印度板块与欧亚板块在兴都库什-帕米尔地区相互俯冲的动力作用分析

兴都库什-帕米尔地区是印度板块与欧亚板块相互碰撞的强烈变形区域,也是中国大陆与周边板块动力传递的关键部位,明确该地区两大板块俯冲接触的几何形态和动力作用对研究区域动力环境具有实际意义.本文首先基于Hayes等在2009和2010年提出的Slab1.0的研究思路,利用地震参数准定量地给出两大板块在兴都库什-帕米尔地区碰撞接触的几何形态.结果表明,印度板块在兴都库什地区呈现自南往北的俯冲;欧亚板块在帕米尔地区呈现由北往南的俯冲;同时在兴都库什和帕米尔之间存在俯冲交汇区,在该区印度板块以北西方向、欧亚板块以南东方向相互俯冲.其次基于哈佛大学提供的震源机制解,对不同接触部位进行了应力张量反演,结果显示在兴都库什俯冲区域主要表现为逆冲性质,帕米尔弧西段主要表现为走滑性质,且均具有较好的一致性;而在俯冲交汇区域,走滑、逆冲性质并存,表现为震源机制一致性紊乱.结合两大板块接触的几何形态和区域应力场反演结果,认为印度板块在兴都库什地区主动往北俯冲,而欧亚板块在帕米尔地区被动往南东-南向俯冲,形成两大板块的相互俯冲.本文从几何形态和应力场反演分析两大板块在兴都库什-帕米尔地区碰撞的动力作用方式,可为该区域地球动力学相关研究提供基础资料.     

帕米尔-兴都库什地区的板块俯冲特征

本文利用美国国家地震信息中心（NEIC）提供的1973～2006年地震目录,哈佛大学提供的1978-2005年地震机制解资料,研究了帕米尔-兴都库什地区印度板块与欧亚板块的碰撞形态,分析了印度板块向北俯冲对地震活动及其区域应力场的影响。地震震源三维图象显示：欧亚板块与印度板块在帕米尔＂结＂附近碰撞强烈,地震活动明显增强,震源剖面显示＂V＂字型分布形态;在帕米尔＂结＂东侧,随着印度板块俯冲动力减弱,地震活动也明显减弱,印度板块向北俯冲的剖面形态逐渐消失,欧亚板块向东南俯冲的剖面形态越加清晰;印度板块向北俯冲具有由浅向深、由南向北反复迁移的特征,可能反映印度板块向北俯冲→断离、再俯冲→再断离的过程。由于印度板块与欧亚板块间的强烈碰撞挤压作用,帕米尔-兴都库什地区处于以近南北向的挤压构造应力状态,逆断层数量约占70%,正断层数量约占11%,走滑断层数量约占19%。P轴优势方位显示帕米尔-兴都库什地区主压应力近南北向,倾角近水平,呈现由南向北倾斜;T轴倾角较大,近垂直,整体接近俯冲带的倾向。帕米尔-兴都库什地区应力场特征表明,印度板块向北的主动推挤,是形成这一区域应力场的主动力,向南倾的欧亚板块处于一种被动的被挤压状态。     

帕米尔兴都库什地区板块俯冲及其应力状态

利用美国国家地震信息中心(NEIC)提供的1973;2006年地震目录、哈佛大学提供的1978;2005年地震机制解资料,精细地研究了帕米尔;兴都库什地区印度板块与欧亚板块的碰撞形态,分析了地震震源机制特征。研究结果认为:欧亚板块以约50;的倾角向南俯冲,地震最大深度为364km;印度板块以层间插入的方式与欧亚板块碰撞,在帕米尔;结附近碰撞强烈,地震活动明显增强,震源剖面显示字型分布形态;在帕米尔;结;两侧,随着印度板块俯冲动力减弱,地震活动也明显减弱,地震震源剖面显示,印度板块向北俯冲的剖面形态逐渐消失,欧亚板块向SE俯冲的剖面形态越加清晰,从地震震源剖面分布形态分析,印度板块没有穿过欧亚板块,印度板块向北的反复、多期的叠瓦式地震分布形态,可能反映印度板块向北俯冲;断离、再俯冲;再断离的过程。由于印度板块与欧亚板块间的强烈碰撞挤压作用,帕米尔;兴都库什地区处于以近SN向的挤压构造应力状态,逆断层数量约占70%,正断层数量约占11%,走滑断层数量约占19%。P轴优势方位显示帕米尔;兴都库什地区主压应力近SN向,倾角近水平,呈现由南向北倾斜;T轴倾角近垂直,整体接近俯冲带的倾向。帕米尔;兴都库什地区应力     

利用小震震源机制解反演濮阳地区应力场

利用双差定位法测得河南濮阳地区的地震的平均深度为8.4km,由于油田地震的深度一般在6km以内,推测该区的地震多为构造地震,油田地震只占这里地震的一小部分。利用GEPHART的方法对该区域的42个震源机制进行应力张量反演,反演出的结果显示有走滑断层的特征,最大压应力轴σ1为32°、倾伏角为3°;中等压应力轴σ2为292°、倾伏角为71°;最小压应力轴σ3为124°、倾伏角为19°;应力比R为0.6,取σ1的方向为该区的应力场方向。     

