《Journal of Structural Geology》：Geometry, kinematics, and roughness properties of segmented normal fault zones: insights from the Monte Capo di Serre carbonate fault zone, central Italy
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多尺度分析揭示意大利蒙特卡波迪塞雷正断层带主滑移面以地震滑动为主，传递带显示扩散后震变形，断层几何形态影响浅层地震分布规律。
F. Agosta|S.M. Dastoli|C.E. Taddeo|I.B. Abdallah|M. Curzi|M. Mercuri|A. Corradetti
意大利巴西利卡塔大学基础与应用科学系
摘要
位于意大利中部的蒙特卡波迪塞雷（Monte Capo di Serre）正断层带是一个长约8公里、错移量达110米的活跃构造，它使中生代-第三纪的碳酸盐岩和更新世的斜坡碎屑发生位移。该断层带大致呈NW-SE方向延伸，倾角为SW方向，并在地表沿走向方向连续暴露出约400米的长度，形成了四个相互重叠的段落，其中包含多个主要滑动面，这些滑动面的走向主要位于N130-160E方向，属于典型的纯倾滑型伸展构造。在断层的过渡段中，单个擦痕面的产状取决于其上覆岩层的几何形态：右旋过渡段的擦痕面走向为NNW-SSE至N-S，而左旋过渡段的擦痕面走向为ESE-WNW至E-W。通过应力反演分析，在前者过渡段中观察到沿垂直轴方向约40°的顺时针应力旋转，而在后者过渡段中则观察到σ2-σ3应力的变化。表面粗糙度的光谱分析表明，主要滑动面的形态较为平滑（均方根粗糙度Rq约为1毫米），而过渡段的表面粗糙度较高（Rq介于2.6至6.2毫米之间）。结合现场采集的断层岩样品的微观结构分析结果，我们推断主要滑动面主要负责地震滑移作用（这一结论通过截断的碎屑和多层超糜棱岩得到了证实）。相反，过渡段则主要经历了扩散性的地震后变形及余震相关的断裂作用（表现为碳酸盐岩和斜坡碎屑的广泛角砾化现象）。将这些发现应用于伸展构造环境中，本研究的结果有助于更好地理解断层几何形态对浅层地壳地震活动时空分布的影响。
引言
断层面通常沿着滑动方向呈延长状排列（Twiss和Moore，1992），从而在自然滑动面上形成粗糙的表面特征（Sagy和Brodsky，2009）。断层的粗糙度主要源于滑动岩块之间的摩擦磨损（Power等人，1987），但也受到宿主岩石岩性及断层生长过程中的地质因素的影响（Renard和Candela，2017）。沿自然断层，表面粗糙度表现出明显的尺度依赖性（Power等人，1987）；在露头尺度上观察到的形态往往与微观尺度上的情况不一致（Candela和Brodsky，2016），这表明存在尺度相关的物理过程。多尺度依赖性还表现为沿滑动方向和垂直于滑动方向的尺度变化特性不同（Power等人，1987；Thompson和Brown，1991）。
在过去二十年里，对这种多尺度和自仿射粗糙度的定量研究得到了显著进展。借助数字技术，人们通过结合3D摄影测量、激光雷达调查、白光干涉测量和剖面测量等方法对自然断层面进行了详细分析（Candela等人，2009；Corradetti等人，2017）。研究结果表明，断层面粗糙度范围从毫米级到数十米级不等（Renard等人，2013），且沿滑动方向的粗糙度通常比垂直于滑动方向的粗糙度更平滑（Arroyo Ortega和Pec，2023及参考文献）。人工断层面的实验研究也证实了粗糙度特性依赖于滑动速度、岩石内在属性以及变形发生的环境条件（Brodsky等人，2020及参考文献），同时还发现了岩石摩擦强度随埋藏深度和三轴应力条件的变化（Goebel等人，2023）。
尽管人们对断层面形态的兴趣日益增加，但沿正断层带的过渡段的粗糙度特性仍缺乏系统研究。过渡段作为相邻断层段相互作用的关键区域，负责适应差异性位移，并逐渐发展为完全连接的状态（Jager和Cook，1976；Peacock和Sanderson，1991；Crider和Pollard，1998；Soliva和Benedicto，2004；Mercuri等人，2020）。由于粗糙度直接影响摩擦强度、应力分布以及任何断层上的破裂传播方式，本研究综合多种方法评估了意大利中部阿佩尼诺山脉蒙特卡波迪塞雷正断层带沿走向方向的断层面粗糙度变化。得益于该地区的优质露头，我们重点研究了主要滑动面和过渡段的形态，以更深入地理解浅层地壳中分段断层的力学行为。
