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张鑫鑫：日本中部太平洋俯冲板块精细结构与深源地震机制
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张鑫鑫：日本中部太平洋俯冲板块精细结构与深源地震机制【CEE，2026】 2026-03-04 阅读：251次 地震随着深度的增加呈现明显的双峰特征，分别集中在地壳内的浅源地震和俯冲板块内的深源地震（>300公里深度）。大量研究表明浅源地震以脆性破裂为主，而深源地震的发震机制却存在较大争议，主要包括脱水脆裂、橄榄石亚稳态相变、热失稳等三大主流假说。目前已有的地震层析成像方法对300公里以深地层分辨率仍然有限，无法探测深源地震发震区域内的精细速度结构，从而限制了对深源地震发震机制的约束。 我校地球物理与信息技术学院博士生张鑫鑫在江国明教授、张贵宾教授以及日本东北大学赵大鹏教授的共同指导下，以日本中部下方西太平洋俯冲板块速度结构作为研究对象（图1），基于绝对走时层析成像方法（TOMOG3D）发展了一种新的双差走时成像方法，利用日本地区密集的地震台网和数十年的高质量地震数据，获得了俯冲板块内深部的P波、S波和波速比异常三维结构，结合震源机制解、应力场分析等技术手段，深入探究了俯冲板块内橄榄石亚稳态楔精细结构和深源地震的触发机制。取得的新认识如下： 1、西太平洋俯冲板块深部存在一个夹心饼干式的速度结构（图2），自上而下的速度特征分别为： （1）300-330公里：高VP、高VS、低VP/VS； （2）330-380公里：低VP、低VS、高VP/VS； （3）>380公里：低VP、高VS、低VP/VS。 这三层结构被解释为俯冲板块内的亚稳态橄榄岩（α相）、不稳定或正在相变中的橄榄岩及稳定的橄榄岩（β相，瓦兹利石），分别对应了橄榄石（亚）稳定、不稳定和稳定三种状态，证实了橄榄石亚稳态楔的存在。 2、高VP/VS异常结构可能意味着在一定的温度条件下（>1000 °C），深部存在矿物的脱水现象（含水相A），并在一定程度上促进了橄榄岩的相变进程。 3、俯冲板内部应力场分布表明，深部板块俯冲方向上为压缩应力主导（图3），这与反裂纹破裂模型一致，解释了亚稳态橄榄岩相变的微观机制。 4、深源地震在橄榄石亚稳态楔内的分布具有明显的震级分异特征：大震级事件（Mw>3.8）主要集中在亚稳态楔中心区域，而小震级事件（Mw<3.8）则较为分散，多分布在亚稳态楔边缘及内部，与深源地震的b值扭折特征高度契合。 5、结合新结果，深入探讨了深源地震的触发机制（图4）：在亚稳态橄榄岩的不稳定边缘内，含水相A的脱水促进了橄榄岩相变，同时在挤压应力的作用下，橄榄岩相变为高密度尖晶石并发生崩塌，从而形成反裂纹。这些反裂纹相互作用并自我重组形成断层，进而引发相对较小的深源地震。因此，综合认为橄榄石亚稳态相变和深部脱水共同触发了深源地震。 上述研究成果不仅揭示了深俯冲板块内部的精细速度结构，而且为深部地震成因机制研究提供强有力的约束，同时还为理解西太平洋俯冲板块的俯冲动力过程提供了的地震学证据。 图1 日本及周边地区地质构造背景（虚线框为研究区域） 蓝色方块和红色三角形分别代表所用的台站和火山. 带锯齿的曲线代表海沟 图2 P波、S波速度和波速比异常层析成像结果 (a) 深度为375公里的P 波速度异常水平剖面图. 小叉号代表震源.（b-d）沿A-A’剖线的P波、S波速度和波速比异常纵剖面结果. 黑色实线代表俯冲板块上、下边界. 白色圆点代表剖线附近的地震. 红色曲线代表分辨率恢复度大于50%的等值线 图3 西太平洋俯冲板块内震源机制与应力分布 (a) 板块内震源机制及应力分布纵剖面图. (b) 四个深度段内应力分布极坐标图 图4 日本中部西太平洋俯冲板块内橄榄石亚稳态楔三维结构与深震触发机制示意图 该研究受到国家自然科学基金（40904021）、日本学术振兴会（19H01996）以及日本文部科学省地震火山防灾研究项目联合资助。成果近期发表于Nature旗下期刊《通讯：地球与环境》（Communications Earth & Environment）：Zhang, X., Jiang, G., Zhao, D. & Zhang, G. Fine slab structure and mechanism of deep earthquakes beneath central Japan. Communications Earth & Environment (2026). 全文链接：https://doi.org/10.1038/s43247-026-03280-x |
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