综述：俯冲带孕震结构

《SURVEYS IN GEOPHYSICS》：Seismogenic Structures in Subduction Zones

本综述系统总结了高分辨率地震层析成像在俯冲带大地震（地壳地震、板间巨震和板内地震）研究中的最新进展，揭示了流体在孕震过程中的关键作用。文章指出，结构性不均匀体和来自俯冲板块脱水作用的流体（如H2O）共同控制着大多数地震的成核，为理解俯冲带地震成因提供了新的地球物理证据。

　　

引言

俯冲带是地球上大型和特大地震的孕育场所，与岩石圈板块的主动俯冲作用密切相关。发生在俯冲带的地震类型多样，主要包括上覆板块的地壳地震、板块边界巨震、板内地震（或称中源地震，60-300公里）以及深源地震（300-680公里）。自里德（Reid）提出弹性回跳理论以来，地震学家普遍认为地震是岩石圈或俯冲板块内部活动断层突然或缓慢破裂的结果。尽管地震波形分析成功估算了地震的物理参数和破裂过程，但地震层析成像技术在揭示孕震结构方面发挥了独特作用。虽然其空间分辨率（通常为公里级）尚不足以直接成像薄断层带（如凹凸体，asperity），但对于探测地壳和地幔中与地震相关的三维体积性结构非均匀性极为有效。关键在于，研究区域需有密集的固定或流动地震台网，以确保获得高分辨率图像，从而探测与地震孕育相关的结构异质性。

地壳地震

东北日本

日本列岛覆盖着密集的地震台网，为研究大型地壳地震的孕震结构提供了理想条件。2008年岩手-宫城内陆地震（M7.2）发生在东北日本弧中部的栗驹火山附近。层析成像结果显示，主震和主要余震位于上地壳的高速（high-V）、低泊松比（low-σ）异常区内，而震源区下方的下地壳和最上部地幔则存在显著的低速（low-V）和高泊松比（high-σ）异常，这可能反映了与栗驹火山相关的含水岩浆或流体，它们源自俯冲太平洋板块脱水作用，上涌并削弱了上地壳的力学强度，从而影响了地震的发生。对26个发生在东北地区的大型地壳地震（M6.0-7.2）的震源区研究也揭示了类似特征：在火山前缘和弧后地区，下地壳和地幔楔中存在低V_P、低V_S、高σ异常，反映了由地幔楔角流（corner flow）和板块脱水流体共同产生的高温异常，这些热异常可能导致上覆脆性孕震层局部变薄和弱化。在弧前区，虽无火山岩浆，但低V波速异常同样存在，可能反映了来自板块脱水的流体。这些流体可能在弧前区下的地幔楔和地壳中形成“水墙”，当流体通过微裂隙进入地壳中的活动断层时，会降低断层摩擦系数，从而诱发大地震。

2018年北海道胆振东部地震（M6.7）的震源异常之深（主要位于10-40公里深度的下地壳和最上部地幔）。成像显示主震发生在高速孕震区的边缘，而震源区及下方直至俯冲太平洋板块上表面存在显著的低V_S和高σ异常，很可能反映了来自板块脱水的上涌流体。这些流体可能进入了孕震断层，影响了破裂成核。

西南日本

西南日本具有独特的双俯冲系统，年轻的菲律宾海板块（~15-30 Ma）俯冲于欧亚板块之下。2000年西部鸟取地震（M7.3）和2016年中部鸟取地震（M6.6）分别发生在大山火山以西和以东约30公里处。两个大地震均发生在上地壳的高速区，但其下方的下地壳和上地幔存在低V波速和高σ异常。低频微地震（M 0.0-2.1）发生在这些低V、高σ异常区内部或周围，反映了大山火山下地幔来源的岩浆流体向上迁移。这两次地震的成核可能受到这些上涌流体的影响。由于俯冲的菲律宾海板块年轻且温度较高，可能发生板块熔融，或者沿消亡的四国海盆扩张脊存在板块撕裂或窗口，使得菲律宾海板块之下、太平洋板块之上的热而湿的地幔物质上涌至浅部。

