《Journal of Structural Geology》：Magmatically driven antithetic faulting: structural and numerical insights
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火山断陷带中岩浆沿先存断层传播形成对冲断层，驱动地堑不对称发育。通过冰岛Fremrinamar断陷带实地调查、三维建模与数值模拟发现，基底与岩浆上覆层力学性质差异及地形高程显著影响断层位移，导致东断层垂直位移达西侧十倍，岩浆受阻于对冲断层形成。
Fabio L. Bonali|Sofia Brando|Federico Pasquaré Mariotto|Alessandro Luppino|Alessandro Tibaldi
意大利米兰-比科卡大学地球与环境科学系
摘要
本研究确定了由岩浆活动驱动的逆断层作用是形成与岩脉相关的地堑的一种先前未被认识的机制。该研究调查了控制冰岛北部火山带Fremrinamar裂谷关键区域岩脉侵入过程中地堑几何形态的构造和力学因素。一个南北走向的地堑完全发育在一个地形高地之上，该高地对应于一个冰下枕状熔岩/角砾岩锥，但没有影响到周围的熔岩高原，因为该地区被最新的熔岩流覆盖。地堑断层表现出明显的不对称性：与裂谷边界断层对齐的东侧断层垂直位移比西侧断层大一个数量级。数值模型再现了这一模式，表明沿着已有断层传播的倾斜岩脉以及熔岩基底与较弱的冰下锥体之间的力学差异强烈控制了应力分布和由此产生的变形，从而有利于逆断层的形成。此外，这种岩脉并未在枕状熔岩/角砾岩锥上喷发，而是在其南北两侧喷发。这表明岩脉的向上运动受到多种因素的抑制，包括力学差异、重力作用、与已有断层的相互作用以及与逆断层形成相关的应力释放。总体而言，我们的结果强调了已有构造、地形和岩石学差异在塑造火山裂谷带中岩脉诱导变形和地堑断层不对称性方面的综合影响。
引言
浅层岩脉侵入可以产生正断层和地堑（Rubin 1995；Gudmundsson和Brenner，2004；Wright等人，2006；Gudmundsson，2011a；Sigmundsson等人，2015），尽管类似的构造也可能由于伸展板块构造作用产生的区域应力而形成。在裂谷带中，这两种过程常常同时存在，因此很难区分哪种机制产生了特定的构造（例如Buck，1991；Corti，2009）。这个问题不仅具有科学意义，还具有实际意义。例如，在火山活动期间，当有岩浆上升的迹象时，理解上升岩浆与岩脉引起的地表变形之间的关系至关重要（例如Bonali等人，2024），包括岩脉可能沿着已有断层传播的情景，这些断层可能会引导岩脉朝向地表或使其沿着浅层断层改变路径，正如本研究所展示的那样。
来自侵蚀火山区域的实地研究表明，在某些情况下，岩脉会沿着已有的不连续体（如节理和断层）延伸（Delaney等人，1986；Baer等人，1994；Jolly和Sanderson，1997；Martínez-Poza等人，2014；Browning和Gudmundsson，2015；Greiner等人，2023）。实验室和数值模型也强调了构造和流变不连续性对岩脉轨迹和停止深度的潜在影响（Kavanagh等人，2006；Gudmundsson和Philipp，2013；Rivalta等人，2015；Acocella和Trippanera，2016；Galland等人，2018；Clunes等人，2023）。然而，这仍然是一个有争议的问题：一些研究认为岩脉路径并不受已有构造的显著影响（例如Lister和Kerr，1991；Rubin，1993，1995）。在冰岛，只有大约10.5%的岩脉被观察到占据了正断层（Gudmundsson，1983），而最近对小高加索地区的区域分析表明，只有少数主要断层控制了单成因锥体的形成（Bonali等人，2025）。在Fremrinámar裂谷，不到1%的喷发裂隙与正断层对齐（Pedicini等人，2023）。