第61卷第2期地质论评 GEOLOGICAL REVIEW Vol. 61 No. 2 Mar.2015 俯冲带地震诱发机制:研究进展综述 邵同宾1),嵇少丞,2) 1)加拿大蒙特利尔大学工学院民用、地质与采矿工程系,加拿大蒙特利尔,H3C3A7; 2)中国地质科学院地质研究所,大陆构造与动力学国家重点实验室,中国北京,100037 内容提要:俯冲带作为地球循环体系的关键部位,具有构造活跃、地震多发以及地质条件复杂等特征。基于震 源位置,俯冲带地震既可划分为板间和板内地震,也可分为浅源、中源和深源地震。俯冲带内的浅源地震包括板间 地震和浅源板内地震,而中源和深源地震皆属于板内地震。在地球浅部,温度与压力低,浅源地震是由岩石发生脆 性破裂或沿着先存断层发生不稳定摩擦滑移造成的。随着深度增加,温度和压力的増加使得流行于浅部的脆性和 摩擦行为在无水条件下被强烈抑制,岩石从而表现为可抑制地震的韧性行为,使得中一深源地震的诱发机制有别于 常规的脆性行为。随着研究的逐渐深入,人们了解到中源地震的诱发机制主要是脱水或与流体相关的致脆以及塑 性剪切失稳,而深源地震的成因主要是相变致裂。然而,中一深源地震很可能是两种或两种以上机制共同作用的结 果。例如,在中源深度既可能是流体相关的致脆导致脱水源区的脆性围岩产生地震,亦可能是脱水的蛇纹岩本身可 能在流体孔隙压的作用下作粘滑滑移,而前者比后者更为重要。孕震带宽度大于“反裂隙模型”预测的亚稳态橄榄 石冷核宽度的深源地震可能是由第一阶段的相变致裂和第二阶段的塑性剪切失稳诱发,而孕震带的实际宽度与预 度相当的深源地震则可能仅由相变致裂引起。只要过渡带内名义无水矿物中的结构水能释放出来,脱水致脆 同样可能触发一些深源地震;而塑性剪切失稳不仅能在中一深源地震触发后的扩展阶段起着主导作用,而且还能单 独触发一些中一深源地震,因此能够解释大多数反复发生的中一深源地震活动。 关键词:俯冲带;浅源地震;中源地震;深源地震;粘滑;脱水致脆;塑性剪切失稳;相变致裂 众所周知,大洋板块是由洋中脊之下地幔材料1),后者多集中在岩石圈顶层(深度≤25km)之内。 部分熔融岩浆喷发而成的。地球的表面积假设是基然而,在俯冲带的情况就不一样了。据震源深度 本恒定的,不会随着大洋板块的产生而增加。因此,(D),地震可分为浅源( Shallow-depth:D<60km)、 同等质量的材料会在消减板块边界通过板块俯冲进中源( ntermediate-depth:60≤D<300km)和深源 入地幔以达到平衡。俯冲板块与其上覆板块相互作地震(Dep- depth earthquakes:D≥300km)。中源 用的区域就是俯冲带。在俯冲带内,两个板块彼此和深源地震又统称为深部地震( Deep earthquakes) 碰撞,密度(约2.9g/cm3)大的大洋板块俯冲到密( Frohlich,2006; Grace Barcheek et al.,2012; 度(约2.7g/cm3)小的大陆板块之下并逐渐插入地 Houston,2007; Wadati,1928)。浅源地震主要集中在 幔(Stem,2002)。在俯冲大洋板块与其上覆板块之地壳,故称为壳源地震( Crustal earthquakes)。中源 间的逆冲界面上,应力易于集中,摩擦失稳形成地和深源地震均发生于俯冲带特别是俯冲的大洋板块 震。事实上,世界上绝大多数的大地震都发生在俯内部,因而属于板内地震。 冲带内,例如环太平洋地震带。 在深度<60km时,温度与围压较低,岩石主要 基于震源相对板块的位置,俯冲带地震除了上发生脆性变形,因而浅源地震被普遍认为是由岩石 述板间地震( interplate earthquakes)外,还有发生在的脆性变形造成的,其中粘滑( stick-slip)机制被人 板块内部的板内地震( Intraplate earthquakes)(图们广泛接受(如 Brace and Byerlee,1966)。与此相 注:本文为中国国土资源部“青藏高原东部和东南部岩石圈流变学及地球物理性质”项目(编号1212011121274)和加拿大自然科学和工 程研究基金会项目的成果。 收稿日期:201409-10;改回日期:20150107。责任编辑:章雨旭。 作者简介:邵同宾,男,1988年生。博士研究生。主要从事岩石流变学、岩石物理和构造地质学研究。 Email: tongbin.shao@ polyol 通讯作者:嵇少丞,男,1960年生。留法博士,现为加拿大蒙特利尔大学工学院教授。主要从事地球材料流变学、岩石物理和深部构造地 质研究。Emal:sji@ polymn.ca第 ６１卷 第 ２期 ２０ １ ５ 年 ３ 月 地 质 论 评 ＧＥＯＬＯＧＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷ Ｖｏｌ６１ Ｎｏ２ Ｍａｒ． ２０１５ 注：本文为中国国土资源部“青藏高原东部和东南部岩石圈流变学及地球物理性质”项目（编号 １２１２０１１１２１２７４）和加拿大自然科学和工 程研究基金会项目的成果。 