中源地震活动性及其成因机制探讨

全球中源地震广泛分布于环太平洋地震带和地中海—喜马拉雅地震带,位于后者中段的兴都库什—帕米尔地震带是世界少有的位于大陆内部的中源地震聚集区.我国中源地震主要分布在东海—中国台湾岛—东沙群岛,以及新疆维吾尔自治区喀什—和田—阿克苏地区.2019年全球中源地震总频次较低,但M 7及以上强震数目略高于十年来平均水平.对于大洋俯冲带中源地震的成因,20世纪60年代以来,国内外学者进行了大量理论计算和实验研究工作,提出的主流观点包括:脱水脆化机制、热剪切失稳机制和黏滑机制.理论计算与地球物理观测、高温高压实验与野外证据等研究结果表明,俯冲带矿物脱水可以解释双地震带的成因,热剪切失稳和黏滑机制可以解释中源地震的反复性.事实上单独一种成因机制并不能完美解释中源地震的成因,可能不同区域的俯冲带地震由不同的成因机制占主导,其他机制也参与其中.     

西北太平洋俯冲带及其深震活动

俯冲带是理解地球内部物质循环和能量交换、大陆岩石圈演化、地震和火山活动及矿产资源分布等的重要环节.本文聚焦于西北太平洋俯冲带,通过汇集多种地震观测研究结果,清晰地揭示了由日本海沟至中国东北的俯冲板片整体活动图像,即整个西北太平洋俯冲板片的主压应力轴一致地稳定在俯冲方向上,俯冲板片上深浅部的显著地震活动存在密切的关联性;俯冲板片深处的亚稳态橄榄岩楔形区及其周边是深源地震多发区,深源地震可能是由亚稳态橄榄岩楔形区内的相变断层开始破裂的;在410～660 km深的地幔过渡带内处观测到的俯冲板片上下界面,揭示了俯冲板片的层状组分结构和板块下侧的高含水量.为更好地约束日本海下方的俯冲板片结构和深入探讨西太平洋的俯冲动力作用,有待于在全球罕有的大陆深部不断发生深震的西北太平洋俯冲区,开展海陆联合的地球物理探测及岩石高温高压实验和地球动力学模拟等研究.     

中国东北的深源地震波形匹配检测及定位

中国东北珲春周边地区位于环太平洋地震带上,也是中国唯一存在的深源地震带.较大地震发生后常会有若干震级较小的余震发生,但在相同的地震震级情况下深源地震的余震一般比浅源地震的余震数量要少1~3个数量级,且在全球不同深震区的深震余震数量也存在显著差异.针对国际地震中心（ISC）2010年7月至2014年12月目录中给出的中国东北附近27次震源深度超过300 km的深源地震,我们首先利用区域固定地震台及NECsaids流动地震台阵的连续波形数据,选取已知地震事件作为模板,采用Match&Locate及Matched Filter方法进行波形互相关叠加分析来检测微小深震事件;然后对1966至2017年ISC目录中的东北地区深源地震进行双差重定位以提高震源位置的准确性,进一步分析深震活动与俯冲板片的关系.研究结果显示除ISC目录中给出的深震事件,我们未能检测出作为模板的深源地震的前震或余震活动,证明东北深源地震余震活动较少并不是由于台站分布有限而造成的漏检结果;重定位后震源延伸的角度与西太平洋板片在410~660 km地幔转换带内的俯冲角度较为一致,并且大部分深震震源位置位于俯冲板片中的亚稳态橄榄岩楔形区内部.结合双差定位结果、b值分析及前人研究成果,我们认为东北深源地震应不属于与俯冲非直接相关的"孤立地震",而是与西太平洋板块俯冲直接相关.     

西北太平洋俯冲带日本本州至中国东北段应力场反演

本研究基于Global CMT提供的1196个1976年11月—2017年1月MW4.6地震矩心矩张量解,对西北太平洋俯冲带日本本州至中国东北段的应力场进行反演计算,得到了从浅表到深部俯冲带应力状态的完整分布.结果显示:俯冲带浅表陆壳一侧应力场呈现水平挤压、垂向拉伸状态,洋壳一侧的应力状态则相反,即近水平拉张、近垂向压缩.沿着俯冲板片向下,应力主轴逐渐向俯冲板片轮廓靠拢,其中位于双地震层(120km深度附近)之上的部分,主张应力轴沿俯冲板片轮廓展布而又比其更为陡倾;双地震层内的应力模式同典型I型双层地震带内的应力模式一致,即上层沿俯冲板片轮廓压缩、下层沿俯冲板片轮廓拉伸;双地震层之下,应力模式逐步转变为主压应力轴平行于俯冲板片轮廓.通观所研究的整个俯冲系统,水平面内主压和主张应力轴基本保持了与西北太平洋板片俯冲方向上的一致性,同经典俯冲板片的应力导管模型所预言的俯冲带应力模式相符;而主张应力轴在俯冲板片表面之下的中源地震深度范围内转向海沟走向,或许同研究区域横跨日本海沟与千岛海沟结合带,改变的浅部海沟形态致使完整俯冲板片下部产生横向变形有关.     

