斜俯冲板块边界变形分配的力学分析

本文研究斜俯冲板块边界由俯冲的逆掩断层和平行于火山弧的走滑断层所切割出的岩石层窄条的宏观力学状态．分析计算表明，当断层强度小而构造压应力大时，海沟处板块俯冲形成的逆掩断层地震滑动方向与斜收敛板块运动方向将不一致，震源机制反映的主压应力和断层错动方向变得近乎垂直于海沟；板块间的强耦合和大陆板块边缘软弱带的存在为窄条滑动提供了有利条件．给定俯冲倾角和震源机制滑动角的观测值，可以计算逆掩和走滑断层上的有效摩擦系数．计算结果表明，两种断层上的有效摩擦系数一般都不大于０．２，反映或存在着高孔隙水压，或存在断层泥之类弱物质，或两者兼而有之．     

汤加—克马德克俯冲带现今非均匀应力场特征及其动力学意义

汤加—克马德克俯冲带是太平洋板块向澳大利亚板块俯冲碰撞的动力作用区,是全球俯冲带动力学研究的热点区域.本研究基于EHB地震目录,对汤加—克马德克俯冲带(18.5°S—28.5°S)区域进行平面拟合,得到该范围内俯冲带走向约为196°,倾角约为48°;利用该俯冲带研究区域内Global CMT目录,对不同位置、不同深度进行区域应力张量反演,得到汤加—克马德克俯冲带研究区内精细的应力图像.结果显示:(1)俯冲带浅部(60~300km)应力结构非均匀特征明显,主应力轴倾伏角变化多样,并且最大主压应力轴方位在24°S左右发生明显偏转,我们推测这可能与洋底构造路易斯维尔海链俯冲有关;(2)中部(300~500km)最大主压、主张应力轴由北向南逐渐发生偏转,这可能与由北向南流动的地幔流对俯冲板片产生推挤作用有关,并且这种推挤作用向南逐渐减弱;(3)深部(500~700km)最大主压应力轴沿俯冲方向分布;(4)本文的结果还发现了主俯冲带深部西侧"偏移"板片与主俯冲带应力结构不同,表明"偏移"板片与主俯冲带是分离的.     

马尼拉俯冲带北段增生楔前缘构造变形和精细结构

马尼拉俯冲带是南海的东部边界,记录了南海形成演化的关键信息,同时也是地震和海啸多发区域.本文利用过马尼拉俯冲带北段的高分辨率多道地震剖面,分析了研究区内海盆和海沟的沉积特征,精细刻画了区内增生楔前缘的构造变形、结构以及岩浆活动特征.研究区内增生楔下陆坡部分由盲冲断层、构造楔和叠瓦逆冲断层构成,逆冲断层归并于一条位于下中新统的滑脱面上,滑脱面向海方向的展布明显受到增生楔之下埋藏海山和基底隆起的影响;上陆坡的反射特征则因变形强烈和岩浆作用而难以识别;岩浆活动开始于晚中新世末期并持续至第四纪.马尼拉俯冲带北段增生楔的形成时间早于16.5 Ma,并通过前展式逆冲向南海方向扩展;马尼拉俯冲带的初始形成时间可能在晚渐新世,而此时南海海盆扩张仍在持续.南海东北缘19°N-21°N区域为南海北部陆坡向海盆的延伸,高度减薄的陆壳的俯冲造成马尼拉海沟北段几何形态明显地向东凹进.     

日本海-鄂霍次克海下俯冲带的应力状态及其深部形变

通过地震分布及地震机制解所反映的日本海-鄂霍次克海俯冲带的形态及应力状态,研究了俯冲带深部形变及650km间断面的穿透问题.日本海Benioff带较直,连续性较好;鄂霍次克海Benioff带弯度稍大,220-320km深度之间地震很少.两俯冲带在浅部及深部地震密集,100-200km深度之间有双地震层.应力状态随深度变化,200km深度以下P,T轴方向相对集中,P轴接近俯冲方向,在约100-200km深度附近,P,T轴均接近俯冲方向.观测和理论地震图拟合分析表明,地震断层面走向接近俯冲带走向,断裂的结果使俯冲带在深部倾角变小.     

