陳棋福， 王新， 姜金鐘， 李天覺(jué)

1 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 中國(guó)科學(xué)院地球和行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 2 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 黑龍江漠河地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站， 北京 100029 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球和行星科學(xué)學(xué)院， 北京 100049 4 云南省地震局， 昆明 650224 5 新加坡南洋理工大學(xué)數(shù)理科學(xué)院， 新加坡 637371

0 引言

板塊俯沖是地球上最宏大、最復(fù)雜的地質(zhì)過(guò)程之一，是理解地球內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)和能量交換、大陸巖石圈演化、地震和火山活動(dòng)及礦產(chǎn)資源分布等的重要環(huán)節(jié).俯沖帶的研究一直是地球科學(xué)領(lǐng)域的前沿、熱點(diǎn)和難點(diǎn)(Rosen，2016；https:∥www.sz4d.org/).在板塊俯沖過(guò)程中，俯沖板片將冷的、不同組分的物質(zhì)(如地表沉積物、玄武質(zhì)洋殼、水和碳等)帶入地幔，與周?chē)蒯Ｏ嗷プ饔?，在二者邊界上發(fā)生強(qiáng)烈且復(fù)雜的熱化學(xué)交換.俯沖板片的精細(xì)探測(cè)成像是認(rèn)識(shí)與理解板片幾何形態(tài)、組分結(jié)構(gòu)、深部水循環(huán)、地幔熔融等地球深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程和深源地震成因機(jī)制的關(guān)鍵.近些年來(lái)，淺部俯沖板片結(jié)構(gòu)的探測(cè)成像已取得了較大進(jìn)展(如Kawakatsu and Watada，2007；Kawakatsu et al., 2009；Stern et al., 2015；Zhao, 2017; Gou et al., 2018)，但對(duì)俯沖板片深部精細(xì)形態(tài)和結(jié)構(gòu)的探測(cè)研究仍較缺乏(Wang et al. 2020)，難以完整地認(rèn)識(shí)板塊俯沖過(guò)程.

位于太平洋板塊西北俯沖的弧后地區(qū)的中國(guó)東北是深源地震多發(fā)區(qū)，是世界僅有的2個(gè)在大陸內(nèi)部發(fā)生較多震源深度大于300 km的深震地區(qū)之一，是研究板塊深俯沖及深源地震機(jī)制的最佳天然實(shí)驗(yàn)場(chǎng).從國(guó)際地震中心(ISC，http:∥www.isc.ac.uk)匯集全球資料測(cè)定的1964—2016年基本完備的4.0級(jí)以上地震分布圖1可見(jiàn)：中國(guó)東北一帶的深源地震活動(dòng)可以從近600 km的深度向上和向東接續(xù)至日本海溝附近的淺源地震，十分明顯地展現(xiàn)出太平洋板塊向歐亞大陸板塊底部俯沖插入到中國(guó)東北大陸下方約600 km深度處至吉林琿春附近.地震層析成像結(jié)果(如Huang and Zhao, 2006；Obayashi et al., 2013；Wei et al., 2015；Chen et al., 2017；Ma et al., 2018；Tao et al., 2018)很好地揭示了太平洋板塊俯沖并滯留在地幔過(guò)渡帶的主要特征，但因成像的空間分辨率有限，目前學(xué)界對(duì)西北太平洋俯沖板片精細(xì)形態(tài)及是否穿透660 km間斷面進(jìn)而深入到下地幔等問(wèn)題(Li and Yuan, 2003)，在認(rèn)識(shí)上存在明顯差異.此外，由于相對(duì)稀疏地震觀測(cè)臺(tái)站導(dǎo)致的深源地震定位精度有限等問(wèn)題，使得我們難以回答俯沖滯留板片轉(zhuǎn)彎處是否存在深震活動(dòng)(如2002年吉林汪清7.2級(jí)深震)的疑問(wèn)，進(jìn)而影響了對(duì)深震成因機(jī)制的深入探討.地震探測(cè)是獲知地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的最重要手段之一，本文故而匯集了近年來(lái)地震學(xué)的多種探測(cè)研究進(jìn)展，如深部俯沖板片形態(tài)精細(xì)勾勒、俯沖系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)以及深源地震精定位等，對(duì)西北太平洋俯沖帶及其深震活動(dòng)進(jìn)行分析討論.

