对日本俯冲带与IBM俯冲带俯冲特征的地球物理研究:来自重力与震源分布数据的启示

日本俯冲带与IBM俯冲带位于太平洋板块、菲律宾海板块和欧亚板块三者的交汇地带,是典型的"俯冲工厂"地区,具有重要的研究意义.本文利用震源分布资料与卫星重力数据对日本俯冲带与IBM俯冲带进行了研究.通过空间重力异常反映了俯冲带地区的区域构造形态,在此基础上基于艾利模式计算了均衡异常以反映地壳均衡特征.利用震源分布资料,分别从垂直俯冲带走向与沿俯冲带走向划定了横截剖面(cross-sections)进行了地震提取,讨论了俯冲带地区的Wadati-Benioff带形态特征,并借助于俯冲带地震等深线图直观描述了俯冲带的俯冲形态.在日本俯冲带与伊豆—小笠原俯冲带各选取了一条典型剖面进行了重力2.5D反演,研究了俯冲带地区的壳幔结构特征.研究结果表明,九州—帕劳海脊与IBM岛弧在均衡异常上存在差异,前者已逐渐趋向于地壳均衡.IBM的Wadati-Benioff带存在明显的南北差异,反映出伊豆—小笠原俯冲板片停留在了660km转换带中,而马里亚纳俯冲板片很可能垂直穿过了这一转换带,造成这种南北差异的原因与板块相对运动、岩石圈黏性和年龄差异以及俯冲板片的重力效应等因素有关.在IBM的中部和南部存在板片撕裂现象.日本俯冲带的俯冲洋壳密度随俯冲深度变化较小,洋幔存在一定程度的蛇纹岩化,地幔楔蛇纹岩化作用不典型,海沟处有一范围较小的含水畸变带;伊豆—小笠原俯冲带俯冲洋壳密度随深度增大而明显增大,洋幔蛇纹岩化程度较日本俯冲带低,地幔楔蛇纹岩化作用强烈,板块交汇处存在明显的蛇纹岩底辟.日本俯冲带与IBM俯冲带一线自北向南板片俯冲变陡,两侧板块耦合度降低,与俯冲带两侧的板块运动速率差异有关.     

使用数值模型研究俯冲板块动力学的进展

板块构造理论的核心是俯冲板块的动力学问题,可以通过地震学、矿物物理和岩石地球化学、地质构造和沉积学以及数值模拟对其进行多学科综合研究.其中数值模拟通过建立理论模型并使用数值方法模拟俯冲板块的动力学效应,直观地给出了定量化的俯冲板块的演化过程和地表响应,并用以解释其他学科研究所得到的观测和实验结果.因此使用数值模型进行定量化模拟是研究俯冲板块动力学的最重要的手段之一.文章综述了使用数值模型研究俯冲板块动力学多个方面在近期取得的进展,包括板块构造的起源和俯冲板块的启动过程,俯冲板块的热结构,以及俯冲板块在上地幔、地幔过渡带和下地幔的主要动力学表现.使用数值模型得到的结果是基于质量、动量和能量守恒方程的理论结果,必须综合使用其他各学科的研究成果对模拟结果进行比对和验证,以最终理解俯冲板块的动力学过程.随着计算能力的大幅提升和模拟方法的不断进步,数值模拟方法将为研究包括俯冲板块动力学在内的地球科学前沿问题提供更为准确和高效的手段.     

有关兵库县南部地震的调查研究工作简介

有关兵库县南部地震的调查研究工作简介１．探明活断层深部构造和动态特性的计划（断层解剖计划）为了进一步推动地震预报研究，日本全国各大学协手在兵库县南部地震的震源断层附近进行如下的观测和实验研究。在该项研究中，将利用地球物理及地球化学的方法综合探明活断层...     

国外断层深部钻探进展分析

国际科学钻探计划成立以来,已经在许多国家和领域取得了重要成果.通过回顾深井钻探项目的发展历史,概述近几年对俯冲带内的板块边界断层进行钻探的日本南海海槽孕震带实验、日本海沟快速钻探项目及美国圣安德列斯断层深部长期观测的板块结构、钻井资料分析的成果,并梳理工程地热系统钻井项目及南非矿山活动断裂带钻探项目对诱发地震的相关研究.旨在为断层深部钻探研究提供思路和参考.     

