北部劳海盆中微板块的步进驱动形成与演化

《Tectonophysics》：Step driven formation and evolution of microplates in the northern Lau Basin

　　迪利尼·M·瓦拉库卢·阿拉奇吉（Dilini M. Walakulu Arachchige）、詹姆斯·A·康德（James A. Conder）和费尔南多·马丁内斯（Fernando Martinez）

摘要
北部劳恩盆地（Northern Lau Basin）是一个活跃的弧后（back-arc）区域，那里快速的拉伸和剪切作用与俯冲转换边界传播体（Subduction Transform Edge Propagator，简称STEP）断层相关，驱动着复杂的构造相互作用。这种环境形成了多个构造块，即北部劳恩微板块（Northern Lau Microplates，简称NLMPs），它们并排排列在西北劳恩扩张中心（NWLSC）和东北劳恩扩张中心（NELSC）之间。在这项研究中，我们利用1980年至2024年的浅层地震数据、矩张量分析以及一个概念性多级模型来约束这些微板块的运动学特性。该地区的区域应力场表现为NE-SW方向的最大水平压缩应力和NW-SE方向的最小水平压缩应力，这表明一个广泛的剪切带正在驱动NLMPs逆时针方向运动。该区域以走滑断层和共轭断层为主，这些断层产生的是分布式剪切，而不是沿着单一连续结构的局部滑动。大约20%的地震显示出显著的非双偶极（non-double-couple）成分，这被解释为不成熟断层系统的特征，这些断层的几何形态呈弯曲、分段且相互交错。地震活动模式、震源机制以及地震滑移矢量进一步更新了对该地区微板块边界的假设。运动学建模表明，沿这些边界的应变分配是由机械上相连的微板块在共同机制的驱动下旋转所引起的。这些结果表明，由NWLSC、NELSC、STEP断层以及纽阿福欧微板块（Niuafo?ou microplate）所界定的区域内的变形是通过分布式剪切、块体旋转以及由STEP断层沿劳恩盆地北部边界传播所驱动的板块边界演变来实现的。

引言
微板块（microplates）是小型构造块，通常宽度小于1000公里，能够在更大的构造系统中独立旋转（Hey, 1977; Kleinrock and Hey, 1989; Gordon, 1995）。由于尺度原因，沿微板块边界的边缘驱动运动学现象很常见，其中微板块的运动受到边界板块的控制（Schouten et al., 1993; Neves et al., 2003; Kearey et al., 2009）。边缘驱动的微板块边界可能通过侧向增生、海岭扩展和海岭跳跃等方式经历构造重组和演变（例如，Easter微板块 - Engeln et al., 1988; Naar and Hey, 1991; Juan Fernandez微板块 - Larson et al., 1992; Kleinrock and Bird, 1994）。
在劳恩盆地，浅层地震数据和结构观测（Conder and Wiens, 2011; Baxter et al., 2020）、区域地质图（例如，Stewart et al., 2022）、板块边界重建（Zellmer and Taylor, 2001; Conder and Wiens, 2011; Sleeper and Martinez, 2016）以及大地测量观测（Bevis et al., 1995; Phillips, 2003）表明，该地区的构造演变是由一系列由扩展裂谷和局部扩张中心界定的微板块网络所驱动的。基于海底地震仪观测和质心矩张量（centroid moment tensor，简称CMT）解，Conder和Wiens（2011）识别出了北部劳恩盆地（NLB）中西北劳恩扩张中心（NWLSC）和东北劳恩扩张中心（NELSC）之间的活跃变形区域，这些区域可能勾勒出潜在的不成熟微板块边界的片段（图1）。这种边界分段可能与STEP断层沿NLB北部边缘的传播有关，该断层被认为能够重新分配应变并促进局部拉伸（Millen and Hamburger, 1998; Bonnardot et al., 2007; Conder and Wiens, 2011）。
断层系统可能最初以分布式相互作用的形式开始，随着时间的推移逐渐连接并使应变局部化为更长、更连续的断层带（例如，Cowie and Scholz, 1992a, Cowie and Scholz, 1992b; Ben-zion and Sammis, 2003）。在这里，我们假设成熟的断层通常具有连续的平面结构，主要产生双偶极（DC）震源机制。相比之下，不成熟或分段的断层系统可能由多个方向不同的断层带组成。在这种几何复杂的系统中发生破裂时，可能会产生明显的补偿线性矢量偶极（apparent compensated linear vector dipole，简称CLVD）成分，反映了应力在多个非平行断层表面上的释放（例如，Julian et al., 1998）。通过分解NWLSC-NELSC区域上覆地壳的地震数据中的震源机制解，我们可以解析出每个观测到的地震事件中各个独立的滑移成分。为此，我们应用了DC-CLVD矩张量分解和多双偶极表示方法（Knopoff and Randall, 1970; Jost and Herrmann, 1989）。这种方法有助于通过结果成分来评估与不成熟板块边界一致的几何断层分段。
目前尚不确定这些断层带是否定义了由连续断层系统界定的独立旋转的微板块，或者它们是否代表了分布式变形。Conder和Wiens（2011）识别的断层带的近似走向和滑移方向，以及该剪切带内可能存在共轭或次级断层，与将该较广泛区域进一步划分为离散旋转块体的观点一致（例如，McKenzie and Jackson, 1983; Ron et al., 1984; Nicholson et al., 1986）。
为了研究这些断层系统的运动学含义，我们引入了一个概念性块模型，在该模型中，由观测到和/或假设的断层所包围的相邻地壳域围绕固定的欧拉极点（Euler poles）旋转。我们展示了当相邻微板块与共同的驱动板块边界剪切耦合时，尽管它们的边界几何形状和相互作用存在差异，它们仍可能朝驱动方向一致地旋转。这种边缘驱动的旋转可能受到相邻微板块之间共轭断层作用的影响，而整个区域的应变分配可能受到微板块边界几何形状和各个欧拉极点位置的影响。尽管这些地壳域可能经历内部变形，但刚性板块近似可以提供一个实用的初始框架来分析它们的运动学特性，从而为量化变形和非刚性行为建立一个基准。