2016年熊本地震（M7.3）发生在九州北部的别府-岛原地堑内，该区域火山和活动断层发育。主震震源位于上地壳的高速、低σ区，但被下地壳和上地幔的低速、高σ异常所包围和下伏，表明活跃的火山和岩浆流体相关的强烈结构非均质性影响了孕震过程。别府-岛原地堑的形成可能受到冲绳海槽北向伸展、中央构造线西向伸展以及活火山下地幔楔中热上涌流体的联合作用。应力张量估计显示震源区应力场存在时空变化，断层摩擦系数较小（~0.4），表明断层较弱，这可能与震源区下方的流体和邻近阿苏火山的弧岩浆有关。

台湾

2016年高雄美浓地震（M_w 6.4）和2018年、2019年花莲地震（M6.4, M6.1）的层析成像研究揭示了类似的流体作用。美浓地震主震位于速度和泊松比发生剧烈变化的边界带，且其下方（23-40公里深度）存在垂直延伸的高σ异常，可能反映了来自俯冲欧亚板块脱水的上涌流体。花莲地震的主震则发生在纵向谷断层及其分支对应的尖锐垂直边界上，震源下方也存在与俯冲菲律宾海板块上边界相连的高σ异常。这些结果均表明，来自俯冲板块脱水的上涌流体侵入活动断层，触发了这些地震。

板间巨震

东北日本

2011年东北冲大地震（M_w 9.0）发生在东北弧前下方的巨型逆冲带上。重定位结果和V_P层析成像显示，东北巨型逆冲带存在显著的横向波速变化，且与1900-2011年间大型板间地震（M≥6.0）的分布有良好的空间相关性。大多数大地震发生在高速区或高低速过渡带，而低速区则很少有大型事件发生，可能因为后者含有更多流体和沉积物，导致耦合较弱。宫城县近海存在显著的高速异常，2011年主震和最大的同震滑移就发生在此，这可能反映了由于海山或海底高原俯冲造成的强耦合区（凹凸体）。后来的波速、衰减和各向异性层析成像研究均证实了东北巨型逆冲带孕震结构的这些主要特征。

西南日本

在南海海槽，菲律宾海板块俯冲于欧亚板块之下，历史上曾发生多次大型板间地震（如1944年东南海地震M8.1，1946年南海地震M8.3）。层析成像揭示了南海巨型逆冲带存在两个显著的高V、高Q（低衰减）、低σ区域，被低V、低Q、高σ异常所分隔。历史大地震的震源多位于或靠近这些高V、高Q、低σ区域，可能代表了巨型逆冲带上的强耦合区（凹凸体）。这些结构性不均匀体，如俯冲的海山、沉积物、大洋断裂带等，控制了大地震的成核。更新的地震图像以及残余地形和重力异常表明，1944年东南海地震、1946年南海地震和1968年日向滩地震的破裂区上下盘均存在相似的地震波速和密度结构，表明这些巨震的成核和破裂过程同时受上、下板块的控制。

阿拉斯加

对1964年阿拉斯加巨震（M9.2）和2018年安克雷奇板内地震（M7.1）震源区的三维结构研究表明，安克雷奇地震发生在俯冲的太平洋/耶库塔特板块内部一个泊松比高于正常板块的异常带内，而上覆的北美板块则显示低V_S和高σ，很可能表明震源区发生了强烈的脱水脆化，脱水流体被释放到上覆板块中。在科克湾存在长期（3-4年）的慢滑移事件，其对应的下地壳显示高σ，而它们之间的区域则为低σ，暗示其分段性可能与俯冲的耶库塔特板块上覆富含流体的沉积物释放的局部流体有关。在威廉王子湾，1964年阿拉斯加地震的破裂起始于上覆地壳的一个高V、高σ区下方，而大的同震滑移则发生在一个低V_S、高σ区下方，表明巨型逆冲带的横向不均匀性对该巨震的成核和破裂过程起了重要作用。

