轉形斷層
轉形斷層（英語：Transform boundaries ），又稱為轉換斷層或錯動型板塊邊界，是一系列沿着張裂型板塊邊界平行排列、把中洋脊走向切割為不同塊段的一種大規模水平位移斷層。轉型斷層形成的斷裂帶通常長達數千公里，寬約100到200公里，在海底表現為線形陡崖，兩側地形高度差可達兩千米以上或更多。轉型斷層造成的板塊水平位移量，如果以磁力探勘的結果和兩側的中洋脊軸比較，多者可以達到數百公里。[1]
轉形斷層命名的原因是來自於其可以「轉換」兩個板塊間運動方式的特質。板塊間的相對運動，遇到轉形斷層之後，就有機會轉變成另一種型式的相對運動。例如，一個轉形斷層可以使原本遠離兩段中洋脊的板塊張裂，轉換為拉近兩段中洋脊的對向運動。[2] but the physical mechanisms controlling spontaneous nucleation and growth (1, 4) of transform faults remain ambiguous.
歷史
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地球上的磁場的強度會隨着時間變化，產生的區域性變化稱為地磁異常，地磁異常會紀錄該地區岩石在形成時的地磁方向[3]。1950年代開始，一些例如加州大學洛杉磯分校的海洋學教授瓦基耶等的科學家們開始利用二戰時期遺留下來的磁強計，對這些地磁異常做定量的觀測。之後，隨着1950年代全球地磁異常分佈調查範圍覆蓋的逐漸完備，科學家發現中洋脊兩側會出現條狀、類似斑馬紋路的平行磁帶（英語：Magnetic Stripe，又譯為磁條帶[1]）。這些磁帶後來被認為是海底擴張的結果：中洋脊會往兩側產生新的地殼、新的岩石，這些陸續產生的岩石會分別記錄下產生當時地磁當下的方向[4][5]。
不過，這些磁帶的平行排列部分延續並不長。許多科學家迅速注意到，每隔一段距離，同一條磁帶就會出現斷裂，發生前後兩段磁帶錯位約數百公里的事件；與此同時，中洋脊也發生的類似的位移情況。最初，這種情況被歸咎於「某種規模較大的平移斷層」的作用，認為轉形斷層周遭磁帶的錯位是後期的錯段平移之結果[1]。
1965年，加拿大地質學家威爾遜在著名論文《一種新的斷層分類與其對大陸漂移的影響》（英語：A new class of faults and their bearing on continental drift）中提出說法，認為造成磁帶錯位的是一種命名為「轉形斷層」的新品種斷層，不是平移斷層[6]：磁帶的錯開是因為生成時就母中洋脊受轉形斷層影響的關係，不是後天造成[1]。
威爾遜從李德的斷層彈性回跳理論出發，他發現中洋脊附近斷層的行為並不符合其理論中關於物體錯位和其他地質標記（英語：Geological Marker）位移的典型模式，而此二者都是地質學中「平移」一概念的來源[6][7][8]。威爾遜發現，不同於平移斷層，這些新種斷層會在傳統斷層結構中、位移地質標記（英語：Offset Geological Marker）標記的出現處出現相反方向的平移。還有，相對於平移斷層會一次移動同一磐上所有物質的特性，轉形斷層並不會移動二中洋脊，也不會增加二中洋脊之間的距離──這一點獲得了既有地震震源位置觀測結果的支持[6]。
1967年，美國哥倫比亞大學教授賽克斯以中洋脊周遭震源機制解的分析結果驗證了轉形斷層的假說。機制解顯示在大西洋中洋脊的地震中，的確出現了如轉形斷層理論預料的錯動情況，而且此些錯動情況與傳統平移斷層理論所會預測的平移方向相反[9]。
轉形斷層與平移斷層
[編輯]轉形斷層和平移斷層最大的差異在於版塊移動的位置、方式及動力來源。轉形斷層與平移斷層在板塊錯動位置上的差異在於斷層線外側，板塊移動的方向是否和內側一致。平移斷層的錯動是沿着整條斷裂線發生的，兩側的兩段中洋脊之間的距離將隨時間逐漸加大；如果由平移斷層引起地震，則整個岩層破裂面都會發生地震。但是，對於轉形斷層而言，雖然中洋脊兩側海底不斷擴張，斷層兩側中洋脊之間的距離並不會加大。錯動與頻繁的地震活動只會發生於本條目首圖中由於擴張方向相反而產生錯動，以紅色線段標示的轉形斷層段。在紅線以外的地方，因為海底的擴張方向相同，因此僅有裂痕而無錯動，且甚少發生地震，恰好與平移斷層所造成的影響相反。[1][10]
轉型斷層與平移斷層在板塊移動方式上的差異在於位移的大小是否會和位於斷層線的位置有關係。一般平移斷層的位移，向着兩端是逐漸減弱、慢慢消失的。而轉形斷層向兩端並不存在減弱的現象，而是在兩個端點戛然終止，轉換為另一形式的運動（通常是中洋脊的局部拉張作用）。[1][10]
在動力來源方面，轉形斷層和平移斷層也有所差異。平移斷層，和逆斷層、正斷層等其他種斷層相仿，位移的動力來自於岩石的應力。然而轉形斷層不同，轉形斷層的動力來自於板塊之間的張裂運動。因此，影響轉形斷層移動速率的因子主要來自於該地區板塊活動的激烈性。[2]
除此之外，中洋脊的分段長度與與轉形斷層的張裂速度之間會有一定比例大小關係，佐證轉型斷層的特徵應與中洋脊的張裂性質有關。[11]
轉形斷層的分類方式
[編輯]威爾遜認為，轉形斷層的兩端必須是其他斷層或是板塊邊界。根據這個要求，轉形斷層能在長度上呈現各種狀況，例如成長、縮短或甚至維持長度不動。轉形斷層長度的改變方向是根據其連結到的斷層或是板塊邊界結構而定的，威爾遜在論文中提出了六個種類的轉形斷層[6]：
- 長度維持型
- 通常一個轉形斷層若不是長度增加型，就是長度維持型。長度維持型轉形斷層的穩定性由許多原因造成。 以脊到脊斷層來說，長度的恆定性是由兩個中洋脊的海底擴張與轉形斷層作用抵銷所引起的。第二種長度維持型的可能發生在中洋脊連接到俯衝板塊時，中洋脊產生的新地殼與被俯衝帶吞沒的地殼相互抵銷。第三種長度維持型發生在當兩個隱沒方向相同的俯衝帶被連接在一起時，兩斷層一起平行移動，不創建新的地殼。[12]
- 長度縮短型
