西太平洋wadaibeioff帶地震斷層類型

西太平洋wadaibeioff帶地震斷層類型

1大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)旋回自20世紀(jì)60年代以來(lái)，地球科學(xué)取得了許多重要的研究成果。mckize等人、morga和lepichon先后提出了基于海拔高度、深海溝和轉(zhuǎn)換路徑的板塊結(jié)構(gòu)理論。世界分為六個(gè)主要板塊。此后，板塊結(jié)構(gòu)的研究取得了重大進(jìn)展。合、概栝建立了一個(gè)新的理論體系——板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō).板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)從物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)解釋了板塊的形成、擴(kuò)展、消亡的演化過(guò)程,該過(guò)程構(gòu)成了一次地殼運(yùn)動(dòng)旋回,現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)旋回大約進(jìn)行了一千萬(wàn)年.支持板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的一個(gè)重要觀測(cè)現(xiàn)象是俯沖帶的發(fā)現(xiàn),Wadati和Benioff先后發(fā)現(xiàn)了太平洋中深源地震形成的傾斜地震帶,后來(lái)稱之為Wadati-Benioff帶.隨著地震觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展,臺(tái)站數(shù)量的增加,定位精度的提高,近年來(lái)人們對(duì)俯沖帶的形態(tài)、俯沖帶的應(yīng)力狀態(tài)、俯沖帶的物質(zhì)組成以及俯沖動(dòng)力學(xué)等問(wèn)題有了更加深入的認(rèn)識(shí),吳忠良等研究了千島—鄂霍次克海地區(qū)的地震分布、震源機(jī)制及應(yīng)力狀態(tài),寧杰遠(yuǎn)等研究了日本海及中國(guó)東北地震的深度分布及其應(yīng)力狀態(tài),臧紹先等研究了西太平洋俯沖帶的分布及特征、西太平洋Wadati-Benioff帶的形態(tài)及俯沖帶上的應(yīng)力狀態(tài),朱介壽等研究了東亞及西太平洋邊緣海高分辨率面波層析成像,提供了一些新的研究成果,推動(dòng)了俯沖帶研究的深入發(fā)展.俯沖帶的準(zhǔn)確、精細(xì)描述是認(rèn)識(shí)板塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程、消亡過(guò)程的基礎(chǔ).本文利用國(guó)際地震中心(ISC)1970~1998年地震震源參數(shù)及哈佛大學(xué)1976~2002年的震源機(jī)制資料,研究西太平洋Wadati-Benioff帶的展布形態(tài)及俯沖帶地震震源機(jī)制,并探討西太平洋板塊俯沖速度對(duì)Wadati-Benioff帶形態(tài)的影響,進(jìn)而推斷西太平洋板塊水平向運(yùn)移的主動(dòng)力方向.2西太平洋wadati-beniogg線的展布形狀西太平洋Wadati-Benioff帶北起千島群島,中經(jīng)日本及伊豆—小笠原地區(qū),南至瑪里亞納群島.2.1不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)傾角及剖面位置的特征利用國(guó)際地震中心(ISC)提供的1970~1998年的地震目錄,M≥4.0,共20838條.