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【前沿報道】Science Advances: 利用地震追蹤俯沖帶流體從源(板片)到匯(地幔楔)的遷移過程
2019-04-30 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  俯沖帶是地球系統水循環的關鍵場所,水的輸入、運移、脫出方式和量級對地球表層環境、深部介質性質和動力過程都具有重要影響,因此一直是地球科學的研究前沿和熱點(相關前沿報道見《馬里亞納俯沖帶攜水量估計》《西北太平洋地區俯沖板片含水量的控制因素)。俯沖板塊將地表流體帶入地球深部,深部的水又隨著巖漿活動回到地表這個循環過程中,往往伴隨地震發生,俯沖帶因此是地球上地震活動最繁的區域俯沖帶地震經常發生俯沖板片與上覆板塊的交界面附近 50-300 km深度也發育于俯沖板片內部這個深度范圍地震活動或流體關系緊密Green et al., 2010; Shiina et al., 2017,通過研究這些中源地震認識俯沖帶水循環提供了重要約束 

  脫水脆化(dehydration embrittlement)機制是目前俯沖帶中源地震成因的主流觀點。該觀點認為,在板片俯沖過程中,洋殼榴輝巖化等變質過程使板片脫水,這些水通過增大巖石孔隙壓力、減小其有效正應力,從而導致巖石脆性破裂 (Kirby et al., 1996)。然而,在冷俯沖帶地區,俯沖板片變質脫水深度大于80 km (Abers et al., 2017),傳統的脫水脆化機制難以解釋在該深度之上沿弧前板片頂部出現的連續且呈帶狀分布的中源地震活動。其他假說,例如自局部化熱失控(self-localizing thermal runaway)機制雖可以用來解釋巖石在不依賴流體存在的情況下發生破裂 (John et al., 2009),但其作用的溫壓范圍極為局限,無法將整個弧前板片環境囊括在內。 

  那么,是否可能是在板片發生脫水反應后流體通過某種方式從板片深部遷移到板片淺部,并弱化了弧前板片,從而誘發中源地震呢?近期的地震學研究似乎證實了這種可能性,科學家在冷俯沖帶弧前板片處觀測到的間歇性地震與極低波速,即被視為流體存在的證據 (Nakajima and Uchida, 2018; Shiina et al., 2017)。不過還存在問題,前人地球物理觀測與數值模擬研究表明,在大于80 km深度時,流體離開板片后大都直接垂直向上進入地幔楔,這些流體是如何從脫水深度處向上傾方向遷移數十千米至弧前板片處的呢? 

  針對這一問題,挪威卑爾根大學Felix Halpaap及其合作者近期在Science Advances上發表了他們的研究成果。他們首先基于最新發表的區域三維層析成像波速模型,利用雙差定位法對希臘Peloponnese半島下方Hellenic俯沖帶地震進行了高精度重定位,獲得了弧前板片處震源的空間精細分布圖像Halpaap et al., 20191)。定位結果顯示,弧前板片界面附近40-80km深度范圍內,由下至上存在三個地震簇(subclusters):(1)位于板內的下部地震簇;(2)位于板片交界面的中部地震簇;(3)位于地幔楔內的上部地震簇。同時,作者通過對比全球其他地幔楔的地震活動分布,發現位于地幔楔地震簇上傾方向的俯沖洋殼普遍表現出幾乎無震的特點(圖2)。 

1 重定位后的Hellenic俯沖帶Tripoli地區地震分布圖像(Halpaap et al., 2019)。a. 地震分布剖面、相應的剪切波(Vs)速度擾動、俯沖帶熱結構(據動力學模型計算),以及主要脫水反應區間;b. 根據熱-巖石學模型計算的完全水化(fully hydrated)俯沖洋殼頂、底部不同深度處的水含量;c. 地震簇的地表投影及震源機制;d. 地震簇的放大細節,空間定位誤差 < 0.25km

2 全球地幔楔地震活動性(Halpaap et al., 2019)。中圖為估算的經過50 Myrs 板片脫水后的地幔楔水化狀態;a-e. 典型地區的地幔楔地震活動分布剖面。IF: 板片界面(interface; MW:地幔楔(mantle wedge

