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源于地球深部的跳动——探解汪清7.2级深震之谜

源于地球深部的跳动——探解汪清7.2级深震之谜
2020年06月29日 12:40 新浪网 作者 新疆地震局

  中国科学院地质与地球物理研究所 陈棋福

  云南省地震局  姜金钟

  2002年6月29日1时19分,我国吉林省汪清县发生7.2级深震,震源深度540 km。该震与7级浅源地震激发的地震能量和震动波形基本一致,在经过数百至上千千米的能量衰减后,到达东北全境和华北部分地区时虽仍有微小震动,但并未惊醒位于该震上方的汪清周边居民。与7级浅源地震常常造成大量人员伤亡和重大经济损失相比,汪清深震未造成人员伤亡和建筑物破坏。

  一、汪清7.2级深震发生的位置

  深震是指震源深度大于70 km(也有认为是大于60 km),深度小于70 km或60 km的则称为浅震(浅源地震),深度在70~300 km或60~300 km的地震被称为中源地震,深度大于300 km的为深源地震。中源地震和深源地震经常被笼统的称为深震,有些严格的学者则仅将深度大于300 km的地震称为深震。

  从下图看,汪清深震发生在太平洋板块俯冲至中国东北下方的日本俯冲带上,中国东北一带的深震活动可以从近600 km的深处连续向上和向东追踪至日本海沟附近的浅源地震,十分明显地展现出太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲插入中国东北大陆下方约600 km深度的图像。各种尺度的地震层析成像结果也都显示中国东北一带的深源地震与日本海深震具有很好的连续性并发生在西太平洋俯冲板片的高速异常体内部。图中蓝色星号处及其连线分别给出了汪清7.2级深震的位置和震源机制解。

  源于地球深部的跳动——探解汪清7.2级深震之谜

  日本海沟至中国东北的剖面两侧300 km范围内的地震深度分布蓝图

  图中蓝色星号处及其连线分别给出2002年6月29日汪清7.2级深震、2011年5月10日中国东北中俄边界处6.1级深震和2011年3月11日日本东北9.0级浅震的位置和震源机制解;

  图上方画出了剖面沿线的陆地和海洋地形形态

  二、深震与浅震的似与不似

  迄今为止,人类记录到的最大深源地震是2013年5月24日鄂霍茨克海8.3级地震(深度约607 km)和1994年6月9日玻利维亚8.3级(也有报告说为8.2级)地震(深度约637 km)。人类记录到的最深的大地震是2015年5月30日发生在日本小笠原群岛的7.9级深震(日本气象厅测定8.1级),国际地震中心最终确定的震源深度为685.5 km。

  源于地球深部的跳动——探解汪清7.2级深震之谜

  国际地震中心2020年4月发布的1904-2016年全球Mw6.0地震分布图

  自1907年有关发现深源地震的观测结果发表后,就受到广泛质疑,直至和达清夫通过研究证实了深源地震的存在,以及贝尼奥夫综合地质、地震和物理信息提出贝尼奥夫带(现称Wadati-Benioff带,即俯冲带)来解释深震活动图像,深震作为一种“不可思议”的现象始得到较广泛研究。近百年的观测研究表明:天然发生的深震与浅震都属于构造地震,是人类生存的地球深部鲜活运转着的体现。

  源于地球深部的跳动——探解汪清7.2级深震之谜

  据国际地震中心1964-2016年地震目录统计的地震深度个数分布蓝图

  总的来说,深震与浅震十分相似。深震与绝大多数浅震都是由剪切变形引起的破裂,在地震破裂特征和从震源处辐射出的地震波图像与地震破裂前后的应力差(应力降)等许多方面都存似,虽然深震与浅震的地震辐射效率、地震断裂面形态、地震破裂速度和破裂持续时间及应力降等在具体量值变化上有所差异,且因深震激发的地震波在地球浅部的传播路径较短,故在地震波形可观测到深震的面波相对不大发育甚至缺失,且深震的体波波形显得不如浅震波形那么复杂。此外,深震与浅震都满足震级–频度的Gutenberg–Richter统计关系,甚至浅震的动态触发现象和破裂区域重叠的重复地震也在深震中观测到。

