源于地球深部的跳動——探解汪清7.2級深震之謎
發布日期:2020-07-03瀏覽次數:字號:[ ]

中國科學院地質與地球物理研究所 陳棋福

  云南省地震局  姜金鐘


2002年6月29日1時19分,我國吉林省汪清縣發生7.2級深震,震源深度540 km。該震與7級淺源地震激發的地震能量和震動波形基本一致,在經過數百至上千千米的能量衰減后,到達東北全境和華北部分地區時雖仍有微小震動,但并未驚醒位于該震上方的汪清周邊居民。與7級淺源地震常常造成大量人員傷亡和重大經濟損失相比,汪清深震未造成人員傷亡和建筑物破壞。

一、汪清7.2級深震發生的位置

深震是指震源深度大于70 km(也有認為是大于60 km),深度小于70 km或60 km的則稱為淺震(淺源地震),深度在70~300 km或60~300 km的地震被稱為中源地震,深度大于300 km的為深源地震。中源地震和深源地震經常被籠統的稱為深震,有些嚴格的學者則僅將深度大于300 km的地震稱為深震?

從下圖看,汪清深震發生在太平洋板塊俯沖至中國東北下方的日本俯沖帶上,中國東北一帶的深震活動可以從近600 km的深處連續向上和向東追蹤至日本海溝附近的淺源地震,十分明顯地展現出太平洋板塊向歐亞大陸板塊俯沖插入中國東北大陸下方約600 km深度的圖像。各種尺度的地震層析成像結果也都顯示中國東北一帶的深源地震與日本海深震具有很好的連續性并發生在西太平洋俯沖板片的高速異常體內部。圖中藍色星號處及其連線分別給出了汪清7.2級深震的位置和震源機制解。

  

  日本海溝至中國東北的剖面兩側300 km范圍內的地震深度分布藍圖


  圖中藍色星號處及其連線分別給出2002年6月29日汪清7.2級深震、2011年5月10日中國東北中俄邊界處6.1級深震和2011年3月11日日本東北9.0級淺震的位置和震源機制解;

  圖上方畫出了剖面沿線的陸地和海洋地形形態

  二、深震與淺震的似與不似

  迄今為止,人類記錄到的最大深源地震是2013年5月24日鄂霍茨克海8.3級地震(深度約607 km)和1994年6月9日玻利維亞8.3級(也有報告說為8.2級)地震(深度約637 km)。人類記錄到的最深的大地震是2015年5月30日發生在日本小笠原群島的7.9級深震(日本氣象廳測定8.1級),國際地震中心最終確定的震源深度為685.5 km。

  

  國際地震中心2020年4月發布的1904-2016年全球Mw6.0地震分布圖


  自1907年有關發現深源地震的觀測結果發表后,就受到廣泛質疑,直至和達清夫通過研究證實了深源地震的存在,以及貝尼奧夫綜合地質、地震和物理信息提出貝尼奧夫帶(現稱Wadati-Benioff帶,即俯沖帶)來解釋深震活動圖像,深震作為一種“不可思議”的現象始得到較廣泛研究。近百年的觀測研究表明:天然發生的深震與淺震都屬于構造地震,是人類生存的地球深部鮮活運轉著的體現。

  

  據國際地震中心1964-2016年地震目錄統計的地震深度個數分布藍圖


  總的來說,深震與淺震十分相似。深震與絕大多數淺震都是由剪切變形引起的破裂,在地震破裂特征和從震源處輻射出的地震波圖像與地震破裂前后的應力差(應力降)等許多方面都存似,雖然深震與淺震的地震輻射效率、地震斷裂面形態、地震破裂速度和破裂持續時間及應力降等在具體量值變化上有所差異,且因深震激發的地震波在地球淺部的傳播路徑較短,故在地震波形可觀測到深震的面波相對不大發育甚至缺失,且深震的體波波形顯得不如淺震波形那么復雜。此外,深震與淺震都滿足震級–頻度的Gutenberg–Richter統計關系,甚至淺震的動態觸發現象和破裂區域重疊的重復地震也在深震中觀測到。

  深震與淺震存在3點明顯區別:

  1.在發震地點和致災方面,淺震可發生在包括大陸在內的地球上大部分地區,因而6級以上甚至5級淺震常常造成大量人員傷亡和經濟損失,而深震則僅發生在板塊俯沖下插的俯沖帶上,故深震少有造成人員傷亡和經濟損失的報道,但深度較淺的深震還是存在一定破壞性。

  2.深震明顯少于淺震,最明顯的區別是深震的余震數量很少。在地震震級相同的情況下,深震的余震數量比淺震的要少1個或更多個數量級,且中源地震的余震數量又略少于深源地震。在較冷的俯沖帶(如湯加、印度尼西亞和馬里亞納俯沖帶)存在顯著的深震余震活動,而相對較熱的俯沖帶(如南美、日本和伊豆-小笠原俯沖帶)的深震余震活動則較少。

  3、據全球矩張量gCMT給出的地震震源機制解,深震與淺震的震源主要為雙力偶剪切源,但有很大部分的深震都含有十分明顯的非雙力偶剪切斷裂成分,即補償線性矢量偶極(CLVD)成分。

  三、待解深震之謎

  對海洋巖石圈的淺震活動分析表明:淺震僅發生在溫度≤700 ℃的環境下。實驗研究顯示:隨著溫度和壓力增大,巖石的流變學強度會降低到只發生塑性流動的程度,應力作用的巖石失穩由脆性破裂轉變為韌性蠕變。依據地球深度的溫度和壓力條件,正常的脆性破裂或滑動在超過 60~100 km深度就變得極為困難,這正是20世紀20年代廣泛質疑深源地震活動存在的原因。然而,在幾乎不可能發生巖石脆性破裂的超過100 km地球深處,存在深震活動是無可置疑的觀測事實,因而深震的成因機制與深震活動為何會終止在約680 km深度處仍是待解之謎。

  目前爭論較多的深震的可能成因機制可歸為三種:脫水脆裂、橄欖石相變引起的反裂隙斷層或相變斷層作用、熱剪切失穩作用。越來越多的實驗研究和巖石學、地震學觀測都傾向認為:脫水脆裂可較好解釋中源地震成因,但已提出的各種可能機制在解釋深源地震成因時都存在各自不足,尚無單一的物理機制可解釋所有深度大于100 km或200 km深震活動的地震學特征。研究表明:僅靠相變作用無法完全解釋深源地震震源區的各向異性,俯沖板片中的菱鎂礦或碳酸鹽巖熔融也可能會引起深源地震發生。由于深源地震的發震機制、破裂過程極其復雜且可能是動態變化的,因此不同震源深度、不同俯沖帶和不同大小的深源地震發震機制也可能不同,甚至可能由多種機制共同作用所致。

  根據不同俯沖帶的深源地震Gutenberg–Richter關系中的b值差異,提出深源地震的“雙機制”假設:深源地震在俯沖板片的亞穩態橄欖巖楔形區(Metastable Olivine Wedge, MOW)內部主要以相變斷層作用方式成核并開始破裂,但破裂在突破MOW后以熱剪切熔融或熱逃逸的形式向外傳播;在較熱俯沖帶的薄MOW區內,“雙機制”共同發生作用。精定位的深源地震結果表明:MOW確實存在于日本海及中國東北地區下方的俯沖板片內,MOW厚度自約450 km深度處的50 km逐漸減薄至約580 km深度處的幾千米。汪清附近的大多數深震都發生在Jiang等給出的MOW內或周邊區域,故認為深源地震的“雙機制”假設可以較好解釋中國東北地區的Mw≤6.5深源地震成因,但僅有限臺站觀測資料約束的2002年汪清7.2級深震的物理成因仍有待探索研究。

  500多千米深處發生的汪清7.2級深震,就像人的心臟跳動一樣是地球內部活躍的表征。深震活動與板塊俯沖及其相伴生的體系密切相關,深震的發生為人們探測地球深部地核和地幔結構提供了不可或缺的信息。近百年來的研究仍沒能給出令人完全信服、自洽的深源地震發震機制,深震之謎依然待解。


      來源:中國地震局





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