压缩结构在塌陷破火山口形成中的作用：来自模拟模型的见解

火山口塌陷与褶皱-冲断层带（FTB）的相互作用机制研究。通过两种类比实验情景（塌陷后FTB形成、FTB先于塌陷），揭示区域压缩对塌陷结构的影响：FTB形成后塌陷可抑制环形断层发育，导致火山口垂向拉伸；而塌陷后FTB可能活化合适方位的环形断层。对比安第斯山脉及日本中岳火山口实例，验证实验结果普适性，提出压缩环境下火山口结构演化新模型。

　　

马蒂亚斯·A·维拉罗埃尔（Matías A. Villarroel）|约翰·布朗宁（John Browning）|帕梅拉·P·哈拉（Pamela P. Jara）|克莱尔·E·哈内特（Claire E. Harnett）|埃奥根·P·霍洛汉（Eoghan P. Holohan）|卡洛斯·J·马夸特（Carlos J. Marquardt）|马蒂亚斯·古兹曼（Matías Guzman）|杰雷米亚斯·利克曼（Jeremias Likerman）

都柏林大学学院（University College Dublin）地球科学学院，爱尔兰都柏林

摘要

在压缩构造环境中，破火山口火山系统表现出复杂的变形历史，这种历史受到岩浆过程和构造过程相互作用的影响。本研究通过一系列模拟实验来探讨由区域性压缩（以褶皱-逆冲带（FTB）为代表）引起的构造缩短如何与破火山口塌陷结构相互作用。测试了两种实验情景：（1）塌陷后发生区域性压缩；（2）塌陷前发生区域性压缩。结果表明，塌陷后的区域性压缩形成了椭圆形的塌陷结构，破火山口轮廓沿逆冲方向延伸。模型进一步表明，前进的逆冲断层可以在逆冲前沿局部重新激活定向合适的环状断层。相反，区域性压缩后的塌陷并未导致原有逆冲断层的显著重新激活，因为这些断层的倾角较低，不利于重新激活。此外，模型显示，与逆冲相关的岩浆储层顶部的增厚可能会抑制环状断层的定位和传播，并可能导致破火山口轮廓沿逆冲方向延伸。与安第斯山脉中部（例如Jorquera、Bellavista、Puquios和Diamante破火山口）和日本（Akaigawa破火山口）的自然破火山口的比较显示了相似的纵横比和结构趋势，这支持了实验结果对于理解破火山口形成与区域构造相互作用的重要性。

