西太平洋俯沖板塊正斷層系統(tǒng)與動(dòng)力學(xué)特征

王悠昆，周志遠(yuǎn)，林間,，張帆

1. 南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系， 深圳 518055

2. 中國(guó)科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所，南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院，廣州 511458

3. 中國(guó)-巴基斯坦地球科學(xué)研究中心，中國(guó)科學(xué)院-巴基斯坦高等教育委員會(huì)，巴基斯坦伊斯蘭堡 45320

俯沖帶是地球循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分。在俯沖過程中，俯沖板塊沉入地幔深處，并因其板塊彎曲，在板塊上部產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，在板塊下部產(chǎn)生擠壓應(yīng)力[1-4]。大量研究表明，俯沖帶中由板塊彎曲引起的正斷層在上地幔蛇紋石化、板內(nèi)地震、板塊中的流體活動(dòng)以及外緣隆起帶斷層引起的海嘯中發(fā)揮著重要作用[5-6]。西太平洋處于4 個(gè)板塊交界之處，北為北美板塊，西為歐亞板塊，西南為菲律賓海板塊，東南為太平洋板塊。其中，北美板塊和歐亞板塊為大陸板塊，菲律賓海板塊和太平洋板塊為大洋板塊，兩個(gè)大洋板塊向兩個(gè)大陸板塊俯沖匯聚。西太平洋俯沖帶是板塊年齡最老、海溝最深和板塊撓曲程度最大的俯沖系統(tǒng)。其洋盆發(fā)育了眾多海山和海底高原，對(duì)海溝的幾何形態(tài)產(chǎn)生了較大影響[7]。板塊邊界地震、火山活動(dòng)活躍，西太平洋俯沖板塊中的正斷層地震通常發(fā)生在板塊邊界附近，因此可能構(gòu)成巨大的海嘯威脅。例如，1933 年，日本海溝發(fā)生了8.4 級(jí)地震，這是有記錄以來最大的俯沖板塊外緣隆起帶（Outer rise）正斷層地震，在日本三陸沿海地區(qū)引發(fā)了海嘯[8]。2009 年9 月29 日，湯加海溝發(fā)生8.1 級(jí)外緣隆起帶正斷層地震，并引發(fā)了毀滅性的海嘯[9]。因此，研究西太平洋俯沖板塊正斷層的動(dòng)力學(xué)機(jī)制具有重要意義。

已觀察到正斷層在外緣隆起區(qū)到海溝軸部之間普遍存在。觀測(cè)顯示，與板塊彎曲有關(guān)的正斷層可能是板塊俯沖過程中產(chǎn)生的新斷層，或是在大洋中脊形成的重新激活的深海丘陵斷層[10]。前期地球動(dòng)力學(xué)模擬研究表明，正斷層開始在距離海溝軸部一定距離處形成，然后向海溝軸部方向生長(zhǎng)[11-12]。海溝附近發(fā)育了豐富的撓曲正斷層，這些斷層除了會(huì)誘發(fā)板內(nèi)地震之外，也是流體進(jìn)入板塊內(nèi)部和俯沖帶深部的主要通道[13]。西太平洋海溝的觀測(cè)與模擬研究相對(duì)豐富，包括湯加、日本、伊豆-小笠原和馬里亞納海溝等。這些俯沖帶的構(gòu)造特征變化很大，包括海溝深度、俯沖傾角、板塊內(nèi)和板塊間地震活動(dòng)，這使它們成為研究海溝動(dòng)力學(xué)和板塊相互作用的理想場(chǎng)所。本文綜述了西太平洋俯沖板塊彎曲與正斷層的觀測(cè)，并總結(jié)分析了正斷層模擬研究揭示的正斷層形成過程，這對(duì)進(jìn)一步揭示俯沖帶動(dòng)力學(xué)機(jī)制有著十分重要的意義。