圖1是西太平洋俯沖帶的地震平面分布,淺源地震(0~70km)震級(jí)取MS≥6.0,中、深源地震(71~700km)震級(jí)取Mb≥4.0,圖中剔除了屬于歐亞板塊內(nèi)的地震.為了準(zhǔn)確、精細(xì)的描述剖面形態(tài),編制了俯沖剖面投影計(jì)算、作圖程序,該程序可以給出任意方向剖面的地震分布.以海溝某一點(diǎn)為剖面“固定端點(diǎn)”,沿板塊俯沖傾向的剖面中,只有垂直于海溝走向的地震剖面的傾角最大,所以我們通過(guò)調(diào)整“移動(dòng)端點(diǎn)”經(jīng)緯度的辦法,尋找地震剖面的最大傾角,并以此來(lái)確定垂直于海溝走向的地震剖面,表1是追蹤E-E′剖面最大傾角的計(jì)算過(guò)程,其他剖面類同.由于淺部俯沖帶具有彎曲形態(tài),為減少這部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)傾角計(jì)算的影響,取地震深度h>70km的數(shù)據(jù),采用最小二乘法計(jì)算Wadati-Benioff帶剖面傾角.圖2是西太平洋俯沖帶剖面圖,震級(jí)取M≥4.0,保留了歐亞板塊內(nèi)的地震.可以看出,西太平洋Wadati-Benioff帶具有多樣化的展布形態(tài),既有整體的連續(xù)性,又有區(qū)域的差異性.千島群島W-B帶較為規(guī)則,呈北東走向,俯沖帶傾向310°,俯沖傾角由東北端的47°向西南減緩到31°(表2),平均俯沖傾角45°.千島群島各剖面形態(tài)相近,深部區(qū)域470km以下傾角變陡(圖2中B-B′、C-C′),D-D′剖面受日本海俯沖帶向西拉動(dòng)的影響,傾角變緩.北海道島淺源地震呈北東東走向,俯沖帶傾向322°,俯沖傾角36°,北海道島及其附近地區(qū)受日本海俯沖帶向西強(qiáng)烈俯沖影響,淺源地震分布走向變化較大,由千島群島的北東向到該區(qū)轉(zhuǎn)為近東西向.日本海區(qū)W-B帶比較平直(圖2中E-E′、F-F′),走向近南北,俯沖帶傾向283°,平均俯沖傾角29°,其中E-E′剖面是西太平洋W-B帶傾角最小的剖面,傾角為28°,也是全球最長(zhǎng)的俯沖帶,長(zhǎng)約1138km.伊豆—小笠原地區(qū)受日本海俯沖帶向西俯沖拉動(dòng)及菲律賓海擴(kuò)張作用的影響,W-B帶形變明顯,整體呈北寬南窄的楔形狀,W-B帶傾向變化較大,傾角由北部的63°向南變?yōu)榻咏绷?西部區(qū)域深源地震構(gòu)成的W-B帶沒(méi)有向西展開(kāi),而是向東折,在25°N附近深源地震震中位置向東越過(guò)了中源地震的震中位置(圖1),圖2的I-I′剖面顯示深部區(qū)域W-B帶傾向發(fā)生反轉(zhuǎn),由上部向西傾而轉(zhuǎn)為下部向東傾,600km左右的深震相對(duì)400km左右的深震其水平距離向東移動(dòng)達(dá)150km.瑪里亞納W-B帶整體構(gòu)成向東凸出形態(tài),W-B帶走向變化較大,J-J′、K-K′剖面200km以下的W-B帶出現(xiàn)直立形態(tài),圖2的J-J′剖面也顯示深部W-B帶傾向發(fā)生反轉(zhuǎn),由上部向西傾而轉(zhuǎn)為下部向東傾,600km左右的深震相對(duì)400km左右的深震其水平距離向東移動(dòng)約60km.2.2西太平洋彎曲帶的前端形狀2.2.1w-b帶前端傾角千島群島(h>400km)W-B帶形成的前端傾角有向下彎曲的趨勢(shì),其前端傾角均大于45°,中部的B-B′剖面前端傾角為59°;日本海W-B帶形成的前端傾角則出現(xiàn)了變緩的趨勢(shì),h>400km的E-E′、F-F′剖面前端傾角為24°,h>500km的E-E′剖面前端傾角變緩為17°;伊豆—小笠原及瑪里亞納h>400kmW-B帶的H-H′、I-I′、J-J′、K-K′剖面,其前端傾角接近直立.