圖1 日本海溝至中國(guó)東北的4級(jí)以上地震分布(據(jù)國(guó)際地震中心1964—2016年目錄)以震源深度標(biāo)度(右下)的震中分布圖(a)和黃線所示剖面兩側(cè)300 km范圍內(nèi)的地震深度分布圖(b).圖中3個(gè)白中帶紅和灰的圓球分別為2002年6月29日吉林汪清7.2級(jí)深震、2011年5月10日中俄邊界6.1級(jí)深震和2011年3月11日日本東北近海9.0級(jí)淺源地震的gCMT震源機(jī)制解，地震發(fā)生地點(diǎn)用藍(lán)色星號(hào)標(biāo)示.(a)中的藍(lán)色和黑色帶箭頭線分別表示GPS觀測(cè)到的2011年日本東北近海9.0級(jí)地震導(dǎo)致同震地表位移大小和方向(據(jù)Ozawa et al., 2011；王敏等, 2011)，紫色帶箭頭線代表9.0級(jí)地震后120天觀測(cè)到的持續(xù)位移量(據(jù)Shestakov et al., 2012).(a)中的白線和藍(lán)色數(shù)字表示Slab1.0(Hayes et al., 2012)給出的太平洋俯沖板片深度(km)，右下角白色箭頭表示板塊間相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向(據(jù)NNR-MORVEL56，Argus et al.，2011).Fig.1 The distribution of earthquakes with M≥4.0 in 1964—2016 (International Seismological Centre catalogue) from the Japan Trench to Northeast China(a)The distribution of epicenters with different focal depth scale shown in lower right. (b) The depth profile of earthquakes within 300 km along the yellow line shown in (a). The beach balls with red or gray fillings are the gCMT solutions of the M 7.2 deep earthquake on June 29, 2002, the M6.1 deep earthquake on May 10, 2011 and the Tohoku-oki M9.0 shallow earthquake on March 11, 2011 linked with their epicenters (blue stars), respectively. The blue and black arrow lines indicate the GPS co-seismic displacement (Ozawa et al., 2011; Wang et al., 2011), and the purple arrow line indicates the 120-day post-seismic displacement (Shestakov et al., 2012) of the 2011 Tohoku-oki M9.0 earthquake. The white curves show the Pacific subducting slab geometry from Slab1.0 (Hayes et al., 2012). The white arrow indicates relative plate motion direction from NNR-MORVEL56 model (Argus et al., 2011).

1 西北太平洋俯沖板片的精細(xì)形態(tài)

對(duì)俯沖板片結(jié)構(gòu)及其形態(tài)的研究有助于我們厘定俯沖過(guò)程所涉及的空間范圍.關(guān)于西北太平洋俯沖板片的形態(tài)勾勒方面，在西北太平洋俯沖板片的淺部(<200 km)，地震探測(cè)已揭示出明顯的上、下界面(Kawakatsu and Watada，2007；Kawakatsu et al., 2009)，即俯沖板片與周?chē)蒯Ｎ镔|(zhì)存在顯著的地震波速度不連續(xù)面.在俯沖板片的上界面，板片大量脫水，與超鎂鐵質(zhì)地幔巖反應(yīng)形成含水礦物(如蛇紋石)，顯著增強(qiáng)了俯沖板片與上覆地幔楔之間的速度對(duì)比，從而形成地震學(xué)中觀測(cè)到的地震不連續(xù)面(Kawakatsu and Watada，2007).盡管大多數(shù)水會(huì)在150～200 km的深度從俯沖洋殼中釋放出來(lái)，但在冷的俯沖環(huán)境下，水還可以通過(guò)儲(chǔ)存在硬柱石(lawsonite)和高密度含水鎂硅酸鹽(Dense Hydrous Magnesium Silicates)等礦物或者以含羥基(OH)的名義無(wú)水礦物(Nominally Anhydrous Minerals)形式進(jìn)入到地幔更深處(Iwamori，2007；鄭永飛等，2016).俯沖板片的下部界面，即大洋巖石圈與下伏軟流圈之間的邊界，也可能表現(xiàn)為明顯的地震波速度不連續(xù)面(Kawakatsu et al., 2009；Stern et al.， 2015).例如，Kawakatsu 等(2009)在日本島下方就觀測(cè)到了延伸至200 km深度的西北太平洋俯沖板片的下界面.然而200 km以下的俯沖板片界面仍沒(méi)有較好地刻畫(huà)，西北太平洋俯沖板片的深部界面是否同它在淺部那樣清晰最近才有了明確的結(jié)論(Wang et al., 2020).

就西北太平洋俯沖板片的深部界面問(wèn)題，Wang等(2020)利用布設(shè)在中國(guó)東北地區(qū)的NECsaids和NECESSArray密集流動(dòng)地震臺(tái)陣及中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)(CSN)固定臺(tái)的多年觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)共轉(zhuǎn)換點(diǎn)(CCP)疊加成像方法(Zhu, 2000)進(jìn)行了探測(cè)研究.圖2a左下方展示了近垂直于俯沖板片走向的近東西向CCP疊加成像剖面及Tao等(2018)的全波形層析成像結(jié)果，圖中CCP成像結(jié)果的紅色正振幅和藍(lán)色負(fù)振幅分別代表地震波速?gòu)臏\到深的低速到高速和高速到低速的跳變.在CCP成像結(jié)果中除了可清晰看到410-km和660-km間斷面外，在地幔過(guò)渡帶內(nèi)還可觀察到與410-km和660-km間斷面振幅強(qiáng)度相當(dāng)?shù)牧硗?個(gè)明顯界面X1和X2，分別對(duì)應(yīng)于低速到高速和高速到低速的跳變.正振幅的X1位于520 km深度附近，在480 km到530 km深度間變化；負(fù)振幅的X2位于630 km深度附近，在530 km到640 km深度間變化；所觀測(cè)到的X1和X2界面大致平行，在E130°處傾斜約25°，然后向西展平(圖2a).基于bootstrapping重采樣方法的多頻段CCP疊加成像置信水平分析及正演測(cè)試表明：界面X1和X2的觀測(cè)信號(hào)是確切無(wú)疑的，并非是數(shù)據(jù)處理中的旁瓣效應(yīng)或淺部沉積層、Moho面或巖石圈-軟流圈分界面導(dǎo)致的多次波效應(yīng).大致平行的界面X1和X2與新近全波形層析成像(Tao et al.，2018)所描繪的西北太平洋俯沖板片高速體的上下邊界相當(dāng)一致，由ISC精定位的EHB地震目錄刻畫(huà)的深震活動(dòng)也位于界面X1和X2之間(圖2a)，故Wang等(2020)分析認(rèn)為X1和X2分別代表俯沖的太平洋板片高速體的上界面和下界面(圖2).

