[论文解读] Assessing the brittle crust thickness from strike-slip fault segments on Earth, Mars and Icy Moons

Frédéric‐Victor Donzé, Yann Klinger+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2020

earthquake and tectonic studies参考文献 64被引用 17

一句话总结

本研究通过离散元模拟构建了一个力学模型，将雁列状Riedel剪切构造的间距与扭角与脆性地壳厚度关联起来。推导出一个预测性关系式（公式8），表明在纯走滑条件下，Riedel间距约为脆性层厚度的三倍，从而可基于观测到的断层图案估算地球、火星及冰卫星的地壳厚度。

ABSTRACT

Segment lengths along major strike-slip faults exhibit a size dependency related to the brittle crust thickness. These segments result in the formation of the localized 'P-shear' deformation crossing and connecting the initial Riedels structures (i.e. en-echelon fault structures) which formed during the genesis stage of the fault zone. Mechanical models show that at all scales, the geometrical characteristics of the Riedels exhibit dependency on the thickness of the brittle layer. Combining the results of our mechanical discrete element model with several analogue experiments using sand, clay and gypsum, we have formulated a relationship between the orientation and spacing of Riedels and the thickness of the brittle layer. From this relationship, we derive that for a pure strike-slip mode, the maximum spacing between the Riedels are close to three times the thickness. For a transtensional mode, as the extensive component becomes predominant, the spacing distance at the surface become much smaller than the thickness. Applying this relationship to several well-characterized strike-slip faults on Earth, we show that the predicted brittle thickness is consistent with the seismogenic depth. Supposing the ubiquity of this phenomenon, we extent this relationship to characterize en-echelon structures observed on Mars, in the Memnonia region located West of Tharsis. Assuming that the outer ice shells of Ganymede, Enceladus and Europa, exhibit a brittle behavior, we suggest values of the corresponding apparent brittle thicknesses.

研究动机与目标

• 建立雁列状Riedel构造几何形态与脆性地壳厚度之间的定量关系。
• 利用离散元建模及沙、黏土和石膏的类比实验验证该关系。
• 将推导出的关系应用于估算包括地球、火星及冰卫星在内的构造活跃天体的脆性层厚度。
• 评估由Riedel几何形态预测的脆性厚度与类地走滑断层地震活动深度的一致性。
• 探讨该模型在缺乏地球物理数据的系外天体上的适用性。

提出的方法

• 采用黏结颗粒离散元模型（YADE DEM）模拟黏聚-摩擦材料中的脆性破裂。
• 在不同变形模式（纯走滑至走滑拉张）下模拟渐进式断层发育。
• 追踪Riedel剪切构造的演化，测量其间距（S）与扭角（ω）相对于脆性层厚度（h）的关系。
• 采用非线性最小二乘拟合推导出公式8：S/h = f(ω)，建立间距比与扭角的关系。
• 将模型结果与已有类比实验（沙、黏土、核桃、石膏）及野外观测结果进行验证。
• 将公式8应用于地球、火星及冰卫星上观测到的Riedel构造，估算脆性地壳厚度。

实验结果

研究问题

• RQ1 雁列状Riedel构造的间距与扭角如何依赖于脆性地壳厚度？
• RQ2 能否在不同材料与变形模式下，建立Riedel几何形态与脆性层厚度之间的一致性力学关系？
• RQ3 由Riedel几何形态预测的脆性厚度是否与主要类地走滑断层的地震活动深度一致？
• RQ4 该关系能否可靠地外推至火星与冰卫星，以估算其脆性层厚度（因缺乏直接测量）？
• RQ5 所推导的厚度估算对行星地壳的力学行为与演化具有何种意义？

主要发现

• 在纯走滑条件下，Riedel构造之间的最大间距约为脆性层厚度的三倍。
• 在拉张走滑（transtensional）条件下，由于拉伸应变增加，Riedel构造的表面间距显著小于脆性层厚度。
• 模型推导的公式8在地球上成功预测了脆性地壳厚度，Greendale断层的估算结果与地震活动深度一致。
• 将该模型应用于火星的Memnonia区域，得出对于扭角22°、间距3–4 km的雁列状构造，预测的脆性层厚度为2.1–2.8 km。
• 对于木卫三，Anshar Sulcus区域的厚度估算为1.8–2.2 km，过渡区为2.1–2.8 km，与潮汐应力模型一致。
• 对于木卫四，预测的冰壳厚度为2.2–3.6 km，与机械模型结果重叠，但对古结构或厚度变化的解释构成挑战。