科研进展

广州地化所:叶蛇纹石同变形脱水产生的慢粘滑诱发热俯冲带地幔楔慢地震

  
叶蛇纹石,作为俯冲带最重要的一种含水矿物,其高温分解会带来矿物力学性质的剧烈改变,极可能诱发俯冲带地震,而变形在一定条件下又会促进其分解。如何探究地球内部变形与矿物相变之间的相互影响以及这种相互影响带来的对地球动力学方面的联动作用,一直是学术界难以触及的难题。前人采取天然叶蛇纹石捣碎和研磨后的粉末作为断层泥的摩擦实验观察到了叶蛇纹石脱水时的典型粘滑行为,并将其解释为地幔楔慢地震的诱因。然而,摩擦实验使用天然叶蛇纹石粉末作为断层泥,无法反映断裂的初始形成过程,且摩擦实验过程中的预切面是平整的,不同于粗糙不平的天然断裂面。
为了更好地模拟天然叶蛇纹石中断裂的产生以及断裂面上的摩擦滑移过程,中国科学院广州地球化学研究所邵同宾博士与宋茂双研究员等采用完好的叶蛇纹石圆柱为初始样品,利用非标准、非流水线化的气体介质Paterson流变仪在100-400 MPa围压,25-700 ℃温度和~1.5×10-6?10-5 s-1 应变速率条件下开展了三轴压缩变形实验。并通过扫描电镜、激光拉曼光谱仪等分析测试设备对实验前后的样品成分与形貌进行了鉴定。
实验结果显示在100 MPa围压下,随着温度升高,样品表现出从低温下的脆性断裂到部分脱水条件下的慢粘滑,然后到显著脱水条件下的稳态滑移的一系列力学行为(图1)。尤其是观察到550-650 °C 条件下同变形脱水作用导致的慢粘滑的滑移速率和剪应力降随着温度升高和脱水时间的延长(均会导致孔隙流体压的升高)而降低(图2),即向稳态滑移转变。根据我们的脱水动力学实验结果的约束(Shao et al., 2022, AM),叶蛇纹石在550℃条件下的脱水是由样品断裂后断层面上的剪切加热引起的。此外,脱水作用使得样品弱化但是更加稳定,因此俯冲带中源地震可能是由脱水的叶蛇纹石周边强度更大的地幔橄榄岩的脆性变形诱发。基于慢地震和慢粘滑尺度之间的相似性,研究提出伴随叶蛇纹石部分脱水的慢粘滑行为可能是热俯冲带(例如卡斯卡迪亚)地幔楔(这里高的孔隙流体压、低的地震波速、高的Vp/Vs)慢地震的成因。该成果对于认识热俯冲带地幔楔在相对远离板块边界处慢地震的成因具有重要的意义。

图1 叶蛇纹石样品在各种温压和预热时间条件下变形的应力-应变曲线

图2 (a)叶蛇纹石脱水条件下粘滑事件的时间和(b)滑移速度随剪应力降的变化
该成果于近日发表在国际知名地学期刊Journal of Structural Geology上。该研究受到中科院先导专项B、国家自然科学基金、地震动力学国家重点实验室开放基金和广东省珠江人才计划等项目的联合资助。
论文信息:
Shao T., Song M., Li J.F., Wu J., Zhou Y., Ma X., Ding X. 2022. Mechanical behaviors of intact antigorite as functions of temperature: Faulting, slow stick-slip and stable sliding. Journal of Structural Geology, 158, doi.org/10.1016/j.jsg.2022.104579.
相关研究还包括:
Shao T., Song M., Ma X., Ding X., Liu S.R., Zhou Y., Wu J., Wang X.N., Li J.F. 2022. Potential link of antigorite dehydration with shallow intermediate-depth earthquakes in hot subduction zones. American Mineralogist, doi.org/10.2138/am-2022-8271.
Shao T., Zhou Y., Song M., Ma X., Zhang L., Yao W.M., Dang J.X., Li J.F. 2021. Deformation of antigorite and its geological implications. Journal of Geophysical Research, 126, doi.org/10.1029/2021JB021650.