圖2 地幔過(guò)渡帶中觀測(cè)到明顯的俯沖板片上、下界面與層狀結(jié)構(gòu)圖(Wang et al., 2020)(a) 左下方展示的是接收函數(shù)共轉(zhuǎn)換點(diǎn)疊加剖面(大致沿N41.5°)，其中紅色和藍(lán)色分別代表從淺到深的低速到高速和高速到低速的跳變，其在地幔過(guò)渡帶中觀測(cè)到明顯的俯沖板片高速體的上、下界面分別用X1、X2標(biāo)示.背景圖為全波形層析成像(Tao et al., 2018)的VS結(jié)果，圖中的灰色圓點(diǎn)為所示剖面兩側(cè)100 km內(nèi)的地震(ISC-EHB目錄；Weston et al., 2018). (b) 地幔過(guò)渡帶中觀測(cè)的俯沖板片界面和早期觀測(cè)結(jié)果的概念性解譯.Fig.2 Observations show that the slab interfaces can persist to mantle transition zone (MTZ) depths and a compositionally layered slab from Wang et al. (2020)(a) Receiver function common conversion point stacking images within the MTZ show in bottom left. The negative (red) and positive (blue) amplitudes marked with X1 and X2 correspond to velocity increasing and decreasing with depth, respectively, representing the upper and lower interfaces of the subducting high-velocity slab. The background is seismic full-waveform tomographic image of VS(Tao et al., 2018). The gray dots show the seismicity (ISC-EHB catalog; Weston et al., 2018) within 100 km along the profile. (b) A conceptual cartoon summarizing our interpretations and earlier observations on the MTZ.

Wang等(2020)進(jìn)一步以一維的IASP91速度模型(Kennett and Engdahl, 1991)為基礎(chǔ)，嘗試在410-km和660-km間斷面間加入不同梯度變化的高速異常體，以探究多大的波速異常才可以與實(shí)際觀測(cè)相吻合.通過(guò)多頻段接收函數(shù)波形模擬，表明至少要有4%～6% 的S波速度異常，才可以在地幔過(guò)渡帶中觀測(cè)到與CCP成像結(jié)果中同樣明顯的X1和X2振幅變化.

對(duì)X1這個(gè)界面的可能成因，基于現(xiàn)今的研究認(rèn)識(shí)，首先應(yīng)該確定是否為地震學(xué)研究中普遍觀測(cè)到的520-km間斷面(Shearer, 1990; Revenaugh and Jordan, 1991; Shearer, 1996; Deuss and Woodhouse, 2001；Ai et al., 2003; Li and Yuan, 2003; Tian et al., 2016)，即是否由瓦茲利石-林伍德石相變(Shearer, 1990; Deuss and Woodhouse, 2001)或鈣鈦礦出溶(Saikia et al. 2008)引起.但鑒于前人地震學(xué)中觀測(cè)到的520-km間斷面的地震波波阻抗變化較小(Sinogeikin et al., 2003)，且?guī)r石高溫高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果和第一性原理計(jì)算結(jié)果(Sinogeikin et al., 2003; Valdez et al., 2012)都不足以解釋觀測(cè)到的X1界面至少有4%～6%的S波速度跳變變化，因而排除了這一可能的因素.其次要考慮的是俯沖板片的熱梯度因素；將典型的西北太平洋俯沖板片熱力學(xué)結(jié)構(gòu)(Yang et al., 2018)轉(zhuǎn)換為地震波速度異常后計(jì)算的理論接收函數(shù)與觀測(cè)得到的CCP成像結(jié)果也不相符，表明俯沖板片所攜帶的熱梯度異常也不是產(chǎn)生觀測(cè)到的X1界面的主要原因.最后要考慮的是俯沖板片的巖性組分差異，結(jié)合巖石高溫高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果(Ringwood and Irifune，1988；Gréaux et al., 2019)，Wang 等(2020)分析認(rèn)為所觀測(cè)到的X1界面反映的是俯沖板片的巖性組分差異，可能與俯沖板片的Moho面(洋殼、洋幔界面)相關(guān).

對(duì)觀測(cè)到的X2界面的可能成因，Wang 等(2020)分別對(duì)已有認(rèn)識(shí)中可能相關(guān)的俯沖板片熱梯度、再循環(huán)的俯沖洋殼、俯沖板片的巖性組分、俯沖板片下固結(jié)的玄武巖、俯沖板片下的部分熔融等5種因素進(jìn)行了分析探討，并結(jié)合巖石高溫高壓實(shí)驗(yàn)和地球動(dòng)力學(xué)研究與地球物理觀測(cè)研究等結(jié)果，認(rèn)為在地幔過(guò)渡帶含水情況下，俯沖板片下側(cè)軟流圈的部分熔融導(dǎo)致板片的下界面清晰可辨(圖2b).

