岩浆侵入和无断层，对大洋中脊的新认识

科学家对洋中脊的研究，为地球的构造过程提供了一些最有趣的见解。传统上，人们认为大洋中脊的构造伸展主要是由正断层形成所决定的，正断层将地壳拉开，形成裂谷带。这些断层对于理解地壳伸展的力学原理以及当地幔中的岩浆上升到地表时新的洋壳如何形成至关重要。

然而，一项新的研究表明，这个过程可能并没有那么简单，岩浆侵入——岩浆侵入现有地壳的火山事件——可以在部分逆转或修复该地区的断层方面发挥重要作用。修复断层是指通过横跨洋脊两侧的构造缩短，部分消除洋脊轴线处的构造伸展（拉伸和断层） 。这可能意味着，作为一种构造和火山现象，岩浆侵入积极地促进了洋脊系统的重塑，影响了断层的形成和洋壳的整体地形

了解大洋中脊和断层机制

洋中脊是地球上最长的山脉，横跨全球，是海洋地壳形成的主要场所。在这些山脊处，板块分离，导致岩石圈伸展和开裂。这种伸展应力导致断层的形成，裂谷是这种伸展过程的地质特征。岩石圈的伸展被地幔物质的上涌所抵消，地幔物质形成新的地壳，使这些地区成为岩浆产生的动态场所。

从历史上看，驱动大洋中脊断层形成的主要过程与作用于岩石圈的构造力有关。当板块拉开时，它们会产生大规模的断层，从而促进岩浆向上迁移形成新的地壳。这一过程与岩浆的冷却和凝固相结合，形成了具有一系列断层和深海丘陵的典型海洋地壳。然而，直到最近几年，岩浆侵入（岩浆侵入现有的断层岩石圈）的作用才被人们广泛忽视。

这项研究引入了洋中脊“无断层”的概念，表明岩浆侵入可以部分逆转由构造伸展引起的断层。这一过程发生在岩浆侵入岩石圈时，导致构造缩短而不是伸展。这些岩浆侵入可以通过将断层块推回到一起来“治愈”或消除伸展，从而有效地逆转洋中脊轴线的构造伸展。这一影响深远，因为它表明洋中脊不仅仅是连续伸展的场所，也是影响海底整体构造结构的复杂岩浆相互作用的场所。

这种无断层机制不仅仅是一个次要的地质过程，而且对于理解海洋岩石圈的长期演化至关重要。它为沿洋中脊不同部分观察到的断层和地壳厚度变化提供了物理解释。在通常以构造延伸为主的地方，岩浆侵入可能会主动缩短地壳，减少断层范围，并导致整个洋中脊系统地质环境更加平衡和多样化。

无断层和断层重新活跃的机制

无断层的概念根植于构造力与岩浆过程之间复杂的相互作用。山脊轴处的构造延伸形成了一系列正断层，使地幔衍生的岩浆能够向上迁移，形成新的洋壳。然而，当岩浆侵入断层地壳时，它会对周围的岩石施加额外的压力。岩浆的侵入会导致岩石圈局部缩短，从而有效地将断层块推到一起。

无断层过程的关键因素之一是岩浆侵入断层带后的冷却和凝固。当岩浆冷却时，它会凝固并“粘合”断层块，从而减少断层范围，有时甚至会逆转构造延伸的影响。这一过程在扩张速度缓慢至中等的地区尤其有效，因为岩浆供应可以更加稳定，并且不太受大规模构造应力的影响。

岩浆与断层之间的相互作用还涉及复杂的热机械效应。当岩浆侵入断层带时，它会加热周围的岩石，从而可能改变其机械性能。这可能导致现有断层重新活跃，促进其愈合或改造。在扩张速度较慢、构造力更明显的地区，岩浆侵入可能在改变应力状态方面发挥更重要的作用，从而导致更大程度的无断层。

无断层过程的变化

无断层机制的一个有趣方面是它对扩张速率的依赖性。构造板块分离的速度影响着山脊轴线处断层的数量和类型。快速扩张的山脊，如东太平洋海隆，通常表现出较少的断层，因为板块的快速运动使岩浆能够更快地上升和凝固，在形成大规模断层之前填满裂谷。相比之下，缓慢扩张的山脊，如大西洋中脊，由于岩浆供应速度较慢，断层更为明显。

岩浆侵入在调节这一断层过程中起着关键作用，特别是在板块分离导致断层发育更显著的缓慢扩张区域。在这里，岩浆的侵入可以抵消一些伸展应力，缩短岩石圈，并可能逆转断层的一些影响。这在构造力和岩浆过程之间产生了更复杂的相互作用，从而形成了动态且不断发展的大洋中脊系统。

