切斷中洋脊的裂痕—轉型斷層之謎

分佈在全世界各大洋的中洋脊,無一例外地都被轉型斷層所切斷。但是對於轉型斷層的形成機制,迄今仍是一個未解的謎團。根據最新的三維數值模擬結果顯示,其實轉型斷層的形成,只是單純地來自中洋脊張裂時所造成的動態不穩定性所導致。加上板塊張裂速度及岩相學的特徵差異,形成各種不同型態的轉型斷層。

中洋脊是板塊與板塊張裂的交界處,而所有的中洋脊,全都被橫切而過的轉型斷層所截斷。這個現象的成因,曾經被認為是舊有的斷層構造所導致。但是許多觀測結果卻又與這個假設相矛盾,例如中洋脊的分段長度與張裂速度之間會有一定比例大小關係,顯示轉型斷層的特徵應該與中洋脊的張裂性質有關,而非單純受到曾經存在的斷層構造所控制。只是一直到今天為止,都還沒有完整的理論可以用來解釋轉型斷層的形成機制。

要解開這個謎團,中洋脊的三維熱力學數值模擬模型是不可缺少的工具。得利於電腦演算技術的進步,蘇黎世科技機構的地質科學系教授Taras Gerya完成了這個工作。模型中模擬了張裂速度從每年1.9公分(慢速張裂)到7.6公分(中等速度張裂)不等的情況,結合其他模型參數,可以清楚地得到筆直洋脊、彎曲洋脊、滑脫斷層、與洋脊垂直或斜交的轉型斷層等各種結果。其中與洋脊垂直的轉型斷層,是最常出現在各種模擬條件下的結果。

從最簡單的直線狀中洋脊數值模擬演化過程來看(如下圖),在中洋脊開始張裂後的一百萬年左右,雖然部分地區仍會維持兩側對稱的板塊增生,存在共軛斷層的構造。但是受到張裂環境下的動態不穩定情況,會造成部分地區開始出現不對稱的板塊增生,形成滑脫斷層,並導致洋脊開始彎曲,不同位置的洋脊也開始產生相對移動。於是在各自往不同方向前進的洋脊之間,便形成了轉型斷層。


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根據不同的板塊(岩石圈)與軟流圈之間黏滯性差異對比進行模擬,結果發現兩者間黏滯性差異越大的時候,較容易形成與洋脊垂直的轉型斷層。相對的,若是板塊與軟流圈的黏滯性差異越小,則洋脊與轉型斷層則會呈現斜交的角度。除此之外,張裂速度、板塊的岩相學特徵、以及岩石的熱傳導性質,也都會影響到板塊的溫度結構、板塊增生的對稱性、乃至於最後轉型斷層的形成。

在這個數值模擬的結果中,出現許多與現今地表上中洋脊及轉型斷層型態類似的模擬結果,甚至還包括中洋脊演化的時間尺度也都相當吻合。但是在數值模擬中所使用的參數,與現實的地球環境是否相似甚至一致,則未在本篇文章中有深入的討論,看來是有待未來進一步求證了。

原始論文:
Gerya, T., 2010, Dynamical Instability Produces Transform Faults at Mid-Ocean Ridges, Science, V.329, P.1047-1050.

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