1 西太平洋俯沖板塊正斷層特征

湯加、日本、伊豆-小笠原和馬里亞納海溝均位于西太平洋（圖1），且都是板塊年齡相對(duì)較老（均超過100 Ma）的俯沖板塊，因而遠(yuǎn)端的板塊厚度可能相對(duì)較大，并且在4 個(gè)海溝之間變化不大，因此可以直接比較各海溝的正斷層特征，并揭示它們的共同特征。高分辨率海底多波束測(cè)深數(shù)據(jù)是從NOAA 美國(guó)環(huán)境信息中心的多波束測(cè)深數(shù)據(jù)庫（MBBDB）和海洋地球科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（MGDS）的全球多分辨率地形合成（圖1）而成，網(wǎng)格平均分辨率約為100 m[14]。基于此數(shù)據(jù)，前人分別提取了湯加、日本、伊豆-小笠原和馬里亞納海溝的14、9、15 和15 個(gè)垂直于海溝的剖面，以計(jì)算平均斷層走向和密度，得到4 個(gè)海溝的正斷層特征（圖2）。高分辨率多波束測(cè)深數(shù)據(jù)顯示，正斷層在4 個(gè)海溝的俯沖板塊上普遍存在。

圖2 湯加海溝、日本海溝、伊豆-小笠原海溝、馬里亞納海溝海底地形圖a-d 分別為湯加海溝、日本海溝、伊豆-小笠原海溝和馬里亞納海溝，白色線段為選取的斷層剖面位置[15]。Fig.2 Seafloor bathymetry of the Tonga, Japan, Izu-Bonin, and Mariana Trenchesa-d: the Tonga Trench, Japan Trench, Izu-Bonin Trench, and Mariana Trench, respectively. White lines depict the deployment of transaction profiling[15].

通過對(duì)比實(shí)際觀測(cè)與彈塑性變形模型，前人研究了沿著湯加、日本、伊豆-小笠原、馬里亞納海溝的板塊撓曲與正斷層特征（圖2）。觀測(cè)表明，平均海溝撓曲量在日本海溝最小（3 km），在馬里亞納海溝最大（4.9 km），而平均正斷層垂直斷距在日本海溝最?。?13 m），湯加海溝最大（284 m）。而后模擬了俯沖板塊在3 種構(gòu)造加載的作用下發(fā)生彎曲變形并產(chǎn)生正斷層的過程，3 種構(gòu)造加載分別為：垂向加載（V0）、彎矩（M0）和水平拉張力（F0）。在板塊撓曲與正斷層特征的雙重約束下，反演得到了4 個(gè)海溝的最佳模型解。

湯加海溝的平均斷層垂直斷距最大，最大值為420 m，平均值為284 m（圖3a）。伊豆-小笠原海溝和馬里亞納海溝的斷層垂直斷距相似，最大值均為320 m，平均值分別為238 m 和148 m。在湯加海溝、日本海溝、伊豆-小笠原海溝和馬里亞納海溝，可識(shí)別的斷層起始點(diǎn)距離海溝軸線分別為85、80、100 和115 km。

圖3 湯加海溝、日本海溝、伊豆-小笠原海溝和馬里亞納海溝跨海溝剖面上每 5 km 的平均斷層錯(cuò)距（a）和斷層密度（b）[16]Fig.3 The average fault offset (a) and fault density (b) per 5 kilometers on the cross-trench profiles of the Tonga Trench, Japan Trench, Izu-Bonin Trench, and Mariana Trench[16]

據(jù)觀測(cè)，馬里亞納海溝正斷層密度最大，伊豆-小笠原海溝的正斷層密度最?。▓D3b）。在馬里亞納海溝，從距海溝軸線 80 km 處開始，斷層密度開始明顯增加，而其他海溝的斷層密度則在距海溝軸部近 50 km 處開始增加，表明在馬里亞納海溝，正斷層帶最寬，斷層密度最大。

