日本海沟俯冲带热结构与深源地震

本文利用有限差分方法,计算了全地幔对流模式和双层地幔对流模式下日本海沟俯冲带热结构、浮力及P波速度异常分布,基于亚稳态橄榄石相变模型推测亚稳态橄榄石的存在范围,同时分析了热传导系数、热膨胀系数和热源对俯冲带热结构的影响,以及俯冲带所受浮力与俯冲带形态的关系.结果表明,双层地幔对流模式下模拟的P波速度异常分布与层析成像结果更为相符,也与深源地震的分布有较好的相关性.板块内部亚稳态橄榄石的存在范围随热传导系数和热膨胀系数的减小而增大,同时忽略相变潜热和剪切生热的影响也会造成模型所预测的亚稳态橄榄石范围偏大.俯冲带所受负浮力在400 km深度附近达到最大值,亚稳态橄榄石的存在使负浮力逐渐减小,甚至在板块内部产生正浮力,不利于俯冲带穿透660 km相变界面.     

俯冲带深部应力场的二维粘弹性有限元数值模拟

基于粘弹性平面应变有限元数值模拟方法，研究了俯冲带深部的应力场特征．当根据Karato等的研究结果给出俯冲板块的粘度结构时，橄榄石——尖晶石相变界面以下中心低粘区两侧出现应力集中区，而且其主压应力方向沿俯冲方向走向．其特征与已有的深源地震主压应力方向沿俯冲方向及深源地震有两个条带的地震观测结果相吻合．相变过渡区因矿物更小的颗粒粒度而导致的更小的等效粘度对俯冲带深部应力场的影响不大；存在和不存在亚稳态橄榄石楔的情况下，橄榄石——尖晶石相变过渡区附近都有最大剪应力的最大值出现，而其主压应力方向有垂直于橄榄石——尖晶石相变过渡区走向的趋势，尚与地震观测资料不符．      

俯冲带深部应力场的二维弹性有限元数值模拟

基于一些简化的数值模型，根据弹性本构关系，用平面应变有限元方法计算了相变引起的体积变化、板块内部温度差、密度异常及边界力产生的应力场分布情况．数值模拟结果显示，热应力能够解释俯冲带深源地震的应力场方向特征，但解释不了深源地震的深度分布特征；有亚稳态橄榄石存在时密度异常所产生的应力场特征与地震观测结果所显示的应力场特征有所偏离；虽然橄榄石——尖晶石相变体积变化所产生的应力在橄榄石——尖晶石相变过渡区附近有最大值，其数值远远超过温度差和密度异常产生的应力场的最大剪应力数值，但在相变界面附近的区域，主压应力方向垂直于相变界面的方向，与地震观测结果所显示的主压应力的方向不一致．所以，不能用弹性模拟得出的俯冲带温度变化所产生的热应力、俯冲带密度变化所产生的应力、相变体积变化所产生的应力来对深源地震进行简单化的解释．      

亚稳态橄榄石对俯冲带负浮力的影响及其动力学意义

利用有限元方法,计算了不同俯冲速度及热传导系数俯冲岩石层的负浮力.在h-lt;400km和h-gt;740km的深度范围,低温高密俯冲带的负浮力随深度单调增加.因为尖晶石相到后尖晶石相的相变有负的克兰帕龙斜率,俯冲带冷的物质在660km间断面以下不到100km的深度范围内仍以低密度的低压物质相存在.所以在该深度范围,俯冲带受到了周围地幔阻止其插入下地幔的浮力作用.在400km-lt;h-lt;660km深度范围,由于受橄榄石相变的影响,不同计算模型负浮力随深度的变化有明显的不同.对于可能的相变动力学模型,亚稳态橄榄石的存在使负浮力随深度的增加值减小.其作用是不利于俯冲带直接穿透660km间断面,并引起该深度范围俯冲带沿俯冲方向压应力分布的变化.     