中部阿佩尼诺山脉以活跃的断层系统为特征，例如那些在意大利中部最强烈地震中发生破裂的断层（Civico等人，2018；Villani等人，2018）。2009年拉奎拉地震（Mw=6.3）和2016-2017年意大利中部地震序列中的阿马特里切地震（Mw=6.0）以及后续地震事件（Brodzzetti等人，2019）造成了广泛的破坏和地表断层现象（Civico等人，2018；Villani等人，2018）。在2009年拉奎拉地震震中以东约30公里处，位于下沉的阿佩尼诺山脉东缘的蒙特卡波迪塞雷断层带至少自第四纪以来一直处于活跃状态（Galadini和Galli，2000）。该断层带切割了拉齐奥-阿布鲁佐平台的浅水沉积的中新生代碳酸盐岩（Vezzani等人，1998），并在地表沿走向方向连续暴露出约400米的长度。
首先，我们展示了结合野外调查和数字结构分析的结果，以及对从主要滑动面和过渡段采集的断层岩进行微观结构分析后的结果。目的是详细记录暴露出的正断层带的几何形态、运动学特征和内部结构。随后，我们量化了断层面形态的Hurst指数和预因子（Hurst，1951；Anis和Lloyd，1976），并计算了主要滑动面和过渡段的均方根粗糙度Rq（Power和Tullis，1991；Beeler，2023）。通过这些结果，我们探讨了断层生长机制对断层摩擦沿走向方向变化的影响，进而分析了这种影响如何影响伸展构造环境下浅层地震活动的时空分布（Buttinelli等人，2018；Chiarabba等人，2020；Roberts等人，2025）。
地质背景
研究区域位于意大利中部阿佩尼诺山脉的东缘褶皱-逆冲带，该带自晚渐新世以来由于欧亚板块与非洲板块的汇聚作用而形成（Schettino和Turco，2011）。该带由向东至东北方向延伸的逆冲层组成，这些逆冲层切割了原本沉积在新特提斯海的碳酸盐岩和硅质碎屑岩（Cosentino等人，2010），同时还包含了陆源沉积物
野外与数字结构分析
我们使用Google Earth?图像作为底图，以1:4,000的比例尺制作了结构图。在野外，我们使用Wilkie地质罗盘收集了擦痕面、裂缝、擦痕带和擦痕纤维的产状数据。随后利用Stereonet?和FaultKin?软件通过Bingham计算方法确定了最佳拟合平面、最佳拟合矢量和主要应变轴（Allmendinger等人，2012；Cardozo和Allmendinger，2013）。
其他结构分析...
结果
数据按照所采用的方法和分析尺度进行呈现。研究内容从大尺度分析（第4.1节）、露头尺度分析（第4.2节）和微观结构分析（第4.3节）逐步展开，最终落实到记录断层粗糙度特性的部分（第4.4节）。平面产状采用右手规则表示，而线状产状则用趋势/倾角或俯仰角来描述（Twiss和Moore，1992）。
讨论
首先，我们评估了蒙特卡波迪塞雷正断层带的几何形态和运动学特征，然后进行了应变张量计算。接着，我们讨论了断层面粗糙度分析的结果，以量化主要滑动面和过渡段的尺度特性及理论均方根粗糙度指数Rq（Hurst，1951；Anis和Lloyd，1976）。最后，结合微观结构分析的结果，我们探讨了这些发现对地震构造学的意义，以揭示过渡段在地震活动中的作用
本研究整合了多尺度结构分析的结果和野外擦痕面粗糙度量化数据，以评估意大利蒙特卡波迪塞雷正断层带沿走向方向的摩擦强度变化。该断层带由多个断层段组成，其中包含多个滑动面，这些滑动面切割了下侏罗纪的碳酸盐岩和更新世的斜坡碎屑。野外观察结果表明，该断层带存在系统性的几何和运动学特征
CRediT作者贡献声明
Amerigo Corradetti：撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法论研究、概念构建。Manuel Curzi：撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法论研究、调查。Marco Mercuri：撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法论研究、调查。Ian Bala Abdallah：数据可视化、方法论研究、调查。Carmela Emanuela Taddeo：数据可视化、方法论研究、调查。Stefania Dastoli：数据可视化、方法论研究
未引用的参考文献
Buttinelli等人，2019；Childs等人，1996；Ferrill等人，2014；Jaeger和Cook，1976；James和Robson，2012；Thiele等人；Twiss和Moore，1992；Villani和Open EMERGEO团队，2018。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