2 西太平洋俯沖板塊變形機(jī)制

觀測(cè)到的海底地形受到各種組成部分的影響，包括沉積物厚度、板塊冷卻引起的沉降和艾里均衡補(bǔ)償?shù)匦蝃16-18]，去除這些影響后，可得到非均衡地形，能夠最大程度地反映板塊彎曲變形的情況。以非均衡地形作為板塊變形程度的觀測(cè)，結(jié)合薄板彎曲理論模型，前人反演了4 個(gè)海溝的最佳構(gòu)造載荷。圖4 為西太平洋4 個(gè)海溝俯沖板塊的平滑彎曲形態(tài)。對(duì)于每個(gè)海溝，黑色細(xì)虛線表示單個(gè)剖面，紅色粗曲線表示海溝的平均剖面。每個(gè)海溝截取的多條剖面上的最大變形量（W0）平均值用藍(lán)點(diǎn)標(biāo)記。遠(yuǎn)場(chǎng)參考海底深度用灰色線標(biāo)記。紅色箭頭標(biāo)記表示彎曲曲率降低到可忽略值（0.1×10-6m-1）的特征距離（Xc）。

圖4 湯加海溝、日本海溝、伊豆-小笠原海溝和馬里亞納海溝南北部的觀測(cè)撓曲量及其平均值黑色虛線細(xì)曲線顯示單個(gè)剖面，紅色粗曲線顯示溝槽的平均剖面，遠(yuǎn)場(chǎng)參考海底深度用灰色線標(biāo)記。藍(lán)點(diǎn)所在位置為多個(gè)海溝軸部最大變形量W0 的平均值，紅色箭頭所指位置Xc 為彎曲曲率可忽略值[19]。Fig.4 Observed flexures and their average values of the Tonga Trench, Japan Trench, Izu-Bonin Trench, and Mariana TrenchThe thin black dashed curves: the individual profiles; the thick red curves: the average profile of the trenches; the grey line: the far-field reference seafloor depth. W0: the average of the maximum deformation in the axial part of several trenches. Xc: the negligible value of the bending curvature[19].

前人系統(tǒng)性地研究了西太平洋湯加-克馬德克、馬尼拉、菲律賓、日本以及馬里亞納海溝的俯沖板塊變形研究并進(jìn)行對(duì)比。圖5a 為海溝附近板塊彎曲示意模型，顯示預(yù)期的拉伸屈服變形區(qū)（紅色網(wǎng)格紋）和壓縮屈服變形區(qū)（藍(lán)色網(wǎng)格紋）。圖5b中X0是板塊的寬度，也是垂直變形W=0 的位置。在板塊彎曲過程中，正斷層發(fā)育的最大深度主要是由軸向垂直載荷（V0）控制，而正斷層最大深度離海溝的距離是由軸向彎矩（M0）所控制的。西太平洋4 個(gè)海溝板塊變形對(duì)比研究表明，最大變形量（W0）和板塊寬度（X0）主要由靠近海溝的由于斷層作用降低的有效彈性厚度控制，并且?guī)缀醪皇苓h(yuǎn)端俯沖板塊的初始有效彈性厚度的影響。板塊有效彈性厚度的降低導(dǎo)致了海溝的顯著加深和變窄，而板塊的有效彈性厚度的變化與其年齡又存在著密不可分的聯(lián)系[19]。通過湯加-克馬德克海溝與馬尼拉、日本、馬里亞納海溝等俯沖板片彎曲的分析對(duì)比（圖5b），發(fā)現(xiàn)對(duì)于較年輕或較老板塊的情況，無論海溝處加載量如何變化，板塊的年齡都可能是控制海溝彎曲形狀的主要因素（圖5）。

圖5 海溝板塊附近彎曲的示意圖模型(a)和湯加-克馬德克、馬尼拉、菲律賓、日本以及馬里亞納海溝俯沖板塊年齡與板塊彎曲參數(shù)的關(guān)系(b)X0 為板塊寬度，W0 為最大變形量，V0 和M0 是彎曲參數(shù)[19]。Fig.5 Schematic modelling of buckling near the trench plate (a) and the relationship between subducting plate age and plate buckling parameters in the Tonga-Kermadec, Manila, Philippine, Japan, and Mariana Trench subducting plates (b)X0 is the slab width, W0 is the maximum deformation, and V0 and M0 are the bending parameters [19].

