全球绝大多数强震都发生在逆断层体系上，然而，导致与逆断层有关地震发生的机制一直存在争论，尽管高孔隙流体压强能够显著削弱逆冲断层，并促进大规模构造缩短已得到广泛认识（e.g. Davis et al., 1983），但高孔隙流体压强对挠曲逆断层发生的强度与深度有何影响并不清楚。
针对高孔隙流体压强在挠曲逆断层活动中的作用这一关键科学问题，我院许文良教授引领的“地球深部动力学创新团队”成员刘仲兰教授联合美国哥伦比亚大学Lamont-Doherty 地球观测站以及法国国家科学研究中心（CNRS）/巴黎高等师范学院（ENS）地质实验室研究团队开展了相关研究，取得以下主要认识：
1） 高孔隙流体压强不仅让断层“变弱”，更重要的是让逆断层变形向深部扩展
作者首先建立了解析挠曲模型,结果显示（图1），当逆断层中的孔隙流体压强接近静水压强时，挠曲中性面位于约 2.4 km 深度；当孔压升高至接近静岩压强时，中性面可加深至约 4 km。这表明，高孔压不仅可以降低逆断层强度，而且还可以增加处于压缩状态并能够发生脆性破裂的岩石圈厚度。
图1｜孔隙流体压强升高使挠曲中性面加深，从而增加参与逆断层变形的岩石圈厚度
上述结果也得到了二维地球动力学数值模拟的印证（图2）。在较低孔隙流体压强条件下，挠曲产生的压缩变形主要局限在浅部并呈弥散分布；而当压缩断层中的孔隙流体压强接近静岩压强时，变形会集中到向深部延伸的逆断层剪切带中，深度可达到约 4 km。同时，模型产生的逆断层缩短应变由约 0.036 增加至 0.073。
图2｜高孔隙流体压强使浅部弥散压缩变形转化为向深部延伸的局域化逆断层剪切带
2) 模拟与观测的定量对比揭示孔隙流体压强与静岩压强接近时是导致逆断层滑移的关键
洋中脊记录的挠曲构造缩短为检验孔隙流体压强的作用提供了直接约束。相比大陆内部复杂的构造背景，年轻洋壳的挠曲过程相对简单，地震和海底地形还可以分别约束逆断层的破裂深度和累计缩短量（e.g. Olive et al., 2024）。进一步将模型与海底地形记录的挠曲缩短应变进行定量比较发现，只有当逆断层中的孔隙流体压强接近静岩压强时，模拟结果才能达到实际观测到的缩短幅度（图 3）。
图3｜全球洋中脊观测与模型对比显示，只有近岩石静压力条件才能解释观测到的挠曲逆断层应变
3) 先存断层捕获流体促进挠曲逆冲断层地震孕育
研究揭示升高的孔隙流体压强本身可能与先存构造密切相关。洋中脊轴部形成的正断层和裂隙最初可以作为流体运移的通道；当这些断层随洋壳离轴并进入挠曲产生的压缩区后，断层逐渐压闭，原有流体可能被捕获并形成超压。高压流体随后进一步弱化这些先存断层，使挠曲产生的压缩变形优先沿原有断层发生逆向再活化。因此，先存断层的重要性可能不仅在于其本身是构造弱面，更在于其能够捕获和保存流体，从而为后期高孔隙流体压强和断层再活化创造条件。这一机制也可能适用于大陆内部挠曲地震。例如，2001 年布杰地震发生在印度板块挠曲压缩带内的中生代 Kutch 裂谷盆地，其震源区既存在先存裂谷构造，也有证据指示深部流体的存在。
上述成果以“Elevated Fluid Pressure in Compression Facilitates Flexural Reverse Faulting”为题于近日发表在学术期刊Science Advances上，刘仲兰教授为论文的第一作者和通讯作者，吉林大学为论文的唯一第一和通讯单位。该研究由国家自然科学基金优秀青年科学基金（海外），国家重点研发计划（2023YFF0803801）和欧洲研究委员会巩固基金（ERC Consolidator Grant）共同资助。
参考文献：
D. Davis, J. Suppe, F. Dahlen, Mechanics of fold-and-thrust belts and accretionary wedges. J. Geophys. Res. Solid Earth 88, 1153–1172 (1983).
J.-A. Olive, G. Ekstr.m, W. R. Buck, Z. Liu, J. Escart.n, M. Bickert, Mid-ocean ridge unfaulting revealed by magmatic intrusions. Nature 628, 782–787 (2024).