俯冲构造vs.地幔柱构造——板块运动驱动力探讨

板块构造是指地球外壳岩石圈块体在地球表面的(水平)运动及其相互作用.自50年前板块构造理论建立以来,对板块运动的动力来源这一问题一直存在争议.早期的观点认为是"自下而上"机制,即板块运动受控于板块之下的地幔对流系统,特别是起源于核幔边界的地幔柱作用于板块底部,促使大陆裂解,并驱动板块运动.而现今较为普遍接受的观点则是"自上而下"机制,即认为板块运动的驱动力主要来源于板块自身的负浮力(即重力大于浮力),板块构造和地幔对流均受控于板块的俯冲作用,因此板块构造又被称为俯冲构造.这一观点得到了众多地质和地球物理观测的支持.进一步研究表明,个别板块增速、减速与单一地幔柱活动在百万年时间尺度具有耦合关系;多个板块内稳定克拉通地区地表隆升、沉积速率与地幔柱相关的岩浆活动在亿年时间尺度存在时空相关性;而全球范围的超大陆聚合、裂解与超级地幔柱活动在二十亿年以来的地质历史时期表现为周期性耦合关系.这些不同时空尺度的耦合现象均表明,板块构造与地幔柱构造在地球演化过程中是紧密联系、相互作用的,地幔柱构造对板块运动产生了不可忽视的影响.因此,需要将板块构造和地幔柱构造这两大地球构造体系加以联合,开展综合分析与研究,才能获得对板块构造和整个地球动力系统运行机制的全面认识.     

平板俯冲及其地质效应的研究进展:观测与模拟

平板俯冲是指大洋板块以低角度(10°)或近水平方式下插到上覆板块之下的俯冲样式,仅占现今全球俯冲带的10%.相对于高角度俯冲,平板俯冲对上覆板块内部造成的影响更加显著,引发的地震强度更大,因此平板俯冲具有重要的研究意义.典型平板俯冲所引起的变形会从海沟向上覆大陆内部逐渐传递,并形成一个宽阔的岩浆带.平板俯冲的形成机制仍存在争议,主要包括大洋高原的浮力效应、上覆板块逆冲、板块吸力和海沟后撤等.文章系统分析和总结了以往有关平板俯冲的研究成果,归纳了平板俯冲所产生的地质效应(包括陆内造山和岩浆作用),并着重从数值模拟角度综述了平板俯冲形成机制的研究现状.通过对比得出,在控制平板俯冲形成的各种因素中,上覆板块逆冲和大洋高原是最为关键的两个因素,板块吸力虽有助于俯冲角度的减小,但不足以成为形成平板俯冲的独立条件,而海沟后撤则是形成平板俯冲的必要条件.今后基于数值模拟探索平板俯冲形成机制的工作,需要结合地质、地球物理观测数据,并将洋壳榴辉岩化(负浮力)与大洋岩石圈地幔蛇纹石化(正浮力)的影响加入到模型中,开展三维高分辨率热-力学模拟研究.     

Nature:地幔柱诱发最早板块运动

正众所周知,地球岩石圈分为6大板块,而且这些板块是不断运动的。但是,什么因素引发了第一次板块运动?第一个板块俯冲带又是如何产生的?2015年11月12日刊登于Nature的一篇文章《地球上板块构造由地幔柱诱导俯冲产生》(Plate tectonics on the Earth triggered by plume-induced subduction initiation)回答了这些问题,并提出了诱     

西太平洋板块俯冲与华北克拉通破坏

华北克拉通破坏与西太平洋板块俯冲相关是学界的重要共识,但西太平洋板块何时开始向东亚大陆俯冲、早白垩世西太平洋俯冲带在何处、东亚大地幔楔何时形成、晚中生代西太平洋俯冲板块如何演化等重要科学问题一直没有很好地解决.文章通过综合分析与研究,认为西太平洋板块起始俯冲的时间早达早侏罗世;早白垩世西太平洋俯冲带位于东亚大陆边缘,比现今西太平洋板块俯冲带靠西2200km;与此相对应,欧亚大陆自早白垩世以来向东漂移了大约900km.西太平洋俯冲板块后撤始于～145Ma,说明东亚大地幔楔开始形成于早白垩世;西太平洋板块俯冲作用对华北克拉通的影响可能是通过地幔楔增大过程中物质和能量的迁移和交换来实现的.利用地质构造事件反演了大洋板块在俯冲到地球内部之前的演化过程,提出燕山运动A幕和B幕发生的原因分别是西太平洋板块向东亚大陆边缘以高速低角度俯冲和俯冲角度逐渐变低两种不同的地球深部动力学过程新观点.在早白垩世大约130～120Ma期间,西太平洋板块可能已经转变为高角度俯冲、回转与后撤速率达到最大、最终在地幔过渡带产生滞留体.这个过程可能显著改变了所在区域和上覆地幔的物性和黏滞度,导致上覆地幔楔产生非稳态流动,从而导致岩石圈地幔中熔/流体含量急剧增加、黏滞度降低以及岩石圈伸展/减压,并使其转变为年轻地幔——克拉通破坏.这些认识对揭示西太平洋俯冲板块与华北克拉通岩石圈地幔之间相互作用过程具有重要意义.     