3 西太平洋俯沖帶板塊正斷層模擬與含水量估算

西太平洋的俯沖帶板塊正斷層的模擬研究中，俯沖板塊在板塊彎曲演變過程中的水平偏差應(yīng)力能直接反映斷層形態(tài)。根據(jù)最佳擬合模型得到4 個(gè)海溝的俯沖板塊的正斷層模式（圖6a-d）。根據(jù)計(jì)算，正斷層發(fā)育在上塑性屈服破裂帶內(nèi)。

圖6 湯加、日本、伊豆-小笠原、馬里亞納海溝俯沖板塊正斷層特征以及板塊有效彈性厚度變化、計(jì)算的水平偏應(yīng)力和有效彈性板厚度a-d 中黑色虛線表示伸展屈服帶的最大深度，帶誤差條的黑圈顯示了研究區(qū)域內(nèi)可重新定位的外升正斷層地震；e-h 中是4 個(gè)溝槽計(jì)算的Te（黑色曲線）和計(jì)算的面積SΔTe（白色區(qū)域）[15]。Fig.6 Normal faulting characteristics in the subducting plates of the Tonga, Japan, Izu-Bonin, and Mariana Trench and variations in the effective plate elastic thicknessThe black dashed lines in a-d indicate the maximum depth of the stretching yield zone, and the black circles with error bars show the relocatable outgoing uplift normal fault earthquakes in the study area; e-h are the calculated Te (black curves) and calculated area SΔTe (white areas) for the four trenches [15].

結(jié)果顯示，在日本海溝、伊豆-小笠原海溝和馬里亞納海溝中，大多數(shù)正斷層都是向海溝方向傾斜的。但湯加海溝既有向海溝傾斜的斷層，也有向海洋傾斜的斷層。經(jīng)計(jì)算，日本海溝和湯加海溝的正斷層比伊豆-小笠原海溝和馬里亞納海溝的正斷層淺。研究區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的重定位正斷層地震均位于計(jì)算出的拉伸屈服破裂帶內(nèi)（圖6a-d）。黑色虛線曲線表示拉伸屈服帶的最大深度。帶誤差條的黑圈顯示了Emry 和Wiens 研究區(qū)域內(nèi)可重新定位的正斷層地震[20-24]。

在構(gòu)造加載的作用下，俯沖板塊在距離海溝100 km 左右處的外緣隆起區(qū)開始產(chǎn)生正斷層，逐步向海溝軸部發(fā)育，隨著斷層橫向發(fā)育的過程中斷層深度也逐漸增大，直至斷層形態(tài)趨于穩(wěn)定[16]。模型結(jié)果顯示，日本海溝的水平張力分別比馬里亞納、湯加和伊豆-小笠原海溝小33%、50%和60%。湯加、日本、伊豆-小笠原、馬里亞納海溝的正斷層最深可達(dá)海底以下29、23、32 和32 km（圖6），這與重新定位后的日本與伊豆-小笠原地震深度一致。此外，反演得到的水平張拉力與觀測(cè)到的平均垂直斷距呈一定正相關(guān)性，而計(jì)算得到的有效彈性厚度減少量與觀測(cè)到的海溝撓曲量也相關(guān)。這些結(jié)果表明，水平張拉力在正斷層發(fā)展過程中起著關(guān)鍵控制作用，板塊弱化可導(dǎo)致板塊撓曲量的顯著增加。

根據(jù)計(jì)算的水平偏應(yīng)力，按照前人的方法[25-27]，計(jì)算了由于板塊彎曲和正斷層作用而產(chǎn)生的有效彈性板塊厚度Te變化（圖6e-h）。結(jié)果表明，有效板塊厚度向海溝軸線逐漸減小，湯加、日本、伊豆-小笠原和馬里亞納海溝的最大Te減少量分別為25、24、22 和26 km。然后，通過對(duì)跨軸距離上的Te還原進(jìn)行積分來計(jì)算Te還原的面積SΔTe。計(jì)算得出SΔTe的變化值中馬里亞納海溝最大，日本海溝最小。同時(shí)，計(jì)算得出Te還原區(qū)的寬度中日本海溝最大，其他3 個(gè)海溝幾乎相同。因此，日本海溝的平均Te減少量最小，馬里亞納海溝的減少量最大。

