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.     

帕米尔—兴都库什地区构造应力场反演及拆离板片应力形因子特征研究

从Global CMT目录搜集了1976年1月至2016年6月之间的震源深度大于70km的255个震源机制解,用阻尼应力反演方法,分70～160km和170～310km两个深度,计算了帕米尔—兴都库什地区的构造应力场;同时以10km为间隔计算了兴都库什地区深度介于70～310km之间的应力形因子.得到以下初步结论:兴都库什板片向下俯冲和帕米尔地区断裂带的横向拉张,可能是导致应力场不同的原因.兴都库什俯冲带与帕米尔俯冲带碰撞,导致交汇地区(37°N—37.5°N)的应力场参数突变.兴都库什俯冲板片受到深部温度、压力等因素,出现薄弱面进而形成拆离板片.其脱离了主俯冲板片的束缚后,重力的上下拉张作用导致空区附近张轴倾伏角接近90°,拆离板片俯冲至上地幔不连续面,导致板片部分熔融进而应力形因子随着深度变小.而拆离板片受到地幔挤压其内部发生破碎,其压应力轴由西部的NS到东部NW-SE方向偏转及纵向张应力轴倾伏角变小.     

2008年新疆乌恰6.8级地震序列震源特征及帕米尔东北缘应力场研究

本文使用新疆区域数字地震台站记录的宽频带长周期数字波形资料,在时间域反演了2008年10月5日新疆乌恰6.8级地震的强余震及其周围先后发生的52次中等强度地震的矩张量解,结合Harvard大学在该区域的地震矩张量结果,研究了帕米尔东北缘的应力场分区特征.研究结果显示,位于印度板块向欧亚板块推挤的前缘及向北凸出的弧型构造的最北缘的卡兹克阿尔特弧形活动褶皱-逆断裂带,以逆冲推覆活动为主,并有部分走滑类型的地震,基本不存在正断层类型的地震;该弧型构造近东西走向的顶部(文中的西区)与其北西走向的东侧(文中的东区)的局部应力场最大主压应力方向不同,分别为NW、NNE方向,显示出在承受印度板块向欧亚板块俯冲作用的同时,东区也更多的受到了塔里木块体顺时针旋转作用的影响.位于帕米尔陆内俯冲和变形作用强烈、碰撞造成深源地震带东段的南区,地震以走滑错动为主, 逆断、正断层都有,显示出相对复杂的应力状态.位于帕米尔高原内部的西区和南区的应力场最大主压应力方向一致,由北向南,由最大主压应力轴接近水平,过渡为最大主张应力轴接近水平,一定程度揭示了板块俯冲的状态.结合南区和西区的地震深度差异及机制解中断层面的倾角,推测在中帕米尔的东部,由北向南的板块俯冲至150~170km深度,俯冲角度为60°左右.     

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。     

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.     

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.     

板块边界构造应力场的反演及其对华北地震的影响研究

利用全球震源机制解资料,采用力轴张量计算法,反演中国大陆附近板块边界线上的构造应力场空间分布,其最大主压应力轴的方位角与GPS研究得到的板块运动方向一致,太平洋板块西边界和菲律宾板块琉球岛弧段的最大主压应力轴的倾角与板块俯冲倾角基本相当,因此认为该方法反演的构造应力场真实可靠。1999年、2005年和2011年太平洋板块日本本州段的最大主压应力轴方位角存在转折现象,震例总结显示该转折现象往往对应华北地区5级以上,甚至6级左右地震,但2011年的转折变化对应华北地震的震级在5级左右。根据对太平洋板块西边界的分段研究,认为2011年的转折变化主要是由42°~50°N段的构造应力场转折引起的,而该段从地理位置结合俯冲方向来看,影响的主要地区是东北地区,而对华北的影响相对较小,因此导致对应地震的震级偏低。1992—2000年菲律宾板块琉球岛弧段的最大主压应力轴方位角存在大幅度、长时间的逆时针偏转现象,分析认为是造成同期华北南部地区发生多次具有典型华南应力场特征地震的原因。     

2015年3月新不列颠MS7.4地震震源及邻区构造应力场特征

2015年3月30日至5月15日,巴布亚新几内亚-新不列颠地区发生了一系列地震.为研究该地区的构造应力环境及孕震背景,本文基于Global CMT目录,对新不列颠区域浅部进行构造应力场反演,拟得到高精度的应力图像.反演结果显示：（1）沿着南、北俾斯麦块体边界的区域构造应力场呈走滑体系,最大主压应力轴方位呈SWW-NEE向.（2）所罗门海的NW和NE走向的海沟处于压缩状态,所罗门海块体向新不列颠和所罗门群岛俯冲的板块弯曲部分是局部拉张.（3）受俯冲带的北向推挤,南俾斯麦板块顺时针旋转的挤压,太平洋板块向西部运动汇聚作用,新不列颠岛东北部与新爱尔兰岛南部交汇区域呈现明显非均匀应力状态.（4）此次地震序列的大多数走滑型和逆冲型地震,可能是所罗门海块体俯冲运动,和南俾斯麦块体与太平洋板块的近EW向挤压作用共同引发.     