Wang等(2020)較以往研究更加深入地幔，在約410～660 km深的地幔過(guò)渡帶內(nèi)觀測(cè)到了明顯的俯沖板片界面，揭示了俯沖板片的層狀組分結(jié)構(gòu)和板片下側(cè)的高含水量(Wang et al., 2020).基于Wang 等(2020)的深俯沖界面精細(xì)成像結(jié)果，我們可以進(jìn)一步得出：(1)西北太平洋俯沖板片并未穿透660-km間斷面進(jìn)入到下地幔，而是在與660-km間斷面相交部位表現(xiàn)為30～50 km的大幅度下沉；(2)俯沖插入中國(guó)東北下方的太平洋俯沖板片在N40°—N48°之間是十分清晰的，這一明顯可見(jiàn)的展布范圍與圖1a所示的深震分布范圍大體相當(dāng)，這應(yīng)該是西北太平洋板塊俯沖動(dòng)力作用的最直接體現(xiàn).從Zhang等(2016)給出的N37°、N39°和N49°接收函數(shù)疊加圖像可見(jiàn)，俯沖插入中國(guó)東北下方的西北太平洋俯沖板片的展布似乎在N37°—N49°范圍內(nèi)都有跡可循.但因受限于所使用的地震觀測(cè)臺(tái)站分布范圍和稀疏程度及可用的遠(yuǎn)震觀測(cè)資料數(shù)量，即在研究區(qū)東部的俄羅斯遠(yuǎn)東濱海邊疆區(qū)和日本海內(nèi)缺乏地震觀測(cè)臺(tái)站，以及在N49°以北的地震觀測(cè)臺(tái)站相對(duì)偏少，尚無(wú)法追蹤獲取西北太平洋俯沖板片在日本海下方及N49°以北的精細(xì)界面形態(tài)并圈定其具體的展布范圍.

2 西北太平洋俯沖帶的應(yīng)力狀態(tài)

全波形層析成像和接收函數(shù)研究均表明西北太平洋俯沖板片以接近30°的角度俯沖進(jìn)入地幔過(guò)渡帶中，在上地幔中并未發(fā)生顯著彎曲和變形(圖2).西北太平洋俯沖帶由淺到深作為一個(gè)整體并未發(fā)生顯著變形，也體現(xiàn)在俯沖帶內(nèi)地震所揭示的主壓應(yīng)力軸狀態(tài)穩(wěn)定且一致性非常好，均同板片俯沖方向一致(李天覺(jué)和陳棋福，2019).圖3是基于gCMT(http:∥www.globalcmt.org/CMTsearch.html)給出的1976年11月—2017年1月間發(fā)生的1196個(gè)MW>4.6地震矩心矩張量解，采用Hardebeck和Michael(2006)提出的區(qū)域阻尼應(yīng)力場(chǎng)反演算法(Spatial and Temporal Stress Inversion，SATSI)，通過(guò)分區(qū)反演得出的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分布圖(李天覺(jué)和陳棋福，2019).

由圖3可見(jiàn)：在俯沖帶淺部的陸殼一側(cè)，遠(yuǎn)離海溝(～500 km處)的弧后區(qū)存在有水平方向擠壓、垂直方向拉張的應(yīng)力分布.在島弧部位，除來(lái)自海溝方向的板片推擠作用外，俯沖板片脫水發(fā)生部分熔融，進(jìn)而底辟上升形成的熱物質(zhì)上升推力(Uyeda，1992；Hasegawa et al.，1994，2005；Stern，2002)也作用于此，兩者的共同作用或造成了該部位應(yīng)力主軸發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；此外，毗鄰日本本州地區(qū)的太平洋沿岸時(shí)常發(fā)生的大地震事件(如2011年日本東北近海9.0級(jí)大地震)，也會(huì)對(duì)島弧區(qū)產(chǎn)生短期的應(yīng)力擾動(dòng).而俯沖帶東部位于海溝之外的淺部大洋板片內(nèi)，應(yīng)力環(huán)境則相反，這里因前端板片俯沖下行的拖拽作用(slab pull)而發(fā)生小幅度彎曲，總體處于近水平向拉伸環(huán)境，擠壓作用近垂向分布.從海溝起大洋板片進(jìn)入低傾角俯沖，因這里的俯沖板片彎曲作用(bending)顯著，拉張應(yīng)力指向板片俯沖方向，而其傾角相比于俯沖板片輪廓卻更為陡傾.