对阿拉斯加-阿留申弧前区的精细三维成像进一步用于估算俯冲太平洋板块的蛇纹石化体积分数。结果显示，舒马金间隙（Shumagin Gap，历史上未发生特大地震）的俯冲板块水化程度较高，而塞米迪（Semidi）和科迪亚克（Kodiak）段的水化程度相对较低。板块水化程度大致呈现向东减弱的趋势，这与震间滑动亏损率的增加相关。板块水化和脱水程度的差异很好地对应了板间耦合的沿走向分段性以及2020年M7.8西梅奥诺夫夫和2021年M8.2奇格尼克巨型逆冲地震的同震滑移分布。慢地震发生在具有俯冲前结构（如弯曲断层和断裂带）的水化板块与上覆板块流体饱和的地壳和地幔楔之间，这些特征表明板块的水化和脱水作用影响了俯冲带的板间耦合和孕震行为。

板下结构与孕震

迄今为止，对巨型逆冲地震的研究大多集中在俯冲板块界面本身。然而，全球和区域层析成像显示，俯冲板块下方的地幔（板下地幔）存在显著的低速异常（Sub-slab Low-Velocity Anomalies, SLVAs）。范和赵（2021）研究了六个发生过特大型逆冲地震（M≥9.0）的俯冲带（智利、阿拉斯加、日本、堪察加、苏门答腊和卡斯卡迪亚）下方的V_P结构，揭示了这些区域下方均存在显著的板下低速异常（SLVAs），可能反映了来自更深地幔的热上涌流。特大地震的震源位于这些SLVA的边缘或SLVA之间的间隙（SLVAGs）上方，巨大的同震滑移也主要发生在SLVAGs上方。这表明SLVAs与其间隙之间的差异浮力可能是地震成核的一个重要因素，而特大型逆冲地震的破裂范围可能受到SLVAs的制约。因此，研究详细的板下结构有助于圈定未来特大地震的潜在发生位置和破坏区域。

板内地震

与地壳地震和板间巨震相比，对板内地震成因机制的理解仍较浅。过去二十年间，在东北弧前下方的太平洋板块内部发生了四次M≥7.0的大地震（2003年宫城冲M7.0，2011年宫城冲M7.1，2021年福岛冲M7.1，2022年福岛冲M7.4）。对2003年宫城冲板内地震的研究发现，其主震和余震发生在板块内部一个与其周围相比具有明显低V_P异常的区域。板块内V_P的降低归因于脱水脆化作用，即俯冲板块含水矿物脱水，通过增加板块内先存断层和裂缝的孔隙压力，诱发了主震和余震序列。对2011年宫城冲M7.1板内地震的研究也显示，主震震源周围存在低速区，余震活动局限于太平洋板块大洋地幔的上部15公里。余震排列与板块表面的夹角约为60°，这与海沟外坡向洋倾斜的正断层倾角一致，表明该事件是由俯冲前形成的埋藏水化断层的再活动引起的。大洋地幔最上部~15-20公里可能因海沟外坡与弯曲相关的张性断陷作用而局部水化。

最近，利用包括海底S-net台站数据对这四个大板内地震震源区的精细V_P和σ成像显示，在太平洋板块内相邻高速异常之间揭示了相对较低的V_P间隙，四次板内地震（M≥7.0）的余震主要分布在这些间隙中。主震位于板块上表面以下约20公里深度内的局部高σ区，反映了该处流体的富集。这些结果支持了大型板内地震与在海沟外坡形成并随大洋板块一起俯冲的埋藏水化断层的再活动有关的观点。脱水脆化作用可能控制了这些大板内事件的发生。

各向异性层析成像揭示了东北弧前区存在平行于海沟的板内快波方向，这些快波方向与板块上表面以高角度（~45°-90°）相交，反映了板块内排列的水化断层。这些水化断层的破裂可能导致上述大型板内地震。此外，当从水化断层释放的水进入巨型逆冲带一个大的近海沟凹凸体时，可能触发如2011年东北冲地震（M9.0）这样的特大型板间事件。

