文丨神奇的瑪利亞

編輯丨神奇的瑪利亞

前言

在日本西南部觀察到來自板的大振幅反射，表明沿著俯衝洋殼的頂部形成了具有高流體含量的薄低速層。而在日本中部的伊豆碰撞帶，即小笠原火山弧一直在碰撞俯衝的地方，板狀反射具有較小的振幅，這表明在碰撞帶下面不存在這樣的低速層。

這種結構差異還得到了P波和S波速度異常的支持，並與深震和岩內地震的區域分布相關，這兩種地震都是由下行板塊內的脫水過程引起的。

板塊俯衝的機械摩擦

與板塊俯衝有關的機械摩擦是地震發生的基本機制，一些最大的地震發生在俯衝帶，那裡的應變在兩個會聚板塊之間的接觸處積累和釋放。進入的板塊主要控制著整體的俯衝過程，並且特別是板內的漸進脫水反應在板界面的地震活動中起重要作用。

從含水礦物中排出的流體所產生的高孔隙壓力，可能會影響沿板塊界面和下行板塊內部的摩擦特性。俯衝系統中的其他孕震行為包括各種類型的地震活動，如慢地震和實驗室內地震、這些與脫水相關的過程應該取決於壓力、溫度和板坯中水的分布。

菲律賓海板塊向日本下方的俯衝是一個很好的目標，有助於更好地理解俯衝帶中流體的釋放和輸送、地殼流變性和孕震過程之間的關係，精細尺度的俯衝構造和相關的地震活動已由密集的地震觀測很好地確定。

非火山性深度震顫是沿著南開俯衝帶觀察到的，菲律賓海板塊內年輕、溫暖的洋殼正在俯衝到日本西南部之下。地震研究表明其他具有不同主頻的地震活動，如短期和長期緩慢滑動、低頻地震、以及極低頻地震也發生在南開俯衝帶。

雖然非火山深震幾乎連續不斷地分布在日本西南部，但它們在日本中部的伊豆碰撞帶突然消失，與那裡的小笠原火山弧一直與覆蓋板塊碰撞。中等深度地震顯示了類似的模式，這是由於這些地震活動的分區模式可能與板塊內的變質脫水過程有關。

與南開俯衝帶不同，伊豆碰撞帶下面的俯衝菲律賓海板塊釋放的水很少，但這種地震成因模式相對應的結構差異卻沒有得到很好的記錄，需要進一步的證據來理解與菲律賓海板塊俯衝相關的區域地震構造。

菲律賓海板塊的結構

小笠原島弧是位於日本南部的洋內火山弧，自太平洋板塊在開始俯衝以來，它就在菲律賓海板塊的東側形成了。小笠原島弧在30Ma時開始從九州-帛琉洋脊分離，隨後的弧後擴張形成了深盆，稱為四國盆地和更靠南的帕里斯韋拉盆地。

菲律賓海板塊的構造框架也可以從海底測深學的角度來理解，目前的海底地形或相應的地殼總厚度存在顯著的沿海溝變化，四國海盆的特點是海深。在盆地之下，年輕的洋殼厚度為5-10km，具有典型的地震構造。

與菲律賓海板塊相比，小笠原島弧的海底深度較淺，地殼厚度為20-35公里，並且具有由三個主要地殼層組成的成分不同的地殼，波速<6.0km/s的上火山層、波速的中地殼和波速的下地殼。

俯衝結構的順傾變化及其與地震孕育過程的關係在東海地區得到了很好的記錄，菲律賓海板塊通過駿河槽俯衝，震級為8的大逆沖地震以大約150年的間隔反覆發生。在從同震帶向更深的無震帶的過渡區域，發現發生了深震和短期及長期緩慢滑動。

使用主動震源地震數據後，在板塊邊界發現了一個高反射區。將該反射帶與慢滑動的分布相關聯，表明來自板內含水礦物的高壓流體有效地擴展了穩定滑動的區域，並因此產生了慢滑動，在四國地區下方也觀察到了同震區更深處類似的高反射部分。

而對俯衝在伊豆碰撞帶之下的小笠原島弧的結構和物理性質知之甚少，地殼塊體來自小笠原島弧在碰撞過程中被擠壓到本州島弧上，同時地殼下部一直俯衝到地幔中。

伊豆碰撞帶下方的俯衝構造

通過使用濾波提高信噪比來識別板狀反射，可以觀察到的反射比初至波具有更小的振幅。中地殼的地震速度從6.2到6.4千米/s增加到下地殼的7.1到7.2千米/s。假設反射體下方的速度越來越低，俯衝部分的速度不確定性小於1.0km/s。

儘管這一誤差範圍不能完全排除低速層本身的可能性，但估計的最小值仍然高於其他俯衝帶的報告值，並可以用小笠原島弧中下地殼岩性來解釋。

與東部剖面的情況一樣，板塊反射的振幅甚至小於初至波。一個沒有低速層的速度模型其中假設覆蓋板塊的波速為6.4-6.9km/s，俯衝部分的波速等於7.0-7.1km/s，成功地再現了與觀測數據一致的弱反射。

