俯冲带内双地震带与三地震带的形成机理

彭志芳

山东农业大学林学院

俯冲带内双地震带与三地震带的形成机理

彭志芳

山东农业大学林学院

为有效解决双地震带与三地震带形成机理的疑难，特引入超临界流体与断层耦合致震模型，对双地震带与三地震带现象进行了研究。研究结果表明：固体地球系统内部存在双层或三层俯冲带，其上的地震事件集群分布相应的形成了双地震带或三地震带，在其形成过程中缀于下方的巨石体发挥了重要作用，造就了双地震带与三地震带特殊的应力分布。

据不完全统计，从公元1500年起至2000年的500年间地震已累计造成至少527.2万人死亡，Holzer等的地震死亡目录模拟表明，21世纪全球地震死亡人数将为257±64万人。然而目前人类对地震的认识仍相当有限，对地震的形成机理进行客观全面的认识成为摆在世界人民面前的一巨大难题。在所有地震类型中，中深源地震成因最为特殊，是人类客观认识地震形成机理的关键，现阶段学界对其形成机理的研究颇多，但在予更为特殊的双地震带与三地震带成因以合理的解释方面尚存困难。对此，目前的解释主要有抗弯作用、脱水作用、热剪切不稳定性、原先已有断层重新滑动等模型，这几种模型的困境概括起来主要是没有与各类地震的形成机理有机统一，且不能解释双地震带的几倍与本身的间隔距离问题或其间隔距离与年龄的正比关系以及三地震带等现象。本文即要通过对超临界流体(SCF)与俯冲带的耦合致震机理的研究着手解决上述疑难。

双地震带与三地震带的形成要素

在俯冲带内具有沿俯冲方向张性(DDT）、压性（DDC）等不同震源机制且间隔一定距离的中深源地震条带分布称之为双地震带（DSZ）。DSZ最早是1966年Sykes在千岛南部地区发现的，1977年Veith的研究对此予以了证实，并揭示了该地区DSZ的震源机制上层为DDC,下层为DDT。此后在汤加海沟、马里亚纳、新西兰等俯冲带内也陆续发现了DSZ，至此DSZ基本得到了学界的认可，但其形成机理仍悬而未决，让DSZ谜上加谜的则是三地震带的发现。1994年Akira等注意到日本本州东北地区火山岛弧下方的DSZ存在异常，2001年Igarashi等对该区域俯冲带的应力分布进行了研究，研究结果表明该区域的贝尼奥夫带可分为三层，属于比较典型的三地震带。DSZ与三地震带属于地震带的特殊形式，其构成是多个中深源地震事件的集合，要解开DSZ与三地震带的形成机理就须以地热能、SCF、俯冲带三要素促就的中深源地震为切入口，下面就将这三要素分别进行阐述。

形成动力——地热能

地热能是以热力形式存在于固体地球系统内部的天然热能。地热能主要来源于地球内部放射性元素蜕变释放的热能，其次是地球自转产生的旋转能与重力分异、化学反应、岩矿结晶释放的热能等。在固体地球系统演化进程中，岩石圈的围限使固体地球系统获得的热能超过了其散逸的热能，久之使固体地球系统形成了热能的巨大储库，为各类地质作用提供原初动力的正是其自身储蓄的热能。对这一论断的印证最直观的证据有深海热液喷流、爆发性火山的高温高压蒸汽、火山熔岩流等，概括说整个地学理论的建立都是以地热能为基础的，地热能引发地慢对流，推动板块运动，导致板块的张裂与挤压，进而引发了一系列地质作用。地热能为DSZ与三地震带形成提供的动力可分为两个方面，一方面是地热能提供的动能使俯冲带的俯冲运动成为可能，另一方面是经地热能转化并储蓄的地震能为中深源地震的产生创造了前提。

形成媒介——超临界流体

SCF是介于气液之间的一种既非气态又非液态的物质。这种物态在温度和压力均超过流体临界点的固体地球系统内部广泛存在。在固体地球系统的演化进程中绝大部分水进入到了内部，大量的水与演化过程中的流体残余、无机成因烃等共同构成了固体地球系统内部的C—H—O—S流体体系。在固体地球系统能量收支趋平衡过程中，由于不良导体岩石圈的围限，部分地热能以SCF为媒介转化为地震能。SCF在受限空间内储蓄地震能并与构造运动耦合，直至受限的SCF孕震体达到应力极限平衡状态，后在某一触发因素作用下孕震体崩解，致使孕震系统压力骤减，引发SCF爆炸形成地震。胡宝群等从理论物理的角度研究了岩石圈中水的临界奇异性，较系统的阐明了SCF与地震事件的相关关系，对于浅源地震，地壳断裂与SCF的临界奇异性变化耦合可触发地震，而对于深源地震，虽然SCF临界奇异性影响有限，但SCF孕震体蓄足压力后的骤然相变亦可形成地震。Sano等报道2011年东京Ms9.0地震后震源区海水3He含量剧增，