- 長度縮短型的轉形斷層相當少見。他會發生在當兩個下行俯衝板通過變換斷層連接時會發生這種情況。 隨着板塊被俯衝，變換斷層的長度將減小，直到變換斷層完全消失，只留下兩個俯衝區域朝向相反的方向。These occur when two descending subduction plates are linked by a transform fault. In time as the plates are subducted, the transform fault will decrease in length until the transform fault disappears completely, leaving only two subduction zones facing in opposite directions.[12]
轉形斷層的外觀
[編輯]轉形斷層的完整構造切穿整個岩石圈，所形成的地形景觀甚為巨大。沿洋底轉形斷層所發育的槽谷及崖壁，有的高度差可達2000米以上。如果以傳統對海洋地殼的分層來看，轉形斷層的破裂面通常可以完整切穿深海沉積物層以及中部的玄武岩質層，在某些出露，甚至可以觀察到下層輝綠岩的標本；可以說，轉形斷層可以提供典型且相當完整的海洋地殼剖面。一個典型轉形斷層的崖壁，如果以拖採進行觀察，由上而下通常可以依序觀察到這幾種岩層的分佈：
轉形斷層通常伴有強烈的動力變質作用。拖採得的標本經常觀察到被角礫岩化、糜稜岩化或片理化的痕跡，有些岩石還會出現微型褶皺。可見，轉形斷層是一種重要的變質帶與構造形變地帶。由於剪切作用與變質作用，轉形斷層有機會使岩石的磁性喪失，故沿着轉形斷層常常可以發現缺失中洋脊磁異常的區域，這些無磁地區通常位於斷層面向兩邊延伸10到30公里左右。除此之外，某些轉形斷層地帶的地殼明顯較薄，厚僅約2到4公里。[1]
形成機制
[編輯]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[13]。以科學家目前對轉形斷層的理解來說，我們已知轉形斷層的型態及穩定度會受到許多物理條件的影響，例如張裂速率[14][15][16]、熱應力與拉伸應力[17][18]，和既有地質條件[19]。但是究竟是什麼原因造成他們的形成與成長仍然是不知道的[14][20]。http://science.sciencemag.org/content/sci/329/5995/1047.full.pdf對於轉形斷層形成原因的解釋，早期的科學家認為轉形斷層是來自地方的舊有斷層構造所導致。但是許多觀測結果卻又與這個假設相矛盾，s. It is, therefore, commonly viewed that transform faults develop in regions adjacent to offset ridge segments and that these offsets remain constant through time [e.g., (1–3)]. However, four lines of evidence from both analog models and nature contradict this common view (4, 10), namely: (i) single straight ridges can develop into an orthogonal pattern (1, 11–13), (ii) zero offset fracture zones exist (5, 14), (iii) there is a relation between ridge segment length and spreading rate (15), and (iv) transform faults are not inherited from transverse rift structures and nucleate while or after spreading starts (10).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。[13]
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。更詳細的分類則來源於不同的板塊張裂速度及岩相學的特徵差異。[13]
目前通行的學說來自於2010年，蘇黎世聯邦理工學院塔拉斯·戈亞教授利用電腦模擬提出的解釋。他認為，轉形斷層可能是中洋脊在擴張時於發生動態不穩定、出現旋轉與拉伸下漸漸彎曲而產生的[11][21]。他在模型中模擬了張裂速度從每年1.9厘米（慢速張裂）到7.6厘米（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。[13]
從最簡單的直線狀中洋脊數值模擬演化過程來看，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。[13]
戈亞根據不同的板塊（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。[13]
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。[13]
案例
[編輯]- 美國的聖安德烈亞斯斷層：位於陸地上的轉形斷層，經過三藩市、[[洛杉磯]等大都會區。
- 中東的死海斷層：經過土耳其南部、黎巴嫩和以色列，許多西方古籍中均有記載該斷層引發的地震。
- 新西蘭的阿爾卑斯斷層。
- 巴基斯坦的恰曼斷層。
- 土耳其的北安那托利亞斷層。
- 北美洲的夏洛特皇后斷層。
參考文獻
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