第2期 邵同宾等:俯冲带地震诱发机制:研究进展综述 其粘性松弛速率时,就会形成高的孔隙流体压力,进(1965)经典工作的直接挑战,不过他们并没有彻底 而诱发脆性破裂,产生地震。 Sawai等(2013)对叶否定前人的经典模型,只是认为叶蛇纹石的脱水可 蛇纹石脱水动力学进行原位高温红外显微光谱分析能不是俯冲带内中源地震的直接诱因( Chernak and 时发现,叶蛇纹石的脱水作用可以近似地看成是一Hith,2010,2011)。在差应力条件下,脱水产生的 维扩散的问题,并得岀叶蛇纹石脱水速率要比松弛流体很可能被迫流向脆性扩容的围岩中,使得围岩 速率快100多倍,足以诱发双地震带下层面上的中中孔隙压力剧烈,进一步使得作用在破裂面上的有 源地震。通过高精度地震成像揭示的低速带和中源效正应力降低而触发地震(如 arkwright et al., 地震之间的空间对应关系,表明这两种地球物理现2008; Rutter et al.,2009)。 Grace Barcheek等 象其实都是俯冲带含水矿物脱水释放流体的结果(2012)调査了全球56个俯冲带中源深度(75~240 ( Mishra and Zhao Dapeng,2004; Nakajima et al.,km)地震活动率后发现,该深度范围内板块的脱水 2009; Shiina et al.2013; Tsuji et al.2008)。后来,量( van Keken et al.,2011)与地震活动率之间并无 Healy等(2009)对阿尔卑斯西部古俯冲岩石中蓝片很强的相关性,他们认为脱出的水可能离开了脱水 岩和蛇纹岩的研究为脱水致脆诱发中源地震的这一源区,跑到远离脱水源区的其他位置,在新的地方形 经典模型提供了野外地质证据。综上所述,实验模成地震。换句话说,流体从脱水源区通过运移渠道 拟、野外岩石学和构造观察、地球物理观测及其理论迁移到新的储存区,即所观察到的地震位置并非对 模拟的研究皆为脱水致脆诱发中源地震提供了强有应脱水反应发生的实际位置( Rutter et al.,200) 力的支持 例如,近年来发生在菲律宾海板块下面地幔楔内部 然而,最近的一些研究对这一经典模型提出了的一个地震簇( seismic cluster)很可能就是由流体致 挑战。例如, Chernak and Hirth(2010,2011)在较高脆作用引发的,从俯冲的太平洋板块地壳脱出来的 围压下对叶蛇纹岩进行了一系列变形实验,观察到水,沿着2011年3月11日日本东北大地震形成的 在同变形叶蛇纹石脱水过程中试样发生稳定的断层张性破裂或剪张性破裂迁移到位于菲律宾海板块下 滑移和慢滑移,表现出半脆性行为(图9),而不是被面的地幔楔中,通过流体致脆作用形成了一系列地 广泛认可的浅源地震诱发机制——粘滑( Brace and震( Nakajima et al.,2013) Berle,1966)。这一观察是对 Raleigh and Paterson Campione and Capitani(2013)利用原子力显微 镜对叶蛇纹石单晶的观察发现,平行于叶蛇纹石a P=1.0 轴方向的摩擦能够造成不稳定的粘滑,而沿着b轴 w1513:10s2,0.5C/s 方向的摩擦却能发生稳定的滑移。但是,其结论能 10°s2,0.5°C/s 否适用于叶蛇纹石多晶集合体或叶蛇纹岩依然存 w528:10°s 疑。此外,他们的实验是在常温常压的无水环境下 W529:100.c进行的,尚不知能否外延到俯冲带内中源地震发生 的深度。