R.G.Green R.S.White T.Greenfield

冰岛增生板块边界的裂谷带包括雁列式阶跃段，其中每一段都形成了具有中央火山及平分裂隙群的独特火山系统（Einarsson，2008）。每段的典型宽度均为15km。脆性上地壳的持续增生发生在这些火山段内，往往伴生岩脉侵入、裂隙喷发和正断层作用这些短期的断裂事件。

在北部火山区，即冰岛东北的裂谷区，裂谷段的上地壳除了阿斯恰火山口湖东南部的地热区外，本身是无震的。然而，集中和密集的微震活动凸显出在阿斯恰雁列式阶跃段和克韦尔克火山裂谷段之间存在一个形变区（图1）。这些微震在空间上和时间上聚集成群，持续时间为一周至一个月，并在2～6km的深度形成北东—南西走向的断层（图2）。在横截面上，地震活动显示出6～7km深度急剧变化的边界（图1b）。我们推测这是地壳韧性和脆性过渡的标志，其上发生的全是脆性断层活动。

本研究从区域地震仪阵列收集的地震数据具有很好的信噪比，并由此得到了在震源球上观测数据约束很好的214个初动极性断层面解（图3）。这些解非常一致（补充图1～4），表现出稳健的左旋走滑机制，并且断层面扩展与震群的震中走向在一定的误差范围内吻合很好（图2）。在2009～2012年的整个研究时段，我们在延伸的阿斯恰与克韦尔克火山裂谷带之间的衔接区域捕捉到一系列左旋走滑断层运动。亚平行的断层走向为40°～50°，并与裂谷段两边走向平均为25°的地表断裂和张性裂隙斜交（Hjartardóttir etal，2009；Hjartardóttir and Einarsson，2012；图2a中的玫瑰图）。裂谷带内的这些地表特征有时是正断层崖，但通常是侵入岩脉上方的延伸裂隙产生的。整个地区被冰期后熔岩流所覆盖，其中许多的年龄未达到4 500年（Sigvaldason et al，1992）。由于这种重新覆盖，持续的岩脉侵入和衔接区的延展经常造成地表破坏（图1）。而在衔接区的走滑断层并没有造成任何明显的地表破坏。

图1 显示火山裂谷段之间密集活动的自动定位的微震活动。（a）北火山带的南端图（位置见插图），地形用灰色表示，永久冰盖用淡蓝色（原图为彩色图——译注）表示，河流和湖泊用蓝色表示，大地构造断裂（Hjartardóttir et al，2009；Hjartardóttir and Einarsson，2012；Hjartardóttir，2013）用黑色线条表示，火山裂谷系的活动裂隙群用米黄色表示。西－北西走向的断层（Hjartardóttir et al，2009；Hjartardóttir and Einarsson，2012；Hjartardóttir，2013）用红线标注，黑色三角形为地震台站，彩色圆圈表示的是在海平面下深度小于10km的微震（MW0.5～3.0）的自动定位的震源位置。事件按日期（色标棒）标注颜色。（b）2 974个震源位置的深度横截面在15km的A—B剖面上投影

左旋走滑断层的一个显著指示特征为其上的滑动需要衔接区地壳块体按照书架机制沿垂直轴顺时针旋转（图4）。处在最西边断层末端的逆冲断层作用（图2中的黑色断层面解）增添了支持这种旋转机制的证据，因为在大陆上走滑断层终止的地方观察到了类似场景（Bayasgalan et al，1999）。垂直于大陆书架型走滑断层端部的逆冲断层上的位移随远离主断层而消失，这被认为代表了与走滑断层作用相关的局部旋转运动。

