利用三维速度结构震源机制解研究中源地震簇和地幔楔地震发震机制-以哥伦比亚西南俯冲带为例

The mechanism of intermediate-depth earthquakes (depth range in 50~300 km), which usually occur in subducting oceanic plates, is an important scientific question in seismology. The high pressure and temperature in depth prevent brittle failure. Two main mechanisms of the intermediate-depth earthquakes are dehydration embrittlement and thermal shear instability, which are related to dehydrated fluid in the subducting plates and a positive feedback between temperature and weakening creep, respectively. Recent study found an intermediate-depth earthquake cluster beneath southwestern Colombia includes earthquakes occurred in the mantle wedge. The observation of mantle wedge earthquakes provides a new opportunity to investigate the structure of subduction zones and help to understand the triggering of dehydrated fluid to brittle failure of ductile rock in the mantle wedge. We propose to invert a precise 3D velocity model of the deep structure and calculate moment tensor including compensated linear vector dipole and isotropic components to investigate the mechanisms of the intermediate-depth earthquake cluster and mantle wedge earthquakes. This project will benefit to understand the mechanisms of intermediate-depth earthquakes and help to constrain the geodynamic process in subduction zones.

中源地震(震源深度范围50-300 km)主要发生在相对冷的俯冲大洋板块中，其成因是地震学研究的一个重要课题。高温高压环境抑制岩石发生脆性破裂。目前，中源地震的发震机制主要有脱水脆裂和热剪切失稳，与俯冲板块内脱水活动和局部应力应变失稳有关。近期研究发现哥伦比亚西南俯冲带一个中源地震簇含有发生在俯冲板块上地幔楔里的中源地震。地幔楔地震的发现和研究提供了认识俯冲板块地幔楔结构的新契机，帮助重新认识俯冲带脱出的水在地幔楔中的影响和了解岩石在塑性状态下发生脆性破裂的条件。本项目拟通过获得精确三维速度结构模型，利用高频体波更精确计算包含补偿线性矢量偶级和各向同性源分量的地震矩张量，以此为基础研究中源地震簇和地幔楔地震的发震机制，进而增加对俯冲带上地幔介质结构的认识和约束。

本项目通过对哥伦比亚俯冲的中深源地震目录进行统计特征分析、地震事件震源机制解求解，结合俯冲板块几何形态，板块构造现状，讨论了中深源地震与俯冲板块结构、脱水活动等的成因关联，对俯冲带中深源地震的发生机理进行研究。哥伦比亚俯冲带内地震活动性较高，但震级比较小，通过统计地震频度(N)与频度震级(M)关系log10(N)=a-bM，评估发生地震状态是一种有效的研究方法。本研究利用三角网格剖分，基于最大似然估计进行了b值成像。结果显示，在俯冲板块地震带的底层明显的低b值，俯冲板块之上地幔楔中的地震高b值，反映了地震活动与水含量的相关性，当孔隙水高和温度增高时，实验研究表明对应b值有明显的升高。俯冲带上低b值区在地震带底层，正对应着俯冲板块内等温线最低的区域，同时含水量低，脱水作用最弱。在俯冲板片之上，温度高，流体作用强烈，体现为高b值异常。根据对哥伦比亚俯冲带中深源地震的震源机制计算，研究发现有一定的事件包含各向同性成分，可能与流体作用通道的坍塌有关。基于俯冲板块边界地震活动带内的地震震源机制解，进行了俯冲板块内构造应力反演计算。应力结果反应了随着俯冲板块几何形态的变化，随俯冲板块走向的旋转而转向，同时体现了在俯冲板块重力拖曳作用下沿最大俯冲角度的张力和地幔对流的合力作用。