劳恩盆地位于太平洋西南部，是地球上地质活动最活跃的弧后区域之一。这个海洋盆地在其北部末端大约14-15°S处广泛张开，在其南部末端大约24.6°S处呈铰链状连接（Hawkins, 1995）。劳恩盆地的张开是由太平洋板块的回撤引起的地壳拉伸所驱动的（Parson and Hawkins, 1994; Hawkins, 1995; Taylor et al., 1996；Galley et al., 2024; Peng and Stegman, 2024a, Peng and Stegman, 2024b）。该盆地特征包括多个弧后扩张中心、海岭扩展、地壳增生、增强的地震活动、分段火山脊、离轴火山作用以及多样的岩浆成分（Martinez and Taylor, 2006; Lupton et al., 2012; Baker et al., 2019; Baxter et al., 2020; Stewart et al., 2022）。
这种扇形盆地的张开与地球上一些最高的拉伸和俯冲速率相关（Bevis et al., 1995）。以澳大利亚为参考框架，NLB区域每年容纳约164.8公里的弧后拉伸（Phillips, 2003）。结合太平洋-澳大利亚板块的汇聚速率（约83公里/百万年），这导致太平洋板块沿汤加海沟北部边缘的有效俯冲速率为约247公里/百万年（Phillips, 2003）。太平洋板块在劳恩盆地北部边缘的撕裂形成了东西向的STEP断层（Millen and Hamburger, 1998; Govers and Wortel, 2005）。沿这条STEP断层的剪切运动是控制该地区构造的关键因素，导致局部变形区的形成（Bonnardot et al., 2007; Conder and Wiens, 2011）。
在我们的研究区域（西经172-178°，南纬14-16°）的STEP断层以南，由一系列活跃的扩张中心和构造高地及低地组成。该区域最东端的NELSC受到托富阿火山弧（Tofua volcanic arc）和附近俯冲板块的强烈地质化学影响（Baker et al., 2019; Anderson et al., 2021）。NELSC南端的Mangatolu三联点（MTJ；Sleeper et al., 2016）作为一个过渡性构造节点，连接NELSC沿北方向的扩张速率（从32公里/百万年增加到42公里/百万年）和向南方向朝向Fonualei裂谷和扩张中心（FRSC）的扩张速率（从30公里/百万年减少到27公里/百万年）（Sleeper et al., 2016; Baker et al., 2019）。
NWLSC（Lupton et al., 2012）构成了该区域的西南边界，根据磁异常估计其扩张速率为约60公里/百万年（Palmiotto et al., 2022）。位于NWLSC东北部的Rochambeau裂谷（RR）表现出斜向拉伸特征，表现为一系列拉分盆地和分段海岭（Lupton et al., 2012）。在其南端，NWLSC终止于NW-SE方向的Peggy Ridge（PR；Parson and Tiffin, 1993）。PR曾经可能与Futuna扩张中心（FSC；Pelletier et al., 2001）相关联，是一个转换断层，而在其东端则转变为拉伸断层，并与Lau扩张转换带（LETZ）合并（Taylor et al., 1994）。
FSC将NLB与北部斐济盆地分隔开来。NLB的一部分地壳通过FSC以约40公里/百万年的速率向西增生（Pelletier et al., 2001）。FSC附近的劳恩海底地形大致平行于海岭轴线，表明地壳旋转最小，主要表现为沿海岭方向的拉伸（Pelletier et al., 2001）。由于仅靠NELSC和NWLSC/RR的拉伸无法完全解释NLB其余部分的大地测量推断的张开速率，因此NELSC与NWLSC北部延续部分之间的区域必须容纳了一些构造运动。一个可能的解释是沿相邻微板块边界发生的应变分配（Conder and Wiens, 2011）。纽阿福欧微板块（Niuafo’ou microplate；Martinez et al., 2006; Sleeper and Martinez, 2016）位于FRSC以东和PR-LETZ系统以西，它容纳了研究区域南部快速的弧后张开（图1）。