亚稳态橄榄石相变与深源地震研究进展

由于岩石圈俯冲板块内部温度低, 在400km左右的深度橄榄石不发生相变, 低压相的橄榄石便以亚稳态的形式进入更深的深度。 高温高压实验研究表明, 亚稳态橄榄石相变机制以相变形成的超塑性透镜状尖晶石反裂纹破裂为深源地震的触发机制, 能很好的解释深源地震的特征。 亚稳态橄榄石在俯冲带中存在的范围,是制约亚稳态相变机制的重要因素。 然而亚稳态橄榄石在俯冲带存在的范围尚存争议, 不同模型给出结果相差较大, 文中给出一些解决这个问题的建议。     

深部俯冲板片三维构造重建及其几何学、运动学研究——以汤加—克马德克地区俯冲板片为例

西南太平洋板块与澳大利亚板块之间的汤加—克马德克俯冲带,是研究地球动力学最重要的区域之一.本文研究根据MIT-P08地震数据,结合板块构造边界、地震活动分布、海岸地形数据等,基于GOCAD软件平台建立三维地震层析成像,对西南太平洋板块的汤加—克马德克俯冲板片进行三维解释.地震层析成像显示汤加—斐济地区地幔至少存在三个"高速"异常体.早期汤加—克马德克俯冲板片穿过地幔转换带,并进入下地幔,最大深度达1600 km.三维构造模型揭示了汤加—克马德克板片在深度600~800 km处存在断折形变,该俯冲板片去褶皱恢复后,测量其俯冲的最大位移达2600 km.汤加—克马德克板片开始快速俯冲的时间至少在30 Ma之前,平均移动速率约为68~104 mm /a.俯冲板片三维构造重建和恢复,可以有效揭示俯冲板片几何学、运动学,为研究深源地震成因、地球深部变化过程和动力学机制提供约束.     

东北日本地震波速度、VP/VS和各向异性结构:对俯冲带水迁移过程的探讨

本文利用区域地震初至波到时数据,通过地震层析成像研究获得了东北日本俯冲带上地幔（深至约150 km）的P波速度（V_P）、S波速度（V_S）、V_P/V_S和P波各向异性结构.结果表明,低速及高V_P/V_S比异常体主要分布在火山下方的下地壳和地幔楔中,其与低频地震的分布吻合,该区域与俯冲板块脱水所释放的流体及其导致的部分熔融密切相关;俯冲的太平洋板块内可能由于脱水脆化导致的双层地震带区域则没有表现出整体的高V_P/V_S值,其可能与俯冲板块内部含水矿物含量有关;俯冲板块内双重地震带区域及上覆地幔楔薄层主要表现为与海沟平行的方位各向异性和正的径向各向异性,其可能是由于含水矿物的脱水使橄榄石晶格结构发生了从A型到B型的变化所引起的.我们研究表明,结合地震波速度和各向异性结构能够加深对俯冲带内水运移过程的认识.     

超深源地震的性质

地震观测资料表明,深源地震基本上都发生在大平洋地震带的岛弧地区,其深度不超过700公里。深源地震的震源分布在从深海沟向岛弧下面俯冲的(即俯冲带的)较狭窄的(约100公里)冷岩石圈板块内。在过渡区至下地幔的界面上(深度670—700公里)地震活动性急剧降低或者甚至停止。对这一事实的传统的地球物理学解释与下列假说有关。这一假说是:或者由于化学势垒的缘故(例如,在下地幔物质的总成分中二氧化硅的含量增多),或者由于在约700公里深     

西北太平洋地区的一些深震震源的研究

利用波形拟合方法和剪切破裂源模型，研究了发生于西北太平洋地区的mb5.5，h＞400 km的13个深震，并得到其震源参数:震源深度，地震断层面，滑错角，破裂扩展速度，破裂长度，破裂扩展方向角及地震矩．发现这些深震均可用剪切破裂源表示，且具有简单的震源时间函数，大多数深震的断层面走向与俯冲带走向一致，特别是在俯冲带深部，有使俯冲带倾角变小的趋势，利用分布点源模型可以使波形拟合结果更好，但由分布点源得不到与单侧剪切破裂源相一致的总体性的破裂传播方向．      