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.     

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.     

Trace element transport rates in subduction zones: evidence from Th, Sr and Pb isotope data for Tonga-Kermadec arc lavas

Trace element and Th, Sr and Pb isotope data for young lavas from the Tonga-Kermadec arc in the southwest Pacific suggest that geochemical variations in the lavas along the arc are linked to differences in the material being subducted beneath the arc. Lavas from the southern (Kermadec) segment of the arc have relatively radiogenic Pb isotope compositions, which reflects a contribution from subducted sediment. In contrast, much of the Pb in Tonga lavas is derived from the altered oceanic crust in the subducting Pacific Plate, and lavas from the northernmost Tonga islands of Tafahi and Niuatoputapu contain Pb and Sr derived from the subducted part of the Louisville Seamount Chain. The origin of the Pb in the lavas from these two islands can thus be traced to a point on the subducting slab, and this observation is used to estimate the rate at which trace elements are transported beneath the arc. Our calculations suggest that fluid-soluble elements such as U, Sr and Pb are transported from the subducted slab, across the mantle wedge and back to the surface in lavas over a period of approximately 2–3 Ma, and that magmas are erupted at the surface less than 350 ka after the melts are generated in the mantle wedge.     

Space Variations of Stress Along the Tyrrhenian Wadati-Benioff Zone

—Gephart and Forsyth’s (1984) algorithm for stress inversion of earthquake fault-plane solutions has been applied to a set of ninety intermediate and deep events occurring in the southern Tyrrhenian region between 1976 and 1995. P- and S-wave data from local seismic networks in southern Italy, the Italian National Network and international bulletins, have been used for hypocenter and focal mechanism computations. Stress inversion runs performed after accurate selection and weighting of fault-plane solutions have allowed us to identify stress space variations at a higher level of detail than available from all previous investigations carried out in the study area. The maximum compressive stress has been shown to follow the depth-decreasing dip of the Wadati-Benioff zone, along the entire zone from a depth of 90 km, to the depth of the deepest events (about 500 km). Variations to such a stress pattern have been found, possibly related to mantle dynamics and the complex composition of the subducting structure. The diffused state of down-dip compression suggests that the Tyrrhenian subduction has already evolved to the point where the lower end of the slab has reached high-strength mantle materials, the load of the excess mass is entirely supported from below and most of the subducted slab is under compression. In agreement with the lack of large, shallow thrusting events in the immersion zone, the findings of the present study appear to agree well with geodynamic models assuming a passive subduction process with eastward roll-back of the Ionian lithosphere in the study area. In this context, the depth-decrease of the slab dip may also find a reasonable explanation.     

琉球岛弧地区的地震分布、Benioff带形态及应力状态h

利用ISC及中国台网的资料,研究了琉球岛弧及冲绳海槽的地震分布及震源机制解,讨论了Benioff带的形态及应力状态.mb4.0的地震主要分布于琉球海沟西侧的弧形带,并形成明显的Benioff带.吐噶喇海峡以北俯冲带弯曲明显,深部倾角大,约92,70km以下张应力轴沿俯冲方向;吐噶喇海峡以南,俯冲带较平直,深部倾角较小,约55,压应力轴基本沿俯冲方向。冲绳海槽内处于NNW向近水平的拉伸,华北应力场与之类似,没有受到菲律宾海块挤压作用的影响.      

