NG：俯冲板片幔源流体影响下的弱耦合俯冲带弧前地震成因
文摘
科学
2023-09-23 09:00
北京
地震是地球上最灾难性的自然现象之一，尤其是在俯冲带，也就是一块板块向下俯冲到另一块板块下面的地方。俯冲带的地震发生机制与流体有着密切的关系，但目前我们对流体的来源和分布还知之甚少。最近，一组来自美国佐治亚理工学院、伍兹霍尔海洋研究所、哥伦比亚大学、斯克里普斯海洋研究所等研究单位的科学家们利用海洋大地电磁法探测了阿拉斯加-阿留申俯冲带的一个特殊区域——Shumagin断层段，并揭示了弧前流体的分布和板片滑移行为的关系，探讨了流体在促进或抑制板块界面的滑动和断裂中的作用，以及流体的来源和分布对地震危险性的影响。相关研究成果近期发表在《Nature Geoscience》期刊上。Shumagin断层段（见图1）是一个具有弱耦合和低强度地震活动的区域，没有发生过大规模的巨型地震。科学家们推测这可能与深部流体有关，但对流体的来源和分布并不清楚。海洋大地电磁法是一种利用地球电磁场的变化探测地下电阻率分布的方法，能够敏感地反映流体的存在和分布，区分含水矿物和游离流体，适合于对俯冲带结构进行成像研究。科学家们收集了一条250公里长的垂直于海沟的剖面数据（见图1），并使用二维反演方法从23个海洋大地电磁测点得到了弧前陆架地区的地下电阻率结构模型（见图2）。通过与其他地球物理数据（如P波速度、多道地震反射、地震震源等）进行对比和验证，发现了一些独特的深部地质构造特征。白色圆点为研究使用的位于弧前陆架区域的大地电磁测点，红色测点由于具有较强的三维性在二维反演研究中没有使用；黑色散点为2010–2021年期间的地震活动；黑/紫/绿色实线为相邻段发生Mw>8地震后的余震区，红/黄色实线为2020年7月和10月发生的两次大型地震的滑动区；灰色虚线为Slab2.0模型俯冲板片深度。![]()
图2 电阻率模型与不同实验得到的含水矿物稳定区域的对比，这些实验用不同的矿物组成和实验条件模拟了超基性岩的脱水反应。彩色曲线表示不同实验中含水矿物（如蛇纹石、白云母和滑石）的稳定区域，即在曲线以上的压力和温度条件下，含水矿物是稳定的，而在曲线以下的条件下，含水矿物会脱水。不同颜色和符号代表不同的实验来源。他们发现了一个位于板块界面附近的低电阻率（即富含流体）区域（图2中C2），该区域与2020年7月发生的Mw 7.8巨型地震的滑动区域相一致，表明流体可能导致了条件稳定性，使得断裂在沿走向方向传播。而浅部板块界面（<25公里深）则是高电阻率区域，表明缺乏流体，可能抑制了断裂向上延伸。这说明流体和板块粗糙度可以共同影响板块耦合和断裂传播。更令人惊讶的是，科学家们还揭示了一个位于俯冲板片地幔深度处（约60公里左右）的低电阻率区域（图2中C3）。通过使用岩石热物理模型计算俯冲板片地幔深部的压力-温度路径，并与不同实验条件下的含水矿物稳定域进行对比，推测是由于俯冲板片幔部脱水产生的流体，并且这些流体向上渗透到浅部板块界面，影响了弧前地震的发生（见图3）。这表明板片幔部脱水是弧前流体循环中一个被忽视的重要因素。该模型展示了沿着俯冲带深度方向的滑动行为的变化，以及与之相关的流体分布和来源。模型中将俯冲带划分为三个部分：(1) 浅部 (<30 km深度) 的贫流体区域，有粗糙的板块界面和弱耦合，主要通过断层蠕滑来释放应变；(2) 中部 (30–50 km深度) 的流体富集区，有来自俯冲板片幔部脱水的流体 (C3) 上升到板块界面 (C2)，流体可能沿着分隔两个地块的正断层逸出，但这一点从电阻率模型中反映得并不清晰，这里的小规模地震 (黑色星号) 在间歇期通过断层蠕滑来释放应变，但在附近发生大型滑移时会触发动态弱化而发生破裂；(3) 深部 (>50 km深度) 的贫流体区域，地震活动有限。这项研究为理解弧前地震发生机制、评估地震危险性、探讨俯冲带水循环提供了新的视角和证据。它也提示了俯冲带深处可能存在着一个深层水循环系统，将水从外部升入到俯冲带内部，并影响着板块间的相互作用。这对于揭示地球内部结构和动力学过程具有重要意义。Cordell, D., Naif, S., Evans, R., Key, K., Constable, S., Shillington, D., Bécel, A., 2023. Forearc seismogenesis in a weakly coupled subduction zone influenced by slab mantle fluids. Nature Geoscience. https://doi.org/10.1038/s41561-023-01260-w
