邵同賓等—JSG:葉蛇紋石同變形脫水產生的慢粘滑誘發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,其高溫分解會帶來礦物力學性質的劇烈改變,極可能誘發俯沖帶地震,而變形在一定條件下又會促進其分解。如何探究地球內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的對地球動力學方面的聯動作用,一直是學術界難以觸及的難題。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驗觀察到了葉蛇紋石脫水時的典型粘滑行為,并將其解釋為地幔楔慢地震的誘因。然而,摩擦實驗使用天然葉蛇紋石粉末作為斷層泥,無法反映斷裂的初始形成過程,且摩擦實驗過程中的預切面是平整的,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生以及斷裂面上的摩擦滑移過程,中國科學院廣州地球化學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,利用非標準、非流水線化的氣體介質Paterson流變儀在100-400 MPa圍壓,25-700 ℃溫度和~1.5×10-6?10-5 s-1 應變速率條件下開展了三軸壓縮變形實驗。并通過掃描電鏡、激光拉曼光譜儀等分析測試設備對實驗前后的樣品成分與形貌進行了鑒定。
實驗結果顯示在100 MPa圍壓下,隨著溫度升高,樣品表現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態滑移的一系列力學行為(圖1)。尤其是觀察到550-650 °C 條件下同變形脫水作用導致的慢粘滑的滑移速率和剪應力降隨著溫度升高和脫水時間的延長(均會導致孔隙流體壓的升高)而降低(圖2),即向穩態滑移轉變。根據我們的脫水動力學實驗結果的約束(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定,因此俯沖帶中源地震可能是由脫水的葉蛇紋石周邊強度更大的地幔橄欖巖的脆性變形誘發?;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。該成果對于認識熱俯沖帶地幔楔在相對遠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熱時間條件下變形的應力-應變曲線

圖2 (a)葉蛇紋石脫水條件下粘滑事件的時間和(b)滑移速度隨剪應力降的變化
該成果于近日發表在國際知名地學期刊Journal of Structural Geology上。該研究受到中科院先導專項B(XDB42020403),國家自然科學基金(41702224,41874107),地震動力學國家重點實驗室開放基金(LED2017B06),和廣東省珠江人才計劃等項目的聯合資助。
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.
 
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