板块俯冲中水分运移过程及其地球物理含义

流体/水分在地球演化过程中具有重要作用,它的存在可以提高地质体的扩散及蠕变,降低岩石/地幔的固液相限,对地质体的地球物理性质、地质灾害诱发、地质构造演化等都有着重要的作用.在板块俯冲区,流体/水分的影响贯穿了整个动力学过程,但板块深部脱水还存在着争议,且目前系统地研究水分在整个俯冲中的迁移过程及其地球物理意义的工作还较少.本次研究以我国东北地区为例,借助于地球动力学数值模拟,利用二维岩石化学-热-力学耦合的数值计算程序,建立西太平洋板块向欧亚大陆岩石圈俯冲的数值模拟模型,模拟了板块俯冲整个连续动力学过程中流体/水分的迁移过程.模拟与分析结果表明,板块俯冲过程中水分的迁移过程可分为三个阶段:洋壳水化、板块浅(中)部脱水、板块深部脱水.进一步揭示了洋壳水化过程中水分渗流通道形成、水分渗流以及板块及地幔物质水化反应的机制;解释了板块浅(中)部脱水过程对火山岛弧、弧后盆地及低速异常带形成的作用,以及对~410 km不连续带的影响;模型演化过程中观察到的板块深部脱水现象说明了存在板块深部脱水的可能性,而且板块深部脱水可以较好地解释部分内陆火山以及部分地区地幔柱(岩浆羽)和深源地震的成因.研究展示了板块俯冲过程中水分运移的地球物理意义.     

日本东北地区双震带高精度重定位研究

日本所在的西太平洋地区是世界上中深源地震发生最为频繁的地区. 早期研究已表明, 日本东北地区下方的中深源地震呈双层分布. 为进一步分析该双震带的空间分布特征, 本文通过方法测试证明了采用球坐标系下的三维射线追踪法改进后的双差定位法进行地震重定位的精确性和有效性, 对使用该方法进行重定位前、 后各方向上的误差进行了分析, 并确定了最佳的定位参数. 在此基础上, 对日本东北地区的中深源地震进行了高精度重定位, 并对重定位得到的震源位置进行了空间拟合, 其结果表明地震呈明显的双层分布, 且与西太平洋俯冲板块几近平行. 本文研究结果对揭示双震带中地震的发震机理以及俯冲板块内的精细结构均具有重要意义.      

马尼拉俯冲带缺失中深源地震成因初探

马尼拉俯冲带是整个南海地震活动多发区,地震成因与南海的形成和构造演化关系密切.对马尼拉俯冲带地震数据和层析成像结果进行了深入分析.结果表明:马尼拉俯冲带的地震活动主要为密集的浅源地震,缺失中深源地震.进一步分析揭示:①脱水和榴辉岩的形成在南海洋壳到达软流圈前就基本停止.马尼拉俯冲带南部在较浅的深度就转变为塑性变形,并停...     

缅甸山弧地区Benioff带的形态及其应力状态

研究了缅甸山弧附近的中源地震分布,发现h>70km的地震主要分布在20°N-27°N之间,形成明显的条带分布,24°N以南走向近南北,24°N以北走向逐渐接近NE;通过垂直剖面的研究,发现缅甸山弧下的Benioff带形态是变化的,在南北两端倾角较小,且较为平直,延伸深度浅,小于100km;在地震带的中间部分,Benioff带的倾角逐渐加大,且倾角随深度加深而增大,延伸深度可达180km。在一些剖面上出现双地震层,一般出现在45-100km的深度范围内,两层间的距离从10-25km不等;在同一剖面上,两层间在浅部间距大,在深部间距小。研究了沉降带上的应力状态,发现沉降带上P轴的优势方向位于NE-SW,T轴分布较分散;P、T轴随深度没有明显变化;在上地震层中,T轴明显接近于Benioff带的倾向;通过地壳内及沉降带上地震机制解的对比,发现前者的优势方向相对于后者逆时针旋转了一定角度。     