3He/4He值是幔源物质的重要判识指标，3He的大幅异常表明在地震时有大量幔源SCF沿同震断裂涌出，这证明了流体作为要素之一参与了地震过程。在DSZ与三地震带的地幔对流下降流区域重力分异加剧，分异出大量SCF,加之该区域俯冲板块富含大量流体，这些流体在沉积物压实、成岩作用、岩体变质反应等过程中逸出，致使汇聚板块边界内成为SCF的巨大储库。SCF通过热能储蓄作用，将热能转化为地震能，充当了中深源地震的形成媒介，直接参与到DSZ与三地震带的形成过程中。

形成场所——俯冲带

固体地球系统内的SCF在纵向上主要受重力分异影响，有背离地心向其边界运移的趋势，俯冲到固体地球系统内的俯冲带在铅垂方向上构成了相对于地壳的二级围限边界，深源地震的产生由此有了前提，虽然在固体地球系统内部温度和压力增大，地震的发生机理已经发生了变化，但其本质均是系统对熵增的围限，中深源地震可看作是依存于刚性地壳的浅源地震向固体地球系统的内部延展。深源地震的发生依存于俯冲带，俯冲带的消融即意味着地震事件的消亡，对此Isacks等在1969年即予以了论证，并分析了中深源地震的震源机制随俯冲深度的变化规律，指出智利、新西兰北岛、新赫布里底等俯冲带内的中源地震为DDT型，最深部则以DDC型为主。对此的解释是俯冲带中部以上SCF充沛且围限压力较小，使SCF孕震体以向外爆炸为主形成DDT型地震，另外此部位俯冲带在SCF活化后的张性断裂也能形成DDT型地震；当俯冲带携带SCF孕震体或孕震体残余空壳向固体地球系统内部俯冲时，随着俯冲深度加大，压力逐渐升高，直至其不可抗拒围限压力时内爆形成DDC型地震。

双地震带与三地震带形成过程

DSZ进一步细分又可分为Ⅰ型DSZ与Ⅱ型DSZ，其中Ⅰ型DSZ的间隔距离为30～40Km，Ⅱ型DSZ的间隔距离为10～20Km，两类DSZ的间隔距离均几倍于5～6Km的洋壳厚度，而在压实、脱水、融蚀等作用下，俯冲带整体并不具备大幅增厚的可能，合理的解释是固体地球系统内部存在着双层俯冲带，三地震带对应的则是三重俯冲带。对此予以佐证的是部分俯冲带间隔距离与年龄大致成正比关系现象，在DSZ前期，DSZ上下层间隔距离小，贴合较好，随着年龄增长，上下层俯冲带运动速度与状态差别扩大，加之下行地慢流的冲击，DSZ间隔距离得以逐渐增加形成Ⅰ型DSZ，当俯冲带上行至地慢顶部时，由于上行受阻，其间隔距离会有所缩小，进而形成Ⅱ型DSZ。如图1（a）所示，对俯冲带作受力分析，其在铅垂方向上受到向上的浮力F浮与向下的重力G，同时俯冲带还受到沿俯冲方向的动力F,给俯冲带提供动力的正是运动速度快于俯冲带的地慢对流施与其的摩擦力，也正因为如此才使得俯冲带的阻力只有在水平方向上的沿反运动方向的横向粘滞阻力f，将动力F沿水平方向和铅垂方向分解则分别可得到F1和F2。俯冲到地慢中的俯冲带在高温高压下逐渐脱水融蚀，由于重力分异作用，低密度的挥发分沿铅垂方向上行，高密度岩体熔融体则沿俯冲带导流下行直至俯冲带末端，在表面张力的作用下得以蓄集增大形成巨石体，当滞留体积达到某一临界值后，在某一诱发因素触发下发生巨石体塌陷。如图1（b）所示，随着俯冲带的融蚀与巨石体的增长，俯冲带的应力状态随之改变,现对其应力作具体的分析，设俯冲角度为θ，水平方向合力为Fh,取水平向右为正方向,由F1=cosθF，f=μsinθcosθF可得：

