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【前沿报道】Science Advances: 利用地震追踪俯冲带流体从源(板片)到汇(地幔楔)的迁移过程
2019-04-30 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  俯冲带是地球系统水循环的关键场所,水的输入、运移、脱出方式和量级对地球表层环境、深部介质性质和动力过程都具有重要影响,因此一直是地球科学的研究前沿和热点(相关前沿报道见《马里亚纳俯冲带携水量估计》《西北太平洋地区俯冲板片含水量的控制因素)。俯冲板块将地表流体带入地球深部,深部的水又随着岩浆活动回到地表这个循环过程中,往往伴随地震发生,俯冲带因此是地球上地震活动最繁的区域俯冲带地震经常发生俯冲板片与上覆板块的交界面附近 50-300 km深度也发育于俯冲板片内部这个深度范围地震活动或流体关系紧密Green et al., 2010; Shiina et al., 2017,通过研究这些中源地震认识俯冲带水循环提供了重要约束 

  脱水脆化(dehydration embrittlement)机制是目前俯冲带中源地震成因的主流观点。该观点认为,在板片俯冲过程中,洋壳榴辉岩化等变质过程使板片脱水,这些水通过增大岩石孔隙压力、减小其有效正应力,从而导致岩石脆性破裂 (Kirby et al., 1996)。然而,在冷俯冲带地区,俯冲板片变质脱水深度大于80 km (Abers et al., 2017),传统的脱水脆化机制难以解释在该深度之上沿弧前板片顶部出现的连续且呈带状分布的中源地震活动。其他假说,例如自局部化热失控(self-localizing thermal runaway)机制虽可以用来解释岩石在不依赖流体存在的情况下发生破裂 (John et al., 2009),但其作用的温压范围极为局限,无法将整个弧前板片环境囊括在内。 

  那么,是否可能是在板片发生脱水反应后流体通过某种方式从板片深部迁移到板片浅部,并弱化了弧前板片,从而诱发中源地震呢?近期的地震学研究似乎证实了这种可能性,科学家在冷俯冲带弧前板片处观测到的间歇性地震与极低波速,即被视为流体存在的证据 (Nakajima and Uchida, 2018; Shiina et al., 2017)。不过还存在问题,前人地球物理观测与数值模拟研究表明,在大于80 km深度时,流体离开板片后大都直接垂直向上进入地幔楔,这些流体是如何从脱水深度处向上倾方向迁移数十千米至弧前板片处的呢? 

  针对这一问题,挪威卑尔根大学Felix Halpaap及其合作者近期在Science Advances上发表了他们的研究成果。他们首先基于最新发表的区域三维层析成像波速模型,利用双差定位法对希腊Peloponnese半岛下方Hellenic俯冲带地震进行了高精度重定位,获得了弧前板片处震源的空间精细分布图像Halpaap et al., 20191)。定位结果显示,弧前板片界面附近40-80km深度范围内,由下至上存在三个地震簇(subclusters):(1)位于板内的下部地震簇;(2)位于板片交界面的中部地震簇;(3)位于地幔楔内的上部地震簇。同时,作者通过对比全球其他地幔楔的地震活动分布,发现位于地幔楔地震簇上倾方向的俯冲洋壳普遍表现出几乎无震的特点(图2)。 

1 重定位后的Hellenic俯冲带Tripoli地区地震分布图像(Halpaap et al., 2019)。a. 地震分布剖面、相应的剪切波(Vs)速度扰动、俯冲带热结构(据动力学模型计算),以及主要脱水反应区间;b. 根据热-岩石学模型计算的完全水化(fully hydrated)俯冲洋壳顶、底部不同深度处的水含量;c. 地震簇的地表投影及震源机制;d. 地震簇的放大细节,空间定位误差 < 0.25km

2 全球地幔楔地震活动性(Halpaap et al., 2019)。中图为估算的经过50 Myrs 板片脱水后的地幔楔水化状态;a-e. 典型地区的地幔楔地震活动分布剖面。IF: 板片界面(interface; MW:地幔楔(mantle wedge

  基于以上观测并结合动力学模型估计,作者提出了流体由脱水反应位置向上倾方向迁移的新模式(图3):流体离开脱水源区后沿着密封的板片界面之下向浅部运移,在板片具有各向异性渗滤率或形态发生变化的局部区域,流体汇聚集中并周期性冲破密封环境,沿着破口(vent)逃逸进入地幔楔,诱发地幔楔内地震。同时,该逃逸过程使上倾方向的流体供应减弱,地震活动性降低,形成无震区(seismic gap)。这些破口(vent)位置则可能成为破坏性大地震的成核处。 

3  Hellenic俯冲带流体上倾迁移模式图(Halpaap et al., 2019

  Halpaap等通过最新研究提出了冷俯冲带地区板片脱水及其上倾迁移诱发40-80 km中源地震的新模式,获得了对水循环-深部动力过程相互作用模式的新认识。但关于这些流体最终去向的问题目前还没有很好的解答。没有任何证据表明流体抵达了地表,这说明其必然被上覆地壳和地幔楔所吸收(图3)。流体进入上覆地壳可能导致石英沉淀(quartz precipitation),从而造成低VP/VS异常 (Audet and Bürgmann, 2014)。在地幔楔中,流体则可以通过橄榄岩蛇纹石化被大量吸收,然而蛇纹石含量过高(>10%)反而不利于岩石的脆性破裂。地震学证据表明,Hellenic俯冲带板片界面之上蛇纹石化其实是非常有限的。Halpaap等通过估算认为,流体并非长时间稳定持续地沿板片表面破口排出,破口本身以及流体释放过程更可能是瞬时或间歇性特征,因此不会导致上覆地幔楔发生过高程度的蛇纹石化。关于板片表面破口性质和相应的流体释放过程还需要更进一步深入研究,这将有助于系统认识俯冲带的水循环并提高对这些区域地震灾害的评估能力。 

    

  主要参考文献 

  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.原文链接

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

  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.原文链接

  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.原文链接

  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.原文链接

  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.原文链接

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

  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.原文链接   

  (撰稿:吴子木,陈凌/岩石圈室)

 
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