对日本俯冲带与IBM俯冲带俯冲特征的地球物理研究:来自重力与震源分布数据的启示

日本俯冲带与IBM俯冲带位于太平洋板块、菲律宾海板块和欧亚板块三者的交汇地带,是典型的"俯冲工厂"地区,具有重要的研究意义.本文利用震源分布资料与卫星重力数据对日本俯冲带与IBM俯冲带进行了研究.通过空间重力异常反映了俯冲带地区的区域构造形态,在此基础上基于艾利模式计算了均衡异常以反映地壳均衡特征.利用震源分布资料,分别从垂直俯冲带走向与沿俯冲带走向划定了横截剖面(cross-sections)进行了地震提取,讨论了俯冲带地区的Wadati-Benioff带形态特征,并借助于俯冲带地震等深线图直观描述了俯冲带的俯冲形态.在日本俯冲带与伊豆—小笠原俯冲带各选取了一条典型剖面进行了重力2.5D反演,研究了俯冲带地区的壳幔结构特征.研究结果表明,九州—帕劳海脊与IBM岛弧在均衡异常上存在差异,前者已逐渐趋向于地壳均衡.IBM的Wadati-Benioff带存在明显的南北差异,反映出伊豆—小笠原俯冲板片停留在了660km转换带中,而马里亚纳俯冲板片很可能垂直穿过了这一转换带,造成这种南北差异的原因与板块相对运动、岩石圈黏性和年龄差异以及俯冲板片的重力效应等因素有关.在IBM的中部和南部存在板片撕裂现象.日本俯冲带的俯冲洋壳密度随俯冲深度变化较小,洋幔存在一定程度的蛇纹岩化,地幔楔蛇纹岩化作用不典型,海沟处有一范围较小的含水畸变带;伊豆—小笠原俯冲带俯冲洋壳密度随深度增大而明显增大,洋幔蛇纹岩化程度较日本俯冲带低,地幔楔蛇纹岩化作用强烈,板块交汇处存在明显的蛇纹岩底辟.日本俯冲带与IBM俯冲带一线自北向南板片俯冲变陡,两侧板块耦合度降低,与俯冲带两侧的板块运动速率差异有关.     

The transport of water in subduction zones

The transport of water from subducting crust into the mantle is mainly dictated by the stability of hydrous minerals in subduction zones. The thermal structure of subduction zones is a key to dehydration of the subducting crust at different depths. Oceanic subduction zones show a large variation in the geotherm, but seismicity and arc volcanism are only prominent in cold subduction zones where geothermal gradients are low. In contrast, continental subduction zones have low geothermal gradients, resulting in metamorphism in cold subduction zones and the absence of arc volcanism during subduction. In very cold subduction zone where the geothermal gradient is very low(?5?C/km), lawsonite may carry water into great depths of ?300 km. In the hot subduction zone where the geothermal gradient is high(25?C/km), the subducting crust dehydrates significantly at shallow depths and may partially melt at depths of 80 km to form felsic melts, into which water is highly dissolved. In this case, only a minor amount of water can be transported into great depths. A number of intermediate modes are present between these two end-member dehydration modes, making subduction-zone dehydration various. Low-T/low-P hydrous minerals are not stable in warm subduction zones with increasing subduction depths and thus break down at forearc depths of ?60–80 km to release large amounts of water. In contrast, the low-T/low-P hydrous minerals are replaced by low-T/high-P hydrous minerals in cold subduction zones with increasing subduction depths, allowing the water to be transported to subarc depths of 80–160 km. In either case, dehydration reactions not only trigger seismicity in the subducting crust but also cause hydration of the mantle wedge. Nevertheless, there are still minor amounts of water to be transported by ultrahigh-pressure hydrous minerals and nominally anhydrous minerals into the deeper mantle. The mantle wedge overlying the subducting slab does not partially melt upon water influx for volcanic arc magmatism, but it is hydrated at first with the lowest temperature at the slab-mantle interface, several hundreds of degree lower than the wet solidus of hydrated peridotites. The hydrated peridotites may undergo partial melting upon heating at a later time. Therefore, the water flux from the subducting crust into the overlying mantle wedge does not trigger the volcanic arc magmatism immediately.     

