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揭开“深源地震”机制的面纱 精选

已有 7193 次阅读 2018-7-17 09:58 |个人分类:科普|系统分类:科研笔记| 深源地震, 机制

 

深源地震是指震源深度大于300km的天然地震。尽管深源地震发震数量少,约占全球地震的4%,通常情况下不会对建筑物、人类生命安全等造成严重灾害,但弄清深源地震机制对研究地幔结构、构造板块形态及运动特征、俯冲带热结构、火山活动、地幔对流、地幔自由水、俯冲板块内应力分布情况等均有重要的科学研究意义和实际价值,一直是地球动力学领域的重要研究方向。

深源地震最先由日本地球物理学家和达清夫于1928年发现(Wadati1928),其存在性尽管受到当时人们的质疑,但之后更多的研究证实了深源地震确实存在,并开始受到广泛关注。

自从上世纪20~30年代发现深源地震至今,尽管学者们采用矿物高温高压实验、地球物理方法和数值模拟等方法对其机制进行了研究,但迄今为止仍未能从本质上搞清其孕育过程,始终是一个世界性科学难题。Sibson19771982)认为,板内浅源地震的震源深度下限值与脆性-韧性转换带一致,所以容易理解浅源地震属于脆性破坏性质。与之相比,深源地震震源体处于更高的温度与围压环境,两者发震机制可能不同。对(中)深源地震机制,历经长期探索已提出了诸多假说,主要有:脱水致裂机制(Meade and Jeanloz1991Dobson et al.2002)、相变失稳机制(Bridgman1945Kirby et al.1991)、剪切熔融失稳机制(Griggs and Baker1969Ogawa1987Hobbs and Ord1988)、反裂隙断层作用机制(Green and Burnley1990Green et al.1990Helffrich and Brodholt1991Wiens et al.1993Silver et al.1995Karato et al.2001Green and Marone2002)等。目前关于中-深源地震物理机制的主流假说,均存在诸多有争议的问题,且难以自圆其说,故需另辟蹊径探寻新学说。

我们已经指出,任何天然地震(除慢地震外)都是岩石的脆性破裂所致,深源地震也不会例外,应属于岩石的脆性破裂范畴,有童鞋自然会问“深部岩石处于高温高压状态,能不能发生脆性破裂呢?具备这样的条件吗”别急,咱不急于下结论,先拿证据说话。

一、深源地震主要发生在冷俯冲板块内部中心区域(图1-2,而不是它的边界(McGuire et al.,1997; Wiens, 2001)。Emmerson and Da2007)认为深源地震的发生取决于俯冲带温度机制而与其它因素无关。尽管地幔处于高温状态,但板块内部中心区域均保持低温状态,深源地震发生区域温度可能小于600Dan et al.2005McKenzie et al.2005)。

 

 

1 1900-2013年全球M≥7.0级地震分布图(来源于USGS

 

2  深源地震的发生部位(Liu and Zhang (2015)

二、看到这儿,好奇的童鞋忍不住会问,地球内部有放射性元素衰变,地球内部的温度会逐渐升高,在“火炉”的加温下,板块中心区域的温度是不是也逐渐升高呢?

30年来,科学家通过室内高温高压实验,对地球深部的了解取得很大进展,并获得了足够多的证据表明上地幔中存在自由水。研究发现,温度和压力达到一定条件下,在板块内部和浅部的矿物开始脱水形成自由水(Watson et al.1990),且在地球深部温度压力条件下其可能呈液态(Mishima and Endo1978Datchi et al.2000 Frank et al.2004Linet al.2004Schwager and Boehler2008)。那么,不难理解,地幔自由水的主要作用有:

Ø  降温作用——矿物脱水过程本身是吸热反应,而所生成的自由水对俯冲板块又具有冷却作用,使得俯冲速度快的“老”板块内部能够一直保持着相对低温的状态;

Ø   降压作用——脱水过程所生成的自由水会导致局部超压,进而降低破裂面上有效应力(降低震源体围压),使得岩石高压破裂成为可能。

 

此外,我们的研究还表明,自由水和火山活动同时影响着俯冲板块内部温度和围压(图3)。火山喷发释放着地球内部大量的热量和压力,尤其是发生深源地震的俯冲板块附近,使俯冲带表面区域不会一直处于高温高压状态,其起到“维稳”的作用,对深源地震的孕育与形成条件有着至关重要作用。


3 俯冲板块及火山等情况示意图

三、岩石高温高压实验表明,花岗岩在低于800℃环境下(翟松韬等,2013)、蛇纹石在900℃以下(Dobson et al.2002)与石榴石在1000℃以下Voegelé et al.1998,均表现为脆性破裂行为。

对叶蛇纹石脱水试验研究时发现,在6GPa条件下,从350开始以恒定速率5/min加温直至900停止,它的声发射过程(图4)仍具有脆性破裂特征(Dobson et al.2002)。


4 高温条件下叶蛇纹石声发射变化特征

四、诸多学者的研究表明,深源地震与浅源地震的诸多特征具有相似性(Kirby et al.1991Green and Houston1995Wiens2001),如辐射图型、震级分布范围、震源-时间函数、破裂速度和应力降等(干微等,2012)。这意味着深源地震物理机制与浅源地震类似,是某种形式的剪切破裂,由断层错动或板块俯冲所致

例如,Ye et al.2013)的研究表明,2013524日鄂霍次克海域Mw8.3级深源超剪切地震深度610km,形成了长度超过180km的断层撕裂和最大达10m的剪切滑动,其地震辐射表明,该地震的剪切破裂可能与浅源地震没有区别

五、我们的震例分析表明,对全球发生过深源地震的地震区,若分析时去掉深源地震数据,则标志性地震孕育规律不符合孕震断层多锁固段脆性破裂理论;若保留,则符合。这说明,深源地震的发生参与了标志性地震孕育过程,其可归因于锁固段的脆性破裂。

例如,北海道地震区(图5)位于鄂霍茨克板块、欧亚板块、北美洲板块、太平洋板块与菲律宾板块交界附近截止到2016224日,该地震区曾发生M≥7.5级地震83次,其中浅源地震75次,中源地震3次,深源地震5次。该地震区发生的3次标志性地震是: 189865日日本海沟Muk8.7级地震、1952114日勘察加东部近海MW8.9级地震与2011311日日本宫城东部近海MW9.0级地震。从图6看出,考虑深源地震的标志性地震孕育过程,严格遵循着多锁固段脆性破裂理论。


5 北海道地震区地震构造图

 


6 北海道地震区144.02.15-2016.02.24之间CBS值与时间关系

(数据分析时选取MW≥7.0级地震事件;误差修正已被考虑)

综上分析,可认为:深源地震震源体(锁固段)具有发生脆性破裂的环境条件,其与浅源地震机制一样,均为锁固段脆性破裂。

参考(略)




http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1124456.html

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