  基于以上觀測并結合動力學模型估計,作者提出了流體由脫水反應位置向上傾方向遷移的新模式(圖3):流體離開脫水源區后沿著密封的板片界面之下向淺部運移,在板片具有各向異性滲濾率或形態發生變化的局部區域,流體匯聚集中并周期性沖破密封環境,沿著破口(vent)逃逸進入地幔楔,誘發地幔楔內地震。同時,該逃逸過程使上傾方向的流體供應減弱,地震活動性降低,形成無震區(seismic gap)。這些破口(vent)位置則可能成為破壞性大地震的成核處。 

3  Hellenic俯沖帶流體上傾遷移模式圖(Halpaap et al., 2019

  Halpaap等通過最新研究提出了冷俯沖帶地區板片脫水及其上傾遷移誘發40-80 km中源地震的新模式,獲得了對水循環-深部動力過程相互作用模式的新認識。但關于這些流體最終去向的問題目前還沒有很好的解答。沒有任何證據表明流體抵達了地表,這說明其必然被上覆地殼和地幔楔所吸收(圖3)。流體進入上覆地殼可能導致石英沉淀(quartz precipitation),從而造成低VP/VS異常 (Audet and Bürgmann, 2014)。在地幔楔中,流體則可以通過橄欖巖蛇紋石化被大量吸收,然而蛇紋石含量過高(>10%)反而不利于巖石的脆性破裂。地震學證據表明,Hellenic俯沖帶板片界面之上蛇紋石化其實是非常有限的。Halpaap等通過估算認為,流體并非長時間穩定持續地沿板片表面破口排出,破口本身以及流體釋放過程更可能是瞬時或間歇性特征,因此不會導致上覆地幔楔發生過高程度的蛇紋石化。關于板片表面破口性質和相應的流體釋放過程還需要更進一步深入研究,這將有助于系統認識俯沖帶的水循環并提高對這些區域地震災害的評估能力。 

    

  主要參考文獻 

  Abers G A, Van Keken P E, Hacker B R. The cold and relatively dry nature of mantle forearcs in subduction zones[J]. Nature Geoscience,2017, 10(5) : 333-337.原文鏈接

  Audet P, Bürgmann R. Possible control of subduction zone slow-earthquake periodicity by silica enrichment[J]. Nature, 2014, 510(7505): 389-392.原文鏈接

  Green II H W, Chen W P, Brudzinski M R. Seismic evidence of negligible water carried below 400-km depth in subducting lithosphere[J]. Nature, 2010, 467(7317): 828-831.原文鏈接

  Halpaap F, Rondenay S, Perrin A, et al. Earthquakes track subduction fluids from slab source to mantle wedge sink[J]. Science Advances, 2019, 5(4): eaav7369.原文鏈接

  John T, Medvedev S, Rüpke L H, et al. Generation of intermediate-depth earthquakes by self-localizing thermal runaway[J]. Nature Geoscience, 2009, 2(2): 137-140.原文鏈接

  Kirby S, Engdahl R E, Denlinger R. Intermediate-depth intraslab earthquakes and arc volcanism as physical expressions of crustal and uppermost mantle metamorphism in subducting slabs[M]//Bebout G D, Scholl D, Kirby S, et al. Eds. Geophysical Monograph No (96): Subduction from Top to Bottom. American Geophysical Union, 1996: 195-214.原文鏈接

  Nakajima J, Uchida N. Repeated drainage from megathrusts during episodic slow slip[J]. Nature Geoscience,2018, 11(5): 351-356.原文鏈接

  Shiina T, Nakajima J, Matsuzawa T, et al. Depth variations in seismic velocity in the subducting crust: Evidence for fluid-related embrittlement for intermediate-depth earthquakes: VP and VS in the subducting crust[J]. Geophysical Research Letters,2017, 44(2): 810-817.原文鏈接   

  (撰稿:吳子木,陳凌/巖石圈室)

 
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