式中μ为介于0到1之间的横向粘滞阻力系数，当受力客体为真空时μ=0，当受力客体刚性同等于施力客体时μ=1，且知俯冲带的俯冲角0°<θ<90°，得到Fh>0。由（1）式可推出在俯冲带的整个运动过程中其在水平方向上的受力恒为水平向右，即俯冲带在运动过程中将不会受到水平方向上的剪应力。继而再设俯冲带铅垂方向合力为Fv,取竖直向下为正方向,由G=ρVg,F浮=ρ液V排g,F2=sinθF，且V=V排可得

式中g为重力常数，由于俯冲带密度ρ、地幔物质密度ρ液、俯冲带体积V、sinθ均处于动态变化过程中，进而造成了对Fv计算的困难，为便于判断俯冲带在铅垂方向上的受力状况，下面就对其进行分类讨论：

（1）在图1（b）中以A点为代表的俯冲带中上段ρ<ρ液→(ρ-ρ液)Vg<0

1当|(ρ-ρ液)Vg|>sinθF时，Fv<0，受力方向竖直向上；

2当|(ρ-ρ液)Vg|=sinθF时，Fv=0；

3当|(ρ-ρ液)Vg|0，受力方向竖直向下。

（2）在图1（b）中以B点为代表的俯冲带中下段ρ≥ρ液→(ρ-ρ液)Vg≥0，此时Fv>0，受力方向为竖直向下。由（2）式可推出在俯冲过程中俯冲带的上段和中下段受力方向相反，在俯冲带两端之间的某一对应剪切截面上存在一剪切压力Fs,令Fv<0时Fv=|Fv’|,Fv>0时Fv=Fv”→Fs=(|Fv’|+Fv”)/2,且τ=Fs/S可得：

图1 双地震带的形成过程示意图

式中τ为平均剪应力，S为剪切截面面积，当τ大于俯冲带的极限剪切应力[τ]时，俯冲带即被剪断成为如图1（c）所示的运动状态彼此独立的两个部分，譬如俯冲到菲律宾海板块之下的南海古扩张脊就存在明显的倾角突变和应变释能间断。现对以C点为代表的已折断俯冲带作受力分析，此时其动力消失，即由F=0→Fh=0得：

随着巨石体的增长,俯冲带整体密度增大，使得Fv>0，对应的受力方向竖直向下，折断的俯冲带携带SCF孕震体与孕震体残余空壳沉入压力更大的地慢深处，直至其不可抗拒围限压力时内爆形成DDC型地震。当巨石体克服表面张力发生重力塌陷时，折断俯冲带密度骤降，使得Fv<0，此时受力方向竖直向上，折断的俯冲带携带SCF孕震体上浮至压力更小的如图1（d）所示的地慢浅处，直至其远大于外界压力且足以抗拒围限边界时外爆释压形成DDC型地震，与之相对的上层俯冲带则由充沛的SCF和弯曲处张力作用而形成DDT型地震，此即为DSZ前期。俯冲带的进一步发展可于双地震中期形成如图1（e）所示的典型Ⅰ型DSZ。在这一过程中，折断俯冲带的融蚀与新巨石体的生长仍在继续，当F浮≤G时,Fv≥0，折断俯冲带上行停止，大致处于动态平衡中，并有如图1（f）所示的下行趋势，形成了典型的Ⅱ型DSZ。上述DSZ形成过程周而复始形成下一周期DSZ，当下层折断俯冲带融蚀速率减慢或后一周期DSZ形成速率加快时，前后2个周期的DSZ或有重叠，重叠时所展现的贝尼奥夫带分层现象即为如图2所示的三地震带现象。

图2 三地震带的形成过程示意图

结论

（1）在固体地球系统能量收支趋平衡过程中，由于不良导体岩石圈的围限，部分地热能以超临界流体为媒介转化为地震能。

（2）俯冲到固体地球系统内的俯冲带在铅垂方向上构成了相对于地壳的二级围限边界，为中深源地震的产生创造了前提。

（3）巨石体的生长与重力塌陷对应的折断俯冲带上下行可对其上的地震震源机制施以影响。

（4）固体地球系统内部存在着双层或三层俯冲带，在其上发生地震事件的集群分布相应的形成了双地震带与三地震带。