地球的粘度

正在研究日本及其附近地震的科学家们首次发现了可表明软流圈(即位于地壳下面的半流体层)的粘度或柔软度的地球物理现象。他们发现,发生在日本本土上的地震的发震时间与那些发生在开始向本土下俯冲的附近海底的地震之间有显著的相关性。在34—38年以后,海底地震势必会发生。华盛顿卡内基学会的研究人员们说,他们认为这种相关性表明内陆地震释放应变的速度大小,可以影响到海底地区。这个速度是由软流圈粘度所控制的。地球顶层的刚性地壳破裂成几个巨大的板块,它们在软流圈上彼此相对地缓慢地运动着。在研究地区,沿日本东北部沿海,构成该海底的板块正在该岛下以约30度的角度下沉到300英里的深度。研究人员说,该海底板块的运动还紧压着     

板块俯冲中水分运移过程及其地球物理含义

流体/水分在地球演化过程中具有重要作用,它的存在可以提高地质体的扩散及蠕变,降低岩石/地幔的固液相限,对地质体的地球物理性质、地质灾害诱发、地质构造演化等都有着重要的作用.在板块俯冲区,流体/水分的影响贯穿了整个动力学过程,但板块深部脱水还存在着争议,且目前系统地研究水分在整个俯冲中的迁移过程及其地球物理意义的工作还较...     

中美日学者证明板块运动始于7亿年前

日、美、中三国的研究小组最近查明7亿年前就已存在被认为是大陆漂移和地震成因的板块(覆盖地球表面的20—30块坚硬的岩板)运动。他们在中国的塔里木盆地采集到了板块俯冲时形成的称为蓝闪片岩的变质岩,通过年代测定已确认这是7亿年前形成的。它将成为阐明板块载着大小陆块不断离合集散的地球历史的重要线索。板块运动是从何时开始的,目前还没有定论。尽管两个板块碰撞时一方在插入时的低温高压条件下产生的蓝闪片岩是板块运动的有力证据,但迄今为止只发现过5亿年前的。美国斯坦福大学和中国科学院于1988年共同在塔里木盆地的阿克苏周围采集到了蓝闪片     

俯冲带热结构的动力学模型研究

俯冲板块在俯冲过程中与周围地幔不断发生热交换,该热演化过程主要由热传导和平流物质交换两种作用构成.俯冲带热结构的演化是控制俯冲过程中物理化学性质转变的决定性因素之一,直接影响我们对矿物脱水、岩石部分熔融、岛弧火山喷发以及俯冲带地震等关键地质现象的理解.对俯冲带热结构的动力学模型研究主要分为解析方法和数值方法两种.解析模型能够从物理上给出对热结构具有最重要影响的控制因素,比如俯冲板块的年龄、速度和角度、剪切应力以及热传导系数等.数值模型能够进一步给出解析模型难以处理的各种复杂因素的影响,比如地幔楔的黏性变化、俯冲板块与周围地幔的耦合过程、与矿物岩石学的结合等.将模型结果实际应用于各俯冲带时由于各种影响因素很多,因此对俯冲带热结构的限定是一个非常复杂的过程.随着地球物理与地球化学各种定量观测手段的进步,将能够给出更多对俯冲带热结构的约束条件,进而更合理的解释与俯冲带相关的地质现象.     

俯冲板片形貌特征和活动大陆边缘演化体制的关系

当大洋板块向大陆板块下俯冲时,上覆板块的边缘可以以沟—弧—盆体制发育,也可以不发育弧后拉伸盆地．为什么同属上覆板块边缘但可以这二种完全不同的体制演化是现代地球科学研究的一个热点．本文在查阅大量最新文献的基础上认为造成这二种不同演化体制除了与俯冲作用的年代学特征有关外还可能主要与俯冲板片的形貌不同所导致局部地幔对流方式不一有关．由于俯冲的倾角,俯冲达到的最大深度以及俯冲板片在６７０ｋｍ上下地幔过渡带处保存的形态等因素不同,造成仰冲板块边缘之下软流圈对流方式不一．从而,造成弧体近陆一侧是否将发生岩石圈拉伸的动力学过程．     

基于随温度变化的热系数模拟板块俯冲动力学过程

热传导系数和热膨胀系数是影响板块俯冲动力学过程的两个重要参数. 由于地球介质的不均匀性,热系数也会随深度发生变化.然而,这种变化在地球动力学模拟研究中往往被忽略.本文针对随温度变化的热传导系数和热膨胀系数, 模拟板块俯冲的动力学过程,分析热系数、黏度对板块俯冲形态的影响及其对应的地幔对流特征.结果表明,依温度变化的热传导系数和热膨胀系数会影响地幔温度及黏度分布,进而改变板块的俯冲角度;黏度是控制板块俯冲动力学演化过程的重要因素;地幔对流受黏度结构的影响,呈现分层对流及局部多个对流环等多种不同形态的对流场特征.      