西太平洋俯沖帶前端傾角特征決定了深部俯沖帶的消亡方式,前端傾角大于45°時(shí),俯沖帶以垂直消亡方式為主;前端傾角小于45°時(shí),俯沖帶以水平消亡方式為主.2.2.2缺乏深震的區(qū)域西太平洋俯沖帶在日本海一帶向西凸出,在中國(guó)東北地區(qū)形成了深震前緣弧,在前緣弧的東北、東南兩側(cè)沒(méi)有記錄到h>450km的深震,出現(xiàn)了較寬的空白區(qū);在瑪里亞納向東凸出的前緣弧兩側(cè)也沒(méi)有記錄到h>450km的深震,南北側(cè)出現(xiàn)了各約200km的空白區(qū)(圖1).2.2.3m-n-n剖面的地震分布特點(diǎn)西太平洋俯沖帶在前端傾角變化較大的部位,出現(xiàn)了深部空白條帶,如C-C′剖面傾角為41°,D-D′剖面傾角為31°,其間傾角變化較大,沿NE走向投影的M-M′、N-N′剖面地震分布顯示:在C-C′與D-D′剖面之間的49°N、146°E附近,深部區(qū)域出現(xiàn)了明顯的地震空白條帶;在40°N及31°N附近傾角也有明顯變化,沿NW走向投影的O-O′、P-P′剖面地震分布也顯示出在40°N及31°N附近出現(xiàn)明顯的地震空白條帶(圖3).有關(guān)前緣弧兩側(cè)的深震空白區(qū)以及深部地震空白條帶的成因有待進(jìn)一步深入研究.2.3不同時(shí)段、不同資料對(duì)西太平洋沖刷帶淺源大地震的釋放特征1900~1998年西太平洋俯沖帶發(fā)生的M≥7.0級(jí)淺源大地震(全球大地震目錄)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,淺源大地震占西太平洋俯沖帶淺、中、深源地震總數(shù)的84%;在本州—北海道一帶(36°~46°N)發(fā)生的淺源大地震占西太平洋俯沖帶淺源大地震總數(shù)的61%,其中MS≥8.0級(jí)的淺源大地震占西太平洋俯沖帶的63%.1964~1998年西太平洋俯沖帶發(fā)生的M≥6.0級(jí)地震(ISC)統(tǒng)計(jì)結(jié)果也表明在本州—北海道一帶(36°~46°N)發(fā)生的淺源地震占西太平洋俯沖帶淺源地震總數(shù)的59%.不同時(shí)段、不同資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明本州—北海道地區(qū)是西太平洋俯沖帶地震頻度最高、能量釋放最強(qiáng)的區(qū)段.3本構(gòu)模型的建立不同研究機(jī)構(gòu)因使用數(shù)據(jù)的差異導(dǎo)致地震機(jī)制解的計(jì)算結(jié)果也存在一定的差異,為避免這方面的影響,統(tǒng)一使用1976~2002年哈佛大學(xué)提供的3613條地震機(jī)制解,利用統(tǒng)計(jì)分析方法研究西太平洋俯沖板塊應(yīng)力場(chǎng)分布特征.3.1日本淺源地震p、t軸方位分布特征西太平洋板塊會(huì)聚邊界5級(jí)以上淺源地震(0~70km)P軸方位呈現(xiàn)與海溝相垂直的特點(diǎn),統(tǒng)計(jì)表明P軸方位在35°~60°N之間集中性較好.千島群島49°~60°N之間P軸優(yōu)勢(shì)方位峰值為123°,優(yōu)勢(shì)方位變化范圍為125±5°,在日本北海道島43°~48°N之間P軸優(yōu)勢(shì)方位峰值為128°,優(yōu)勢(shì)方位變化范圍為130±10°;在日本35°~42°N之間P軸優(yōu)勢(shì)方位峰值為109°,優(yōu)勢(shì)方位變化范圍為112±5°;在伊豆南30°~35°N之間P軸優(yōu)勢(shì)方位峰值不明顯,P軸優(yōu)勢(shì)方位變化范圍為87°~96°,在30°N以南至瑪里亞納群島P軸方位變化范圍較大;淺源地震的T軸和海溝走向相垂直的特點(diǎn)也很明顯.