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．      

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.     

俯冲带库仑楔形体力学

楔形体理论研究楔形体在底部摩擦力、重力和边界外力共同作用下内部的应力状态,有助于我们定量分析断层强度和岩石性质与楔形体稳定状态之间的关系.本文首先简要介绍基于不同楔形体材料而得出的应力解析解.然后介绍基于理想弹塑性材料的俯冲带库仑楔应力解析解.最后介绍基于该解析解而提出的动态库仑楔形体理论.俯冲带地震反射剖面数据表明,...     

南美俯冲带几何特征与动力学意义

基于全球高精度EHB地震目录对南美俯冲带的地震深度分布进行统计和分层,构建南美俯冲带的三维几何模型,通过对研究区域14个剖面的划分,解算了每个剖面各深度分层的俯冲倾角和俯冲距离.结果显示,南美俯冲带地震深度分为四层,存在较为明显的三个峰值;俯冲带北部(8°S~15°S)和中南部(26°S~32°S)首先以较大的倾角俯冲至110 km的深度,然后近水平的长距离俯冲,且中南部的倾角更小,平坦俯冲距离更长.中部(16°S~26°S)和最南端(33°S~36°S)则以较大的倾角直接俯冲至深部.结合该地区火山和地震分布,洋壳年龄以及板块运动速率等资料对南美俯冲带的几何形态特征和动力学意义进行分析,研究表明:不同纬度俯冲机制的差异对地震火山等地质活动造成了显著影响,是导致地震深度分层和峰值特征的主要原因;平坦俯冲形成的主要原因与俯冲板和上覆大陆板间较高的相对运动速率有关.     

钙钛矿蠕变对俯冲带震源深度极限的约束

本文利用林伍德石、钙钛矿两种矿物在不同差应力下随温度变化的蠕变曲线,通过约束温度条件和板块俯冲引起的弹性应变率,得到了俯冲带670 km深度可能的应力范围. 结果显示,在俯冲带670 km深度基于林伍德石蠕变得到应力大小可能超过100 MPa,而相变为钙钛矿后仅为0.1~10 MPa. 通过分析认为钙钛矿的Si扩散引起的快速应变率使得670 km更深深度的俯冲带无法支持较大的应力,可能是下地幔地震终止的原因,而不需要考虑亚稳态相变导致反裂隙断层的消失或林伍德石分解后超塑性等影响.     

鄂霍次克微板块东部俯冲带区域地震b值及应力场特征

古登堡-里克特震级-频度关系式中的b值与剪切应力(或偏应力)大小被认为存在着负相关的关系,因此b值常被用作估算区域应力大小的指标.本文利用1970-2018年鄂霍次克微板块东部俯冲带区域的地震目录,使用最大似然法对该区域的b值进行空间扫描,得到了该区域沿海沟走向不同区域及不同深度的b值分布,进而调查与分析其应力状态及地球动力学特征.结果显示不同俯冲区域的b值分布具有4个共同特征:1)地壳范围内的高b值特征,表明其剪切应力较低;2)俯冲板片与上覆板块耦合强烈的区域b值较低,表明该位置剪切应力较高;3)弧前区域b值较高,表明其剪切应力较低;4)海沟东侧的太平洋板块与软流层接触的区域b值较高,表明该位置剪切应力较低.上述这些b值分布结果及其剪切应力分布,是能够与俯冲带的地球动力学结构与特征相关联的.我们也发现在水平方向上,在浅部区域(0~40km深度范围),勘察加地区的剪切应力相对于北日本地区和千岛地区更低;在更深的区域(40~80km深度范围),千岛地区弧前区域的剪切应力较低.由本文俯冲带区域力平衡估算得到的俯冲接触面上的剪应力大小能够解释鄂霍次克微板块东部俯冲带不同接触界面上的b值大小及其分布差异.本文得到的日本海沟附近区域平均b值在大地震前后的时间变化揭示了该区域震间、震前和震后的应力演化过程.     