三维板块几何形态对大陆深俯冲动力学的制约

大陆深俯冲及超高压变质作用是大陆动力学的重要研究内容,前人进行了系统的地质、地球物理观测以及数值模拟研究.然而,自然界中大陆板块的俯冲、碰撞及造山过程大部分具有明显的沿走向的差异性,这种典型的三维特征可能很大程度上依赖于会聚大陆板块的初始几何学和运动学特征.本文采用三维高分辨率的动力学数值模拟方法,建立了方形大陆板块和楔形大陆板块两种不同的俯冲-碰撞模型,并且俯冲大陆板块侧面与大洋俯冲带相邻.数值模拟结果揭示大洋板块可以持续地俯冲到地幔之中,而大陆板块俯冲到一定深度处,其前端的俯冲板块将发生断离,并进而造成残余的大陆板块俯冲角度的减小.方形大陆俯冲板块的断离深度约为150km,而楔形大陆俯冲板块的断离深度较大,约250~300km,这很大程度上取决于俯冲带中大洋板块的牵引力和大陆板块的负浮力之间的竞争关系.同时,无论方形还是楔形大陆板块俯冲模型中,板块断离后,侧向的大洋俯冲板块仍可以拖曳约60~70km宽的大陆边缘岩石圈持续向下俯冲,揭示了新西兰东部的洋-陆空间转换俯冲带的动力学机制.并且,数值模型与喜马拉雅造山带和秦岭—大别—苏鲁造山带进行了对比,进而对其高压-超高压岩石空间展布沿走向的差异性特征和机制提供了一定的启示.     

墨西哥的地震观测

墨西哥的地震活动性主要与该地区的现代地质构造有关。地震最为活跃的地区是： 墨西哥南部从地表到地下２５０ ｋｍ 深处, 在这里, 里韦拉板块向北美板块下俯冲, 科科斯板块向北美板块和加勒比板块下俯冲。与该消减带有关的海底构造是墨西哥太平洋沿岸近海的中美洲海沟。太平洋－北美板块边界是引起墨西哥地震活动的另一个主要原因。沿该边界观测到扩张和走滑特征。在墨西哥西北部的下加利福尼亚, 右旋位移导致了活动走滑断层的形成, 这些断层组成了加利福尼亚圣安德烈斯断层系的向南延伸部分。加利福尼亚湾的地震活动发生在由短距离扩张中心所抵消的转换断层上。再往南, 太平洋板块和里韦拉板块被太平洋里韦拉海丘和一条转换断层所隔开。地球物理研究所的地震研究工作由地震与火山研究室和国家地震局承担。国家地震局的任务包括：管理固定的标准、宽频带台网; 维护便携式宽频带地震仪; 为政府、公众和个人测定地震的位置和震级; 出版《地震通报》; 承担与国际地震中心联络的任务。地震与火山研究室对墨西哥的地震活动性、地质构造和震源等领域进行研究。其他方面的研究包括火山地震学、海洋地球物理学和地球深部构造。该研究室还负责向联邦政府报告有关地震和火山危险性的问题。     

板块运动与地震各向异性及应力场的相关性统计分析

利用收集到的各种来源共计7 959组的地震各向异性观测数据和21 750组应力场数据,结合板块绝对运动模型计算给出的各板块的运动规律,分别统计分析了板块运动与地震各向异性及应力场的相关性,并对板块运动对地震各向异性及应力场特征产生的影响进行了分析． 统计结果表明,阿拉伯、 加勒比、 胡安德富卡、 北美、 纳兹卡、 太平洋和南美板块上地震各向异性与板块运动均具有较好的相关性,而非洲、 南极洲、 澳大利亚、 欧亚、 印度和菲律宾板块上二者的相关性则相对较差. 讨论分析发现,板块运动拖动软流圈流动、 橄榄岩晶格优选方位、 化石各向异性和地幔流动或岩石圈流动等因素均在一定程度上控制并影响着地震各向异性与板块运动的一致性． 而板块基底拖曳力、 洋脊推力、 浮力作用和碰撞及俯冲作用等多种因素共同制约了板块运动与应力场的相关性,使得非洲、 可可斯、 欧亚、 胡安德富卡、 北美、 纳兹卡、 菲律宾和南美板块上二者的相关性较好,其它板块上其相关性则较差． 对于俯冲带地区,由于俯冲机制的复杂性和软流圈、 岩石圈地幔流动方向的不确定性,其板块运动与地震各向异性及应力场的相关性图像表现复杂,需要结合具体的俯冲带构造进行近一步研究．      

