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中国科大揭示海洋转换断层存在 “封存-...
W7 n/ B3 o7 w, g近日，中国科学技术大学张海江教授研究组在海洋转换断层地震活动与流体循环过程研究方面取得重要进展。研究团队利用东太平洋海隆 Gofar 转换断层密集海底地震仪观测资料，首次在海洋转换断层发现受半日潮调制的谐波震颤信号，该谐波震颤信号在区域内发生4级地震破裂后突然减弱，随后逐步恢复。此动态过程表明，转换断层并非传统认识中的简单剪切边界，而是受岩浆挥发分、热液循环、孔隙压力和渗透率共同控制的三维流体系统。该成果以 “Cyclic sealing and drainage on an oceanic transform fault” 为题，于北京时间6月26日在国际顶级学术期刊《科学》（Science）杂志上以“首次发布” (first release)形式发表，并将在7月16日（美东时间）正式发表。
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& D8 d- I' k+ E/ U& p ?海洋转换断层是连接扩张洋脊段的走滑边界，长期被视为以走滑剪切为主的“保守型”板块边界。随着海底地球物理观测的发展，近年来越来越多结果显示这类断层可能受岩浆侵入、热液循环和深部流体迁移共同作用，具有复杂的三维结构。震颤是一种持续的非脉冲式地震信号，成因与断层内部流体运移和孔隙压力变化有关，对潮汐等微弱应力扰动高度敏感，可用于追踪断层带流体活动和压力演化。过去20余年对震颤及相关慢滑移信号(ETS)的检测和研究一直是断层带研究的前沿和热点。但在海洋转换断层内部，是否存在震颤信号，以及其如何与断层状态相联系，此前仍缺乏直接观测证据。- \5 H* G7 i! t4 a: b L
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本研究聚焦于东太平洋海隆 Gofar 转换断层西段 G3（图1）。该区域滑动速率约为每年 14 厘米，两侧近周期性发生的6 级地震破裂区间存在一个约 10 公里长的“地震障碍区”(barrier zone)。前人研究发现该地震障碍区能够阻止两侧大地震的破裂传播，并长期孕育大量4级以下微地震。研究团队利用2019-2022 年该区域海底密集地震台阵的连续地震波形，在 2-8 Hz 频段识别出持续时间从几十分钟到数小时不等的谐波震颤信号（图 2a，b）。通过波形偏移定位，研究团队确认震颤源位于海底约0-4.5公里深度范围，恰好落在先前推断的"地震障碍区"（图1）。在 2020 年 9 月 8 日该区内一次4.0级地震发生之前，震颤振幅与潮汐体积应变展现出高度互相关，相位滞后约-21°；而该地震发生后，这种相关性明显减弱（图2），表明断层在破裂前处于对潮汐扰动高度敏感的近临界状态，而地震破裂改变了其流体连通性和孔压响应特征。7 n' s" ]! ~& O5 P, _
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4 d* l/ R6 h$ `. N图1. Gofar 转换断层构造背景、密集海底地震观测台站(蓝色三角形)、近周期性6级地震破裂区(青色椭圆)、地震破裂障碍区(黄色椭圆)、本研究定位的地震活动(黑点)与震颤源区(红线圈定区)、以及Vp/Vs剖面分布。
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图2. 谐波震颤振幅和半日潮体应变之间的关系。在区域4级地震(E2)发生之前，震颤振幅信号(红线)和潮汐体应变(蓝线)存在明显的相关性(A, C)。但在E2地震后，这种相关性消失(A, C)。谐波震颤信号的频率主要在2-8Hz频带内(B)。C图中展示了E2地震前和后五天内的震颤振幅和半日潮体应变变化。
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7 X. ~5 C3 H+ m% v$ S% p研究团队进一步结合微地震活动、b 值和原位波速比(Vp/Vs)的时间变化，追踪断层带物性状态的演化。结果显示，在4级地震前断层区的微震活动率较低，b值呈下降趋势，原位Vp/Vs比值持续走低，对应深部脱气引起浅部0-5公里断层带气体不断累积，孔隙压力逐步逼近临界值。4级地震发生后，潮汐对震颤的调制作用消失，微震活动率激增，b值和原位Vp/Vs比值快速反弹。这一"失锁"状态反映了地震破裂打开了封闭的裂隙网络，排出了累积的气体，并使液体重新注入。在随后数周内，随着热液矿物沉淀和压力溶解作用逐步愈合裂隙，潮汐-震颤相关性缓慢恢复，预示着新一轮"封存-增压"循环的开始。该动态变化模式在随后的多次M4级地震事件中重复出现，展现出高度的规律性。
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基于多孔弹性理论，研究团队进一步构建了孔隙压力对潮汐加载响应的定量模型，再现了震颤振幅调制，震颤信号相对潮汐体应变相位提前(21°)反映了潮汐加载下孔隙体积变化与流体扩散排水的共同作用，周期性的压缩和膨胀改变孔隙压力，压力梯度驱动流体扩散，从而使孔压峰值略早于潮汐体应变峰值出现。当渗透率增大时，流体更易沿孔隙网络扩散排水，孔压响应也更受扩散过程主导，变化幅值被削弱。模型结果证实了渗透率演化在控制潮汐耦合效率中的关键作用。& I7 }+ y( }* G' G) y9 h: c4 e; T; l
" X- ^! A# s9 m3 @基于上述观测，研究团队提出了海洋转换断层阀门式三阶段流体迁移循环模型（图3）。第一阶段为封存增压阶段：浅部裂隙网络被矿物沉淀和热液作用逐渐封闭，渗透率降低，使系统趋于不排放状态。深部岩浆挥发分和热液流体持续输入，使孔隙压力升高，系统接近临界状态，使得潮汐应力扰动足以有效调制裂隙内流体的共振，产生与半日潮锁定的谐波震颤。第二阶段为破裂排放阶段：当孔隙压力和差应力超过封闭裂隙强度时，中等地震破裂发生并打开封闭的裂隙系统，孔隙度和渗透率快速升高，孔隙压力局部下降，震颤—潮汐相关性被破坏，并伴随微地震活动增强。第三阶段为流体渗透与渐进式密封：破裂后热液重新进入裂隙，矿物沉淀和化学愈合作用逐步降低渗透率，裂隙通道逐渐封闭和愈合，孔隙压力再次积累，系统最终回到对潮汐敏感的封闭增压状态。该模型将震颤、潮汐、微地震、波速比和流体压力演化统一到一个循环的断层阀门机制中，揭示了断层封闭、破裂排放和再封闭过程中流体迁移与地震活动间的内在联系，表明海底转换断层受岩浆挥发分、热液循环、孔隙压力和地震破裂共同调控的"活跃的流体-潮汐-岩浆耦合系统"。潮汐-震颤相关性、微震活动率与Vp/Vs的协同演化为全球范围内识别和量化大洋转换断层的动态过程提供了一套新的诊断指标，加深了对其力学机制和地震危险性的认识。本研究揭示海洋转换断层具备海底矿床形成所需的强热液循环条件，对深海资源调查具有指示意义。* S3 `* ?6 z) V4 [1 D
1 v, l' ~. Z' [* |$ L/ M5 m. ]7 q, T
' M' Z C* p2 ~0 k图3. 海洋转换断层浅部“封闭—增压—破裂-排放”循环概念模型$ y1 R3 t% L! f5 ~8 i, h
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中国科学技术大学为论文第一单位。在本项合作研究中，中国科学技术大学杨浩（博士研究生）为本文第一作者，南方科技大学叶玲玲研究员为合作者，中国科学技术大学张海江教授为本文通讯作者。本工作得到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金等项目资助 |
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