相反，其他作者则表明岩脉在区域尺度上沿着已有断层平面延伸，例如在研究埃塞俄比亚南部主裂谷西部边缘的火山构造活动的分布、时间和特征时（Corti等人，2013）。这些作者发现喷发口沿着裂谷边界断层分布。对于埃塞俄比亚主裂谷的中部和北部地区也得出了类似的结论，Tadesse等人（2023）发现该地区的几条断层在Bora-Baricha-Tullu Moye火山系统最近的发展过程中起到了主要的岩浆通道作用。在更局部的尺度上，Gómez-Vasconcelos等人（2020）通过调查墨西哥火山带Queréndaro地区20个第四纪单成因火山口和熔岩高原相对于主要正断层的分布，证明了第四纪岩脉利用了这些已有断层作为通往地表的路径。在露头尺度上，也有证据表明岩脉沿着已有断层侵入，例如在意大利Roccamonfina火山，现场结构数据显示一条主要岩脉沿着已有断层的破坏带改变了路径（Natale等人，2023）。除了沿着正断层延伸的岩脉例子外，还有岩脉沿着已有走滑断层延伸的情况，例如在2021年冰岛Fagradalsfjall喷发期间（Hjartardóttir等人，2023）。在阿根廷Neuquén盆地也发现了类似的例子，Spacapan等人（2016）发现一系列岩脉沿着已有走滑断层平面侵入。
此外，构造断层和岩脉诱导断层的共存带来了额外的复杂性，包括确定总断层位移和控制地堑几何形态的因素的难度。关于位移，上升岩脉产生的应力可能会重新激活已有断层（Gudmundsson和B?ckstr?m，1991；Gudmundsson等人，2008），从而影响用于地震危险性评估的平均和最大滑移量的估计（Anderson等人，1996；Rosenblueth和Ordaz，1990；Tibaldi和Ferrari，1992；Tibaldi等人，2007）。
另一方面，地堑的几何形态会受到岩脉方向的强烈影响：垂直岩脉通常会产生对称的地堑，在岩脉两侧形成两个相似的表面变形最大值（Pollard等人，1983；Mastin和Pollard，1988），而倾斜岩脉可能会产生具有明显不同位移的不对称结构（Pollard等人，1983；Mastin和Pollard，1988；Bazargan和Gudmundsson，2020；Tibaldi等人，2022；Drymoni等人，2023）。断层倾角的不对称性也可能受到地形的影响，地形与岩脉诱导的应力相互作用（Guldstrand等人，2017；Clunes等人，2023；Bonali等人，2024）。通过大地测量和InSAR分析广泛研究了岩脉传播引起的地表变形（例如Casu等人，2006；Neri等人，2007；Bonforte等人，2009，2011；Grandin等人，2010；Ruch等人，2016），通常是在区域尺度上。通过将野外观察与摄影测量数据结合，也进行了更详细的局部尺度分析（例如Rubin和Pollard，1988；Billi等人，2003；Neri等人，2011；Tibaldi等人，2020a，2022）。最近通过数值模拟（例如Gudmundsson，2020；Drymoni等人，2021）和类比建模（例如Trippanera等人，2014，2015a；Galland等人，2015，2018；Guldstrand等人，2017；Tibaldi等人，2025）也加深了对岩脉诱导变形的理解。然而，这些工作中没有一项将经典的野外观察与高分辨率3D重建和数值建模结合起来，以解释位于地形高地上的不对称地堑的形成，同时考虑到明显的流变差异和裂谷边界断层的存在。
基于我们的工作，我们将这种环境解释为岩浆驱动的逆断层作用是形成与岩脉相关的地堑的一种先前未被认识的机制。本案例研究集中在冰岛北部火山带（NVZ）Fremrinámar裂谷中的一个史前喷发裂隙，这为我们提供了一个独特的机会，可以从平面和剖面视图来研究地形、已有构造、岩石学和岩脉诱导变形之间的复杂关系。我们将野外数据与有限元方法（FEM）数值建模相结合，以评估这些参数之间的相互作用。我们的分析揭示了一个不对称地堑的发展过程，其垂直位移受到岩浆诱导应力的控制，在一个倾斜岩脉沿着已有断层传播的过程中形成了逆断层，该断层位于地形高地之下，同时也与岩石学差异相对应。我们通过检查在不同地形、岩脉姿态和岩浆超压条件下的岩脉尖端前方的应力分布和方向得出了这一结论，其中机械参数是根据新的基于野外的地质测绘确定的。这种综合方法为了解火山构造活跃区域中地堑形成和断层不对称性的力学条件提供了新的见解。