俯冲带波速结构的数值模拟

数值模拟结果显示，俯冲带在大部分深度都存在高速异常，并在400km左右和550km左右的深度存在高速异常的极大值，这和地震层析成像得到的波速结构相一致.说明虽然层析成像方法的分辨率较低，但它能给出俯冲板块上P波速度随深度变化的基本特征.俯冲带既有正的波速异常，也有负的波速异常，幅度约在-10%-%之间，这在区域台网的资料中可以得到反映.俯冲带在约700km深度存在低速异常，亚稳态橄榄石的存在也使俯冲带出现沿俯冲方向的倾斜低速区.地震层析成像结果没有类似的波速结构，可能是其分辨率较低所致.要研究俯冲带的细结构，应基于高精度的区域台网的资料.     

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.     

两相矿物蠕变:探讨俯冲带深源地震机制

本文利用数值模拟方法研究了橄榄石-单斜辉石、瓦兹利石-单斜辉石、林伍德石-石榴石三种两相矿物模型在俯冲带温度应力条件下的蠕变,分析了剪切应力在俯冲带两相矿物模型中的发展,结果显示矿物蠕变差异在俯冲带剪切应力发展过程中起到了重要作用.尤其是林伍德石的快速蠕变率及其与石榴石的蠕变差极大地加速了俯冲带剪切应力的发展过程,可能是600km深度附近地震数量急剧增多的重要原因.我们的结果可以从一个新的角度理解俯冲带深源地震机制.     

环太平洋俯冲带内双地震带及其成因机制研究进展

俯冲带作为地球最为庞大的循环系统的重要组成部分,已成为地球科学的研究热点之一.很多俯冲带,特别是环太平洋俯冲带内的中深源地震,在空间上呈明显的分层分布,并且各层地震具有不同的震源机制,即所谓的双地震带现象.本文简要介绍了环太平洋双地震带形态特征与震源机制的空间分布,并回顾了双地震带的几种成因模型.根据形态特征和震源机制的差异,中源深度的双地震带可以分为两类,其中,一类双地震带对应上、下二层分别为压缩和张性的地震分布;另一类双地震带的震源分布较浅,且其浅部地震以横向压缩为主.此外,日本本州东北俯冲带的地震分布可能是由三层地震带组成的,而且汤加、伊豆-小笠原地区还发现深源深度的双地震带.通过对双地震带的形态特征以及其热力学条件的研究,人们从抗弯作用、脱水脆化、相变断层等多方面,尝试建立解释双地震带成因的模型.目前,大多数研究利用数值计算结果,结合蛇纹石脱水脆化、相变断层模型,能够不同程度地分别解释中源和深源双地震带成因.不过,这些模型几乎相互独立,并不能同时解释中源和深源双地震带.有人试图尝试用统一模型解释中深源地震成因,例如,先前存在的断层模型,不过该模型还不很具有说服力.也可能是多种因素的联合作用,共同影响着俯冲板内的温度场、应力场分布.     

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.     

全球俯冲带形态特征研究

利用CNSS编辑的深源地震目录，对全球深度500km以上的俯冲板块形态进行研究，给出了俯冲带的俯冲参数，以及菲律宾和班达弧俯冲带的三维形态。     

镁橄榄石相变长大率与水含量的关系及亚稳态橄榄石的存在深度

通过分析镁橄榄石相变长大率方程的指前系数和亥姆霍兹活化能在不同含水条件下的实验拟合值,本文研究了橄榄石相变长大率与水含量的关系.结果表明含水量较高的镁橄榄石在相变过程中对应较低的亥姆霍兹活化能,而长大率方程中的指前系数几乎是一个与含水量无关的常数.这个常数的数值在晶界控制长大的晶体相变动力学经典理论中相应于晶界是一层或...     

对橄榄石相变形核率的估算

地幔主要矿物橄榄石［(Mg089Fe011)2SiO4］的相变与深源地震的解释以及俯冲带和周围地幔的相互作用相关. 其中，形核率和长大率是刻画其相变动力学的两个重要参数. 因为实验技术的原因，目前人们还没有基于实验数据给出橄榄石的形核率. 本文首先通过对挤碰物理图像的分析，对边界形核情形的相变动力学理论中表征挤碰程度的无量纲参数进行了修正. 在此基础上，根据已有的实验资料，首次对橄榄石相变的形核率进行了估计. 通过对形核率数据的拟合，可以得到形核率参数K0和γ1/3. 得到两个形核率参数的变化范围分别为K0=55×1021～87×1027s-1·m-2·K-1，γ1/3=0～020 J·m-2，最佳拟合值为：K0=69×1024s-1·m-2·K-1，γ1/3=016 J·m-2.     