P各向异性层析成像得到的海沟垂直二维剖面。背景颜色表示各向同性V_P扰动。两个蓝色沙滩球表示由俯冲太平洋板块内水化断层破裂引起的2011年和2021年板内地震（M7.1）。黄色和红色的T形符号分别表示太平洋板块内部和外部的快波方向，其长度表示各向异性幅度。SPO，与断层和裂缝相关的形状优选方位；LPO，与地幔流相关的晶格优选方位。b 示意图显示板块内的水化断层、板内地震以及外缘隆起和东北弧前的其他特征。'>

讨论

上述发现表明，俯冲带地震的发生并非纯粹的断层破裂过程，而是受到俯冲动力学及相关结构非均匀性的影响或控制。多学科研究证实流体存在于俯冲带的各个部分。大洋岩石圈俯冲入地幔的过程伴随着产生流体的变质作用，这些流体在弧岩浆的形成中起关键作用。板块脱水作用至少可延伸到~200公里深度，通过含水相的分解反应释放流体。当弧下地幔在莫霍面附近产生岩浆时，会生成两种流体相：弧岩浆和富水流体，它们可能独立向上运移。这种相分离可能发生在莫霍面深度附近约800-1000°C的条件下，而活跃弧火山下莫霍面附近经常发生的低频微地震可能与这种相分离和流体迁移有关。

巨型逆冲带通常被上覆板块超压至近岩石静压力值，沿板块边界的细粒物质中的溶液迁移有助于裂缝的热液封闭，从而降低整体渗透率。超压的沿倾向变化可能影响摩擦剪切阻力峰值所在的深度，该处可能成为巨型逆冲地震的主要凹凸体。流体作用可以影响断层带的长期结构和成分演化，改变断层带的强度，并改变局部应力状态，这些效应都能增强孕震区的应力集中，导致大地震的发生。除了地震层析成像揭示的结构非均匀性外，在一些大型地壳地震和巨型逆冲地震的震源区也揭示了应力场的时空变化，认为这与孕震区的流体迁移有关。

所有这些结果表明，地震的发生并非纯粹的力学过程，而是与地壳和上地幔物质的物理化学性质，特别是水、流体和熔体密切相关。大型地震的成核区应具有三维空间范围，而不仅限于二维断层面上。换句话说，存在一个“地震体积”。复杂的物理化学反应可能在这个地震体积内发生，导致物质性质和应力场的时空变化，这些可以通过地震层析成像和其他地球物理方法探测和成像。因此，大地震可能并非随机发生在任何地点，而仅存在于存在显著结构非均匀性（即孕震结构）的异常区域，这些区域可以通过高分辨率地球物理成像来探测。

结论

迄今为止对大地震震源区的地震层析成像研究表明，地壳和上地幔的结构非均匀性强烈影响或控制着俯冲带地震的成核。主要发现总结如下：

1. 1.
   大型地壳地震通常发生在上地壳脆性层的高速区，而下地壳和上地幔（或最上部地幔）存在低速和高泊松比异常，可能反映了来自俯冲板块脱水反应的流体。这些流体可能触发大型地壳地震。许多大地震发生在活火山附近，岩浆和火山活动（如低频微地震）常在地震发生前后出现，表明了地震与火山之间的相互作用。
2. 2.
   板间巨型逆冲带及其周围存在显著的结构非均匀性，这与大型板间地震的分布相关。主震震源和大的同震滑移发生在高速区，可能反映了由于输入的大洋板块中海山或地形高地的俯冲造成的强耦合区（凹凸体）。相反，在巨型逆冲带的低速区很少发生大型地震，这些区域可能因存在更多沉积物和/或流体而呈弱耦合或解耦状态。巨型逆冲地震的生成可能受上下板块的结构非均匀性以及板下地幔热上涌流的影响或控制。
3. 3.
   大型板内地震可能是由板块俯冲前在海沟外坡产生的水化正断层的再活动引起的。其主震和余震发生在俯冲板块内部比周围波速较低的区域。板块内波速降低的区域归因于板块内含水矿物脱水导致的脱水脆化作用，该作用可能通过增强板块内先存断层和裂缝的孔隙压力而诱发主震和余震序列。也有可能板块局部受到机械破坏，导致波速降低。
4. 4.
   流体可能参与了俯冲带大多数地震的生成。