俯冲带主要含水矿物弹性波性质研究现状及展望

俯冲带中的含水矿物对物质循环和水迁移等有着极其重要的作用,同时也是俯冲带中的地震波速异常的主要原因．本文总结了近20年来,国内外对俯冲带三种主要含水硅酸盐矿物（蛇纹石、绿泥石和角闪石）弹性波速研究取得的重要成果：含水矿物普遍具有低波速、高各向异性的特点;压力增加波速增加,但波速各向异性降低．富含水矿物的岩石,波速各向异性随着含水矿物含量的增加而增大,同时受到含水矿物晶格择优取向（LPO）类型以及岩体中裂隙的影响．含水矿物LPO引起的地震波速各向异性特征与俯冲的角度有关,在低角度的俯冲带中会引起垂直于海沟方向的快速传播,而在高角度的俯冲带中引起平行于海沟方向的快速传播．文章最后针对目前俯冲带中含水矿物弹性波速研究中存在的问题,提出了未来需要在三个方面加强研究．     

硅酸盐熔体状态方程的理论模型和实验测定方法

硅酸盐熔体是地球和其他类地行星内部非常活跃的、物质和能量迁移的重要载体.测定硅酸盐熔体的状态方程,获得其摩尔体积(或密度)与温度、压强和成分之间精确的定量关系,对于模拟岩浆的产生、运移、喷发过程和地球及其他类地行星形成早期岩浆海阶段的演化过程,计算和模拟硅酸盐熔体参与的相平衡,以及揭示硅酸盐熔体的微观结构随压强的变化都至关重要.但由于硅酸盐岩石的液相线温度较高,而且熔体容易与样品仓物质发生反应而改变熔体成分,以及熔体易于流动,在高温高压实验中容易发生泄漏等一系列问题,在高温高压条件下原位测量其体积性质一直是实验的难题,目前积累的硅酸盐熔体高压密度数据仍然十分有限.近年来,相关高温高压实验技术得到了快速发展,不仅可达到的温度和压强范围扩大,测定结果的精确度提高,而且出现了新的原位测量方法.文章系统总结了目前广泛使用的硅酸盐熔体的常压和高压状态方程理论模型,并举例介绍了本领域内一些亟待解决的问题:(1)含铁和钛硅酸盐熔体的常压状态方程仍需要进一步完善;(2)含挥发组分硅酸盐熔体中的H_2O和CO_2组分的偏摩尔性质可能随熔体成分发生明显变化,其高压状态方程仍有待于进一步研究;(3)各种高压状态方程的形式和适用范围如何对应熔体结构和压缩机制的变化需要进一步研究.之后重点介绍了硅酸盐熔体状态方程的各种测定方法的基本原理和应用范围,对比了双球阿基米德法、熔融曲线分析、冲击压缩、沉浮法、落球法、X射线吸收、X射线衍射和超声干涉法的优缺点.本领域研究未来的发展趋势一方面是发展高温高压原位测量熔体密度或声速的实验技术,积累更多实验数据,另一方面是结合硅酸盐熔体微观结构和压缩机制方面的研究,改进熔体状态方程的理论模型.     

俯冲带的应力方向和俯冲带大型逆断层的强度

正世界上大部分最大地震是由俯冲带大型逆断层引发的。虽然这些断层的物理性质难以直接观察,但其摩擦强度却可以由作用在其上的应力方向间接估算。有关全球俯冲带应力方向的研究发现,最大主压应力轴趋向于海沟方向倾伏,并且较为一致地与俯冲带大型逆断层面呈45°~60°的夹角。这些角度表明,大型逆断层与其周围物质相比,并没     

地幔及俯冲带的热结构

本文综述了近年来地幔及俯冲带热结构方面的研究成果。热边界层以外的地幔温度近似于绝热压缩的温度分布。相变对上地幔温度有贡献,670km间断面的性质决定了两种不同的温度模式。采用准动力学方案近似解俯冲带热结构,参数的选择及生热率的不同估计会强烈影响俯冲带的热结构。本文对此作了比较,并指出了存在的问题。     

论硅酸盐晶体结构中配位多面体的功能性替代

硅酸盐的比较晶体化学研究表明,在某些含钛（锆）的硅酸盐的晶体结构中,有Ti—O（Zr-O）八面体和四方单锥对Si-O四面体的功能性替代现象存在.因此它们可以称为钛硅酸盐和锆硅酸盐.比较方石英与钙钛矿、长石与石榴石的晶体结构,情况类似,也表明存在四面体SiO4（AlO4）被八面体SiO6（AlO6）功能性替代的现象.作为一个新概念,提出了配位多面体功能性替代以利对比有关的晶体结构.     

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600 km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.

     

九、俯冲带和弧后盆地

九、俯冲带和弧后盆地关于俯冲带和弧后盆地的研究，在本届ＩＡＳＰＥＩ大会上共交流了５２篇研究论文，论述的地区主要是环太平洋带。从阿留申群岛和阿拉斯加，向东包括从北到南的整个美洲大陆；向西则为堪察加、日本、台湾、印度尼西亚以及澳大利亚、新西兰等国家和地区...     