基于震源机制解的鄂霍次克微板块东部俯冲带地区构造应力场反演

基于国际地震中心(ISC)提供的1970年1月～2016年12月期间的地震震源机制解,对鄂霍次克微板块东部俯冲带地区进行了应力张量反演,得到了日本海沟、千岛海沟和勘察加海沟3个俯冲带区域的构造应力场特征。研究结果显示:①海沟地区浅部区域(h100km)的水平主压应力轴与西北太平洋板块的俯冲方位一致,与海沟走向近似垂直,其洋壳一侧以拉张型应力状态为主,而陆壳一侧则以挤压型应力为主,且在弧后区域均存在拉张的应力状态;80～200km深度范围区域表现出双地震带"Ⅰ"型构造应力场特征。②日本海沟带由于俯冲角相对较小(相比于千岛海沟和勘察加海沟),水平方向沿NWW向延伸更远,大洋板块与上覆板块之间耦合更加强烈,逆冲型地震发生数量最多。③对于深部区域(h300km),千岛地区应力场表现出非均匀性特征,可能是由地幔阻力导致的;而勘察加地区应力场表现出拉张型,可能是因为俯冲板片的拉伸拖曳作用更强。     

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．      

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.     

喜马拉雅及南藏的地壳俯冲带——地震学证据

地质学的证据表明 ,在喜马拉雅的冲断层带MCT和MBT处有大规模的地壳缩短 ;在雅鲁藏布缝合带附近也观测到冲断层 .但是 ,迄今还不知道这些冲断层向下俯冲多深 .我们根据地震学的证据 ,认为喜马拉雅及南藏的冲断层向下延伸至 80- 1 0 0km ,然后停止 .在MCT、MBT以及雅鲁藏布缝合带下面的冲断层与喜马拉雅以及南藏的多次地壳俯冲有密切关系 .这个现象为印度-欧亚的碰撞过程设定一个十分重要的框架 .该地区的地壳俯冲有一定深度 ,由于入侵的地壳太轻 ,使俯冲不能更深 ;此时由于印度板块的继续向北推进 ,在原俯冲带后方 ,出现另一个新的地壳俯冲带 .喜马拉雅与南藏的多重地壳俯冲与该地区地质活动的多幂性相吻合 .首先 ,在雅鲁藏布缝合带产生地壳俯冲 ,在到达 80- 1 0 0km处停止 .然后 ,在雅鲁藏布以南的MCT和MBT相继产生新的地壳俯冲 .它们也在 80- 1 0 0km的深处停止 .除了喜马拉雅和雅鲁藏布向北倾斜的地震带外 ,另外还观测到一个自地表从唐古拉山向南缓慢倾斜并到达雅鲁藏布地壳底部的地震带 .它可以解释为在唐古拉山附近的地壳向北仰冲 .喜马拉雅及南藏的多重地壳...     

俯冲带大断层的强度问题

俯冲带大断层的强度是地球动力学的一个重要问题.过去20年来,学界对这一问题的认识有了根本性的改变.本文将简单介绍近期这一研究的核心科学内容、主要方法和结果.宏观估计这种断层大尺度平均强度的有效方法只有两种:一是用弧前地壳应力观测约束横向挤压力从而推算大断层强度,二是用弧前地表热流观测约束断层摩擦生热量从而推算大断层强度.目前的研究结果表明:首先,这些断层极弱,其有效摩擦系数一般在0.03左右,有些可能略大于0.1,这一结果也解释了为什么俯冲带不是造山带.其次,发生特大地震的大断层是最弱的,充分表明大地震不需要高强度断层和高应力,而需要易于破裂传播扩展的地质条件.另外,大地震发生时断层的应力降与强度相比,既不是微乎其微,也远不到百分之百.导致大断层极弱的地质原因还尚不明确.一般认为需要相当高的孔隙液压,但是断层泥中的软弱含水矿物可能也起关键作用.     