帕米尔—兴都库什深俯冲残留体对410km间断面起伏形态的影响

受俯冲残留体影响的410km间断面起伏形态的研究对于确定地球内部物质构成及地球动力学过程具有重要作用.帕米尔—兴都库什俯冲区域拥有全球少有的中、深源地震,为研究410km间断面起伏提供了良好的资源.利用日本Hi-net地震台网和美国TA台阵记录的帕米尔—兴都库什俯冲区域的6个震源深度为154.0~220.9km、震级为Mb5.6~6.4的中、深源地震的短周期/宽频带波形资料,经过4次根倾斜叠加处理,获得了36组Hi-net子台网和TA记录资料的倾斜叠加灰度图,从中提取了与410km间断面相关的次生转换震相SdP,发现受俯冲残留体影响下的410km间断面的深度位于372~398km.较之持续俯冲的西太平洋地区海洋岩石圈,研究区域俯冲滞留体对于410km间断面的相变线的影响要小得多.     

应用综合震源机制解法对辽宁及邻区现今构造应力场的初步分析

根据辽宁测震台网最近10年记录到的6 245次天然地震,28 698个P波初动极性数据,在考虑不同震中距数据权重的同时给出辽宁及相邻地区0.25°×0.25°的精细构造应力场,并结合构造背景对反演结果进行分析。总体来看,反演得到的主压应力轴方位以NE、NEE向为主,倾伏角较小;主张应力轴方位以NW、NNW向为主,局部有近NS向分布,倾伏角近乎水平。该结果与之前学者的研究比较相近。大多数网格点的主张应力轴倾伏角小于主压应力轴倾伏角,表明辽宁及邻区处在拉张的应力状态。经分析,这与太平洋板块对亚欧板块NWW向的俯冲并导致上地幔软流圈上隆有关。此外,所得结果亦很好的呈现出在构造分区交界处局部构造应力场的相对复杂及不均匀性;综合震源机制解节面走向与研究区内主要断裂走向一致。     

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。     

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.     

帕米尔地区地震活动及震源机制解的分布特征

帕米尔地区存在一个明显的ＮＥ－ＳＷ向中，深源地震带，中，深源地震震源机制分布具有明显的区域特征，兴都库什地区震源断错以倾滑逆断层为主，Ｔ轴仰角几乎垂直，帕米尔弧形构造东侧分布的地震以走滑性质为主，Ｐ轴仰角接近水平，当深度为１００～２００ｋｍ时在弧形构造南侧形成了一个明显的北东向的正断层分布。中，深源地震主压应力方向随深度增加由ＮＷ向逐渐变为ＮＥ向，主压应力Ｐ轴仰角平缓。     

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.     

帕米尔－兴都库什地区中源地震的空间分布和震源机制解特征

利用国际地震中心（ISC）提供的1964至2003年的高精度地震资料，给出了帕米尔－兴都库什地区中源地震带更完整、更明确的几何形态.兴都库什中源地震带（H带）和帕米尔中源地震带（P带）的倾向和最大深度沿走向有变化，可以进一步划分为HW段（H带西段）、HE段（H带东段）、PSW段（P带西南段）、PM段（P带中段）和PNE段（P带东北段）.H带在170～190 km 深度附近存在地震空区，其下方地震带的倾角明显大于上方，接近垂直.同时，空区下方的地震带沿东西方向成连续的倒“V"字形，两个分支的交角接近垂直.西段分支属于HW段，较浅，没有双层结构；东段分支属于HE段，较深，有双层结构.中源地震的震源机制解规律明显.兴都库什地区主要以近垂直的T轴和近水平的垂直于地震带走向的P轴为特征.帕米尔地区的震源机制解由西南到东北逐渐由P轴近水平并沿地震带走向，转变为B轴近水平并沿走向，直至T轴近水平并沿走向.同时，P轴方向由西向东逐渐转为恒定地与地震带的走向相垂直.最后，我们讨论了这一地区地震活动可能的动力学成因.     

马尼拉俯冲带的地震层析成像研究

基于国际地震中心的P波走时数据和层析成像反演方法,获得了具有较高分辨率的马尼拉俯冲带的深部速度模型.结果表明,（1）高速的南海俯冲板片沿马尼拉俯冲带的俯冲形态随纬度发生变化,在14°N和16°N之间,板片俯冲角度较大,俯冲深度可达400~500 km,在17°N附近,俯冲板片角度和深度较南部变小,而在18°N附近,俯冲板片以近垂直角度俯冲到地幔转换带;（2）17°N和18°N之间俯冲角度的变化意味着南海板片发生了撕裂;（3）在14°N附近,南海板片由300 km以上的近垂直俯冲转为200~300 km深度的近水平展布,与震源分布存在较大的差异,表明南海板片发生了撕裂,并且导致410 km间断面抬升.根据成像结果计算的不同位置南海板片的俯冲长度和时间表明,南海板片俯冲之前的面积为现今面积的两倍,14°N最先开始发生俯冲,并由南向北扩展.     

