近日，南方科技大学海洋科学与工程系讲席教授Jason P. Morgan团队携手全球知名的海洋研究机构德国基尔海洋研究中心和瑞士资深地球物理建模公司GeoModelling Solutions的五位国际知名科学家，在《自然》（Nature）发表题为“Extensional Tectonics and Two-stage Crustal Accretion at Oceanic Transform Faults”（《海洋转换断层区域的延伸板块构造以及两阶段海洋地壳增生模式》）的研究论文。研究团队利用最先进的数值模拟，揭示了转换断层处海洋地壳增生的新机制，将板块构造理论中位于大洋中脊的转换断层赋予了新的角色。

图1. 洋脊-转换断层交汇处不同的扩张速率图示 

数百万年来，作用于地球内部的各种动力学机制一直在不断重塑大陆和海盆。阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）在1915年发表的大陆漂移假说，在很长一段时间内因为缺乏实质的科学证据，没有得到主流科学界的认可。1950年之后，海洋科考事业迅速发展，积累了海量可靠的科考数据并且持续更新人类对海洋和地球的认知。1960年代，在众多确凿的科学事实面前，国际科学界终于接受了魏格纳的假说并对其进行了完善，提出了现在被大众所熟知的板块构造学说，从而为我们的地球动力学演化提供了统一的观点。虽然板块构造学说历经多年已基本被科学界所接受，但是由于理解该学说的最重要的地质构造位于海洋底部，影响其地质过程的作用力位于海底以下，因此，板块构造的许多细节特征尚不清楚。

图2. 转换断层附近的垂直应变率

本研究对板块构造理论先前的与转换断层有关的基本假设提出了质疑。转换断层一般是大洋中脊最明显的位错，传统上，它们被赋予了纯粹的被动动力学角色。但是本研究的分析表明，它们在积极参与海床（Seafloor）的塑造。

查看全球海床概览图（图3所示）有助于了解本研究。即使在低分辨率下，在地图上也可以识别出数万公里长的大洋中脊，它们标记了地球板块的扩张边界。这里，来自地球内部的热物质上涌到达地球表面，冷却下来，形成新的海床，旧的海床向两侧被动扩张，一直到海沟（汇聚边界）俯冲回到地球内部。

图3. 全球海床概览图 Global Seafloor map

由于位于地球表面，大洋中脊不会形成不间断的直线，它们被转换断层以近乎规则的间隔分割为很多洋脊段。在转换断层处经常发生地震，并在转换断层处的延续线（大洋板块内部）留下很长的疤痕，即所谓的断裂带（Fracture zone）。这两个板块仅在转换断层处有相互滑动，海床既没有形成也没有被破坏。

研究团队分析了全球海盆中40个转换断层的海底地形图。断裂带以前被认为是转换断层的简单延续，而本研究所有样例中的转换断层的裂谷都要比相邻的断裂带地形深得多。研究团队还在转换断层的裂谷和洋中脊交汇处的外角海床发现了广泛的岩浆作用痕迹。

图4. Clipperton转换断层处的数值预测模型

研究团队使用复杂的数值模型和大规模的数值运算找到了对此现象的解释。在此模型中，沿着转换断层走向的板块边界不断冷却变深而逐渐倾斜，从而发生切变，形成较深的转换断层裂谷。当接近或经过另外一个洋脊段时，该洋中脊外角的岩浆活动填充了转换断层裂谷，使断裂带地形变浅。因此，在洋中脊外角处形成的洋壳，是海洋中唯一的由两段洋中脊火山活动形成的地壳。该机制对地壳成分的影响（例如，地壳中的金属分布）仍有待进一步研究。

图5. 依照本次研究的结果进行修正后的海洋转换断层结构（蓝色区域为转换断层形变区，蓝色箭头指示了切变的方向）

转换断层是板块边界的基本类型之一，并且也是活跃的海洋板块边界，地震频繁发生。本研究成果修正了之前对转换断层机制的描述，不仅提升了对于板块构造生成海洋地壳机制的认识水平，而且对于理解全球大洋中脊的演化过程有着重要的指导意义。因此，本研究的新发现为板块构造理论以及对理解地球演化提供了重要的补充。

相关论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03278-9

相关报道引用：

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210317141719.htm

供稿单位：海洋科学与工程系

通讯员：颜莎、谢寒

编辑：吴一敏

主图设计：丘妍