日本海及中国东北地震的深度分布及其应力状态

本文分析了日本海及中国东北的地震深度分布。证实了日本本州北部至中国东北的贝尼奥夫带(Benioff)基本是连续的,该带的倾向约为北85°西,倾角约为29°,深度在150公里以下贝尼奥夫带厚度约为20公里。研究了日本本州北部至中国东北的震级M_b≥5.0地震的震源机制解,发现中国东北地壳应力场与日本海地壳的应力场方向一致,来源于太平洋板块的挤压。在俯冲带上,深度在100公里到200公里之间的情况较为复杂,大多数地震显示的主压应力方向与贝尼奥夫带的倾向、倾角一致,有的T轴取向与贝尼奥夫带的倾向、倾角一致,有的特征方向与贝尼奥夫带倾向、倾角均不一致。深度在200公里至500公里之间,主压应力方向近于水平,并与贝尼奥夫带走向垂直,张应力轴相对集中。深度大于500公里时,主压应力方向与贝尼奥夫带的倾向、倾角一致,张应力轴相对集中     

Geological,tomographic, kinematic and geodynamic constraints on the dynamics of sinking slabs

We use geodynamic models with imposed plate velocities to test the forward-modeled history of subduction based on a particular plate motion model against alternative seismic tomography models. We utilize three alternative published reference frames: a hybrid moving hotspot-palaeomagnetic, a hybrid moving hotspot-true polar wander corrected-palaeomagnetic, and a Subduction Reference Frame, a plate model including longitudinal shifts of subduction zones by matching subduction volumes imaged by P-wave tomography, to assess which model best predicts present day mantle structure compared with seismic tomography and volumetrically derived subduction history. Geodynamic modeling suggests paleo-longitudinal corrections applied to the Subduction Reference Frame result in lower mantle slab material beneath North America and East Asia accumulating up to 10–15° westward of that imaged by tomography, whereas the hybrid models develop material offset by 2–9°. However, the Subduction Reference Frame geodynamic model produces slab material beneath the Tethyan Domain coinciding with slab volumes imaged by tomography, whereas the hybrid reference frame models do not, suggesting regional paleo-longitudinal corrections are required to constrain slab locations. We use our models to test inferred slab sinking rates in the mantle focusing on well-constrained regions. We derive a globally averaged slab-sinking rate of 13 ± 3 mm/yr by combining the ages of onset and cessation of subduction from geological data and kinematic reconstructions with images of subducted slabs in the mantle. Our global average slab-sinking rate overlaps with the 15–20 mm/yr rate implied by mantle convection models using a lower mantle viscosity 100 times higher than the upper mantle.     

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.     

千岛—鄂霍次克海地区的地震分布、震源机制及应力状态

利用1971年1月至1982年12月的地震资料,研究了千岛岛弧地区的地震分布及震源机制解,进而讨论了贝尼奥夫带的形态及应力状态。地震分布于沿海沟展布的NE向的弧形带上,除地壳内地震外,形成明显的贝尼奥夫带,贝尼奥夫带最深达619公里,两侧较浅,少于200公里,倾向近于NW55°,倾角为45°。地壳内的压应力轴位于NW方向,且接近于水平,反映了太平洋板块的挤压;俯冲带上应力轴随深度变化:114公里以上的T轴沿俯冲方向,114公里至175公里震源机制解分为两组,T轴沿俯冲方向和P轴沿俯冲方向;320公里至440公里范围内P轴有接近俯冲方向的趋势,但较为分散;515公里以下P轴相当集中,且沿俯冲方向。本文对这种应力分布的成因进行了讨论     

华北克拉通及东邻西太平洋活动大陆边缘地区的P波速度结构：对岩石圈减薄动力学过程的探讨

本文通过地震层析成像研究获得了华北克拉通及其东邻地区（30°N-50°N,95°E -145°E）1°×1°的P波速度扰动图像.结果显示,在西太平洋俯冲带地区,上地幔中西倾的板片状高速异常体与其上方的低速异常区构成俯冲带与上覆地幔楔的典型速度结构式样.俯冲板片高速体在约300~400 km深度范围内被低速物质充填,暗示俯冲板片可能发生了断离.在华北克拉通地区的上地幔中发现三个东倾排列的高速异常带.在此基础上,本文构建了华北克拉通及其东邻西太平洋活动大陆边缘地区的上地幔速度结构模式图,并据此探讨克拉通岩石圈减薄与西太平洋活动大陆边缘的深部动力学联系.本文认为,太平洋板片的俯冲（断离）,触发热地幔物质上涌并在上覆地幔楔中形成对流,使克拉通岩石圈受到改造（底侵与弱化）.随着俯冲板片后撤,地幔楔中的对流场以及对岩石圈改造的影响范围均随之东移,最终导致华北克拉通岩石圈自下而上、从西向东分三个阶段依次拆沉减薄.这一模式能很好地解释现今克拉通岩石圈自西向东呈台阶状减薄的深部现象.