宽频带海底地震仪的地震重定位对马尼拉俯冲板片形态的约束

将宽频带OBS用于海底天然地震长期观测,在国内尚处于实验阶段.2015年在马尼拉俯冲带北段开展了为期6个月的宽频带海底天然地震观测试验.根据回收的1台海底地震仪(OBS04)与国际地震台网的718台陆地地震台站,共记录到7562个P波走时和5002个S波走时数据,利用Hyposat地震定位方法,对马尼拉俯冲带北部(119°E—123°E,19°N—22°N)在2015年8月至2016年2月期间的264个地震进行了重定位.地震重定位的结果及定位误差分析表明,在海域布设的OBS04台站让地震观测的空间分布更为合理,提高了地震定位精度;重定位后的震中分布更为集中,与地质构造吻合良好;浅部的地震活动较为活跃,分布密集,与浅部断层发育有关;重定位后的4条震源深度投影剖面,从不同角度较好地约束了俯冲板片上边界的板片形态,板片倾角在浅部0～30km区间约为10°～22°,随着深度的增加,俯冲板片逐渐变陡,在深度120～180km处倾角约为41°～58°.该项研究为马尼拉俯冲带北段的板片形态提供了重要约束,而且为今后长期天然地震观测提供了重要而宝贵的经验与借鉴.     

兴都库什及邻近区域空间应力场特征及其构造意义

兴都库什及邻近区域地处印度洋板块和欧亚板块碰撞带的西缘,是大陆内部中源地震最为活跃的区域,各种数据均显示出该区域有着十分特殊的现象.本文从地质构造、地震分布特征、震源机制解、应力场等方面进行初步分析.结果表明,不同的深度应力场方向表现各不相同,不同的区域震源机制特征各异,尤其是正断层性质地震在北东向表现出了线性展布.通过构造模拟认为该区域可能是在地壳的碰撞、推挤、俯冲作用下出现的褶皱,由于地层倒转嵌入,从而形成了多层位地震密集现象.同时在推挤、拖曳的过程中形成了一条深度约100 km以下的北东向的拉张性破裂.     

2015年智利MW8.3地震震源区构造应力场分析

自GCMT目录收集2015年9月16日智利M_W8.3地震震中周围深度在70 km以上的震源机制解, 应用MSATSI软件反演了该地震震中周围的应力场.反演结果显示, 主压应力轴方向的整体一致性较好, 张轴的非均匀性明显, 即大致以31.5°S为界, 南部处于EW向和NS向的双轴压缩状态, 以WE向挤压为主, 兼有NS向挤压, 拉张轴近乎垂直;北部压轴方位仍为近EW向, 但张轴方位旋转至近NS向.      

Elevation of the olivine-spinel transition in subducted lithosphere: Seismic evidence

The top of the olivine-spinel phase change in subducted oceanic lithosphere can be located by the travel times of seismic waves which have propagated through the slab. P-wave travel-time residuals from deep earthquakes in the Tonga island are observed at Australian seismic stations are grouped according to the depth of the earthquake. The change in mean residual with a change in earthquake depth is related to the velocity contrast between slab and normal mantle at that depth. The curve mean residual versus earthquake depth displays a region of markedly increased slope between earthquake depths of about 250 and 350 km. The most probable explanation of this observation is an elevation by 100 km of the olivine-spinel phase change within the relatively cooler slab. No evidence was found for vertical displacements within the slab of any deeper phase changes.A temperature contrast between slab and normal mantle of about 1,000°C at 250 km depth is implied. This finding confirms current thermal models for subducted lithosphere but is inconsistent with the global intraplate stress field unless only a few percent of the negative buoyancy force at subduction zones is transmitted to the surface plates.     

Slab weakening: Mechanical and thermal-mechanical consequences for slab detachment

Abstract Slab detachment is a geophysical instability whose manifestation can be revealed by seismic tomography. Evidence of this phenomenon is in the Dinarides/Hellenic and the New Hebrides subduction zones. Subducted slabs in these regions are torn horizontally at depths ranging from 100 to 300 km. We constructed a viscoelastic three-dimensional finite element model and investigated the state of stress. We found that an area with high stress concentration of the order of several hundred MPa is formed near the tip of the tear inside the slab, which can cause lateral migration of the tear. Favorable conditions for slab detachment are characterized by large interplate frictional force at a subduction zone and small slab resistance force deeper down. Stress concentration increases with the down-dip tension inside the slab. The phenomenon of slab weakening has also been studied from a thermal-mechanical standpoint, using a two-dimensional convection model with non-Newtonian, temperature-dependent rheology. The stress-dependent rheology plays an important role in causing local weakening of the descending slab. In strongly time-dependent situations the fast descending slab is not strong everywhere but has a weak region in the middle, making it vulnerable to slab detachment. The presence of viscous heating will enhance slab detachment tendency by further weakening the interior by the frictional heating. Besides these effects, there are other mechanisms which can also weaken the slab interior and help to make slabs more pliable and susceptible to detachment.