中深源地震在地球动力学中的应用（一）：汤加俯冲带的变形机制和深源地震的耦合关系

       俯冲带是全球板块构造理论的核心构成单元，其持续的俯冲过程孕育了全球地震带。俯冲带中孕育地震的区域也被称为贝尼奥夫带。根据震源深度的不同，我们可以把地震分为浅源地震（0-70 km）、中源地震（70-300 km）和深源地震（300-700 km）。它们的破裂机制目前还存在较大的争议，主要包括脱水脆化、亚稳态橄榄岩相变和热剪切失稳等（Zhan, 2020）。俯冲带内孕育的地震为我们深入研究俯冲带的动力学过程提供了重要的信息。其一，地震学家可以通过对地震的精确定位来给出俯冲带的几何形态， 例如 Slab 2.0 模型 (Hayes et al., 2018)；其二，通过对地震震源机制解的分析，可以精确给出当前俯冲带的受力状态 (Alpert et al., 2010)。汤加-斐济地区拥有世界上最多的深源地震，约占全球深源地震总量的三分之二，这为汤加-斐济俯冲系统的应力状态提供了强有力的约束。尽管近几十年地震学家已经对该地区的深源地震进行了系统的分析和讨论，然而控制汤加俯冲带强烈变形的因素目前仍不清楚。2018年8月19日和9月6日发生在该地区的8.2级地震 （震源深度556 km）和7.9级地震（震源深度655 km）为我们进一步探索和剖析汤加-斐济俯冲系统的变形过程提供了契机（Jia et al., 2020; Liu et al., 2021; 图1）。

      近日中国科学技术大学地空学院冷伟教授研究团队联合美国加州理工学院地震实验室Michael Gurnis 教授和詹中文教授, 通过地球动力学数值模拟并结合全球板块重构,建立了汤加俯冲带的演化历史，进一步揭示了汤加-斐济俯冲系统的变形机制。数值模拟结果显示：在10个百万年前左右，从瓦努阿图 (Vanuatu) 海沟断离的残留板块与汤加俯冲带的持续碰撞过程，导致了汤加俯冲带在地幔过渡带中近似垂直的形态，进而控制了汤加-斐济俯冲系统的强烈变形和该地区深源地震的发生，并推测2018年8.2级地震发生在温度较高的汤加俯冲带的边缘地区，而7.9级地震则发生在一个温度更高的，强烈弯曲的残留板块的底部 (图2和图3)。这一最新结果为该地区深源地震的频发提供了最新的理论依据。

      该成果近期以“Tonga Slab Morphology and Stress Variations Controlled by a Relic Slab: Implications for Deep Earthquakes in the Tonga-Fiji Region” 为题发表于国际地学一流期刊Geophysical Research Letters 上。论文第一作者为中国科学技术大学博士研究生（现为博士后）刘浩。通讯作者为刘浩博士和加州理工学院的Michael Gurnis 教授。该项研究得到国家留学基金委、国家自然科学基金委、中国科学院战略性先导专项以及美国国家自然科学基金委的支持。

图1. （a）汤加-斐济地区的构造环境。锯齿状线条代表汤加海沟和瓦努阿图海沟过去12个百万年的所在位置。（b）-（e）汤加-斐济地区的地震分布剖面。2018年8.2级地震和7.9级地震被标注在b图中。蓝色短线代表P轴方向。

图2.（a）-（d）单一汤加俯冲带模型：汤加俯冲带在没有残留板块的作用下，过去10个百万年的演化历史。（e）-（h）残留板块模型：汤加俯冲带与残留的瓦努阿图板块的碰撞过程。这一过程导致了汤加俯冲带在地幔过渡带中变得近似垂直，而残留板块也经历了强烈的弯曲和褶皱。其形态均反映在了地震分布和层析成像中（图1）。

图3. （a）和（b）单一汤加俯冲带模型中，俯冲板块内部的主压应力分布，对应于图2d中红色和绿色的矩形框。（c）和（d）残留板块模型中，俯冲板块内部的主压应力分布，对应于图2h中红色和绿色的矩形框。2018年8.2级地震和7.9级地震被投影在d图中。

参考文献

Alpert, L. A., Becker, T. W., & Bailey, I. W. (2010). Global slab deformation and centroid moment tensor constraints on viscosity. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 11(12).

Hayes, G. P., Moore, G. L., Portner, D. E., Hearne, M., Flamme, H., Furtney, M., & Smoczyk, G. M. (2018). Slab2, a comprehensive subduction zone geometry model. Science, 362(6410), 58-61.

Jia, Z., Shen, Z., Zhan, Z., Li, C., Peng, Z., & Gurnis, M. (2020). The 2018 Fiji Mw 8.2 and 7.9 deep earthquakes: One doublet in two slabs. Earth and Planetary Science Letters, 531, 115997.

Liu, H., Gurnis, M., Leng, W., Jia, Z., & Zhan, Z. (2021). Tonga Slab Morphology and Stress Variations Controlled by a Relic Slab: Implications for Deep Earthquakes in the Tonga‐Fiji Region. Geophysical Research Letters, 48(7), e2020GL091331.

Zhan, Z. (2020). Mechanisms and implications of deep earthquakes. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 48, 147-174.