近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室（OMG）研究员夏少红团队联合南京大学与日本东北大学相关团队，在俯冲带水合/脱水作用与大地震产生关系方面取得新进展。相关成果于发表在Journal of Geophysical Research: Solid Eart （《地球物理学研究杂志：固体地球》）上,苟涛助理研究员为第一作者，夏少红研究员为通讯作者，南京大学黄周传教授与日本东北大学赵大鹏教授为论文共同作者。
俯冲带是地球上最大的地震聚集带，产生了全球90%以上的地震，是8级以上大地震的主要发生区域。俯冲大洋板块与上覆板块之间的大型逆冲断层是世界上规模最大的断层之一，上下板块之间的摩擦耦合不断积累着巨大的应变能，到达足够程度后发生错动可触发高达9级的板间地震，可造成灾难性的破坏。因此，板间大地震的产生规律一直是社会公众和科学界关注的焦点问题。
大洋板块水合/脱水是地球进行水循环的关键途径，也是造成俯冲带异质性的重要过程。海水沿断层裂隙进入大洋板块岩石圈，通过水合作用（如蛇纹石化）形成含水矿物，可造成岩石流变学性质的显著改变。同时，随着板块俯冲，大量地表水被运输到地球内部，其中大部分通过板块脱水释放到地幔中，深刻地影响着俯冲带壳幔结构与应力状态。然而，由于缺乏对板块水合/脱水程度的三维约束，上述过程能否影响俯冲带板间耦合和地震产生尚未取得较好认识。
针对这一问题，研究团队利用美国阿拉斯加前弧海底地震仪和陆地台站天然地震数据，通过地震层析成像反演获得了高精度P波速度（Vp）、S波速度（Vs）和波速比（Vp/Vs）三维结构。
研究结果表明，俯冲太平洋板块内部地震波速显示出不同程度的降低，据此，研究人员对蛇纹石化程度进行了估算（图1），发现其水合程度沿海沟走向的显著变化。在已有约120年未发生8级以上地震的舒马金群岛，俯冲板块水合程度最高，这可能是由于洋脊处形成的化石组构近平行于海沟方向，加强了俯冲外缘隆起处弯曲断层的水合作用，生成的大量蛇纹石导致板块强度降低，板间耦合较弱，因此板块界面难以形成大地震。同时，俯冲板块水合程度由西向东减小，并且表现出不平滑的变化趋势（图2），这与板间耦合沿海沟走向的分段变化特征，以及2020-2021年两次板间大地震的同震位移空间展布密切相关。这些现象表明该地区俯冲板块水合程度的空间变化可能影响了板间耦合和大地震破裂。
此外，在舒马金群岛和科迪亚克岛，由于上覆板块和地幔楔表现为低速、高波速比特征，同时俯冲板块内具有更频繁的地震活动，深部板块的变质脱水可能更加强烈。而脱水过程中释放的含水流体向上迁移和聚集，又促进了板块界面深部构造震颤与长周期慢滑移事件的产生（图3）。
该研究揭示了俯冲板块水合/脱水对板间耦合和孕震行为的影响，为理解俯冲带运行机制与大地震产生提供了新认识。
研究工作得到了国家自然科学基金、日本学术振兴会、广东省研究基金和中国科学院南海海洋研究所南海新星项目的联合资助。
相关论文信息：Gou, T., Xia*, S., Huang, Z., & Zhao, D., 2022. Structural heterogeneity of the Alaska-Aleutian forearc: Implications for interplate coupling and seismogenic behaviors. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127, e2022JB024621. https://doi.org/10.1029/2022JB024621
图1 估算蛇纹石化沿平行板块边界的二维切面。背景的红色与绿色表示由强到弱的蛇纹石化。红色和黑色五角星分别代表2020年（7.8级）和2021年（8.2级）发生的两个板间大地震，蓝色五角星代表2020年发生的俯冲板块内地震（7.6级）。黑色虚线代表20世纪板间大地震的破裂区。板间耦合程度由西向东增强，蓝色虚线与实线代表其沿海沟分段的边界。紫色圆点与红色短线分别代表构造震颤低频地震与慢滑移事件。红色三角代表活火山。
图2 估算蛇纹石化垂直切面图。切面位置沿俯冲板块上边界25 km等深线（AA’）。彩图内黑色曲线代表莫霍面、俯冲板块上边界等地震间断面。彩图上方蓝色曲线代表板块边界以下10 km处的蛇纹石化程度，其他彩色曲线代表归一化后不同地震的同震位移量。蓝色箭头代表板间耦合程度沿海沟分段的边界。
图3 阿拉斯加-阿留申俯冲带结构示意图。背景的红色与绿色表示由强到弱的蛇纹石化。黑色虚线表示20世纪板间大地震的破裂区。蓝色虚线表示呈沿海沟分段的板间耦合程度边界。
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