Hugoniot equation of state of olivine and its geodynamic implications

Large olivine samples were hot-pressed synthesized for shock wave experiments. The shock wave experiments were carried out at pressure range between 11 and 42 GPa. Shock data on olivine sample yielded a linear relationship between shock wave velocity D and particle velocity u described by D=3.56(?0.13)+2.57(?0.12)u. The shock temperature is determined by an energy relationship which is approximately 790°C at pressure 28 GPa. Due to low temperature and short experimental duration, we suggest that no phase change occurred in our sample below 30 GPa and olivine persisted well beyond its equilibrium boundary in metastable phase. The densities of metastable olivine are in agreement with the results of static compression. At the depth shallower than 410 km, the densities of metastable olivine are higher than those of the PREM model, facilitating cold slab to sink into the mantle transition zone. However, in entire mantle transition zone, the shock densities are lower than those of the PREM model, hampering cold slab to flow across the "660 km" phase boundary.     

2-D elastic FEM simulation on stress state in the deep part of a subducted slab

Introduction Geoscientists concern the explanation of deep focus earthquakes greatly. As a great progress in understanding the formation of deep focus earthquakes, Sung and Burns (1976a, b) proposed that olivine could exist in transition zone in metastable form in the core of some cold subducting slabs, which have got supports from laboratory studies (Rubie, Ross, 1994). Iidaka and Suetsugu (1992) used the seismic data recorded by the dense seismograph networks in Japan to study the travelti…     

Stresses along the metastable wedge of olivine in a subducting slab: possible explanation for the Tonga double seismic layer

A numerical calculation of the stresses associated with changes in volume during phase transitions of olivine in a descending slab results in a double layer of high shear stress along the metastable olivine wedge in the depth range 350-460 km. Stress in the upper layer is in-plane tensional and stress in the lower layer is down-dip compressional. The modeled stress field agrees with observations of stress in the Tonga double seismic zone. High shear stress also exists in the slab at depths below the metastable wedge. This stress distribution involves down-dip compression and trench-parallel tension, which agrees with about half of the focal mechanisms in the Tonga slab at depths of 460-690 km. The model supports the idea that at least two possible stress release mechanisms for deep earthquakes may act in the Tonga subducting slab. One, transformational faulting, is restricted to the metastable wedge while the other one acts below the metastable wedge.     

Experimental investigation of phase transformations of olivine and enstatite at the lower part of the mantle transition zone: Implications for structure of the 660 km seismic discontinuity

High-pressure polymorphs of olivine and enstatite are major constituent minerals in the mantle transition zone(MTZ).The phase transformations of olivine and enstatite at pressure and temperature conditions corresponding to the lower part of the MTZ are import for understanding the nature of the 660 km seismic discontinuity.In this study,we determine phase transformations of olivine(MgSi2O4) and enstatite(MgSiO3) systematiclly at pressures between 21.3 and 24.4 GPa and at a constant temperature of 1600℃.The most profound discrepancy between olivine and enstatite phase transformation is the occurency of perovskite.In the olivine system,the post-spinel transformation occures at 23.8 GPa,corresponding to a depth of 660 km.In contrast,perovskite appears at 23 GPa(640 km) in the enstatite system.The ~1 GPa gap could explain the uplifting and/or splitting of the 660 km seismic discountinuity under eastern China.     

基于三重震相波形非线性反演的俯冲带410-km间断面起伏研究

利用NECESSArray宽频带地震台阵记录的P波三重震相波形资料,采用遗传算法,对千岛俯冲板块内部及附近410-km间断面的结构进行了非线性反演.其中,选取了发生在俯冲带的发震时刻为2009年10月10日21时24分(GMT时间)震级为Mw5.9的地震;其三重震相的射线回折点处射线路径的方向与俯冲板块的走向大致一致,...