西太平洋wadaibeioff帶地震斷層類型

1大地構造運動旋回自20世紀60年代以來，地球科學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、深海溝和轉換路徑的板塊結構理論。世界分為六個主要板塊。此后，板塊結構的研究取得了重大進展。合、概栝建立了一個新的理論體系——板塊構造學說.板塊構造學說從物質運動的觀點解釋了板塊的形成、擴展、消亡的演化過程,該過程構成了一次地殼運動旋回,現代地殼運動旋回大約進行了一千萬年.支持板塊構造學說的一個重要觀測現象是俯沖帶的發現,Wadati和Benioff先后發現了太平洋中深源地震形成的傾斜地震帶,后來稱之為Wadati-Benioff帶.隨著地震觀測技術的發展,臺站數量的增加,定位精度的提高,近年來人們對俯沖帶的形態、俯沖帶的應力狀態、俯沖帶的物質組成以及俯沖動力學等問題有了更加深入的認識,吳忠良等研究了千島—鄂霍次克海地區的地震分布、震源機制及應力狀態,寧杰遠等研究了日本海及中國東北地震的深度分布及其應力狀態,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帶的形態及俯沖帶上的應力狀態,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,推動了俯沖帶研究的深入發展.俯沖帶的準確、精細描述是認識板塊運動過程、消亡過程的基礎.本文利用國際地震中心(ISC)1970~1998年地震震源參數及哈佛大學1976~2002年的震源機制資料,研究西太平洋Wadati-Benioff帶的展布形態及俯沖帶地震震源機制,并探討西太平洋板塊俯沖速度對Wadati-Benioff帶形態的影響,進而推斷西太平洋板塊水平向運移的主動力方向.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,中經日本及伊豆—小笠原地區,南至瑪里亞納群島.2.1不穩定區域內傾角及剖面位置的特征利用國際地震中心(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)震級取MS≥6.0,中、深源地震(71~700km)震級取Mb≥4.0,圖中剔除了屬于歐亞板塊內的地震.為了準確、精細的描述剖面形態,編制了俯沖剖面投影計算、作圖程序,該程序可以給出任意方向剖面的地震分布.以海溝某一點為剖面“固定端點”,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,所以我們通過調整“移動端點”經緯度的辦法,尋找地震剖面的最大傾角,并以此來確定垂直于海溝走向的地震剖面,表1是追蹤E-E′剖面最大傾角的計算過程,其他剖面類同.由于淺部俯沖帶具有彎曲形態,為減少這部分數據對傾角計算的影響,取地震深度h>70km的數據,采用最小二乘法計算Wadati-Benioff帶剖面傾角.圖2是西太平洋俯沖帶剖面圖,震級取M≥4.0,保留了歐亞板塊內的地震.可以看出,西太平洋Wadati-Benioff帶具有多樣化的展布形態,既有整體的連續性,又有區域的差異性.千島群島W-B帶較為規則,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相近,深部區域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受日本海俯沖帶向西強烈俯沖影響,淺源地震分布走向變化較大,由千島群島的北東向到該區轉為近東西向.日本海區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°,也是全球最長的俯沖帶,長約1138km.伊豆—小笠原地區受日本海俯沖帶向西俯沖拉動及菲律賓海擴張作用的影響,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°向南變為接近直立.西部區域深源地震構成的W-B帶沒有向西展開,而是向東折,在25°N附近深源地震震中位置向東越過了中源地震的震中位置(圖1),圖2的I-I′剖面顯示深部區域W-B帶傾向發生反轉,由上部向西傾而轉為下部向東傾,600km左右的深震相對400km左右的深震其水平距離向東移動達150km.瑪里亞納W-B帶整體構成向東凸出形態,W-B帶走向變化較大,J-J′、K-K′剖面200km以下的W-B帶出現直立形態,圖2的J-J′剖面也顯示深部W-B帶傾向發生反轉,由上部向西傾而轉為下部向東傾,600km左右的深震相對400km左右的深震其水平距離向東移動約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,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了變緩的趨勢,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,俯沖帶以垂直消亡方式為主;前端傾角小于45°時,俯沖帶以水平消亡方式為主.2.2.2缺乏深震的區域西太平洋俯沖帶在日本海一帶向西凸出,在中國東北地區形成了深震前緣弧,在前緣弧的東北、東南兩側沒有記錄到h>450km的深震,出現了較寬的空白區;在瑪里亞納向東凸出的前緣弧兩側也沒有記錄到h>450km的深震,南北側出現了各約200km的空白區(圖1).2.2.3m-n-n剖面的地震分布特點西太平洋俯沖帶在前端傾角變化較大的部位,出現了深部空白條帶,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,深部區域出現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附近出現明顯的地震空白條帶(圖3).有關前緣弧兩側的深震空白區以及深部地震空白條帶的成因有待進一步深入研究.2.3不同時段、不同資料對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生的M≥7.0級淺源大地震(全球大地震目錄)統計結果表明,淺源大地震占西太平洋俯沖帶淺、中、深源地震總數的84%;在本州—北海道一帶(36°~46°N)發生的淺源大地震占西太平洋俯沖帶淺源大地震總數的61%,其中MS≥8.0級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生的M≥6.0級地震(ISC)統計結果也表明在本州—北海道一帶(36°~46°N)發生的淺源地震占西太平洋俯沖帶淺源地震總數的59%.