新聞動(dòng)態(tài)邵同賓等—JSG：葉蛇紋石同變形脫水產(chǎn)生的慢粘滑誘發(fā)熱俯沖帶地幔楔慢地震
葉蛇紋石，作為俯沖帶最重要的一種含水礦物，其高溫分解會(huì)帶來(lái)礦物力學(xué)性質(zhì)的劇烈改變，極可能誘發(fā)俯沖帶地震，而變形在一定條件下又會(huì)促進(jìn)其分解。如何探究地球內(nèi)部變形與礦物相變之間的相互影響以及這種相互影響帶來(lái)的對(duì)地球動(dòng)力學(xué)方面的聯(lián)動(dòng)作用，一直是學(xué)術(shù)界難以觸及的難題。前人采取天然葉蛇紋石搗碎和研磨后的粉末作為斷層泥的摩擦實(shí)驗(yàn)觀察到了葉蛇紋石脫水時(shí)的典型粘滑行為，并將其解釋為地幔楔慢地震的誘因。然而，摩擦實(shí)驗(yàn)使用天然葉蛇紋石粉末作為斷層泥，無(wú)法反映斷裂的初始形成過(guò)程，且摩擦實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的預(yù)切面是平整的，不同于粗糙不平的天然斷裂面。
為了更好地模擬天然葉蛇紋石中斷裂的產(chǎn)生以及斷裂面上的摩擦滑移過(guò)程，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所邵同賓博士與宋茂雙研究員等采用完好的葉蛇紋石圓柱為初始樣品，利用非標(biāo)準(zhǔn)、非流水線化的氣體介質(zhì)Paterson流變儀在100-400 MPa圍壓，25-700 ℃溫度和~1.5×10-6？10-5 s-1 應(yīng)變速率條件下開(kāi)展了三軸壓縮變形實(shí)驗(yàn)。并通過(guò)掃描電鏡、激光拉曼光譜儀等分析測(cè)試設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的樣品成分與形貌進(jìn)行了鑒定。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在100 MPa圍壓下，隨著溫度升高，樣品表現(xiàn)出從低溫下的脆性斷裂到部分脫水條件下的慢粘滑，然后到顯著脫水條件下的穩(wěn)態(tài)滑移的一系列力學(xué)行為（圖1）。尤其是觀察到550-650 °C 條件下同變形脫水作用導(dǎo)致的慢粘滑的滑移速率和剪應(yīng)力降隨著溫度升高和脫水時(shí)間的延長(zhǎng)（均會(huì)導(dǎo)致孔隙流體壓的升高）而降低（圖2），即向穩(wěn)態(tài)滑移轉(zhuǎn)變。根據(jù)我們的脫水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的約束（Shao et al., 2022, AM），葉蛇紋石在550℃條件下的脫水是由樣品斷裂后斷層面上的剪切加熱引起的。此外，脫水作用使得樣品弱化但是更加穩(wěn)定，因此俯沖帶中源地震可能是由脫水的葉蛇紋石周邊強(qiáng)度更大的地幔橄欖巖的脆性變形誘發(fā)?；诼卣鸷吐郴叨戎g的相似性，研究提出伴隨葉蛇紋石部分脫水的慢粘滑行為可能是熱俯沖帶（例如卡斯卡迪亞）地幔楔（這里高的孔隙流體壓、低的地震波速、高的Vp/Vs）慢地震的成因。該成果對(duì)于認(rèn)識(shí)熱俯沖帶地幔楔在相對(duì)遠(yuǎn)離板塊邊界處慢地震的成因具有重要的意義。
圖1 葉蛇紋石樣品在各種溫壓和預(yù)熱時(shí)間條件下變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖2 （a）葉蛇紋石脫水條件下粘滑事件的時(shí)間和（b）滑移速度隨剪應(yīng)力降的變化
該成果于近日發(fā)表在國(guó)際知名地學(xué)期刊Journal of Structural Geology上。該研究受到中科院先導(dǎo)專項(xiàng)B（XDB42020403），國(guó)家自然科學(xué)基金（41702224，41874107），地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（LED2017B06），和廣東省珠江人才計(jì)劃等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
論文信息：
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.
相關(guān)研究還包括：
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.
