显示为3条裂谷，宽度和深度分别为2 000 m和262 m、900 m和238 m、2 000 m和153 m。其他区域地形平滑。仔细观察地形剖面发现，洋壳断层右侧沟口均高于左侧沟口，发生叠瓦式拉张运动，如浅蓝色斜线所示，断层左侧洋壳下沉，右侧洋壳抬升，存在正断特征。

从图1中可以看出，活动断层内部也可见类似褶皱构造，在对该断层进行更广泛测量时还发现，断层在部分区域不仅无明显的裂谷，反而出现突起的山峰。这表明洋壳活动断层与陆壳活动断层一样，同一条活动断层不同区段的受力特征存在差异。

洋壳被各种洋壳构造、岛屿、陆地分割成不同区块，在区块边界和区块内部均可见到折叠断层，折叠断层的形成是洋壳内部和区块之间既存在独立性又存在相关性的具体表现，既显示出洋壳的结构特征、区域特征，又体现出相对运动特征。折叠断层的普遍存在表明洋壳活动断层的发生机理和陆壳活动断层存在巨大区别，深入了解折叠断层的特征能够增进对洋壳的理解。

图1中折叠断层的张性裂谷是活动断层最典型的特征，如果将洋壳活动断层看成是以平行断层为界的断陷槽，则洋壳活动断层就与陆壳研究中定义的断层槽具有相同的内涵和外延，这很可能表明洋壳活动断层是发育在洋壳上的断层槽，也有可能标志着陆壳上存在的窄长断槽是古老洋壳断层活动的遗存。陆壳研究表明，硅镁层地槽基底主要为基性火成岩洋壳，陆壳上存在洋壳基底块体，因此可以利用陆壳硅镁层地槽的相关认识来分析和理解洋壳活动断层，推进洋壳活动断层研究工作。

1.2 活动断层内的规则结构

图2为大西洋某区域的模拟影像，中心点坐标为(49°37′24″N，41°17′23″W)，图中浅蓝色区域为活动断层，长黄线为活动断层中轴线，是活动断层中部可以清晰观测到的由凸起或凹陷连接起来的构造线。以中轴线结构为界，左右两部分分布着几乎垂直于中轴线的内部规则结构，即图中短黄线。在各大洋壳上均能观察到表层存在内部结构几乎完全对称的活动断层，只是在不同区域内不同活动断层内部结构的表现形式不完全相同。图2中活动断层为众多活动断层的代表，部分活动断层的内部结构存在更加剧烈的表现形式(如褶皱或火山)，有的活动断层的内部结构更为复杂，存在2条或3条轴线结构，还有部分活动断层在影像中已经无法辨明内部结构，这表明活动断层内部结构是其自身成长的结果。

图2 活动断层内的规则结构

在图2中沿白色横线实测一条剖面，剖面全长153 km，绿线和红线构成剖面的地形线，绿线所示区域为洋壳区域，红线所示区域为活动断层区域，剖面最深处为-4 482 m，最浅处为-4 400 m。剖面2次穿越活动断层，如果与活动断层附近洋壳相比，最深处和最浅处均与活动断层有关，并可明显看到左侧活动断层表层被推升起来，活动断层明显突出洋壳，成为区域最高处；右侧活动断层从峡谷中凸起，区域最低点在活动断层边界处，断层两侧洋壳具有被推挤抬升的特征。

对比图1剖面形态可以发现，左侧和右侧活动断层均使相邻洋壳发生变形。洋壳活动断层内部存在规则结构，对相邻洋壳产生推挤作用，表明活动断层内部存在洋壳生长，特别是活动断层的中轴线结构体现出深部物质侵入特征，垂直于中轴线的横向结构体现出洋壳生长特点，对相邻洋壳的推挤作用体现出洋壳生长的动力作用。陆壳内部构造的相对运动形成陆壳的活动断层体系，洋壳内部生长作用[5]形成有别于陆壳的动力环境，从而造就洋壳的活动断层体系，陆壳和洋壳的不同结构、动力环境决定着其内部活动断层的不同表现特征。