圖3 西北太平洋俯沖帶日本海溝至中國(guó)東北段應(yīng)力場(chǎng)反演所得主應(yīng)力的空間圖樣(a和b)及應(yīng)力模式(c)(據(jù)李天覺(jué)和陳棋福(2019)修改)(a)、(b)歸入各應(yīng)力分區(qū)內(nèi)的地震事件以對(duì)應(yīng)顏色的圓圈表示，沒(méi)有參與應(yīng)力分區(qū)反演的事件以黑色圓圈表示，地震事件的空間范圍及其投影剖面的位置見(jiàn)圖1a的黑色矩形框和紅線；圖中所示的主應(yīng)力空間圖樣為沿俯沖帶走向視角，主應(yīng)力空間圖樣中的紅色代表壓縮應(yīng)力狀態(tài)， 藍(lán)色代表拉張應(yīng)力狀態(tài). (b)圖為(a)圖中虛線所圈部分的放大. (c)中箭頭表示各區(qū)域內(nèi)應(yīng)力主軸的方位， 120 km深度附近的兩斜直線示意雙地震帶位置， 與右上圓相連的曲線示意板片內(nèi)彎折處； 其中俯沖帶的120 km以上部分進(jìn)行了垂向放大， 而120 km以下部分進(jìn)行了橫向縮小.Fig.3 The spatial distribution of principal stress (a and b) and the corresponding stress regime conceptual model (c) from the Japan Trench to Northeast China in the Northwest Pacific subduction zone (modified from Li and Chen, 2019)(a) Events used in each sub-region have been shown using the corresponding color circles, and events which aren′t used in stress inversion are plotted as black circles. The region of those events and its projected profile are shown in the black rectangle and the red line in Fig.1a respectively. The pattern of principal stress spatial distribution shown here has been rotated to the strike of the subducting slab. Red color in the principal stress regime represents the compressional stress state, whereas blue color corresponds to the tensional stress state. (b) Partially enlarged view outlined by dashed line in (a). (c) Arrows represent the direction of principal stress. The 2 oblique lines around 120 km depth represent the location of double seismic zone, while the curve linked with the top-right circle indicates the inner fold hinge zone. The subduction zone is amplified vertically above 120 km and compressed horizontally below to show stress regimes.

在板片傾斜俯沖形態(tài)確立的部位，存在三處情形復(fù)雜的區(qū)域：洋陸俯沖交匯處的地幔楔、俯沖板片內(nèi)彎折處的大洋巖石圈地幔及兩者之間的板片陡傾俯沖段.地幔楔處的應(yīng)力主軸方位集中，應(yīng)力模式與島弧部位的情形一致.俯沖板片內(nèi)彎折區(qū)域，從平面上看主壓應(yīng)力軸平行于板片俯沖方向，拉張應(yīng)力轉(zhuǎn)向了海溝延伸方向.洋陸俯沖交匯區(qū)與板片內(nèi)彎折區(qū)之間的板片陡傾俯沖段，主張應(yīng)力軸基本沿板片俯沖方向展布，但展現(xiàn)出較俯沖板片輪廓更為陡傾的狀態(tài)，與板片低傾角俯沖段內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)情景相似，兩者成因或許一致.

在俯沖板片存在有雙地震帶活動(dòng)的部位(深度120 km附近區(qū)域)，反演結(jié)果表明靠近俯沖板片表面的主壓應(yīng)力軸沿俯沖板片輪廓延伸，而其下方的主張應(yīng)力軸則與俯沖板片輪廓近平行，這與典型的Ⅰ型雙地震帶應(yīng)力模式(Hasegawa et al., 1979，1994；張克亮和魏東平，2008, 2011；Kita et al.，2010)相符，即上層沿俯沖板片輪廓壓縮(Down-Dip Compression，DDC)和下層沿俯沖板片輪廓拉張(Down-Dip Tension, DDT)的狀態(tài).考慮到板片內(nèi)彎折區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)與雙地震帶下層DDT應(yīng)力模式的相似性及其所處的位置，俯沖板片內(nèi)彎折區(qū)域發(fā)生的地震極有可能也位于雙地震帶內(nèi)(Hasegawa et al.,1979，1994；Kita et al.，2010).而俯沖板片更深處的應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)為DDC為主的狀態(tài)，與俯沖下行的板片受到深部地幔物質(zhì)阻擋進(jìn)而內(nèi)部產(chǎn)生壓縮(Isacks and Molnar, 1971；Forsyth and Uyeda, 1975)的情形相符.

通觀整個(gè)西北太平洋俯沖系統(tǒng)，水平面內(nèi)主壓、主張應(yīng)力軸基本保持了與西北太平洋板片俯沖方向上的一致，同經(jīng)典的俯沖板片應(yīng)力導(dǎo)管(stress guide)模型(Isacks and Molnar, 1971；Christova，2004)預(yù)言的俯沖帶應(yīng)力模式相符.其主壓應(yīng)力軸狀態(tài)穩(wěn)定、一致性非常好，均同板片俯沖方向及形態(tài)一致(圖3).而主張應(yīng)力軸在位于俯沖板片表面下方的下層地震帶(俯沖板片內(nèi)彎折處、大洋巖石圈地幔和120 km深度附近的雙地震帶下層)及更深處，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)向海溝延伸方向的趨勢(shì)，表明張應(yīng)力狀態(tài)于俯沖板片內(nèi)部較為“敏感”，易遭受橫向作用的改造.這種橫向作用除了板片內(nèi)彎折段可能存在的物質(zhì)側(cè)向擠出作用外，該區(qū)域橫跨的日本海溝與千島海溝結(jié)合帶(Kimura，1986；DeMets，1992)出現(xiàn)的淺部海溝形態(tài)改變亦可能造成俯沖板片下部的橫向變形(Isacks and Molnar, 1971).

