汤加俯冲带深源地震的震源机理研究

Mechanisms of deep earthquakes (focal depth > 300 km) are not well understood, and transformational faulting may be a reasonable explanation, but lack of enough seismic evidence. The Tonga subduction zone has the largest number of deep earthquakes in the world, which offers a unique natural laboratory for studying the deep earthquake-generating mechanism. However, it is still less studied because there are fewer seismic stations in the sea, leading to the less reliable hypocenter locations, which restricts our outstanding of the tectonic structures in the deep. Using the ocean bottom seismograph data and temporary land seismic station data, this application aims to image the deep three-dimensional seismic velocity model of the Tonga subduction zone from tomography, which is used to improve the hypocenter locations. Combined with the stress inversion from earthquake focal mechanisms, the detailed structures of the source area of deep earthquakes will be discussed. A forward-modeling approach to arrival time data and receiver functions are used to verify whether the metastable olivine wedge (MOW) exists or not. This proposed study will shed new lights on the mechanism of deep earthquake generations and provide seismological evidence for the transformational faulting, and provide information for the key constraints of the deep earthquakes in the Tonga area.

深源地震（深度大于300 km）的震源机理存在着许多的争议，反裂隙断层作用被认为是一种较为合理的解释，但缺乏足够的地震学证据。汤加俯冲带作为全球深震发生最频繁的区域，是研究深源地震震源机理的天然实验室。但由于海域面积大，固定地震台站少，地震定位存在较大的误差，制约对其震源区深部构造的认识。因此，本申请通过在该区布设的被动源海底地震仪探测数据和临时陆地地震台站数据，（1）利用地震层析成像技术，构建汤加俯冲带的深部三维速度结构，从而对深源地震进行精定位，获得研究区深源地震精确的震源信息，（2）同时反演震源机制解，获得深部应力状况，讨论其震源区的深部结构；（3）利用走时正演和接收函数，来探索板内亚稳态橄榄石楔的存在。本项目有助于增进对深源地震震源机理的认识，为反裂隙断层作用机制提供线索，揭示汤加俯冲带深源地震成因及其控制因素。

全球三分之二以上的深源地震发生在汤加俯冲带地区，其还受到了萨摩亚地幔柱的影响，是研究深源地震、板块俯冲和热点相互作用的理想场所。然而，由于汤加地区海域面积大，固定地震台网的台站少且距离远，制约了对其深部结构的认识。汤加俯冲带地区发育劳弧后盆地，之前研究认为其受到了多种因素的影响，包括汤加俯冲板片、北侧侵入的萨摩亚地幔柱和西侧的澳大利亚地幔等，导致其深部结构复杂，不同地幔流的影响范围和深度仍不清晰。本申请基于在该地区布设的四次海底地震探测实验，获得的地震资料，进行地震的精定位，开展三维P波速度层析成像和三维P波各向异性层析成像，获得了汤加俯冲带精细的深部构造特征，取得的主要认识如下：（1）在劳盆地，观测到与海沟平行的各向异性快波速度方向（FVD），其为近NS向，从北到南延伸到20.5°S附近，深度延伸到约140 km。这种与海沟平行的FVD指示出北侧的萨摩亚地幔柱流入到劳弧后盆地内，其深度延伸到140 km，同时也受到了与俯冲作用有关的环形地幔流的影响；（2）从劳盆地到斐济岛，在140-400 km的深度范围内观测到大量的与海沟垂直的FVD（NW-SE向），指示出与汤加板片俯冲和脱水有关的强烈的地幔拐角流的影响；（3）汤加板片内发现与海沟平行的FVD，延伸到<200 km，可能在洋脊扩张阶段形成的残留的各向异性有关，在俯冲板片的深部（>200 km），观测到与海沟垂直的FVD，指示出复杂的应力状态。依托该项目的研究，共发表Nature Index论文2篇。研究成果加深了我们对深源地震、热点与俯冲带的相互作用的认识，对全球俯冲带动力学的研究具有重要的科学意义。