含水硅酸盐熔体和富水流体电导率实验研究及其意义

大地电磁测深与电导率测量相结合已经成为探索地球内部状态的有效手段.含水硅酸盐熔体和富水流体的电导率显著高于硅酸盐矿物,而且对成分和温压条件十分敏感,可以用于认识深部的部分熔融和流体活动.本文系统总结了含水硅酸盐熔体和富水流体电导率的实验研究现状,并介绍了相关研究结果的若干重要应用.硅酸盐熔体电导率随温度上升而增大,随压强升高而减小.在Na~+含量相当的前提下,钙碱性系列熔体电导率从玄武质到流纹质呈上升趋势,其活化焓呈下降趋势.水的加入令熔体电导率显著增大,其主要原因在于增强了阳离子的活动性.流体电导率研究主要集中在稀电解质溶液.溶液电导率随温度上升先增大后减小,随压强升高一般先增大,超过一定压强后基本保持不变.从电导率数据可以得到电解质的电离常数.为建立广泛适用的熔/流体电导率随温度、压强和成分变化的定量模型,还需要在实验方法创新的基础上,对更多具有代表性的体系开展大范围温压条件下的电导率实验研究.     

俯冲带几何特征的研究

在板块的汇聚边界上 ,若一板块向另一板块俯冲下插 ,所形成的俯冲边界 (海沟 ,造山带 )的形态与俯冲板块、被俯冲板块的性质有很大关系。文中主要通过平板俯冲模型来计算模拟全球范围内一些大的俯冲边界 ,并对俯冲角等问题作了一些讨论。近来的研究表明 ,岩石圈板块存在普遍的西向漂移。由文中计算得到的太平洋东岸的板块初始俯冲角小于目前观测到的贝尼奥夫带倾角 ;而太平洋西岸的情况则恰好相反 ,初始俯冲角大于目前观测到的贝尼奥夫带倾角。这直接反映了岩石圈板块的西向漂移 ;对地幔而言 ,则是地幔相对于地壳的东向流动     

俯冲带地震的震级极限

最大地震震级(m_x)是地震危险性和风险分析中的一个关键参数。然而,最近发生的一些大地震表明,大多数现有的估算m_x的方法都存在不足。此外,m_x本身定义也不明确,因为它的意义在很大程度上取决于其使用范围,如果只使用现有的数据而不把它与时间间隔相结合,通常不能将其推断出来。在本研究中,用研究时段内的可能最大地震震级m_p(T)取代m_x。m_p(T)不仅包含震级极限的信息也包含极端事件发生率。使用锥形古登堡—里克特(TGR)分布为环太平洋俯冲带估计了m_p(T)。对两个锥形古登堡—里克特参数,即β值和角震级(mc)的估计是通过最大似然法与构造矩率约束得出的。需要较小地震的发生率来补充锥形古登堡—里克特分布。采用整个地球模型,即m≥5地震发生率的全球高分辨率估计,来估计这些发生率。通过蒙特卡罗模拟计算m_p(T)的不确定性。我们的研究结果表明,多数环太平洋俯冲带可以在250年的时间间隔生成m≥8.5的地震,在500年的时间间隔生成m≥8.8的地震,在10 000年的时间间隔生成m≥9.0的地震。利用基于浊积岩研究的10 000年古地震记录为卡斯凯迪亚俯冲带补充了有限的仪器记录地震数据。我们的结果显示,该地区500年周期预计有m≥8.8地震;1 000年周期预计有m≥9.0地震;超过10 000年的周期预计有m≥9.3地震。     

俯冲带流变性质的研究

对不同俯冲速度下俯冲带的热结构和相结构进行了耦合计算, 并结合矿物流变的理论和实验结果给出了不同俯冲速度下俯冲带的流变结构. 浅部俯冲带上表层有1034 Pa·s以上的高粘度值, 而俯冲带下表层的粘度则较小, 但也大于1026 Pa·s; 在橄榄石-尖晶石动力学相变界面以下的深度, 俯冲带的粘度有明显的减小, 最低可达约1022 Pa·s; 在700 km附近尖晶石相-钙钛矿相变界面以上的小区域内有一个粘度明显高于周围区域的高粘度区, 其存在是因为尖晶石相-钙钛矿的相变是一个吸热过程; 尖晶石相占1%到99%的等值线之间的距离有从浅部的约1 km到最底部的约5 km的变化, 初步估计这是高粘度的俯冲带深部的一个低粘度区, 其存在将影响俯冲带的动力学性质.     

日本海俯冲带的热结构及热源的影响

在对温度场计算所需的初始条件、边界条件、热源条件和介质热参数进行讨论和计算的基础上,利用二维热传导问题的有限单元法,计算了日本海俯冲带热结构的演化.发现400℃等温线在板块俯冲7Ma后趋于稳定,最大深度约60km;800℃等温线在板块俯冲11Ma后趋于稳定,最大深度约280km;1200℃等温线在板块俯冲50Ma后趋于稳定,最大深度约530km.通过计算不同热源组合情况下日本海俯冲带的热结构,讨论了热源的因素对俯冲带热结构的影响.结果表明,剪切生热和脱水热只对俯冲带浅部热结构有很大影响,绝热压缩生热对热结构的影响范围最大,而橄榄石→尖晶石相变生热是400km深度以下热结构的控制性热源因素.     

日本海俯冲带的热结构及热源的影响

在对温度场计算所需的初始条件、边界条件、热源条件和介质热参数进行讨论和计算的基础上,利用二维热传导问题的有限单元法,计算了日本海俯冲带热结构的演化.发现400℃等温线在板块俯冲7Ma后趋于稳定,最大深度约60km;800℃等温线在板块俯冲11Ma后趋于稳定,最大深度约280km;1200℃等温线在板块俯冲50Ma后趋于稳定,最大深度约530km.通过计算不同热源组合情况下日本海俯冲带的热结构,讨论了热源的因素对俯冲带热结构的影响.结果表明,剪切生热和脱水热只对俯冲带浅部热结构有很大影响,绝热压缩生热对热结构的影响范围最大,而橄榄石→尖晶石相变生热是400km深度以下热结构的控制性热源因素.     

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.