在冰岛，北美板块和欧亚板块以106°的方位（NUVEL－1A板块模型；DeMets et al，1994）按每年18.2mm的速率分离。沿与该扩展方向斜交的板块边界段，通常在较近处可以发现火山作用和走滑断层作用。在格里姆塞岛斜向裂谷（Rögnvaldson et al，1998）和 雷 恰 角 半 岛 （Árnadóttir et al，2004）裂谷区（图1插图），书架型旋转从一系列走滑断层滑动横切到板块边界，该旋转与火山裂隙活动密切相关。岩墙活动容纳了扩展的发散分量，书架型旋转容纳了其他横推分量（Einarsson，2008）。然而在北火山区，由于裂谷轴几乎垂直于扩展方向，板块边界的运动几乎全部为离散的。因此在这种裂谷环境下张性控制的走滑断层作用是不可预料的，因为岩墙活动和正断层作用应足以容纳这种扩张。

图2 阿斯恰—克韦尔克衔接区中亚平行排列的左旋走滑断层（原图为彩色图——译注）。（a）重定位的微震群界定了左旋走滑断层（黑色线条）。玫瑰图显示了地表断裂数据（Hjartardóttir et al，2009；Hjartardóttir and Einarsson，2012）。黑色断层面解显示了三个逆冲微震。地质背景与图1相同。该图显示图1中红色轮廓的范围。（b）震源的深部横截面投射到A—B剖面上。（c～h）断层统计。玫瑰图对每个群的断层面解走向分布（彩色部分）和震中走向（外部的黑色线条）作了比较。误差范围为2倍的标准误差（95%的置信区间）。彩色的平均断层面解（走向、倾角、滑动角）对应于相关的断层。事件个数为n

该衔接区内的地震断层面走向与区域扩展方向的106°大约呈60°夹角，我们推测它代表了最小应力方向σ3。这可能就证明了这些断层受到拉伸应力的影响，因为60°在均匀岩石破裂和断层起始的拉张应力与断层走向夹角的范围内。然而，要使这些断层容纳板块扩展并进一步变形，必须分解为另外的分量，或为共轭走滑断层作用，或为拉伸断裂活动和格里姆塞岛斜向裂谷和雷恰角半岛裂谷的岩墙作用。这些断层作用在阿斯恰和克韦尔克段未观测到，并且缺乏指示类似活动的冰后火山裂缝或表面破裂。即使我们观察到的断层作用的确能在总值上100%地容纳扩展的区域应力，微震的集中性依然无法解释。如果构造扩展作用在裂谷段之间存在，则可能沿断层段之间的整个区域延伸，但微震发生在目前可以理解为终止断层的活跃的克韦尔克段的邻近区域（Hjartardóttir and Einarsson，2012）。

图3 显示出清晰波至和约束很好震源机制的典型走滑事件。（a）最佳拟合断层面解在等面积下半球投影上表示。节面采用 “走向、倾角、滑动角”的角度所标注。射线离源角用蓝色圆圈（原图为彩色图——译注）或红十字表示，大小表示每个初动拾取的权重，4个字母表示台站代码。（b）经2～16Hz带通滤波的垂直分量波形。红色波形是压缩波波至，蓝色是膨胀波波至。每道波形已归一化为相同大小。与实际地震图振幅的相对差别在每道地震图左边用以不同大小的矩形表示，最大振幅的波至来自MYVO台站

上述描述表明书架型运动不仅仅对应于区域构造延伸，并且还受克韦尔克段终止致使拉张转移到邻近的阿斯恰段产生的外部剪切力（Mandl，1987）所控制。集中的扩展在衔接区的纬度上向左传递到阿斯恰段，而不是被分配到阿斯恰和克韦尔克段之间。作为扩展的结果，运动的差异肯定发生在衔接区向北和向南的地壳物质中，从而导致施加了剪切力（图4）。同时运动发生在这一系列的并行左旋走滑断层上，并且断层之间地块的共同旋转可以容纳这种外部强加的右旋剪切力。因此衔接区在整体意义上成为右旋运动的一个转换区。