然而, Takahashi等(2011)和邵同宾(2012) 800发现叶蛇纹岩在脱水条件下能够发生粘滑,尽管实 cHernak and Hirth(2011) 600验的围压要比中源深度对应的低得多,并且他们亦 400没有对摩擦方向与试样中叶蛇纹石晶格优选定向的 200几何关系予以研究。但按理说,俯冲带内叶蛇纹石 发育的强烈的组构既可以导致强烈的地震波速各向 位移(mm) 异性与剪切波分裂( Ji Shaocheng et al.,2013;Shao 图9粉末样品(W1513,W1528和W1529)和岩芯样品 Tongbin et al.,2014),又可能制约着中源地震不断 (W1519)变形时加载力和温度随位移的变化,样品在脱 水过程中稳定卸载(据 Chernak and hirth,201l修改) 发生的成因。脱水致脆较难圆满地解释俯冲带内中 Fig. 9 Applied force and temperature as a function of 源地震的反复性( Prieto et al,2012),而可能由叶蛇 displacement for powdered samples(wi513,w1528and纹石晶格优选定向控制的粘滑机制本身就是一种应 W1529) and one drilled core sample(W1519). Samples力缓慢累积(间震期)和快速释放(同震期)交替进 showed stable unloading during dehydration. Modified from行的一种周而复始的过程。此外,塑性剪切失稳也 Chernak and Hirth( 2011) 能导致与粘滑行为类似的反复性的应力降,同样亦其粘性松弛速率时，就会形成高的孔隙流体压力，进 而诱发脆性破裂，产生地震。Ｓａｗａｉ等（２０１３）对叶 蛇纹石脱水动力学进行原位高温红外显微光谱分析 时发现，叶蛇纹石的脱水作用可以近似地看成是一 维扩散的问题，并得出叶蛇纹石脱水速率要比松弛 速率快 １００多倍，足以诱发双地震带下层面上的中 源地震。通过高精度地震成像揭示的低速带和中源 地震之间的空间对应关系，表明这两种地球物理现 象其实都是俯冲带含水矿物脱水释放流体的结果 （ＭｉｓｈｒａａｎｄＺｈａｏＤａｐｅｎｇ，２００４；Ｎａｋａｊｉｍａｅｔａｌ．， ２００９；Ｓｈｉｉｎａｅｔａｌ．，２０１３；Ｔｓｕｊｉｅｔａｌ．，２００８）。后来， Ｈｅａｌｙ等（２００９）对阿尔卑斯西部古俯冲岩石中蓝片 岩和蛇纹岩的研究为脱水致脆诱发中源地震的这一 经典模型提供了野外地质证据。综上所述，实验模 拟、野外岩石学和构造观察、地球物理观测及其理论 模拟的研究皆为脱水致脆诱发中源地震提供了强有 力的支持。 图 ９粉末样品（Ｗ１５１３，Ｗ１５２８和 Ｗ１５２９）和岩芯样品 （Ｗ１５１９）变形时加载力和温度随位移的变化，样品在脱 水过程中稳定卸载（据 ＣｈｅｒｎａｋａｎｄＨｉｒｔｈ，２０１１修改） Ｆｉｇ．９ Ａｐｐｌｉｅｄｆｏｒｃｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｏｒｐｏｗｄｅｒｅｄｓａｍｐｌｅｓ（Ｗ１５１３，Ｗ１５２８ａｎｄ Ｗ１５２９）ａｎｄｏｎｅｄｒｉｌｌｅｄｃｏｒｅｓａｍｐｌｅ（Ｗ１５１９）．