俯沖侵蝕在地震活動(dòng)中的作用＊

俯沖侵蝕在地震活動(dòng)中的作用＊

Susan L Bilek
（Earth and Environmental Science Department，New Mexico Tech，Socorro，New Mexico 87801，USA）

俯沖帶構(gòu)成了太平洋板塊的大致輪廓，歷史記錄表明，許多規(guī)模最大、且最具破壞性的地震大多發(fā)生在這些俯沖帶上。由此，許多研究者對(duì)與這些邊緣相關(guān)的構(gòu)造及主要構(gòu)造過程產(chǎn)生了極大興趣，因?yàn)檫@些過程的變化可能是影響地震行為的一個(gè)重要因素。在俯沖過程中，當(dāng)大量物質(zhì)被添加到上沖板塊時(shí)，這些邊緣便被稱為增生邊緣；當(dāng)物質(zhì)從上沖板塊底部移出時(shí)，這些邊緣便被稱為侵蝕邊緣。對(duì)俯沖帶動(dòng)力學(xué)的早期研究大多集中于增生邊緣。有關(guān)侵蝕邊緣的模型直到最近15年才比較成熟。然而，描述全球俯沖帶各邊緣的結(jié)構(gòu)特征，并對(duì)相對(duì)侵蝕量進(jìn)行定量化分析的研究論文顯示，全球大約57%的俯沖帶具有侵蝕性質(zhì)，而并不具有增生性質(zhì)。

各種有關(guān)侵蝕邊緣的模型相互矛盾。其中一類模型表明，在具有俯沖地形特征的地方（如海山），斷層摩擦力很強(qiáng)，導(dǎo)致物質(zhì)通過磨蝕作用從上沖板塊底部移出。另一類模型提出一種弱化斷層，并認(rèn)為俯沖侵蝕發(fā)生的原因是：上盤的水壓致裂，致使上盤物質(zhì)進(jìn)入俯沖帶；上盤減薄造成大幅沉降，流體沿上棱柱體中的正斷層滲出。然而，兩類模型都沒有成功地預(yù)測(cè)出侵蝕邊緣的所有結(jié)構(gòu)特征。

Wang 等描述的侵蝕邊緣模型對(duì)于這類邊緣的地震活動(dòng)模式具有重要意義。他們的模型是動(dòng)態(tài)庫侖楔體概念的延伸，該理論已被成功地用來描述增生邊緣的地震活動(dòng)及特征，如楔體幾何特征、八字形斷層的活化作用、淺層震后滑移和甚低頻地震等。相對(duì)于增生棱體而言，侵蝕邊緣的楔坡更陡，且具有傾斜幾何特征，由此，他們將地震輪回中斷層強(qiáng)度時(shí)變特征的相同概念應(yīng)用于俯沖侵蝕。在兩次地震期間，中間棱體比下伏基底斷層（流體壓力較高）的強(qiáng)度大。對(duì)于地震上傾區(qū)物質(zhì)而言，同震滑動(dòng)在棱柱體中產(chǎn)生壓縮作用，而對(duì)于俯沖物質(zhì)，同震滑動(dòng)卻會(huì)引起膨脹，結(jié)果導(dǎo)致楔形體中的流體壓力比增大，而下伏板塊中的流體壓力比減小。這樣一來，基底斷層強(qiáng)度增大，而上覆中間棱體的強(qiáng)度下降，從而進(jìn)一步促進(jìn)了棱體基部的侵蝕作用。從時(shí)間上看，侵蝕局限于同震破裂以及地震滑移后的震后迅速形變期，這與斷層淺層區(qū)段的應(yīng)力狀態(tài)的持續(xù)調(diào)整有關(guān)。