  深震与浅震存在3点明显区别:

  1.在发震地点和致灾方面,浅震可发生在包括大陆在内的地球上大部分地区,因而6级以上甚至5级浅震常常造成大量人员伤亡和经济损失,而深震则仅发生在板块俯冲下插的俯冲带上,故深震少有造成人员伤亡和经济损失的报道,但深度较浅的深震还是存在一定破坏性。

  2.深震明显少于浅震,最明显的区别是深震的余震数量很少。在地震震级相同的情况下,深震的余震数量比浅震的要少1个或更多个数量级,且中源地震的余震数量又略少于深源地震。在较冷的俯冲带(如汤加、印度尼西亚和马里亚纳俯冲带)存在显著的深震余震活动,而相对较热的俯冲带(如南美、日本和伊豆-小笠原俯冲带)的深震余震活动则较少。

  3、据全球矩张量gCMT给出的地震震源机制解,深震与浅震的震源主要为双力偶剪切源,但有很大部分的深震都含有十分明显的非双力偶剪切断裂成分,即补偿线性矢量偶极(CLVD)成分。

  三、待解深震之谜

  对海洋岩石圈的浅震活动分析表明:浅震仅发生在温度≤700 ℃的环境下。实验研究显示:随着温度和压力增大,岩石的流变学强度会降低到只发生塑性流动的程度,应力作用的岩石失稳由脆性破裂转变为韧性蠕变。依据地球深度的温度和压力条件,正常的脆性破裂或滑动在超过 60~100 km深度就变得极为困难,这正是20世纪20年代广泛质疑深源地震活动存在的原因。然而,在几乎不可能发生岩石脆性破裂的超过100 km地球深处,存在深震活动是无可置疑的观测事实,因而深震的成因机制与深震活动为何会终止在约680 km深度处仍是待解之谜。

  目前争论较多的深震的可能成因机制可归为三种:脱水脆裂、橄榄石相变引起的反裂隙断层或相变断层作用、热剪切失稳作用。越来越多的实验研究和岩石学、地震学观测都倾向认为:脱水脆裂可较好解释中源地震成因,但已提出的各种可能机制在解释深源地震成因时都存在各自不足,尚无单一的物理机制可解释所有深度大于100 km或200 km深震活动的地震学特征。研究表明:仅靠相变作用无法完全解释深源地震震源区的各向异性,俯冲板片中的菱镁矿或碳酸盐岩熔融也可能会引起深源地震发生。由于深源地震的发震机制、破裂过程极其复杂且可能是动态变化的,因此不同震源深度、不同俯冲带和不同大小的深源地震发震机制也可能不同,甚至可能由多种机制共同作用所致。

  根据不同俯冲带的深源地震Gutenberg–Richter关系中的b值差异,提出深源地震的“双机制”假设:深源地震在俯冲板片的亚稳态橄榄岩楔形区(Metastable Olivine Wedge, MOW)内部主要以相变断层作用方式成核并开始破裂,但破裂在突破MOW后以热剪切熔融或热逃逸的形式向外传播;在较热俯冲带的薄MOW区内,“双机制”共同发生作用。精定位的深源地震结果表明:MOW确实存在于日本海及中国东北地区下方的俯冲板片内,MOW厚度自约450 km深度处的50 km逐渐减薄至约580 km深度处的几千米。汪清附近的大多数深震都发生在Jiang等给出的MOW内或周边区域,故认为深源地震的“双机制”假设可以较好解释中国东北地区的Mw≤6.5深源地震成因,但仅有限台站观测资料约束的2002年汪清7.2级深震的物理成因仍有待探索研究。

  500多千米深处发生的汪清7.2级深震,就像人的心脏跳动一样是地球内部活跃的表征。深震活动与板块俯冲及其相伴生的体系密切相关,深震的发生为人们探测地球深部地核和地幔结构提供了不可或缺的信息。近百年来的研究仍没能给出令人完全信服、自洽的深源地震发震机制,深震之谜依然待解。

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