Ｓａｍｐｌｅｓ ｓｈｏｗｅｄｓｔａｂｌｅｕｎｌｏａｄｉｎｇｄｕｒｉｎｇｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ．Ｍｏｄｉｆｉｅｄｆｒｏｍ ＣｈｅｒｎａｋａｎｄＨｉｒｔｈ（２０１１） 然而，最近的一些研究对这一经典模型提出了 挑战。例如，ＣｈｅｒｎａｋａｎｄＨｉｒｔｈ（２０１０，２０１１）在较高 围压下对叶蛇纹岩进行了一系列变形实验，观察到 在同变形叶蛇纹石脱水过程中试样发生稳定的断层 滑移和慢滑移，表现出半脆性行为（图 ９），而不是被 广泛认可的浅源地震诱发机制———粘滑（Ｂｒａｃｅａｎｄ Ｂｙｅｒｌｅｅ，１９６６）。这一观察是对 ＲａｌｅｉｇｈａｎｄＰａｔｅｒｓｏｎ （１９６５）经典工作的直接挑战，不过他们并没有彻底 否定前人的经典模型，只是认为叶蛇纹石的脱水可 能不是俯冲带内中源地震的直接诱因（Ｃｈｅｒｎａｋａｎｄ Ｈｉｒｔｈ，２０１０，２０１１）。在差应力条件下，脱水产生的 流体很可能被迫流向脆性扩容的围岩中，使得围岩 中孔隙压力剧烈，进一步使得作用在破裂面上的有 效正应力降低而触发 地 震 （如 Ａｒｋｗｒｉｇｈｔｅｔａｌ．， ２００８；Ｒｕｔｔｅｒｅｔａｌ．，２００９）。 Ｇｒａｃｅ Ｂａｒｃｈｅｃｋ 等 （２０１２）调查了全球 ５６个俯冲带中源深度（７５～２４０ ｋｍ）地震活动率后发现，该深度范围内板块的脱水 量（ｖａｎＫｅｋｅｎｅｔａｌ．，２０１１）与地震活动率之间并无 很强的相关性，他们认为脱出的水可能离开了脱水 源区，跑到远离脱水源区的其他位置，在新的地方形 成地震。换句话说，流体从脱水源区通过运移渠道 迁移到新的储存区，即所观察到的地震位置并非对 应脱水反应发生的实际位置（Ｒｕｔｔｅｒｅｔａｌ．，２００９）。 例如，近年来发生在菲律宾海板块下面地幔楔内部 的一个地震簇（ｓｅｉｓｍｉｃｃｌｕｓｔｅｒ）很可能就是由流体致 脆作用引发的，从俯冲的太平洋板块地壳脱出来的 水，沿着 ２０１１年 ３月 １１日日本东北大地震形成的 张性破裂或剪张性破裂迁移到位于菲律宾海板块下 面的地幔楔中，通过流体致脆作用形成了一系列地 震（Ｎａｋａｊｉｍａｅｔａｌ．，２０１３）。 ＣａｍｐｉｏｎｅａｎｄＣａｐｉｔａｎｉ（２０１３）利用原子力显微 镜对叶蛇纹石单晶的观察发现，平行于叶蛇纹石 ａ 轴方向的摩擦能够造成不稳定的粘滑，而沿着 ｂ轴 方向的摩擦却能发生稳定的滑移。但是，其结论能 否适用于叶蛇纹石多晶集合体或叶蛇纹岩依然存 疑。此外，他们的实验是在常温常压的无水环境下 进行的，尚不知能否外延到俯冲带内中源地震发生 的深度。然而，Ｔａｋａｈａｓｈｉ等（２０１１）和邵同宾（２０１２） 发现叶蛇纹岩在脱水条件下能够发生粘滑，尽管实 验的围压要比中源深度对应的低得多，并且他们亦 没有对摩擦方向与试样中叶蛇纹石晶格优选定向的 几何关系予以研究。但按理说，俯冲带内叶蛇纹石 发育的强烈的组构既可以导致强烈的地震波速各向 异性与剪切波分裂（ＪｉＳｈａｏｃｈｅｎｇｅｔａｌ．，２０１３；Ｓｈａｏ Ｔｏｎｇｂｉｎｅｔａｌ．，２０１４），又可能制约着中源地震不断 发生的成因。脱水致脆较难圆满地解释俯冲带内中 源地震的反复性（Ｐｒｉｅｔｏｅｔａｌ，２０１２），而可能由叶蛇 纹石晶格优选定向控制的粘滑机制本身就是一种应 力缓慢累积（间震期）和快速释放（同震期）交替进 行的一种周而复始的过程。此外，塑性剪切失稳也 能导致与粘滑行为类似的反复性的应力降，同样亦 第 ２期 邵同宾等：俯冲带地震诱发机制：研究进展综述 ２５３