圖1 侵蝕邊緣和增生邊緣的地震活動(dòng)特征。（a）Clift和Vannucchi以及Kopp等界定的侵蝕（紅色粗線）和增生（藍(lán)色粗線）俯沖帶的分布。板塊邊界源自Bird。M＞9地震（黃色星號(hào)）發(fā)生在增生邊緣，但海嘯地震（綠色圓）主要發(fā)生在侵蝕邊緣。（b）增生（藍(lán)色）和侵蝕（紅色）邊緣內(nèi)淺源地震（深度≤15 km）的矩量度破裂持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)。破裂持續(xù)時(shí)間以MO的立方根計(jì)算，并用一次矩震級(jí)（MW）為6的地震事件的MO進(jìn)行歸一化處理，以對(duì)MW5.5～7.5震級(jí)范圍的地震進(jìn)行比較。黑色圓代表最小值和最大值，條形代表每一區(qū)域的第5、25、50、75、95百分位數(shù)。黑色實(shí)線表示侵蝕邊緣的最小極大值。雖然所有區(qū)域的中間值都出現(xiàn)在類似的范圍內(nèi)，但侵蝕邊緣內(nèi)地震事件的極大值通常高于增生邊緣內(nèi)地震事件的極大值（原圖為彩圖）

該模型對(duì)于認(rèn)識(shí)地震活動(dòng)性也有啟示，如將俯沖通道最淺部分的平面上罕見的剪切局部化與偶爾發(fā)生在上傾區(qū)的地震的長(zhǎng)時(shí)間破裂聯(lián)系起來。地震數(shù)據(jù)也支持這一觀點(diǎn)。海嘯地震源于俯沖帶最淺部分的滑動(dòng)，經(jīng)常引起與地震矩（MO）相應(yīng)的大海嘯，而且破裂時(shí)間也較長(zhǎng)。海嘯地震主要分布在侵蝕邊緣（圖1a），表明這些地震事件可能與

Wang等所描述的過程相關(guān)。記錄到的最大地震事件（超過9級(jí)的地震）往往只發(fā)生在增生邊緣，而不是在侵蝕邊緣（圖1a），這很可能與兩種邊緣之間的幾何學(xué)特征及摩擦條件的差異有關(guān)。與侵蝕邊緣相比，增生邊緣內(nèi)由于摩擦行為引起滑動(dòng)（速度弱化），可能發(fā)生地震的區(qū)域向海延伸距離會(huì)更長(zhǎng)，進(jìn)而使得同震破裂區(qū)域擴(kuò)大，最終導(dǎo)致地震震級(jí)也更大。

除了揭示出其他的復(fù)雜因素，俯沖帶地震破裂持續(xù)時(shí)間目錄也反映出邊緣類型之間的差異。除阿拉斯加－阿留申群島俯沖帶外，侵蝕邊緣內(nèi)淺源地震（深度15km以內(nèi)）的最大矩量度持續(xù)時(shí)間往往比增生邊緣的長(zhǎng)（圖1b）。阿拉斯加－阿留申群島俯沖帶存在的差異向研究者提出了有關(guān)其增生歸類及其性質(zhì)沿走向變化等新的問題。侵蝕邊緣的震源持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，表明其發(fā)生條件可能類似于產(chǎn)生海嘯地震所需要的條件。中位數(shù)的和第75百分位數(shù)的持續(xù)時(shí)間在所有區(qū)域都基本相同，表明侵蝕邊緣比增生邊緣產(chǎn)生的淺源地震少，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。因而，侵蝕邊緣動(dòng)力學(xué)模型可與地震觀測(cè)聯(lián)系起來，而且通過建模理論的持續(xù)發(fā)展（如Wang等提出的模型），結(jié)合地震周期形變的地震與大地測(cè)量觀測(cè)研究，人類對(duì)俯沖帶地震活動(dòng)的認(rèn)識(shí)將進(jìn)一步提高。

譯自：Geology，May 2010，479－480

原題：The role of subduction erosion on seismicity

（楊景寧 譯；趙紀(jì)東 校）

（譯者電子信箱，趙紀(jì)東：zhaojd＠llas.ac.cn）

略）

P315.1；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2011.12.006

2010－11－12。