1.3 活动断层控制下的褶皱和火山

图3中A部分为太平洋某区域的模拟影像，中心点坐标为(3°39′12″N，105°00′26″W)，沿白色横线实测一条高程剖面，绿色和红色线条表示地形信息，绿色线条为洋壳区域，红色线条为活动断层区域。从图中可以看出，区域内共存在11条活动断层，从绿色和红色线条所揭示的洋壳地形信息来看，活动断层内洋壳地表存在剧烈起伏变化，虽然活动断层两侧的洋壳也均存在相对起伏特征，但活动断层内外地形起伏变化特征差异明显。如果将断层内洋壳表层剧烈起伏称为褶皱，则褶皱也是活动断层内特有的一种内部结构，其虽然与活动断层内对称结构不同，但均以活动断层边界为界，也是活动断层内洋壳生长的体现。褶皱最鲜明的特征是沿一定方向线性展布，虽然每一条褶皱均有各自的独特性，如长度、宽度、高度、展布方向等，但整体规律也很显著。在一个特定区域内，不同褶皱的长度、宽度、高度接近，褶皱展布方向也接近相互平行，如黄色短线和浅蓝色短线所示。在左右分界区域的H、I活动断层内，2种展布方向的褶皱交错同时出现(左右分界区域根据活动断层褶皱展布方向进行分区)。从地形剖面可以看出，右侧地形整体坡度比左侧稍大，还有部分活动断层的走向发生变化，除此之外洋壳表层无其他分区特征。褶皱分区表明，洋壳活动断层内部的洋壳生长受环境制约，不同展布方向的褶皱交替出现，说明洋壳生长既相对独立，又存在相关性，褶皱是洋壳生长和区域应力相互作用的结果。

图3 活动断层控制下的褶皱和火山

在11条活动断层中，E、F、I、K存在间断现象。间断现象在洋壳活动断层中占有一定比例，这些间断区内既无活动断层的影像特征，也无地形变化特征，活动断层和间断区的相互作用与活动断层和周围环境的相互作用表现一致。这表明洋壳活动断层地表形态是洋壳表层和深层共同作用的产物，洋壳深层起主导作用，间断区的活动形式类似陆壳的隐伏断层。

图3中B部分为太平洋某区域的模拟影像，中心点坐标为(30°00′04″N，141°33′54″W)。从图中可以看出，左侧活动断层存在内部生长形成的结构线，包括沿活动断层展布方向分布的3条轴线(长黄线)和垂直断层轴线的短黄线，同时也存在褶皱(浅蓝色短线)。右侧最突出的特征是断层内存在一系列火山，穿过其中两座较为显著的活火山实测一条剖面(白色直线)。从绿色和红色线条所揭示的洋壳地形剖面信息来看，剖面全长43.3 km，最深处为-3 659 m，最浅处为-3 270 m。活动断层整体高出洋壳，2座活火山更为突出，火山口最深可达129 m。活动断层外未发现类似活火山。洋壳活动断层控制火山发育这一现象表明，洋壳生长伴随着发热过程，必然与热液系统有关。太平洋东部地区洋壳活动断层内火山发育是一种普遍现象，其他洋区虽然也观测到该现象，但不如太平洋东部地区丰富。在同一洋壳区域内，不同活动断层具有相近的洋壳生长表现，表明洋壳生长受所在区域影响。观察全球所有活动断层发现，活动断层控制断层内火山发育是一个普遍现象，表明断层内火山是洋壳生长的产物，其成长过程也显示出洋壳生长过程。

热液喷发区和洋壳活动断层存在密切关系，深部热液流体沿拆离断层向上流动形成热液活动区[6-7]。热液活动受到断裂构造、岩浆活动、扩张速率等构造因素控制，同时受到基岩类型和沉积物盖层等地质条件影响[8]。大量热液硫化物分析表明，无沉积物覆盖洋中脊热液成因硫化物中硫元素主要来自玄武岩, 部分来自海水, 是玄武岩和海水硫酸盐不同比例混合的结果[9]。龙旂热液区蚀变岩石样品分析表明，约95%的蚀变岩石发生地壳浅部的脆性变形作用，约5%的蚀变岩石具有脆性变形及脆性-塑性变形特征。洋壳原位测量表明，洋壳活动的物理和化学过程与海水密切相关，并造成岩石变形。大量地球物理和地球化学现象均表明，地球活动是整体统一和局部独立的有机结合。

从图1～3可以看出，洋壳活动断层裂谷、内部规则结构、褶皱、火山、热液喷发区均是洋壳活动断层内部物质运动、能量变化在洋壳表层留下的不同表现形式，体现出活动断层的活动特征和受力特征，揭示了洋壳活动断层与陆壳活动断层的区别。洋壳活动断层裂谷、断层内部结构、断层展布特征均表明洋壳深部和洋壳表层在洋壳生长过程所起的作用存在差异，洋壳深部生长不仅是断层表层生长的根源，同时还形成断层内部结构、褶皱和断层内火山。褶皱展布方向显示出洋壳生长对环境的作用和反作用，褶皱展布方向的一致性体现出断层内洋壳生长的整体作用，显示出洋壳应力作用方向的区域特征；非一致性则表现出洋壳生长的个性化特征。洋壳生长是洋壳活动断层内存在的自然现象，热液喷发、洋壳岩体变形是洋壳生长的必然产物。