另一方面來自具有薄低速層的速度模型的合成地震圖顯示振幅明顯大於初至波的反射，這與觀察結果相矛盾。低速層5.5公里的假設速度仍然高於南開俯衝帶的建議速度。

在東部和西部剖面的其他多次發射中也觀察到了類似的弱反射，因此像南開俯衝帶那樣的高含水量低速層的存在，在伊豆碰撞帶就不太可能了。

在西部剖面中，首選的速度模型與岩石學研究的解釋一致。伊豆碰撞帶的一個顯著地質特徵是出露在地表的侵入花崗岩。以中新世坦澤深成雜岩，以英雲閃長岩和少量輝長岩為特徵，出露於坦澤山脈中央。

由花崗岩和英雲閃長岩組成的甲府花崗質雜岩，產於伊豆碰撞帶的西北部。這些花崗岩與伊豆-小笠原島弧的碰撞俯衝同時形成。在俯衝過程中，小笠原島弧的中地殼部分熔融，並在本州島弧下方的亞莫霍面產生了一個岩漿體，長英質岩漿由此上升侵入本州島弧和潭澤地塊，分別形成甲府花崗質雜岩和潭澤深成雜岩。

含有緻密鎂鐵質岩石成分的下地殼一直下降到地幔深處而沒有被增生。因此在速度模型中，波速=6.7-6.9km/s的覆蓋地殼可能對應於小笠原島弧的中地殼，該中地殼通過構造岩漿底侵作用增生到本州島弧地殼的底部，波速=7.0-7.1km/s的俯衝部分對應於小笠原島弧的下地殼。

低振幅反射的一個可能的替代方法是地震衰減的強烈影響，模型具有波速=5.5km/s的低速層，其中也考慮了地震衰減。為了研究地震衰減的最有效情況，使用了由具有極低衰減的上部部分和具有極高衰減的下部部分組成的模型，其中只有來自板的反射波傳播。

折射的初至波傳播通過一個沒有任何地震衰減效應的區域，而反射波在通過模型的下部時經歷了顯著的衰減效應。地震衰減會導致反射波振幅略微減小，但其影響不足以產生觀測振幅，因此平板上的小阻抗差異可能是小振幅反射的主要原因。

其他地球物理證據

地震活動的空間分布是另一個有用的工具，可以用來確定伊豆碰撞帶俯衝結構的性質。區域位於1923年發生的7.9級關東大地震震源區的西側，也處於俯衝的菲律賓海板塊和上覆地殼之間的板塊邊界。

受主動震源數據約束的深反射體出現在關東地震震源斷層的更深處，這個巧合支持了對反射體是板塊邊界的解釋，而不是簡單的中地殼反射體。雖然反射率的空間模式與南開俯衝帶相似，但無震區的反射程度卻明顯不同。

從震源機制也可以獲得對孕震過程的另一種認識，強烈的地震活動發生在坦澤山脈之下，這些事件的最大壓縮軸在西北-東南方向，這與菲律賓海板塊目前的運動是一致的。

由脫水反應誘發的地震活動通常表現為一種正常的斷層型機制，這是由於體積減小引起的張應力場所致。但坦澤山下的大多數事件是逆斷層、走滑或兩者的結合，在極少數事件中才能觀察到正斷層機制。

許多層析成像研究成功地對俯衝的菲律賓海板塊的地震結構，進行了成像。結果結果顯示南海俯衝帶的洋殼形成了一個低P波和S波速度以及高波速比值的區域，這表明沿著板塊界面的板塊內有高含水量。

伊豆碰撞帶下方的俯衝部分被成像為「高」速度異常，這是因為具有鎂鐵質成分的小笠原島弧下地殼活上地幔物質。局部層析成像研究表明，在坦澤山脈下方的地震發生帶看不到任何速度降低，波速比值的中間值與輝長岩在乾燥條件下的值一致。

電阻率研究伊豆碰撞帶和南開俯衝帶之間類似的結構差異，在南開俯衝帶，在俯衝的菲律賓海板塊上方和沿著俯衝的菲律賓海板塊成像了一個高導電帶，在那裡深低頻震動反覆發生。

伊豆碰撞帶的特點是高電阻率，坦澤山脈下方的地震發生帶與富士山下方的高導電性岩漿體分離開來，這排除了坦澤山下的地震活動與脫水過程或火山活動有關的可能性。

結論

在南開俯衝帶，洋殼和上地幔因洋中脊的熱液循環和外隆的海水流入而富含水，並在俯衝時釋放流體。小笠原島弧地殼消耗了大量用於熔融生產的含水礦物，並在俯衝之前變質為更穩定的無水形式，導致碰撞帶下方發生不活躍的脫水反應，這種系統差異可能是與菲律賓海板塊俯衝有關的地震活動變化的主要原因。

參考文獻

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