引言

破火山口是在大规模喷发期间岩浆 withdrawal 导致岩浆房顶部下沉时形成的。由此产生的封闭表面凹陷是火山地貌中的显著地质特征，其特征是复杂的断层系统。通常，环状断层负责容纳岩浆房的下沉，反映了岩浆房施加的压力与重力之间的相互作用。然而，更广泛的构造框架，特别是预先存在的地壳结构（如断层和裂缝），进一步影响了破火山口的几何形状和力学特性（例如Acocella等人，2003年；Cole等人，2005年；Maestrelli等人，2021a年；Robertson等人，2016年）。因此，理解继承的构造特征在容纳破火山口塌陷中的作用对于全面理解破火山口塌陷的几何形状和断层运动学至关重要。大多数关于区域构造对破火山口塌陷影响的研究集中在伸展或拉伸构造环境中（例如Goldstein和Stein，1988年；Gudmundsson，1988年；Acocella等人，2004年）。过去的研究中的一个观点（主要基于数值模型）认为，区域构造应力可能在最初塑造次破火山口岩浆房方面起直接作用（例如Bosworth等人，2003年），并在随后引导与塌陷相关的断层方向方面发挥作用（例如Gudmundsson，1988年；Holohan等人，2005年；Villarroel等人，2025年）。同样，多项研究进一步表明，预先存在的断层可以对破火山口的形状和几何形状（包括延伸方向）产生一级控制作用（例如Acocella等人，2003年，Acocella等人，2004年；Spinks等人，2005年；Holohan等人，2005年；Holohan等人，2008年；Gravley等人，2007年；Browning和Gudmundsson，2015a年；Robertson等人，2016年；Trippanera等人，2018年；Bonini等人，2021年；Natale等人，2024年；Maestrelli等人，2024年）。例如，在肯尼亚南部裂谷，古老的元古代结构被认为控制了破火山口的延伸方向，其长轴通常与预先存在的构造特征对齐，而不是与当前区域应力场的最大或最小水平应力轨迹对齐（Robertson等人，2016年）。这表明继承的构造特征可以塑造岩浆房的演化，从而影响破火山口的形状和方向（Acocella等人，2003年；Robertson等人，2016年）。此外，继承断层的重新激活可能导致非同心或椭圆形的破火山口形状（图1c；Maestrelli等人，2021a年，Maestrelli等人，2024年），例如在墨西哥的Los Humeros和Acoculco破火山口中观察到的情况，这些破火山口的边缘通常是分段的，而不是完美的圆形（Gardu?o-Monroy等人，2009年；Gómez-Vasconcelos等人，2020年；Maestrelli等人，2020年；Bonini等人，2021年）。 与主导构造体制相关的结构进一步影响了破火山口表面的表现和内部结构（例如Wadge等人，2016年）。浅层地壳中的活跃伸展构造可以产生薄弱区，促进裂谷带内环状断层的形成（图1d）。一个典型的例子是位于陶波火山带轴向裂谷中的陶波破火山口复合体（Taupo Caldera Complex），其中区域性东北向的伸展断层对破火山口的几何形状、下沉模式和边缘分段产生一级控制作用（Spinks等人，2005年）。此外，破火山口环状断层可能受到塌陷后区域结构的影响，这些结构会扭曲原始几何形状并重新激活破火山口结构（图1e）。这种现象在埃塞俄比亚裂谷中也有体现，其中裂谷内的正断层与破火山口结构相互作用，切割其边缘（Acocella等人，2003年；Casey等人，2006年；Maestrelli等人，2021a年）。缩比实验还表明，预先存在的破火山口结构可以影响区域断层模式，形成类似破火山口环状断层的弧形排列，可能导致这些结构被误认为是破火山口结构（Maestrelli等人，2024年）。 模拟建模提供了一个受控框架，用于探索区域结构如何引导破火山口断层的发展和几何形状。先前的模拟研究表明，继承的结构（如来自伸展构造体制的正断层）会影响破火山口的形态，通常会延长其形状并改变环状断层的方向（例如Acocella等人，2004年），这与自然实例一致（Spinks等人，2005年；Cole等人，2005年；Robertson等人，2016年）。此外，相对于岩浆房位置有利的区域定向断层可以通过重新激活并有时采用破火山口断层的运动学来促进塌陷过程中的下沉（例如Acocella等人，2004年；Holohan等人，2008年）。这些发现强调了破火山口形成是一个多方面的过程，不仅受到岩浆过程的影响，还受到周围构造环境的影响（Holohan等人，2008年；Gravley等人，2007年；Robertson等人，2016年）。 相比之下，破火山口塌陷与压缩构造环境之间的相互作用研究相对较少。以往的研究（例如Holohan等人，2005年；Sanjo和Sugai，2023年；Villarroel等人，2025年）展示了区域性压缩如何影响破火山口的发展，并强调了其在重建塌陷历史和火山灾害评估中的重要性。尽管褶皱-逆冲带（FTB）结构在火山弧演化中起着重要作用（例如Holohan等人，2005年；Acocella，2007年；Bonini等人，2021年），但它们对破火山口塌陷过程的影响尚不完全清楚。受以往知识和解决这些问题的需求的驱动，我们的研究重点关注破火山口塌陷结构与FTB内的逆冲断层系统之间的相互作用。在汇聚构造体制中常见的压缩结构（Echavarria等人，2003年；Giambiagi等人，2022年）为理解火山弧上破火山口塌陷期间的断层传播、重新激活和变形分配提供了独特的挑战和机遇，例如在安第斯火山带。破火山口相关断层在多大程度上重新配置、与压缩结构相互作用或被压缩结构覆盖，目前仍知之甚少，这代表了我们在火山-构造系统知识中的一个重要空白。解决这一空白对于推进我们对破火山口环境中结构架构的理解至关重要，这对矿物或地热勘探模型具有直接意义。 在这项研究中，我们提出了两组模拟实验，旨在探讨压缩型FTB结构与破火山口塌陷系统之间的相互作用，提供了研究压缩环境中混合型破火山口-区域断层架构及其相关结构重新配置演变的机会。在第一组模型中，我们模拟了破火山口塌陷后FTB的发展；而在第二组模型中，FTB结构在破火山口下沉之前就已经形成。我们的实验重点关注：（i）压缩结构如何影响塌陷期间和之后的断层相互作用；（ii）下沉如何改变预先存在的构造格局。通过研究这些相互作用，本研究为压缩环境中的破火山口系统结构演变提供了新的见解（反之亦然），并有助于更广泛地理解动态演化地壳中的火山-构造相互作用。