地质背景
大约4500万年前，大西洋中脊的打开导致了高岩浆产量，约2500万年前形成了冰岛的地貌（Foulger等人，2005），这与Hardarson等人（1997）的地质年代学和岩石学约束一致。从那时起，该地区继续以高岩浆产量为特征，这种产量在NVZ、冰岛中部火山带、东部火山带和西部火山带表现得最为明显（图
方法论
研究区域位于所谓的“Hringvegur”公路以南约10公里处，地理位置极其偏远，只有四轮驱动车辆才能进入。该地区地形崎岖，由全新世熔岩流组成，并被开放性断裂切割，包括通往该区域的道路。为了克服后勤和环境限制，我们采取了多步骤的方法：
i)野外地质测绘和结构数据
将野外岩性地层学和结构调查与高分辨率无人机拍摄的摄影测量模型相结合，实现了1:2000的比例尺的结构研究。主要结果总结在1:2000比例尺的地质图中（图4A），这比之前的1:10000比例尺地质图（S?mundsson等人，2012）有了显著改进。研究区域的特点是平坦的地貌被Vestari
地堑断层几何形态和地形
本研究中分析的地堑完全发育在一个地形高地之上，显然没有影响到周围的冰下火山锥基底——这在NVZ中是不常见的配置，因为在NVZ中，地堑通常是在相对平坦的区域中随着时间的推移由一次或多次岩脉侵入而形成的（例如Sigurdsson，1980；Rubin，1992；Sigmundsson等人，2015；Hjartardóttir等人，2016；Ruch等人，2016；Pedicini等人，2023，2025）。类似的结构已经
结论
本研究结合了野外数据、结构分析和数值建模，研究了冰岛北部火山带一个小地形高地上的地堑发育机制。这个地堑的特点是完全发育在一个由冰下枕状熔岩构成的地形高地之上，而没有影响到这个山脊的基底。
野外观察和形态测量数据还揭示了地堑东侧与西侧之间的强烈不对称性
CRediT作者贡献声明
Fabio L. Bonali：撰写——初稿，监督，方法论，调查。Sofia Brando：撰写——审阅与编辑，方法论，调查。Alessandro Tibaldi：撰写——初稿，监督。Alessandro Luppino：调查。Federico Pasquaré Mariotto：撰写——审阅与编辑，调查
未引用的参考文献
Azzaro等人，2012；Bonafede和Rivalta，1999；Broek，1982；Galindo和Gudmundsson，2012；Gómez-Vasconcelos等人，2020；Grant和Kattenhorn，2004；Griffith，1924；Maccaferri等人，2010；Maccaferri等人，2011；Maccaferri等人，2016；Magee和Jackson，2021；Monaco等人，2010；Nobile等人，2012；Philipp等人，2013；Pinel和Jaupart，2000；Pinel和Jaupart，2004；Rivalta等人，2005；Rubin和Pollard，1987；Rubin，1995；Sigmundsson等人，2015；Zia和Lecampion，2020。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢编辑Ian Alsop以及两位审稿人Francesco Maccaferri和Lorenzo Mantiloni对改进手稿初稿提出的有益意见。我们还要感谢Agust Gudmundsson就这一主题进行的有益讨论。这项工作是在CRUST——跨大学3D地震构造与区域应用中心的框架下进行的，并得到了国际岩石圈计划第二工作组的支持。
