《阿拉斯加半岛下方俯冲大洋板块接合处的板片撕裂》

  • 来源专题:深海资源开发
  • 编译者: 徐冰烨
  • 发布时间:2025-08-11
  • 板片撕裂,已在全球范围多个俯冲带中被观测到,其规模、几何形态和机制各不相同。以往研究提出了多种机制来解释板片撕裂的形成,例如洋脊俯冲、板块碰撞、海山俯冲以及板块回撤。然而,这些机制与在阿拉斯加半岛沿线所观测到的强烈海底地形变化、板块几何差异和地球动力学模拟结果不一致。阿拉斯加汇聚边界是地球上地震和火山活动最为活跃的俯冲带之一。该边界的分段特征表现为多个观测量在走向和倾向上的变化,包括板块组构、板块倾角、地震活动性、巨型逆冲断层闭锁比例和火山活动。

    在Shumagin和Semidi两个分段之间的阿尼亚克查克(Aniakchak)火山附近,一些观测量表现出突变特征。从阿尼亚克查克向东北方向,火山弧呈现出明显的顺时针旋转。在阿尼亚克查克以西,小震和浅震的数量在统计上多于其以东地区。在约40公里深度以上,地震在Sedimi分段内非常稀少。这个地震稀少甚至几乎无地震的区域走向大致与1938年M8.3地震破裂区的西半部分重合,并进一步向西延伸。在阿尼亚克查克的俯冲方向下方,在约150公里深度以下存在一个地震空区,沿走向延伸约200–300公里。这一地震空区的走向位置也与大洋板块组构的转变相对应:从西南方向的与海沟平行,过渡到东北方向的与海沟垂直。此前,有研究提出浅层板块弯曲断层及其导致的水化程度变化可以解释板块闭锁与地震活动性方面的强烈分段特征。然而,这些浅层过程本身无法解释火山活动的大尺度分段以及更深处(>150公里)地震空区的存在。

    普渡大学地球、大气与行星科学系的学者联合中国科学院地质与地球物理研究所刘丽军研究员、密歇根州立大学地球与环境科学系的学者通过分析阿拉斯加半岛阿拉斯加俯冲系统的详细三维地震波速结构,研究了沿阿拉斯加半岛一系列俯冲相关观测量的成因机制。地震成像工作以阿拉斯加海陆联合地震实验(AACSE)台阵的分布区域为核心。将俯冲板块的波速结构与地震活动性、地震各向异性、板块组构和板块界面闭锁比例进行比较,以探讨俯冲板块的结构变化及其在俯冲动力学中的作用。

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    • 近日,中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室(OMG)研究员夏少红团队联合南京大学与日本东北大学相关团队,在俯冲带水合/脱水作用与大地震产生关系方面取得新进展。相关成果于发表在Journal of Geophysical Research: Solid Eart (《地球物理学研究杂志:固体地球》)上,苟涛助理研究员为第一作者,夏少红研究员为通讯作者,南京大学黄周传教授与日本东北大学赵大鹏教授为论文共同作者。 俯冲带是地球上最大的地震聚集带,产生了全球90%以上的地震,是8级以上大地震的主要发生区域。俯冲大洋板块与上覆板块之间的大型逆冲断层是世界上规模最大的断层之一,上下板块之间的摩擦耦合不断积累着巨大的应变能,到达足够程度后发生错动可触发高达9级的板间地震,可造成灾难性的破坏。因此,板间大地震的产生规律一直是社会公众和科学界关注的焦点问题。 大洋板块水合/脱水是地球进行水循环的关键途径,也是造成俯冲带异质性的重要过程。海水沿断层裂隙进入大洋板块岩石圈,通过水合作用(如蛇纹石化)形成含水矿物,可造成岩石流变学性质的显著改变。同时,随着板块俯冲,大量地表水被运输到地球内部,其中大部分通过板块脱水释放到地幔中,深刻地影响着俯冲带壳幔结构与应力状态。然而,由于缺乏对板块水合/脱水程度的三维约束,上述过程能否影响俯冲带板间耦合和地震产生尚未取得较好认识。 针对这一问题,研究团队利用美国阿拉斯加前弧海底地震仪和陆地台站天然地震数据,通过地震层析成像反演获得了高精度P波速度(Vp)、S波速度(Vs)和波速比(Vp/Vs)三维结构。 研究结果表明,俯冲太平洋板块内部地震波速显示出不同程度的降低,据此,研究人员对蛇纹石化程度进行了估算,发现其水合程度沿海沟走向的显著变化。在已有约120年未发生8级以上地震的舒马金群岛,俯冲板块水合程度最高,这可能是由于洋脊处形成的化石组构近平行于海沟方向,加强了俯冲外缘隆起处弯曲断层的水合作用,生成的大量蛇纹石导致板块强度降低,板间耦合较弱,因此板块界面难以形成大地震。同时,俯冲板块水合程度由西向东减小,并且表现出不平滑的变化趋势,这与板间耦合沿海沟走向的分段变化特征,以及2020-2021年两次板间大地震的同震位移空间展布密切相关。这些现象表明该地区俯冲板块水合程度的空间变化可能影响了板间耦合和大地震破裂。 此外,在舒马金群岛和科迪亚克岛,由于上覆板块和地幔楔表现为低速、高波速比特征,同时俯冲板块内具有更频繁的地震活动,深部板块的变质脱水可能更加强烈。而脱水过程中释放的含水流体向上迁移和聚集,又促进了板块界面深部构造震颤与长周期慢滑移事件的产生。 该研究揭示了俯冲板块水合/脱水对板间耦合和孕震行为的影响,为理解俯冲带运行机制与大地震产生提供了新认识。 研究工作得到了国家自然科学基金、日本学术振兴会、广东省研究基金和中国科学院南海海洋研究所南海新星项目的联合资助。 相关论文信息:Gou, T., Xia*, S., Huang, Z., & Zhao, D., 2022. Structural heterogeneity of the Alaska-Aleutian forearc: Implications for interplate coupling and seismogenic behaviors. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127, e2022JB024621. https://doi.org/10.1029/2022JB024621