1.4 沿经度和纬度展布的活动断层

观察全球洋壳活动断层发现，部分活动断层沿经度、纬度方向展布，这类活动断层主要分布在太平洋区域，其中6条最为突出：1)由阿留申群岛海沟至斐济北部附近，近乎沿179°E展布，其沿经度线穿越赤道，南北跨越7 357 km；2)沿30°N展布，从150°56′28″E至133°12′48″W，东西纵横7 321 km；3)沿16°N展布，从148°07′07″W至118°56′37″W，东西纵横3 123 km；4)沿赤道展布，从147°47′45″W至103°04′28″W，东西纵横4 973 km；5)沿16°45′S展布，从142°39′25″W至75°54′58″W，东西纵横7 116 km；6)沿32°30′S展布，从178°55′39″E至72°40′04″W，东西纵横10 201 km。虽然在陆壳上未发现如此规则和如此规模的活动断层，但与纵横交错的众多洋壳活动断层相比，沿经度、纬度展布的洋壳活动断层数量很少，规模也不是最大。虽然沿经度、纬度展布的洋壳活动断层表现出很强的穿越性，体现出地球自转和内部物质调整对洋壳的整体作用，但交错如网、密集如席、遍布洋壳的活动断层表明，地球内部物质调整和地球自转对洋壳的影响只是促进洋壳活动断层发生与发展的一个因素，还有更重要的因素影响着洋壳活动断层的发生与发展。但就每一条活动断层而言，均会对周围产生重要影响。

图4为零纬度附近地形和活动断层图，中心点经度为138°45′02″W，在该区域测量AA′、BB′、CC′三条剖面，AA′、BB′垂直纬度线，CC′平行纬度线。从图中可以看出，一条宽度不断变化的活动断层纵贯东西，实测宽度分别为13.5 km、14.4 km、9.9 km，断层内黄色和橙色线表示该活动断层内2条轴线结构所在位置，2条轴线接近平行。从AA′、BB′剖面可以看出，轴线构造处存在凸起或凹陷，黄色轴线即为零纬度位置。该活动断层是沿赤道展布活动断层的一部分，其在局部将南、北半球分开，图形范围内北半球存在宽度为5.6 km和5.8 km的2条活动断层，南半球存在宽度为1.7 km、1.8 km和1.4 km的3条活动断层。上述现象体现出零纬度活动断层对南北半球洋壳活动的控制作用，同时宽度为13.4 km的活动断层却未受该活动断层影响，由北北东至南南西纵贯图4区域。表明虽然南北半球孕育有各自不同的活动断层，且存在显著不同，但在相同洋区仍会受到周围环境的共同影响，任何一条活动断层的影响作用既是重要的又是有限的，是特定时期洋壳活动的体现。

图4 零纬度附近地形和活动断层

观察图4中AA′剖面发现，零纬度活动断层处于张开裂谷中；观察BB′剖面发现，零纬度活动断层处于斜坡上，表明北半球相对于南半球在活动断层处发生抬升。BB′剖面还穿越一条宽度为1.8 km的活动断层，该活动断层处表现为裂谷；而观察CC′剖面发现，该活动断层两侧发生剧烈的相对运动，活动断层右侧相对左侧翘起，宽度1.7 km和1.8 km活动断层之间的洋壳表现出正断下沉特征，宽度1.8 km和13.4 km活动断层之间的洋壳表现出左侧上翘右侧下沉特征。结合图1～3发现，洋壳活动断层不仅其内部很活跃，会重新塑造地形，也会促进断层两侧洋壳的相对运动。零纬度活动断层在裂谷中位置、宽度、地形特征的不同是2条剖面揭示出的独特之处，断层内存在规则结构和断层两侧地形发生变化是共同特征。虽然每一条活动断层均有各自独特之处，但又都存在共同特征，洋壳活动断层的独特性和共同性均是活动断层发生和发展的必然产物，是洋壳生长发育的表现。

观察图3A和图4可以看出，不同展布方向的活动断层相互穿越是一种常态，显示出洋壳活动的时代性和块体特征。图4中零纬度对活动断层的控制作用还体现出地球物理作用对洋壳活动断层的控制能力，表明活动断层发生和发展是洋壳在特定时间受到洋壳内外特定作用的结果。从地球动力学角度考虑，洋壳断层展布与地球自转运动存在一定关系，也与特定洋壳周围环境、地质条件、洋壳生长和板块相对运动有关。