重新讨论1985年8月23日新疆乌恰M_S7.4地震地表破裂带

前人研究1985年8月23日乌恰M_S7.4地震在卡兹克阿尔特断层上破裂了15 km,本次研究确定该地震在乌恰盆地南缘断层上也破裂了24 km,最终确定本次地震总破裂长度为39 km。实测乌恰盆地南缘断层地表破裂带最大垂直位移量为1.2 m,最小垂直位移量仅0.2 m,平均垂直位移量0.55～0.64 m,这些断层陡坎只是在地表呈现轻微的隆起,肉眼通常难以识别,因此也是震后未能及时发现的重要原因。探槽开挖揭露该逆冲断层倾向南,倾角仅为20°,计算平均水平缩短位移量为1.51～1.76 m,平均倾滑位移量为1.61～1.87 m,与卡兹克阿尔特断层地表破裂带运动性质相同、断错位移量相当。在最大主压应力南北方向投影显示,两条破裂带基本不重合,即本次大地震的极震区西部的应变能量是由乌恰盆地南缘断层破裂释放,东部的应变能量则由卡兹克阿尔特断层破裂释放,隐含着乌恰盆地南缘断层和卡兹克阿尔特断层之间构造关系密切。这两条断层深部很可能归并为同一条软弱的膏盐滑脱面,均属于帕米尔俯冲带的薄皮构造。     

西太平洋Benioff带的形态及其应力状态

利用1970～1998年的地震资料,研究了西太平洋Wadati Benioff带形态,发现各区域Wadati Benioff带的倾角与板块俯冲速度有关,俯冲速度越大,倾角越小;利用1976～2002年哈佛大学的震源机制资料,对各区域地震断层类型进行了统计,结果表明：地震断层类型也与俯冲速度有关,俯冲速度大的地区逆断层数量高达74髎以上,俯冲速度小的地区正断层数量上升到45髎左右;本文还探讨了西太平洋板块水平向运移的主动力方向,认为该方向为283°.     

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.     

日本俯冲带地震发生过程的数值模拟研究

了解地震发生的动力学机制是研究地震发震原因的关键,而数值模拟的方法是高速、有效的手段.2011年3月11日日本东北部宫城县发生9.0级大地震,文中以该次大地震所在的日本俯冲带为研究对象,通过使用黏弹性有限元数值模拟,并引用接触对,建立了研究区二维数值模型,模拟俯冲带与上覆板片之间的滑动、黏滞到再滑动的过程,亦即断层失稳发生地震的过程.模拟结果显示,随着太平洋板块不断俯冲,在俯冲带上自发出现了断层闭锁、解锁到再闭锁的黏滑过程,且这种过程呈现一定的准周期性,大事件主要集中分布在20~30 km的深度范围内.根据俯冲带可能在俯冲过程中角度的变化,建立了不同的模型,进行模拟对比研究,结果表明,俯冲带的几何形态,以及俯冲角度变化所在的不同深度,对模拟的结果有不同的影响.     

海山的倾斜俯冲对上覆板块变形的影响

伴随洋壳的俯冲,驼伏其上的海山会导致上覆板块的强烈变形.为解释该构造变形特征,本文运用物理模拟实验的方法,着重分析海山的斜向俯冲对上覆板块变形的影响,并将模拟结果与正向俯冲过程进行对比.实验结果显示:海山开始进入俯冲,前缘楔体的增生会被阻止,同时楔体被抬升并出现脱顶构造,未被海山破坏的楔体会出现后冲断层的激活,后冲断层轴平行于海山的俯冲方向.海山进一步俯冲,突起项部发育一系列张扭性质的微断裂和走滑性质的共轭断裂,尾随突起之后的楔体由于重力会产生正断层系统.比起正向俯冲,斜向俯冲过程中所产生的后逆冲体、海山两侧的叠瓦状逆冲推覆构造都出现不对称分布,断裂和微断裂束的走向不规则散开,后冲断层的轴向及海山俯冲过后在楔体上产生的凹槽的轨迹都不断斜向迁移,且凹槽两侧的地势不一致等.最后利用文中的物理模拟结果,很好的解释了马尼拉海沟中段俯冲构造的构造特征,同时对其他俯冲大陆边缘的构造解释具有指导意义.