大多數(shù)利用薄板彎曲理論的研究已經(jīng)認(rèn)識(shí)到垂直載荷和彎矩的重要性，然而很少有研究調(diào)查水平張力（F0）的重要性?；谙惹暗难芯勘砻鳎現(xiàn)0對(duì)于解釋板塊彎曲和斷層垂直斷距至關(guān)重要，特別是在控制最大斷層斷距離海溝軸部距離方面[28-30]。計(jì)算的F0與觀測(cè)到的4 個(gè)海溝的平均斷層垂直斷距呈正相關(guān)。這一結(jié)果表明，較大的F0有利于俯沖板塊中較大正斷層的發(fā)育?；谝陨辖Y(jié)果，可以推斷F0在控制正斷層模式中起著關(guān)鍵作用。由于研究存在局限性，即只研究了相對(duì)古老板塊的俯沖帶，因此想要證實(shí)這個(gè)結(jié)論還需要進(jìn)一步的研究。

西太平洋俯沖板塊因其年齡老、具有較高的剛度，形成的斷裂分布廣且斷距大，進(jìn)一步促進(jìn)了流體進(jìn)入地幔，并引起地幔蛇紋石化[31-32]。前人通過研究表明進(jìn)入板塊內(nèi)地幔水化的范圍和程度可以被用來估計(jì)帶入俯沖帶的水量[33-35]。湯加、日本、伊豆-小笠原和馬里亞納海溝的累計(jì)斷層長(zhǎng)度（即單個(gè)可識(shí)別斷層的總和）分別為240、260、360 和450 km。并且通過對(duì)Cascadia 海溝的地震反射研究，估算單個(gè)斷層周圍的透水?dāng)鄬訋挾葹?5～600 km，從而估計(jì)透水?dāng)鄬訋У捏w積為18.0～144.0、19.5～156.0、27.0～216.0 和34.0～270.0 km3，湯加、日本、伊豆-小笠原和馬里亞納海溝的地幔蛇紋石化百分比分別為0.4%～3.4%、0.4%～3.1%、0.6 %～5.1%和1.4%～10.8%。這一結(jié)果表明，馬里亞納海溝的地幔蛇紋石化程度可能明顯大于其他3 條海溝，相當(dāng)于湯加和日本海溝的350%，伊豆-小笠原海溝的230%。

4 結(jié)論與展望

（1）觀測(cè)表明馬里亞納海溝、日本海溝、伊豆-小笠原海溝和湯加海溝都有顯著的正斷層特征，且湯加海溝的平均斷層錯(cuò)距最大，馬里亞納海溝的正斷層平均密度最大；（2）板塊有效彈性厚度的降低導(dǎo)致了海溝的顯著加深和變窄，并且無論海溝處的加載如何變化，板塊的年齡都可能是控制海溝彎曲形狀的主要因素；（3）屈服帶模型揭示馬里亞納海溝的有效彈性厚度變化最多，導(dǎo)致其正斷層特征更為明顯，這也符合對(duì)正斷層的觀測(cè)。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解俯沖帶的動(dòng)力學(xué)過程具有重要意義。

當(dāng)前的研究仍存在一定的局限性，包括：（1）地球動(dòng)力學(xué)模型可能無法完全考慮實(shí)際地質(zhì)過程中的所有復(fù)雜因素；（2）當(dāng)前的俯沖板塊彎曲動(dòng)力學(xué)模型基本上都是二維模型，而實(shí)際的海溝走向并非直線而全部為曲線形態(tài)，因而亟需三維地球動(dòng)力學(xué)模擬方法來解釋觀測(cè)到的板片彎曲和正斷層形態(tài)；（3）很多海溝仍缺乏實(shí)測(cè)的高精度海底地形數(shù)據(jù)，限制了不同區(qū)域的對(duì)比研究。今后的研究應(yīng)朝著以上方向去探索，以提高對(duì)西太平洋俯沖板塊動(dòng)力機(jī)制的更深理解。