自1974年以来，全国范围内地震台网工作的加强使记录该地区的小地震成为可能（Einarsson and Sæmundsson，1987；Einarsson，1991），自2005年以来能够分辨与线性震群相关的走滑活动（Hjartardóttir et al，2009；Porbjarnardóttir et al，2007）。我们推测在衔接区的左旋走滑断层的地震活动不仅在我们的2009～2012年当地地震测量期间持续发生，而且至少在过去的20～40年一直在发生，这期间已有足够的地震监测能力对其进行探测。

像这种持续的地震活动并不能在所有雁列式阶跃冰岛裂谷段观测到，但是阿斯恰段和克韦尔克段之间的裂谷轴走向从北东－南西向变成了北－南向（图1插图）。局部地壳扩展的左阶移动比其他边界段更加显著，更容易产生剪切应力使衔接区呈现右旋剪切状态。该区也位于克拉夫拉和克韦尔克段之间的西－北西方向断裂的扩散带中（图1），表明了该带中的转换运动（Hjartardóttir，2013）。然而，不是在段之间形成集中的东－西向转换断层，而是小走滑断层形成到转换的横切。该系列的断层通过书架机制滑动和旋转，从而容纳了我们提出的与106°的扩展相对齐的剪切力。

类似的书架型断层作用情景在美国横断山脉东部也观测到了，此处闭锁的圣安德烈斯断层和圣哈辛托断层之间的地壳按照右旋形式剪切（Nicholson et al，1986）。在南冰岛地震区（图1），书架型断层作用也容纳了东－西向的剪切。地壳断裂发生在垂直于剪切方向的北－南右旋走滑断层上，并且相关的逆时针旋转容纳左旋剪切（Einarsson，1991，2010；）。

在阿斯恰－克韦尔克衔接区内，断层的取向约为40°，与两侧裂隙群的地表特征（～25°）相差仅15°，并且与南冰岛地震区不同，与剪切方向不垂直。这就提出了一个问题：是断层接收并旋转地壳中的先有软弱面还是新鲜断裂以能量上有利的取向断开。

如果这些是长期断层在先在的地壳软弱面发起并将这些断层面顺时针旋转到现在活跃的位置，则其破裂的方向可能沿原始遍及的岩浆侵入构造。假定这种侵入构造提供了理想的脆弱亚垂直滑动面，而且地震断层相对靠近该侵入构造，那么走滑断层是初始沿着裂谷构造（在～25°；Einarsson，2008；Hjartardóttir etal，2009）形成的而不是在新的取向上产生新的破裂，似乎更有可能。我们推测该书架型断层随后有逐步滑动并顺时针旋转15°到目前40°的方向上。现推测在海洋中的重叠扩展中心之间的预存海岭平行断层有类似的旋转（Searle and Hey，1983；Wetzel et al，1993）。

如果这个推断正确，断块模型就可用来估计断层上的转动和滑动率（Copley and Jackson，2006）。使 用 Copley 和Jackson（2006）的方法，假定书架型断块的尺度为15×2km（图4），我们计算出每个断层的滑动速率为0.9～1.8mm／a，断块的旋转速率为20°～40°／Ma。走滑断层自初始的裂谷构造旋转到当前的走向需要0.4～0.8Ma。这个速率相比于通常测定的大陆断块旋转量是很快的，但这里的区域较窄，剪切量大，该旋转速率与大洋微板板的旋转速率相当（Larson et al，1992）。

图4 穿过阿斯恰—克韦尔克衔接区的右旋转换运动。该图示意给出了变形的衔接区，地壳块体大小约为15×2km。左旋走滑断层预示着该区域为红箭头（原图为彩色图——译注）所显示的右旋剪切。速度（黑色箭头）相对于北美板块。地质背景与前面的图相同