收稿日期：２０１４０９１０；改回日期：２０１５０１０７。责任编辑：章雨旭。 作者简介：邵同宾，男，１９８８年生。博士研究生。主要从事岩石流变学、岩石物理和构造地质学研究。Ｅｍａｉｌ：ｔｏｎｇｂｉｎ．ｓｈａｏ＠ｐｏｌｙｍｔｌ．ｃａ。 通讯作者：嵇少丞，男，１９６０年生。留法博士，现为加拿大蒙特利尔大学工学院教授。主要从事地球材料流变学、岩石物理和深部构造地 质研究。Ｅｍａｉｌ：ｓｊｉ＠ｐｏｌｙｍｔｌ．ｃａ。 俯冲带地震诱发机制：研究进展综述 邵同宾１） ，嵇少丞１，２） １）加拿大蒙特利尔大学工学院民用、地质与采矿工程系，加拿大蒙特利尔，Ｈ３Ｃ３Ａ７； ２）中国地质科学院地质研究所，大陆构造与动力学国家重点实验室，中国北京，１０００３７ 内容提要：俯冲带作为地球循环体系的关键部位，具有构造活跃、地震多发以及地质条件复杂等特征。基于震 源位置，俯冲带地震既可划分为板间和板内地震，也可分为浅源、中源和深源地震。俯冲带内的浅源地震包括板间 地震和浅源板内地震，而中源和深源地震皆属于板内地震。在地球浅部，温度与压力低，浅源地震是由岩石发生脆 性破裂或沿着先存断层发生不稳定摩擦滑移造成的。随着深度增加，温度和压力的增加使得流行于浅部的脆性和 摩擦行为在无水条件下被强烈抑制，岩石从而表现为可抑制地震的韧性行为，使得中—深源地震的诱发机制有别于 常规的脆性行为。随着研究的逐渐深入，人们了解到中源地震的诱发机制主要是脱水或与流体相关的致脆以及塑 性剪切失稳，而深源地震的成因主要是相变致裂。然而，中—深源地震很可能是两种或两种以上机制共同作用的结 果。例如，在中源深度既可能是流体相关的致脆导致脱水源区的脆性围岩产生地震，亦可能是脱水的蛇纹岩本身可 能在流体孔隙压的作用下作粘滑滑移，而前者比后者更为重要。孕震带宽度大于“反裂隙模型”预测的亚稳态橄榄 石冷核宽度的深源地震可能是由第一阶段的相变致裂和第二阶段的塑性剪切失稳诱发，而孕震带的实际宽度与预 测宽度相当的深源地震则可能仅由相变致裂引起。只要过渡带内名义无水矿物中的结构水能释放出来，脱水致脆 同样可能触发一些深源地震；而塑性剪切失稳不仅能在中—深源地震触发后的扩展阶段起着主导作用，而且还能单 独触发一些中—深源地震，因此能够解释大多数反复发生的中—深源地震活动。 关键词：俯冲带；浅源地震；中源地震；深源地震；粘滑；脱水致脆；塑性剪切失稳；相变致裂 众所周知，大洋板块是由洋中脊之下地幔材料 部分熔融岩浆喷发而成的。地球的表面积假设是基 本恒定的，不会随着大洋板块的产生而增加。因此， 同等质量的材料会在消减板块边界通过板块俯冲进 入地幔以达到平衡。俯冲板块与其上覆板块相互作 用的区域就是俯冲带。在俯冲带内，两个板块彼此 碰撞，密度（约 ２９ｇ／ｃｍ３ ）大的大洋板块俯冲到密 度（约 ２７ｇ／ｃｍ３ ）小的大陆板块之下并逐渐插入地 幔（Ｓｔｅｒｎ，２００２）。在俯冲大洋板块与其上覆板块之 间的逆冲界面上，应力易于集中，摩擦失稳形成地 震。事实上，世界上绝大多数的大地震都发生在俯 冲带内，例如环太平洋地震带。 基于震源相对板块的位置，俯冲带地震除了上 述板间地震（Ｉｎｔｅｒｐｌａｔｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ）外，还有发生在 板块内部的板内地震（Ｉｎｔｒａｐｌａｔｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ）（图 １），后者多集中在岩石圈顶层（深度≤２５ｋｍ）之内。 然而，在俯冲带的情况就不一样了。据震源深度 （Ｄ），地震可分为浅源（Ｓｈａｌｌｏｗｄｅｐｔｈ：Ｄ ＜６０ｋｍ）、 中源（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｄｅｐｔｈ：６０≤Ｄ ＜３００ｋｍ）和深源 地震（Ｄｅｅｐｄｅｐｔｈｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ：Ｄ ３００ｋｍ）。中源 和深源地震又统称为深部地震（Ｄｅｅｐｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ） （Ｆｒｏｈｌｉｃｈ，２００６；Ｇｒａｃｅ Ｂａｒｃｈｅｃｋ ｅｔ ａｌ．，２０１２； Ｈｏｕｓｔｏｎ，２００７；Ｗａｄａｔｉ，１９２８）。浅源地震主要集中在 地壳，故称为壳源地震（Ｃｒｕｓｔａｌｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ）。中源 和深源地震均发生于俯冲带特别是俯冲的大洋板块 内部，因而属于板内地震。 在深度 ＜６０ｋｍ时，温度与围压较低，岩石主要 发生脆性变形，因而浅源地震被普遍认为是由岩石 的脆性变形造成的，其中粘滑（ｓｔｉｃｋ—ｓｌｉｐ）机制被人 们广泛接受（如 ＢｒａｃｅａｎｄＢｙｅｒｌｅｅ，１９６６）。与此相