数据
全球质心矩张量（Global Centroid Moment Tensor，简称CMT）目录提供了全球地震的精确偏置矩张量解（www.globalcmt.org；访问日期：2026年12月）。对于本研究，我们将事件目录限制在1980年1月1日至2024年12月31日期间，西经174至177.5°、南纬14-16°之间的区域。数据集包括震源位置（纬度、经度和深度）和时间、完整的矩张量（六个独立分量）及其不确定性。

结果
图2a显示了与纯双偶极（pure-DC）模型的偏差分布，使用归一化的CLVD分数2fCLVD进行量化。直方图显示出强烈的右偏分布，大多数地震集中在低CLVD分数处，而显示较大偏离DC行为的地震逐渐减少。根据之前描述的基于不确定性的分类方法，数据集中的258个地震被识别为以DC为主的事件，而64个事件位于非DCSTEP诱导的剪切带内。

在过去约150万年中，北部劳恩盆地（NLB）中活跃扩张中心的发展特征是在纽阿福欧微板块（Niuafo'ou microplate）以北地区高度间歇性的地壳增长（Sleeper and Martinez, 2016）。在像NLB这样的扩张环境中，要容纳高水平的构造应变通常需要多个扩张中心的激活。这些环境本质上是动态的，因为扩张海岭的跳跃和应力方向的变化迫使现有断层发生改变。

结论
本研究通过震源机制分析（包括矩张量分解）和运动学建模来研究北部劳恩盆地的变形。我们的研究区域位于NWLSC和NELSC之间，纽阿福欧微板块（Niuafo?ou microplate）和Mangatolu三联点（MTJ）以北。该区域代表了一个与STEP断层传播相关的活跃剪切带，这是由于太平洋板块向西运动和北部劳恩盆地快速的向东弧后拉伸所导致的。

作者贡献声明
迪利尼·M·瓦拉库卢·阿拉奇吉（Dilini M. Walakulu Arachchige）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、软件应用、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。
詹姆斯·A·康德（James A. Conder）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、概念化。
费尔南多·马丁内斯（Fernando Martinez）：撰写——审稿与编辑、验证。

未引用的参考文献
全球质心矩张量目录（Global Centroid Moment Tensor Catalog），2026年
美国国家海洋和大气管理局国家环境信息中心（NOAA National Centers for Environmental Information），2022年

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影响本文报告的工作。

致谢
我们感谢Alan Baxter博士及其同事慷慨提供劳恩盆地线性数据集作为参考。同时，我们也感谢编辑Gregory Houseman博士以及审稿人Robert Govers博士和一位匿名审稿人的详细且建设性的评论，这些评论有助于提高本手稿的清晰度和质量。