在快速扩张的山脊中，岩浆侵入在断层形成中的作用可能不那么明显，因为快速的岩浆供应往往首先阻止了大型断层的形成。然而，即使在这些地区，岩浆过程仍然会影响山脊轴线的整体几何形状和断层的分布。

岩浆侵入的热效应和机械效应

热过程对断层复活和无断层的影响是一个重要的研究领域。当岩浆侵入断层带时，它会引入大量热量，从而改变周围岩石的机械性质。这种热效应可以使周围材料更具延展性，降低其强度并使其更容易变形。在某些情况下，这种变形可能导致断层愈合或先前不活跃的断层复活。

热-机械模拟对于理解这些过程在实践中如何运作至关重要。结合热和机械因素的数值模型有助于预测岩浆侵入在不同条件下对断层带的影响。这些模拟还可以揭示岩浆的冷却速度、侵入岩浆的成分和周围的岩石圈如何相互作用以产生无断层或断层重新活动。

空间分布和岩浆成分：山脊系统的变化

无断层过程的另一个重要方面是其在洋中脊系统的空间变异性。虽然岩浆侵入在洋中脊沿线很常见，但这些侵入的位置和影响可能存在很大差异。洋中脊几何形状、地幔柱活动和岩浆供应等因素都会影响岩浆侵入的分布及其诱发无断层的能力。

在地幔柱或热点与洋脊相互作用的地区，岩浆供应可能更大，从而导致更频繁、可能更具影响力的侵入。由于岩浆活动增加，这些地区可能表现出更明显的无断层。相比之下，岩浆供应较少或地幔温度较低的地区可能表现出更广泛的断层和较少的无断层活动。

岩浆侵入体的成分在断层形成过程中也起着重要作用。玄武岩浆是洋中脊最常见的岩浆类型，其诱导断层愈合的能力可能与更发达的岩浆不同。需要对岩浆的成分和热性质进行详细研究，以更好地了解不同类型的岩浆如何影响断层形成和断层形成过程。

新的研究发现

一项新的研究结合了实地数据、数值建模和理论分析。研究小组观察了多个大洋中脊的构造特征，包括大西洋和印度洋，这些地区的无断层和岩浆侵入证据最为明显。他们综合运用了海底测绘、地下成像技术和地震数据，以确定岩浆侵入似乎抵消了在山脊环境中观察到的正常断层模式的区域。

这项研究最令人惊讶的发现是一种构造缩短机制，它部分逆转了通常预期的大洋中脊的伸展。研究表明，构造缩短可以沿着洋脊侧面发生，而不是连续伸展和断层，从而导致断层减少。这一过程是由于岩浆侵入而发生的——当来自地幔的岩浆侵入岩石圈时，它可以使地壳变厚，从而阻止进一步伸展。

此外，这项研究还有一个有趣发现，无断层过程在很大程度上是无震的，这意味着它发生时没有显著的地震活动。这挑战了传统的观念，即构造延伸和山脊的断层总是与频繁的地震有关。这项研究表明，岩浆侵入可以在不产生大规模地震事件的情况下发生，这一发现可能会重塑我们对海洋山脊地震力学的理解。

研究证实，岩浆侵入不仅对地壳的形成有影响，而且对断层的增长也有积极影响。岩浆可以注入现有的断层，改变其扩展并促进地壳的稳定性。通过将新物质引入断层，岩浆充当了稳定剂，有可能减少断层的程度。这导致了一种假设，即大洋中脊的断层可能并不像以前认为的那样永久存在，可以通过岩浆过程进行部分“修复”。

研究表明，洋中脊侧翼的浅层压缩直至脆性破裂点是岩石圈脱离轴向凸起的自然结果。岩浆充填的裂缝侵入，表现为沿洋脊轴线迁移的伸展地震群，可提供引发逆断层地震的压缩应力的小幅增量。这种“无断层”机制对全球海底结构产生了一级影响，并为伸展环境中的逆断层地震提供了物理解释。

思考

岩浆侵入如何精确地逆转山脊轴线的断层？板块扩张速度如何影响岩浆侵入无断层的发生和效率？岩浆侵入的热效应如何影响周围岩石的力学性质以及断层的形成或愈合？侵入岩浆的成分是否会影响断层再活化过程？无断层过程如何影响海洋岩石圈的长期演化？

参考文献：Jean-Arthur Olive, Göran Ekström, W. Roger Buck, Zhonglan Liu, Javier Escartín & Manon Bickert ，Mid-ocean ridge unfaulting revealed by magmatic intrusions.  Nature volume 628, pages782–787 (2024)，doi.s41586-024-07247-w

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