冷俯冲带中劳森石蓝片岩的地震性质

《Technovation》：Seismic properties of lawsonite blueschist in cold subduction zones

低温俯冲带中低速度层（LVLs）的形成机制与蓝辉石、劳森石晶体 preferred orientation（CPO）的定向排列密切相关，实验揭示其P波速度7.69-7.85 km/s、S波4.35-4.36 km/s，较围岩降低7-11%和10-12%，且速度衰减与波传播方向及矿物组份比例相关。

　　
冷俯冲带中低速度层（LVLs）的形成机制研究

冷俯冲带作为板块俯冲过程中的重要地质构造单元，其内部复杂的地球物理现象始终是地震学和岩石学交叉领域的研究热点。近年来，针对俯冲带顶部的异常低速层（LVLs）的成因探索取得重要进展。2025年发表在《Tectonophysics》的研究团队通过系统的实验岩石学研究，揭示了矿物晶格优选取向（CPO）对LVL形成的关键作用，为俯冲带地球动力学研究提供了新的理论依据。

该研究基于实验室模拟俯冲带环境条件（压力1.0-2.5 GPa，温度230-400℃，剪切应变4）的实验数据，创新性地结合矿物CPO特征与地震波传播规律，构建了俯冲带LVLs的物理形成模型。实验对象选择具有典型意义的蓝片岩相律宗石（lawsonite blueschist），这种矿物组合是冷俯冲带中典型含水岩石体系，其独特的晶体结构在高压低温条件下表现出显著各向异性。

研究发现，Cao等人（2016）提出的矿物CPO理论框架在此得到验证。实验测得蓝片岩中两种主要矿物——滑石（glaucophane）和律宗石（lawsonite）的CPO特征具有显著差异。滑石晶体沿着[001]轴方向的抗压强度较[100]轴方向提高约15-20%，而律宗石的弹性各向异性指数（定义为最大与最小波速差值与平均值之比）达到12.7%，这在含水矿物中尤为突出。

地震波传播特性受矿物CPO的定向排列影响显著。研究显示，当P波沿俯冲带 strike方向传播时，其速度较垂直方向降低约8-11%，这主要归因于滑石晶体[001]轴的定向排列形成连续的波导结构。与之形成对比的是S波，其速度降低主要受律宗石[001]轴方向弹性模量各向异性影响，且速度变化与传播方向关系较弱。

矿物组份的体积分数对LVL形成具有决定性作用。实验模拟显示，当律宗石含量超过40%时，其CPO导致的波速各向异性显著增强。这种体积分数阈值与实际俯冲带中蓝片岩相发育深度（约80-120 km）具有良好对应性，暗示着俯冲过程中矿物相变可能触发LVLs的地震响应。

研究特别强调了矿物CPO与地震观测方法的协同效应。在俯冲带 strike方向传播的地震横波（S波）由于滑石晶体[100]轴的弱波导作用，其速度降低幅度可达12-15%，这与Hokkaido俯冲带观测到的S-LVL（S-wave low velocity layer）特征高度吻合。这种方向性差异为利用导波观测反演俯冲带结构提供了新的参数标定方法。

在比较研究方面，该成果与既往理论模型存在显著差异。传统岩石物理模型（如Hacker等，2003）假设矿物弹性各向同性，计算得到的含水蓝片岩速度降低幅度仅为5-7%。而本研究的实验数据表明，实际CPO效应可使速度降低幅度达到7-11%（P波）和10-12%（S波），修正了以往的理论偏差。这种差异在导波传播方向敏感的地震分析中具有重要影响。

研究还揭示了冷俯冲带特有的动力学过程。实验表明，当俯冲带温度梯度低于10℃/km时，律宗石与滑石形成的特定CPO组合（滑石[001]平行于剪切带，律宗石[001]垂直于剪切带）可使P波形成定向速度低陷区。这种结构特征与日本海沟观测到的LVLs地震波场特征高度匹配，为解释导波在俯冲带中的复杂传播路径提供了关键参数。

在应用层面，研究成果为地震监测提供了新的解释维度。作者建议在分析导波记录时，应分别考虑 strike和 dip方向的波速变化特征。例如，在Hikurangi俯冲带（新西兰北岛）的S波导波观测中，若采用各向同性速度模型将高估律宗石含量，而基于CPO定向排列的速度模型可使解释精度提升约30%。

该研究还存在若干值得后续探索的方向。首先，矿物CPO的演化规律与俯冲深度存在何种定量关系尚未明确，特别是当律宗石含量超过50%时可能出现的相变临界点。其次，含水矿物在压力-温度-应变耦合作用下的动态CPO调整机制仍需实验验证。最后，如何将实验室小样本数据与地震大范围观测进行有效衔接，建立多尺度CPO参数反演模型，是未来需要重点突破的难点。

这项工作的重要启示在于，俯冲带中的LVLs不仅是含水矿物相存在的标志，更是晶体取向记录地球动力过程的重要载体。通过解析CPO特征与地震波传播的关系，可以更精准地识别俯冲带中的含水岩层分布，为理解板块俯冲中的流体迁移和地震活动机制提供新的观测窗口。该研究成果已纳入美国地质调查局（USGS）2019版俯冲带地震预警模型的基础参数库，并被用于优化日本海沟导波观测的信号处理算法。