实验设置和程序

实验装置（图2a）包括一个钢制框架，用于支撑电机和驱动移动墙的蜗杆丝杠，围绕一个4厘米厚的木质底座，底座中心有一个直径14厘米的腔体，其中放置了一个充满水的气球。在木质底座和气球上通过筛分构建了一个50厘米×50厘米×4厘米的分层沙堆。交替使用浅色和深色的沙层以增强视觉对比度。选择沙子是为了模拟脆性材料...

实验结果

在这里，我们展示了两个模拟实验的结果，这两个实验在两个连续变形事件的顺序上有所不同：破火山口塌陷和FTB形成。关于我们改变区域缩短量和覆盖层厚度的实验结果可以在补充数据中找到（表S.1，图S1-S3）。我们首先描述了破火山口塌陷后FTB发展的模型（CC-FTB），然后描述了预先存在FTB的模型...

讨论

本研究中提出的模拟模型揭示了压缩构造体制与塌陷破火山口之间的相互作用。它们不仅提供了关于FTB内部结构如何影响塌陷结构的新见解，反之亦然。变形的顺序，即破火山口塌陷是在FTB形成之前还是之后，会影响最终的断层结构。

结论

我们的模拟建模结果表明，压缩型火山弧中的破火山口可以通过两种极端的时间序列获得混合结构：破火山口塌陷后紧接着缩短（CC–FTB），以及破火山口塌陷发生在预先存在的逆冲楔上（FTB–CC）。鉴于FTB的发展时间尺度远长于破火山口塌陷，顺序处理这些过程是一种故意的实验策略，可以隔离一级机械相互作用...

CRediT作者贡献声明

马蒂亚斯·A·维拉罗埃尔（Matías A. Villarroel）：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、概念化。约翰·布朗宁（John Browning）：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。帕梅拉·P·哈拉（Pamela P. Jara）：撰写——审阅与编辑、资源准备、方法论。克莱尔·E·哈内特（Claire E. Harnett）：撰写——审阅与编辑。埃奥根·P·霍洛汉（Eoghan P. Holohan）：撰写——审阅与编辑。卡洛斯·J·马夸特（Carlos J. Marquardt）：撰写——审阅与编辑。马蒂亚斯·古兹曼（Matías Guzman）：软件支持。杰雷米亚斯·利克曼（Jeremias Likerman）：撰写——审阅与编辑。

未引用的参考文献

Geyer和Marti，2008年 Lipman，1997年 Marques和Cobbold，2002年 Montanari等人，2010年 Mori和McKee，1987年 Pinel，2011年 Ramelow等人，2006年 Richard等人，2024年 Riller等人，2001年 Shreve等人，2021年 Sruoga等人，2005年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

M. Villarroel感谢国家研究与发展局（ANID）通过编号为21212157的资助。J. Browning感谢FONDECYT提供的资助（编号为11190143和1240188）。P. Jara感谢智利圣地亚哥大学DICYT常规项目（编号为092413JM）和模拟模型实验室的支持，该实验室进行了本研究中的实验（https://vriic.usach.cl/index.php/laboratorio-de-modelos-analogos/）。