西太平洋W-B帶5級(jí)以上中源地震(70~300km)P、T軸方位也具有與海溝相垂直的特點(diǎn),如在千島群島、日本、瑪里亞納群島及伊豆群島P、T軸方位分布與俯沖方向也表現(xiàn)出一致性,反映出P、T軸方位分布和板塊俯沖方向有關(guān).西太平洋W-B帶5級(jí)以上深源地震(300~700km)在30°~50°N之間的深源地震P軸方位主要分布在80°~120°范圍內(nèi),并有向中國(guó)東北深震區(qū)收斂的趨勢(shì);在千島群島、日本海深源地震區(qū)部分T軸方位接近于俯沖帶走向,部分接近于俯沖帶傾向,伊豆、小笠原及瑪里亞納深源地震T軸與俯沖帶傾向一致性較好.3.2區(qū)域地震活動(dòng)水平西太平洋板塊向歐亞板塊俯沖所形成的、逆斷層機(jī)制地震大多沿海溝走向分布在一個(gè)狹窄的條帶內(nèi),以淺震為主.千島群島地區(qū)逆斷層機(jī)制地震數(shù)量占該區(qū)地震總數(shù)的74%(表3),日本海區(qū)逆斷層機(jī)制地震數(shù)量占該區(qū)地震總數(shù)的83%,伊豆—小笠原地區(qū)逆斷層機(jī)制地震數(shù)量占該區(qū)地震總數(shù)的50%,瑪里亞納地區(qū)逆斷層機(jī)制地震數(shù)量占該區(qū)地震總數(shù)的51%.逆斷層機(jī)制地震的數(shù)量反映了區(qū)域擠壓應(yīng)力場(chǎng)的活動(dòng)水平,日本海區(qū)板塊俯沖速度最大為8~10cm/a,其逆斷層機(jī)制地震數(shù)量也最多占83%,說(shuō)明這一地區(qū)是西太平洋俯沖帶擠壓作用最強(qiáng)烈的地區(qū)(見(jiàn)圖4).正斷層機(jī)制的地震主要分布在兩個(gè)區(qū)段,一是沿海溝走向分布在0~200km深度區(qū)段內(nèi),比逆斷層機(jī)制的地震條帶略寬,主要是由彎曲凸面的板塊表層處于伸張狀態(tài)而產(chǎn)生;二是分布在深源地震帶的底部彎曲部位,如千島群島在49°~54°N之間有一北東向分布的深源地震正斷層條帶,伊豆—小笠原及瑪里亞納地區(qū)深源地震正斷層機(jī)制的地震數(shù)量也比較集中.正斷層機(jī)制的地震數(shù)量反映了區(qū)域引張應(yīng)力場(chǎng)的活動(dòng)水平,屬正斷層機(jī)制的地震數(shù)量較多的區(qū)域也是板塊俯沖速度較低的區(qū)段,如伊豆—小笠原及瑪里亞納地區(qū)板塊俯沖速度較低,而且屬正斷層機(jī)制的地震數(shù)量也較多.本州—北海道島(36°~46°N)是西太平洋俯沖帶地震頻度最高、能量釋放最強(qiáng)的區(qū)段,在本州南側(cè)35°N附近、北海道島東側(cè)45°N附近也是走滑斷層機(jī)制的地震分布比較集中的地帶.這兩個(gè)條帶的走滑地震斷層可能是西太平洋板塊在本州—北海道地區(qū)向西強(qiáng)烈俯沖作用的結(jié)果,其構(gòu)造痕跡顯示了板塊運(yùn)動(dòng)的主流方向.在瑪里亞納島向東凸進(jìn)區(qū)的兩側(cè),也分布少量的走滑地震斷層.3.3主壓應(yīng)力軸向變化的特征千島群島地區(qū)主壓應(yīng)力軸向變化接近于俯沖方向,反映該區(qū)W-B帶主要受擠壓應(yīng)力所控制(圖5中C-C′).日本海區(qū)主壓應(yīng)力軸向變化與板塊俯沖方向一致性很好,反映該區(qū)W-B帶主要受擠壓應(yīng)力所控制(圖5中E-E′).