不同時段、不同資料統計結果表明本州—北海道地區是西太平洋俯沖帶地震頻度最高、能量釋放最強的區段.3本構模型的建立不同研究機構因使用數據的差異導致地震機制解的計算結果也存在一定的差異,為避免這方面的影響,統一使用1976~2002年哈佛大學提供的3613條地震機制解,利用統計分析方法研究西太平洋俯沖板塊應力場分布特征.3.1日本淺源地震p、t軸方位分布特征西太平洋板塊會聚邊界5級以上淺源地震(0~70km)P軸方位呈現與海溝相垂直的特點,統計表明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軸優勢方位峰值為123°,優勢方位變化范圍為125±5°,在日本北海道島43°~48°N之間P軸優勢方位峰值為128°,優勢方位變化范圍為130±10°;在日本35°~42°N之間P軸優勢方位峰值為109°,優勢方位變化范圍為112±5°;在伊豆南30°~35°N之間P軸優勢方位峰值不明顯,P軸優勢方位變化范圍為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也很明顯.西太平洋W-B帶5級以上中源地震(70~300km)P、T軸方位也具有與海溝相垂直的特點,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出一致性,反映出P、T軸方位分布和板塊俯沖方向有關.西太平洋W-B帶5級以上深源地震(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,并有向中國東北深震區收斂的趨勢;在千島群島、日本海深源地震區部分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區域地震活動水平西太平洋板塊向歐亞板塊俯沖所形成的、逆斷層機制地震大多沿海溝走向分布在一個狹窄的條帶內,以淺震為主.千島群島地區逆斷層機制地震數量占該區地震總數的74%(表3),日本海區逆斷層機制地震數量占該區地震總數的83%,伊豆—小笠原地區逆斷層機制地震數量占該區地震總數的50%,瑪里亞納地區逆斷層機制地震數量占該區地震總數的51%.逆斷層機制地震的數量反映了區域擠壓應力場的活動水平,日本海區板塊俯沖速度最大為8~10cm/a,其逆斷層機制地震數量也最多占83%,說明這一地區是西太平洋俯沖帶擠壓作用最強烈的地區(見圖4).正斷層機制的地震主要分布在兩個區段,一是沿海溝走向分布在0~200km深度區段內,比逆斷層機制的地震條帶略寬,主要是由彎曲凸面的板塊表層處于伸張狀態而產生;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深源地震正斷層機制的地震數量也比較集中.正斷層機制的地震數量反映了區域引張應力場的活動水平,屬正斷層機制的地震數量較多的區域也是板塊俯沖速度較低的區段,如伊豆—小笠原及瑪里亞納地區板塊俯沖速度較低,而且屬正斷層機制的地震數量也較多.本州—北海道島(36°~46°N)是西太平洋俯沖帶地震頻度最高、能量釋放最強的區段,在本州南側35°N附近、北海道島東側45°N附近也是走滑斷層機制的地震分布比較集中的地帶.這兩個條帶的走滑地震斷層可能是西太平洋板塊在本州—北海道地區向西強烈俯沖作用的結果,其構造痕跡顯示了板塊運動的主流方向.在瑪里亞納島向東凸進區的兩側,也分布少量的走滑地震斷層.3.3主壓應力軸向變化的特征千島群島地區主壓應力軸向變化接近于俯沖方向,反映該區W-B帶主要受擠壓應力所控制(圖5中C-C′).日本海區主壓應力軸向變化與板塊俯沖方向一致性很好,反映該區W-B帶主要受擠壓應力所控制(圖5中E-E′).伊豆—小笠原地區主壓應力軸向變化接近于板塊俯沖方向,反映該區W-B帶主要受擠壓應力所控制(圖5中G-G′、I-I′).瑪里亞納地區在深部主壓應力軸向變化更接近于板塊俯沖方向,反映該區W-B帶主要受擠壓應力所控制(圖5中J-J′、K-K′、L-L′).小笠原及瑪里亞納地區在400km以下深部地區主張應力軸接近水平,可能反映深部區域W-B帶處于一種水平引張的應力環境.對比圖2的Wadati-Benioff帶地震剖面形態與圖5主壓(張)應力傾角剖面形態,可見有的整體一致性較好,有的局部一致性較好,說明主壓(張)應力軸方向變化與俯沖板塊形態有關.4wdati-benioff帶數據表明,西太平洋板塊俯沖速度是影響Wadati-Benioff帶形態的主要因素,俯沖速度大的地區,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,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,說明W-B帶傾角和板塊俯沖速度呈現相關性.這種特征反映了俯沖板塊的動力過程,板塊俯沖速度越大,板塊水平方向運動的動力越強,因而俯沖傾角越小;板塊俯沖速度越小,板塊水平方向運動的動力越弱,受負浮力的影響,俯沖板塊向下彎曲,導致傾角變大.由此可知,西太平洋W-B帶的展布形態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量呈現正相關,與正斷層數量呈現負相關(圖6).5日本海運移的前端特征本文利用西太平洋俯沖帶剖面傾角、地震斷層類型數據,分析了與板塊俯沖速度的關系,主要得出以下結論:5.1板塊俯沖速度與俯沖傾角呈現負相關,與逆斷層數量呈現正相關,與正斷層數量呈現負相關,因此,可以認為,影響西太平洋俯沖帶的形態變化與地震斷層類型數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的前端,地震活動頻度最高、能量釋放最強,俯沖傾角最小,逆斷層數量最多,日本海俯沖帶北側的北海道島及南側的本州島走滑斷層分布相對集中.這些特征表明西太平洋板塊在日本海區形成了以水平分量為主的向西凸進區,成為西太平洋板塊水平向運移的主流,日本海俯沖帶的傾向(283°)代表了西太平洋板塊水平向運移的主動力方向.5.3俯沖帶前端特征是研究俯沖帶消亡方式、建立區域板塊動力模型的基礎.日本海俯沖帶h>500km深源