正是由于西北太平洋俯沖板片的整體一致的應(yīng)力作用，2011年3月11日在俯沖板片上部發(fā)生的日本東北近海9.0級(jí)大地震造成了圖1所示的東北亞地區(qū)大范圍的GPS南東東向同震水平位移(Ozawa et al., 2011；王敏等, 2011)和震后持續(xù)的水平滑移(Ozawa et al., 2011；Shestakov et al.，2012).而在2011年日本東北近海9.0級(jí)地震發(fā)生60天后，5月10日在中國(guó)東北中俄邊界發(fā)生了具有顯著非雙力偶(DC)成分的深震活動(dòng)(參見(jiàn)圖1).李圣強(qiáng)等(2013)的研究表明：2011年5月10日發(fā)生的具有非同尋常震源機(jī)制的深震活動(dòng)與日本東北近海9.0級(jí)地震相關(guān)，屬于西北太平洋俯沖動(dòng)力作用的明顯體現(xiàn)，即在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)沒(méi)有明顯改變的情況下，由于日本東北近海9.0級(jí)地震造成南東東向拉張應(yīng)力的擾動(dòng)變化，致使俯沖板片深部長(zhǎng)時(shí)段積累的應(yīng)變能幾乎同時(shí)釋放發(fā)生了2個(gè)有著不同DC破裂機(jī)制的深震，從而展現(xiàn)出具有顯著的非DC成分的震源機(jī)制結(jié)果.2011年日本東北近海9.0級(jí)地震后的GPS觀測(cè)結(jié)果和2011年5月10日的中國(guó)東北中俄邊界深震活動(dòng)，很好地體現(xiàn)了西北太平洋板塊俯沖的動(dòng)力作用.

為分析2011年日本東北近海9.0級(jí)地震對(duì)中國(guó)東北地區(qū)地震活動(dòng)的影響，Yu等(2016)利用中國(guó)東北地區(qū)270個(gè)固定和流動(dòng)地震臺(tái)的波形記錄，反演得到了2009年至2013年期間中國(guó)東北地區(qū)發(fā)生的69次MW≥2.9地震的矩張量解.Yu等(2016)的分析說(shuō)明：在2011年日本東北近海MW9.0大地震前后，中國(guó)東北地區(qū)斷層的地震活動(dòng)率存在明顯的變化，雖然整個(gè)地區(qū)的地震矩率保持大致不變；在2011年日本東北近海9.0級(jí)地震之前，中國(guó)東北地區(qū)地殼內(nèi)發(fā)生的淺源地震震源機(jī)制的主壓應(yīng)力P軸分布較為廣泛，雖在一定程度上體現(xiàn)出受控于近E-W向的西北太平洋板塊俯沖應(yīng)力作用，但可能主要反映了不同的局部應(yīng)力狀態(tài)，而日本東北近海9.0級(jí)地震之后的東北地區(qū)淺源地震的震源機(jī)制解則聚集為2組，即具有E-W向壓縮的走滑事件和具有N-S向擴(kuò)張的正斷層事件.Yu等(2016)的應(yīng)力場(chǎng)反演表明：中國(guó)東北地區(qū)斷層地震活動(dòng)率和震源機(jī)制的變化是因日本東北近海9.0級(jí)地震引發(fā)的區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整而致，這也為計(jì)算得到的斷層靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化(Yu et al.，2016；Shao et al., 2016)所證實(shí).

GPS觀測(cè)研究表明(王敏等, 2011；Shao et al., 2016；Zhao et al., 2018；Wang and Shen, 2020；郝明和莊文泉，2020)，2011年日本東北近海9.0級(jí)地震明顯改變了東北亞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，該地震在中國(guó)東北及周邊地區(qū)造成的與板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反的E向同震位移達(dá)10～40 mm(參見(jiàn)圖1)，且產(chǎn)生了顯著的震后形變(Shao et al., 2016；Zhao et al., 2018；郝明和莊文泉，2020)，震后的E向位移隨時(shí)間呈明顯的衰減趨勢(shì)(Shao et al., 2016；郝明和莊文泉，2020).對(duì)截至2015年9月可用的GPS連續(xù)觀測(cè)資料開(kāi)展的遠(yuǎn)場(chǎng)震后形變機(jī)制研究(Zhao et al., 2018)表明：日本東北近海9.0級(jí)地震在中國(guó)東北及周邊地區(qū)引起的震后余滑效應(yīng)和地幔黏滯性松弛效應(yīng)，在震后2.5 年左右已大體相當(dāng)，震后4.5年GPS觀測(cè)得到的地表位移變化基本都是由黏滯性松弛效應(yīng)所造成.王麗鳳等(2013)依據(jù)震后蠕滑模型和震后1年的GPS觀測(cè)進(jìn)行外推，認(rèn)為日本東北近海9.0級(jí)地震對(duì)中國(guó)東北部的東端有長(zhǎng)時(shí)間影響，對(duì)中國(guó)顯著地震帶之一的郯城—營(yíng)口地震帶以及長(zhǎng)白山火山的拉張作用可能長(zhǎng)達(dá)幾十年.而郝明和莊文泉(2020)利用1999—2017年GPS觀測(cè)資料的分析則認(rèn)為：2011年日本東北近海9.0級(jí)地震對(duì)中國(guó)東北和山東半島的震后松弛變形的時(shí)間為1～11年.關(guān)于2011年日本東北近海9.0級(jí)地震對(duì)中國(guó)東北影響的持續(xù)時(shí)間問(wèn)題，還有待于今后的觀測(cè)研究.