西北太平洋和汤加俯冲地区深震特殊聚簇的特性及成因探究

对比研究了具有不同热参数、不同俯冲形态的西北太平洋俯冲地区和汤加俯冲地区的深震特殊聚簇的地震学特性和成因.利用单键群方法探测到两个特殊的深震聚簇G1N和G1T.聚簇G1N位于地震空区下方,具有极低的b值（~0.54）,完全不同于具有高b值（~1.04）的汤加俯冲地区聚簇G1T.通过对聚簇地区板块形态、地震主应力轴、地震深度分布特征的分析,以及和汤加典型的板片折曲处地震活动性的对比,我们认为深震聚簇G1N附近的板块表现出板片折曲的特征,板块俯冲到地幔过渡带底部受到下地幔的黏性阻力,板片局部向上凸起发生折曲,产生局部的拉张应力,叠加在俯冲造成的压缩构造背景上,应力状态发生改变,从而影响该深震聚簇的地震活动性.汤加地区G1T聚簇深震的成因则完全不同,没有体现出板片折曲、应力变化的特征;相反,这些深震发生在较冷的Vitiza-Fiji俯冲板块上,该板块在5~8 Ma年前先行俯冲到G1T区域并与Tonga板块发生拆离,G1T聚簇深震就发生在这些温度依然很低、滞留于~500 km深度处的高速板片残留体上.     

New advances of seismic tomography and its applications to subduction zones and earthquake fault zones: A review

Abstract There have been significant advances in the theory and applications of seismic tomography in the last decade. These include the refinements in the model parameterization, 3-D ray tracing, inversion algorithm, resolution and error analyses, joint use of local, regional and teleseismic data, and the addition of converted and reflected waves in the tomographic inversion. Applications of the new generation tomographic methods to subduction zones have resulted in unprecedentedly clear images of the subducting oceanic lithosphere and magma chambers in the mantle wedge beneath active arc volcanoes, indicating that geodynamic systems associated with the arc magmatism and back-arc spreading are related to deep processes, such as the convective circulation in the mantle wedge and deep dehydration reactions in the subducting slab. High-resolution tomographic imagings of earthquake fault zones in Japan and California show that rupture nucleation and earthquake generating processes are closely related to the heterogeneities of crustal materials and inelastic processes in the fault zones, such as the migration of fluids. Evidence also shows that arc magmatism and slab dehydration may also contribute to the generation of large crustal earthquakes in subduction regions.     

Subduction zone seismicity and the thermo-mechanical evolution of downgoing lithosphere

In this paper we discuss characteristic features of subduction zone seismicity at depths between about 100 km and 700 km, with emphasis on the role of temperature and rheology in controlling the deformation of, and the seismic energy release in downgoing lithosphere. This is done in two steps. After a brief review of earlier developments, we first show that the depth distribution of hypocentres at depths between 100 km and 700 km in subducted lithosphere can be explained by a model in which seismic activity is confined to those parts of the slab which have temperatures below a depth-dependent critical valueT _cr.Second, the variation of seismic energy release (frequency of events, magnitude) with depth is addressed by inferring a rheological evolution from the slab's thermal evolution and by combining this with models for the system of forces acting on the subducting lithosphere. It is found that considerable stress concentration occurs in a reheating slab in the depth range of 400 to 650–700 km: the slab weakens, but the stress level strongly increases. On the basis of this stress concentration a model is formulated for earthquake generation within subducting slabs. The model predicts a maximum depth of seismic activity in the depth range of 635 to 760 km and, for deep earthquake zones, a relative maximum in seismic energy release near the maximum depth of earthquakes. From our modelling it follows that, whereas such a maximum is indeed likely to develop in deep earthquake zones, zones with a maximum depth around 300 km (such as the Aleutians) are expected to exhibit a smooth decay in seismic energy release with depth. This is in excellent agreement with observational data. In conclusion, the incoroporation of both depth-dependent forces and depth-dependent rheology provides new insight into the generation of intermediate and deep earthquakes and into the variation of seismic activity with depth.Our results imply that no barrier to slab penetration at a depth of 650–700 km is required to explain the maximum depth of seismic activity and the pattern of seismic energy release in deep earthquake zones.     

Downward migration of seismic activity prior to some great shallow earthquakes in Japanese subduction zones—a possible intermediateterm precursor

Before the 1944 Tonankai earthquake along the Nankai Trough, seismic activity increased in the shallow depths, and then the activity gradually migrated downwards. When it reached its limit (a depth of approximatelty 70 km), the main shock occurred. Several deep earthquakes, including one ofM5.3, occurred several months prior to the Tonankai earthquake. A similar downward migration pattern also can be recognized regarding the 1952 Tokachi-oki earthquake. In this case the deepest earthquakes reached about 400 km. This may be one of the intermediate-term precursory phenomena of great thrusttype earthquakes in subduction zones. Recent observations in the Tokai district along the Suruga Trough, where a large earthquake is expected to occur in the future, suggest a similar downward migration pattern in the land area.