2 洋壳相对运动

交错展布的活动断层在其特定的展布空间与其他洋壳构造一起相互影响，共同发育，既表明自身的活动特征，又体现出洋壳的整体相对运动特征。

图5为太平洋某区域的高清模拟影像，图像中心点坐标为(4°36′14″S，105°05′40″W)。该区域为东太平洋海岭构造的一部分，从图中可以清晰地分辨出10条活动断层，图中用字母A～J进行标注。图中中上部区域明显有别于普通洋壳，密集分布褶皱构造，表明该区域洋壳和活动断层中洋壳一样活跃。通过测量发现有近NS向洋中脊(黄色线)在图像中部呈右旋错开，错距达189.92 km。图中显示右旋扭错运动是在一定宽度的转换断层区域内完成，红线表示代表性褶皱的走向形态，绿线表示转换(扭错)交界线的位置。在穿越洋中脊海岭的白色横线位置测量洋壳高程，用白色曲线绘制洋壳地形剖面，图形坐标标注与前图类似。在穿越转换断层区的浅蓝色直线位置测量洋壳高程，用浅蓝色曲线绘制洋壳地形剖面。通过观察发现，该区域部分褶皱脊(红线)存在端部尾翼，表现为牵引褶皱[10]。

图5 洋壳相对运动

分析该区域内褶皱和洋壳形态，可以得出以下认识：

1)转换断层区域内存在多排牵引褶皱，可分辨出3～4排转换交界线(图5中横向绿色标线)，表明洋壳相对运动以转换界面为界，形成不同的转换运动区，各区均具有相对独立的运动特征，同时又交叠在一起共同构成转换断层相对运动区域。洋中脊形成的尾翼在牵引褶皱尾翼中最大，体现出洋中脊在洋壳相对运动中起着最重要的作用。

2)虽然洋壳局部相对运动会对局部褶皱产生影响，但在其影响区域之外，褶皱均基本平行于洋中脊。这不仅表明洋中脊受到的作用力和区域应力方向一致，而且表明洋中脊的形成是该地区物质积累和能量积累的结果，洋中脊和洋壳生长、洋壳相对运动密切相关，显示出区域应力作用特征。

3)在图5中，洋中脊是其相邻区域最高的山体，也是最活跃的区域。该洋中脊被转换断层错开，存在明显的尾翼，并且与该区域众多小褶皱的尾翼方向一致。这表明洋中脊随着区域洋壳作整体相对运动，图中白色单翼箭头标示出该处洋壳的相对运动关系。洋中脊不是当前块体相对运动的分界区带，转换断层区域才是当前洋壳相对运动十分显著的分界区带。

4)观察图5中344 km的白色地形剖面曲线发现，在距离剖面起点150～170 km处存在推挤结构，左侧洋壳上翘达到-2 950 m处，右侧洋壳下切达到-4 027 m处，在11 km距离内高度变化达到1 077 m，远远超出洋壳褶皱起伏幅度，也超出洋中脊起伏程度。翘起和下切形成海底深谷，深谷两侧海底褶皱的走向明显不同。绿色飞燕型斜线标示出推挤结构下切谷所在位置和形态，显示该处洋壳在整体相对运动下受到扭动挤压作用，右侧下插(俯冲)，左侧相对逆冲隆起，这表明洋壳相互推挤作用会形成较为复杂的洋壳地貌。观察浅蓝色的海底地形剖面曲线发现，转换断层区域的洋壳起伏变化更加剧烈，发育有裂谷和地台，地台区域明显高出相邻区域，表明该地区是在推挤作用下(红色箭头所示)作相对走滑运动。转换运动区中间存在巨大的拉张裂谷(黄色双向箭头)，宽度约15 km，深度约1 700 m。分析认为，地台区域受深部压性扭错运动控制，张性裂谷受表层张性扭错运动控制，正是这种张压交错的相对运动，从而形成复杂的洋壳地貌。这也意味着洋壳表层和洋壳深部运动具有分层性，表明洋壳活动断层是洋壳深部和洋壳表层共同作用的结果。

5)洋中脊等洋壳构造在更广阔的空间内与活动断层内洋壳生长形成作用与反作用关系，强化区域应力场，形成区块关系，造成局部相对运动，促进洋壳构造体系的发育。洋壳的生长是地球演化的重要组成部分，不断发展和改变着洋壳，也在不断改变着自己。