3 中國(guó)東北深震的成因機(jī)制

盡管有研究依據(jù)表明2011年5月10日的中國(guó)東北深震活動(dòng)屬于西北太平洋板塊動(dòng)力作用的直接體現(xiàn)(李圣強(qiáng)等，2013)，且?guī)r石高溫高壓實(shí)驗(yàn)和地球物理觀測(cè)研究也表明：深源地震的發(fā)生與板塊深俯沖活動(dòng)及其相伴生的體系密切相關(guān)(Wiens et al., 1994; 干微等，2012; Houston, 2015)，但有關(guān)深震的成因機(jī)制至今仍是個(gè)有待深入研究的問(wèn)題(Frohlich, 2006; Houston, 2015；Zhan，2020).

一般認(rèn)為地震發(fā)生在巖石產(chǎn)生脆性破裂而釋放彈性應(yīng)變能的地方，對(duì)海洋巖石圈發(fā)生的震源深度小于70 km的淺震活動(dòng)分析表明：淺震僅發(fā)生在溫度≤～700 ℃的環(huán)境下(Frohlich，2006).實(shí)驗(yàn)研究顯示：隨著溫度和壓力的增大，巖石的流變學(xué)強(qiáng)度會(huì)降低到只發(fā)生塑性流動(dòng)的程度，應(yīng)力作用的巖石失穩(wěn)由脆性破裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性蠕變(干微等，2012).考慮到地球深部的溫度和壓力條件，正常的脆性破裂或滑動(dòng)在超過(guò)60～100 km深度的情形下就變得極為困難(Frohlich，1989，2006；Green II and Houston，1995).然而，在幾乎不可能發(fā)生巖石脆性破裂的超過(guò)100 km的地球深處，存在深震活動(dòng)是無(wú)可置疑的觀測(cè)事實(shí)，因而深震的成因機(jī)制與深震活動(dòng)為何會(huì)終止在約680 km深度處仍是待解之謎(Houston，2015；Li et al., 2018；Romanowicz, 2018).

目前有關(guān)深震成因機(jī)制的假說(shuō)主要有3種(Zhan，2020)：相變斷層(Transformational Faulting)、脫水脆裂(Dehydration Embrittlement)和熱失穩(wěn)(Thermal Runaway)假說(shuō).越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)研究和巖石學(xué)、地震學(xué)觀測(cè)都傾向認(rèn)為：脫水脆裂可較好地解釋震源深度為70～300 km的中源地震成因(Romanowicz，2018；干微等，2012)，亞穩(wěn)態(tài)橄欖巖楔形區(qū)(Metastable Olivine Wedge, MOW)的相變斷層則可較好地解釋震源深度大于300 km的深源地震成因(Zhan，2020)，但已提出的各種可能機(jī)制在解釋深震成因時(shí)都存在著或多或少的不足之處，至今為止沒(méi)有單一的物理機(jī)制可以解釋所有觀測(cè)到的深震活動(dòng)的地震學(xué)特征(Houston, 2015；Zhan，2020).由于深震的發(fā)震機(jī)制、破裂過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜并且可能是動(dòng)態(tài)變化的，因此不同震源深度、不同俯沖帶和不同大小的深震發(fā)震機(jī)制也可能是不同的，甚至可能是多種機(jī)制共同作用導(dǎo)致的(Houston, 2015).在之前的中源地震和深源地震的成因假說(shuō)(例如McGuire et al., 1997；Stein and Rubie, 1999；Frohlich, 2006；Zhan et al., 2014；Zhan 2017)基礎(chǔ)上，Zhan(2020)提出了統(tǒng)合的“雙機(jī)制”成因假說(shuō)：由脫水脆裂(對(duì)中源地震)或相變斷層(對(duì)深源地震)引發(fā)深震開(kāi)始破裂活動(dòng)，接續(xù)的破裂則以相同的機(jī)制(脫水脆裂或相變斷層)傳播或通過(guò)活動(dòng)觸發(fā)的熱逃逸失穩(wěn)來(lái)擴(kuò)展.Zhan(2020)的“雙機(jī)制”假說(shuō)，既保留了相變斷層和脫水脆裂較熱失穩(wěn)在解釋小震級(jí)深震活動(dòng)分布方面的優(yōu)點(diǎn)，又解決了相變斷層和脫水脆裂在MOW或水化層的尺度有限而難以解釋大震級(jí)深震活動(dòng)的問(wèn)題，即通過(guò)脫水脆裂或相變斷層引發(fā)的破裂活動(dòng)觸發(fā)熱逃逸失穩(wěn)并向周邊擴(kuò)展來(lái)解釋大震級(jí)深震活動(dòng)的發(fā)生.

