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Nature刊发海洋国家实验室科研人员关于大地震与慢地震关系的最新研究成果
来源:科研部    2017-03-09 11:35:56

       2017年3月6日,《自然》(Nature)杂志在线发表了海洋国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室高翔特聘研究员与加拿大地质调查局王克林(Kelin Wang)教授的最新研究成果“Rheological separation of the megathrust seismogenic zone and episodic tremor and slip”。该研究发现地震带与其下方的慢地震在断层流变特征上是分离的,慢地震发生受地幔楔角( 断层面与大陆莫霍面交界)附近特殊的地质条件控制(链接:http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature21389.html;只读版全文链接:http://rdcu.be/pQgB)。

       本世纪初,科学家发现断层在板块汇聚边界地幔楔角附近有间歇性加速运动的现象,并把这种伴随着低频地震的断层运动称为幕式震颤与慢滑移(Episodic Tremor and Slip, ETS)(图a)。随之又发现了一系列类似现象,统称为慢地震。幕式震颤与慢滑移是最有规律的一种慢地震,通常发生在下冲海洋岩石圈很年轻的热俯冲环境。慢地震是自板块构造理论被广泛接受以来地球动力学最重要的发现之一,它的发现颠覆了对断层运动方式只有地震破裂和无震蠕滑的普遍认识。近年来尽管在慢地震的观测和模拟研究上取得了巨大的进展,但依然没有一个基本概念模型可以解释慢地震区域分布的多样性及其与大地震的关系。


有大地震和慢地震现象的俯冲断层的应力和运动现象示意图

a. 俯冲断层运动现象随深度的变化及慢地震与地幔楔角的关系。图内插图显示了地幔楔角附近特殊的地质条件如何导致高压流体的存在。b. 断层上的有效正应力。c. 断层上的剪切应力和对应的流变特征。 d. 据慢地震分布所推断的摩擦参数(a-b)的分布。


       高翔研究员和王克林教授的新发现是基于对俯冲断层流变性质(脆性摩擦与黏性蠕滑等)的研究。板块边界大地震发生于断层浅部,因为该处温度低,断层呈脆性。深部的高温环境一般使断层呈黏性。而高翔和王克林发现,在某些俯冲带,地幔楔角附近的高压流体使断层在这一深度又重新呈现脆性,从而带来幕式震颤与慢滑移。他们提出,在地震带和慢滑移带之间,断层呈半脆性或黏性(图c)。这一断层流变模型的提出解释了与慢地震相关的众多未解难题,如:为何与地震带是分离的;为何对应于地幔楔角特殊的岩石学条件;为何在热俯冲环境里多发但在冷俯冲环境里缺失以及为何在某些非俯冲环境中出现。

       这一流变模型也解释了美国陆上圣安德烈斯断层的慢地震现象。圣安德烈斯断层之下正在脱水的古地幔楔提供了类似俯冲带的高压流体环境。这进一步表明慢地震的发生往往是受特殊的地质条件控制,而不是通常认为的地震破裂向稳定蠕滑的一种过渡方式。中国陆上某些断层是否也有这种现象尚有待研究。该研究成果不仅解释了多种看似不相关甚至矛盾的慢地震观测现象,而且为研究大断层的滑动特征和地震生成机制提供了全新的概念模型。

       高翔研究员2014年就曾与加拿大地质调查局王克林教授在《科学》(Science)杂志提出“光滑海底俯冲导致弱的断层并易引发大地震”的地震新理论,该成果入选“2014年度中国海洋十大科技进展”。  

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