伊豆—小笠原地區(qū)主壓應(yīng)力軸向變化接近于板塊俯沖方向,反映該區(qū)W-B帶主要受擠壓應(yīng)力所控制(圖5中G-G′、I-I′).瑪里亞納地區(qū)在深部主壓應(yīng)力軸向變化更接近于板塊俯沖方向,反映該區(qū)W-B帶主要受擠壓應(yīng)力所控制(圖5中J-J′、K-K′、L-L′).小笠原及瑪里亞納地區(qū)在400km以下深部地區(qū)主張應(yīng)力軸接近水平,可能反映深部區(qū)域W-B帶處于一種水平引張的應(yīng)力環(huán)境.對(duì)比圖2的Wadati-Benioff帶地震剖面形態(tài)與圖5主壓(張)應(yīng)力傾角剖面形態(tài),可見(jiàn)有的整體一致性較好,有的局部一致性較好,說(shuō)明主壓(張)應(yīng)力軸方向變化與俯沖板塊形態(tài)有關(guān).4wdati-benioff帶數(shù)據(jù)表明,西太平洋板塊俯沖速度是影響Wadati-Benioff帶形態(tài)的主要因素,俯沖速度大的地區(qū),Wadati-Benioff帶傾角小,如西太平洋板塊在日本海一帶俯沖速度最大為8~10cm/a,而俯沖傾角最小平均為29°,在日本海形成了Wadati-Benioff帶的隆起;俯沖速度小的地區(qū),Wadati-Benioff帶傾角大,如瑪里亞納一帶俯沖速度最小為2.3~2.8cm/a,俯沖傾角最大,在200km以下W-B帶接近直立,說(shuō)明W-B帶傾角和板塊俯沖速度呈現(xiàn)相關(guān)性.這種特征反映了俯沖板塊的動(dòng)力過(guò)程,板塊俯沖速度越大,板塊水平方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力越強(qiáng),因而俯沖傾角越小;板塊俯沖速度越小,板塊水平方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力越弱,受負(fù)浮力的影響,俯沖板塊向下彎曲,導(dǎo)致傾角變大.由此可知,西太平洋W-B帶的展布形態(tài)主要受板塊俯沖速度所控制.板塊俯沖速度也決定了地震斷層類型分布,板塊俯沖速度與逆斷層數(shù)量呈現(xiàn)正相關(guān),與正斷層數(shù)量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)(圖6).5日本海運(yùn)移的前端特征本文利用西太平洋俯沖帶剖面傾角、地震斷層類型數(shù)據(jù),分析了與板塊俯沖速度的關(guān)系,主要得出以下結(jié)論:5.1板塊俯沖速度與俯沖傾角呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),與逆斷層數(shù)量呈現(xiàn)正相關(guān),與正斷層數(shù)量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),因此,可以認(rèn)為,影響西太平洋俯沖帶的形態(tài)變化與地震斷層類型數(shù)量分布差異的主要因素是板塊俯沖速度.5.2日本海俯沖帶位處西太平洋俯沖帶向西凸進(jìn)的前端,地震活動(dòng)頻度最高、能量釋放最強(qiáng),俯沖傾角最小,逆斷層數(shù)量最多,日本海俯沖帶北側(cè)的北海道島及南側(cè)的本州島走滑斷層分布相對(duì)集中.這些特征表明西太平洋板塊在日本海區(qū)形成了以水平分量為主的向西凸進(jìn)區(qū),成為西太平洋板塊水平向運(yùn)移的主流,日本海俯沖帶的傾向(283°)代表了西太平洋板塊水平向運(yùn)移的主動(dòng)力方向.5.3俯沖帶前端特征是研究俯沖帶消亡方式、建立區(qū)域板塊動(dòng)力模型的基礎(chǔ).日本海俯沖帶h>500km深源