不可否認(rèn)的是，在地幔過(guò)渡帶深度范圍內(nèi)檢測(cè)到俯沖板片中尺度相對(duì)較小的MOW結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性(Shen and Zhan, 2020).盡管已有研究檢測(cè)到的西北太平洋俯沖帶MOW厚度差異超過(guò)了2倍(Shen and Zhan, 2020)，但不同研究結(jié)果(Jiang and Zhao, 2011; Jiang et al., 2015; Furumura et al.,2016; Shen and Zhan, 2020; Lidaka and Suetsugu, 1992; Kawakatsu and Yoshioka, 2011)都表明日本海及中國(guó)東北地區(qū)下方的俯沖板片在其地幔過(guò)渡帶深度范圍內(nèi)確實(shí)存在MOW.姜金鐘等(2019)的雙差精定位結(jié)果和ISC的EHB地震目錄(見(jiàn)圖4)都表明：中國(guó)東北的大多數(shù)深震都發(fā)生在MOW內(nèi)及其周邊.考慮到早期觀測(cè)臺(tái)站稀少造成的定位誤差較大及MOW檢測(cè)的可能誤差，可以說(shuō)中國(guó)東北地區(qū)精定位后的深源地震分布與Zhan(2020)提出的“雙機(jī)制”成因假說(shuō)還是較為相符的.

圖4 中國(guó)東北深震的精定位分布與層狀的俯沖板片結(jié)構(gòu)紅點(diǎn)和灰點(diǎn)分別為ISC-EHB和姜金鐘等(2019)的地震精定位結(jié)果，淺灰色和深灰色的楔形區(qū)分別為Shen和Zhan(2020)和Jiang 等(2015)給出的MOW范圍.Fig.4 The distribution of relocated deep earthquakes and its relationship with the proposed compositionally layered slab in Northeast ChinaThe red and gray dots show the relocated seismicity from the ISC-EHB catalog and Jiang et al. (2019), respectively. The wedge-shaped zones with light and dark gray fillings are the MOW proposed by Shen and Zhan (2020) and Jiang et al. (2015), respectively.

4 總結(jié)和展望

本文通過(guò)匯集地震活動(dòng)圖像、全波形層析成像和接收函數(shù)界面成像結(jié)果、應(yīng)力場(chǎng)分布和深淺地震活動(dòng)的關(guān)聯(lián)性等多種觀測(cè)資料，清晰地展現(xiàn)了從日本海溝至中國(guó)吉林琿春附近的西北太平洋俯沖板片整體一致的聯(lián)動(dòng)圖像，包括整個(gè)西北太平洋俯沖板片的應(yīng)力軸與俯沖方向上的一致性，俯沖板片上深淺部地震活動(dòng)的密切關(guān)聯(lián)性，所辨識(shí)的深淺部俯沖板片上下界面的形態(tài)及其間距的相似性等.西北太平洋俯沖帶的深源地震多發(fā)生在410 km至580 km深處存在的亞穩(wěn)態(tài)橄欖巖楔形區(qū)內(nèi)及其周邊，似乎可用Zhan(2020)提出的“雙機(jī)制”成因假說(shuō)來(lái)解釋，即亞穩(wěn)態(tài)橄欖巖楔形區(qū)內(nèi)的相變斷層導(dǎo)致西北太平洋俯沖帶的深源地震開(kāi)始破裂，并以同樣的相變斷層機(jī)制傳播或通過(guò)相變斷層破裂觸發(fā)的熱逃逸失穩(wěn)來(lái)向周邊擴(kuò)展.

俯沖帶是地球深部和淺表之間進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)的重要場(chǎng)所，是探求地球深部與淺表聯(lián)動(dòng)機(jī)制的關(guān)鍵紐帶.太平洋板塊俯沖插入到中國(guó)東北大陸下方約600 km深處且至今不斷發(fā)生的深源地震活動(dòng)，是深度解析太平洋板塊俯沖對(duì)東亞大陸演化控制作用的難得檢驗(yàn)基地.西北太平洋俯沖帶的研究，涉及太平洋板塊、北美板塊與歐亞板塊這三大板塊的相互作用機(jī)制，還與菲律賓板塊與鄂霍次克板塊等次一級(jí)的微板塊運(yùn)動(dòng)緊密聯(lián)系.本文有關(guān)西北太平洋俯沖板片的應(yīng)力場(chǎng)、深部界面和深源地震發(fā)震機(jī)制等認(rèn)識(shí)，仍是建立在較多的地震觀測(cè)資料基礎(chǔ)上的定性認(rèn)識(shí)，還需更多的觀測(cè)資料和精細(xì)研究來(lái)深化和檢驗(yàn).對(duì)于日本海下方的俯沖板片精細(xì)結(jié)構(gòu)形態(tài)，我們的了解還較為有限，尚需在全球難得的中國(guó)東北深震區(qū)及東邊的俄羅斯遠(yuǎn)東濱海邊疆區(qū)和日本海內(nèi)，聯(lián)合開(kāi)展密集的地震臺(tái)陣觀測(cè)研究，積累更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)并獲取更多的中小地震震源機(jī)制解資料，以便更精細(xì)地勾勒俯沖板片整體的三維界面展布形態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)橄欖巖楔形區(qū)等精細(xì)結(jié)構(gòu)信息，更準(zhǔn)確地系統(tǒng)把握俯沖帶的應(yīng)力分布特征.結(jié)合巖石高溫高壓實(shí)驗(yàn)和地球動(dòng)力學(xué)模擬等研究，將幫助我們更好地定量理解西北太平洋俯沖帶的地球深部動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，探索解決深源地震的成因機(jī)制難題.

致謝謹(jǐn)此祝賀陳颙先生從事地球物理教學(xué)科研工作60周年.感謝Wessel和Smith(1998)的GMT軟件和三位評(píng)審人的修改完善意見(jiàn).