总之，我们记录了冰岛北部裂谷区断错段之间的转换运动。右旋剪切运动由书架型断层作用所容纳：走滑断层上的左旋滑运近乎平行于裂谷构造，沿垂直轴顺时针旋转。如果剪切至少在过去的0.4～0.8Ma的断陷周期内持续，则我们可以断定书架型运动将断层从原始构造取向旋转了15°到它们当前的40°倾斜走向。出现这种情况最大可能是沿裂谷普遍岩墙侵入构造导致的地壳各向异性的强度所致。仪器记录时代裂谷带内上地壳构造和岩浆活动的缺失表明这些段处于裂谷活动的间歇期。然而，中下地壳内的地震活动却给出了岩浆正在活动的证据（Soosalu et al，2009；Key et al，2012），下地壳岩浆入侵容纳了裂谷区的扩展。由裂谷区拉张产生的应力导致了裂谷之间衔接区的地震活动和剪切滑动。

方法

本研究使用的地震数据来自22至40个Güralp 6TD和Güralp ESPCD地震计组成的台网2009年1月至2012年9月的记录。虽然该台网的监测区域和方位覆盖范围几乎没有改变，但台站的密度却逐渐增加。图1显示了2011～2012年冬天该台网的分布。地震事件的自动检测和定位采用并合微震测绘技术（Drewet al，2013）进行。该程序将地震能量从每个接收器迁回到三维地下网格，通过在网格节点的时间计算并合函数。并合函数的峰值确定网格节点的位置和最佳拟合所有接收点到达的地震能量的发震时刻。并合微震测绘技术的更完整解释可见Drew等（2013）和 Tarasewicz等（2012）。

地震自动定位可以识别地震群进行进一步处理。P波和S波到时由人工精确选定，事件定位采用概率非线性地震定位程序NonLinLoc（Lomax et al，2000）进行。对此我们采用由可控源地震实验得出的线性渐变速度模型（Key，2012）。最东边走滑断层上的地震引自Martens和 White（2013）。

相对重定位采用HypoDD（Waldhauer and Ellsworth，2000）程序中的双差算法计算得到。该程序所需的成层速度模型由渐变模型近似给出。该过程使震源位置固定，并使断层的线状排列集中。完整的震源数据在补充资料中列出。

人工拾取到时的典型精度为0.01s（P波）到0.05s（S波），NonLinLoc程序的初始定位误差为1km，均方根差别为0.1～0.2s。用双差技术重定位明显使丛集更集中，并且震源位置误差降低为20～50m。用绝对定位事件的射线离源角来求取初动极性断层面解，用程序FPFIT（Reasenberg and Oppenheimer，1985）进行计算。图3表示使用FPFIT程序产生的典型断层面解的例子。主震群的全部断层面解在补充材料的图1～4中给出。

断层走向通过利用双平方加权函数来减少外围事件对最佳拟合走向影响的最小二乘回归拟合微震震中的走向确定。断层走向的误差量化为回归函数梯度的两倍标准差。在不确定性内，所有断层的走向都相同，震中方位角（图2中6条线状震群）与由断层面解推测的断层面方向匹配。

采用Copley和Jackson（2006）的断块模型估计旋转速率时，用持续地震活动影响的区域确定出形变转换区的宽度为15km。地震活动断层之间的距离约为2km，剪切方向取为106°的板块扩展向量（NUVEL－1A；见DeMets et al，1994）。剪切估计基于Einarsson和Sæmundsson（1987）中火山系的几何形状。在该断陷区以北，所有扩展均向西偏移到阿斯恰、弗雷姆里纳姆尔和克拉夫拉裂谷段，因此紧靠衔接区北部的地壳有向东的全扩张速度运动（图4）。这表明活跃的克韦尔克扩张段根据 Hjartardóttir和Einarsson（2012）讨论的证据如绘图（Einarsson and Sæmundsson，1987）所示终止了。紧靠该断陷区的南部，相对于北美板块的东向运动取决于阿斯恰段和克韦尔克段之间扩张的分布。全扩张速率的1／4～1／2范围被克韦尔克所容纳，用此范围值计算剪切和旋转的速率。