1982年日本茨城地震序列表现出的局部板块俯冲动态过程

板块构造的运动和动力学是地学研究的前沿课题．板块边缘强震是板块运动的直接结果．分析1982年日本茨城地震序列发现，震源断层面存在分阶段沿走向扩展、倾向调整的特殊图象．结合震源机制的走向、倾向以及滑动方向等资料，确认属于日本海沟下方的俯冲带逆冲地震．文中讨论了地震序列过程的成因，认为采用介于年尺度的空间大地测量结果与秒尺度的强震矩张量分析之间的地震序列时空分布研究，表明太平洋板块向欧亚板块局部下方俯冲的动态过程．根据地震平均错距和板块运动速度，推测近年当地可能再次发生强震．      

大陆深俯冲过程中的熔/流体成分与地球化学分异

板块俯冲是地球内部系统最为宏伟的地质过程,是实现地球表面-内部物质和能量交换、大陆地壳生长以及壳/幔相互作用的重要场所,广泛深刻地影响着地壳的增生与消亡、火山和地震活动、地球表层物质循环、矿产资源分布、大陆造山运动、大陆的聚合及裂解等与人类生活息息相关的地质过程,因此一直是固体地球科学研究所关注的热点.20世纪80年代中期关于大陆地壳能够俯冲进入地幔深度并大部分折返地表的发现,是俯冲带研究和板块构造理论的革命性进展.相较于俯冲洋壳,大陆地壳具有较冷、较干、较轻的特点,同时,俯冲陆壳与地幔相比具有更加不均一的性质和化学成分以及同位素组成,因此在局部而言会对上覆大陆岩石圈和大陆板块汇聚边界的结构、组成、变形和演化进程造成巨大影响.在大陆俯冲过程中,拆离的地壳碎块和岩片在俯冲隧道内受到构造剪切,促使其经历变质脱水和部分熔融,产生各种流体和熔体.这些熔/流体的产生和演化在俯冲带壳/幔相互作用过程中扮演着非常重要的角色,是俯冲过程中发生元素迁移、同位素分馏以及交代上覆地幔楔的不可或缺的介质.本文综合国际上近年来有关俯冲带研究的最新进展,总结了有关俯冲带流体和熔体的类型、存在条件、化学组成、熔体/流体-地幔相互作用的特点,同时对于与大陆俯冲带流体相关的特征性元素(Nb-Ta-V)迁移和最新的非传统稳定同位素(Li-Mg)研究进行了系统介绍,期望为中国读者较全面地认识板块俯冲过程中的熔/流体活动和元素迁移以及了解并运用Li和Mg同位素作为新兴的示踪手段提供一定帮助.     

全球地震各向异性数据汇编及相关研究综述

地震各向异性是我们了解地球内部结构及其演化过程的重要信息之一,同时为岩石圈及其下部地幔在过去和现在相当长时间范围内的变形特征提供了关键性的约束.Schutt和Fouch及Wiistefeld等分别于2001和2009年对地震各向异性数据进行了汇编.本文在此基础上,收集了最新的相关观测数据,并对其进行了建库处理,数据收集过程中,我们更加注重原始数据中关于地震震源深度和震级等方面的参数收集,这些地震各向异性的观测数据,基本覆盖了NUVEL-1A模型中除可可斯和斯科舍板块以外的13个板块.这些地震各向异性数据尽管来源不同,数据质量参差不齐,给我们进行统一数据汇编带来了一定的困难,但很显然,作为基础数据,其汇编与统计分析工作还是很有意义的.相关的研究工作已经表明,地震各向异性可以用来反映俯冲带流动场的主导因素,我们对这些汇编数据的初步统计分析也显示,地震各向异性与全球板块运动及应力场特征之间均存在着较好的相关性.尽管在板块与板块间的边界带,尤其是俯冲带地区,其相关性相对较差,这可能是由于板块俯冲机制的复杂性及上地幔中固态岩石层与软流层相对非定向流动的复杂性造成的.