下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
新赫布里底群岛、汤加－斐济及新西兰地区岩石圈的下降：拆沉板片的证据
贝雷赞吉等
编者按
在俯冲带，一个板块俯冲到另一个板块之下进入地幔。下板块的下降会引发深源地震。康奈尔大学布赖恩·艾萨克斯和彼得·莫尔纳指出俯冲带下部的地震活动存在“空区”，这可能预示着下降的板片已经从其他部分断离。艾萨克斯和他的同事提供的证据表明在西南太平洋上，包括新赫布里底群岛的俯冲带存在这种情况，而且最有可能发生在新西兰。他们同时指出，由于地幔中的“不连续性”，新西兰和汤加－斐济板片不能俯冲至700公里以下。此后地幔中这种“不连续性”成为了地球物理研究的焦点。 英文
通过研究地震波在新赫布里底岛弧下地幔中的传播，发现岛弧北部地震活动在深中源地震之间存在明显的空区，与岛弧下下降的岩石圈板片中的空区相对应：深源地震是岩石圈拆沉出来的小断块存在的标志。虽然对新西兰深源地震的观测结果不是很明确，但其他证据表明新西兰下部的岩石圈发生了拆沉。 英文
上地幔中地震分布的一个最显著的特征就是300~550 km深度之间存在地震活动空区。在南美洲、新西兰以及新赫布里底岛弧下，这样的空区非常显著。它们受到了极大的关注，因为这意味着岩石圈的一部分可以脱离下降板片，以孤立板片的形式存在于地幔中。 英文
本文将通过研究地震波的衰减来找出新赫布里底岛弧下的上地幔中岩石圈板片拆沉的证据。地震波走时数据以及对过去板块运动的重建也都显示，该区存在板片拆沉现象。我们关注地震波的衰减是因为其效应非常明显且易于观察和解释 [1-3] 。 英文
艾萨克斯和莫尔纳 [4] 提出，地震活动空区是深度的函数，具体可用两个模型来解释。第一个就是，连续板片内部的应力在中层深度上表现为下倾拉张而到更深处则变为下倾挤压，所以上述深度之间的应力接近于零。第二个就是，下降的岩石圈有一部分断离，下沉至上地幔，使该碎片与其所属板块之间出现了空区。沿存在大型地震活动空区的岛弧设立的观测站所记录到的深源地震的地震波特征，特别是剪切波特征，就为确定上述哪个模型正确提供了依据。对特定路径上低频衰减波的观测结果表明，下降的岩石圈中存在一个空区。但倘若观测到的是高频剪切波，得出的解释就不明确了。这种观测结果可能是沿连续高 Q 值岩石圈板片的传播引起的，也可能是沿不连续板片上部传播引起的，这样在软流圈中传播可使衰减作用降低。第二种解释就意味着，对于1~3 Hz的剪切波，它在大约300 km以下的深度上衰减较弱。 英文
新赫布里底岛弧为我们研究上地幔地震活动空区的特征提供了极难得的机会。沿岛弧可以较好地布设地震台站。在大约300~600 km之间存在空区是确定无疑的。中深层地震带的构造表现为，中层的倾角非常陡峭，而深层地震带则近乎水平，这说明两个地震带可能不是相互连接的。观测站建立以来已发生了许多次深源地震，得到了许多路径样本。从1961年到1970年的10年间努美阿（NOU）和维拉港（PVC）观测站共记录了40次深源地震（图1）。朗挪罗依（LNR）站建立于1968年。NOU、PVC和LNR均采用1 Hz的欠阻尼地震计和2 Hz的超阻尼检流计。上述设备对频率介于0.5 Hz和10 Hz之间的地震波的响应相对较平缓，从而可以清晰地记录到剪切波频率发生的较大变化。杜波依斯 [5] 曾对新赫布里底－新喀里多尼亚的地震网作过详细描述。 英文
图1. 西南太平洋汤加－斐济－新赫布里底地区示意图。●，历史上的活火山；▲，地震观测站；■，图2和图3中用到的深源地震的位置。水深单位为km。
倾斜的南美洲地震带在350~550 km深度之间也存在明显的地震活动空区。沿南美洲西海岸的观测站记录了过去10年该区发生的几乎所有的深源地震，目前我们正在对其进行详细研究，具体将另文发表。 英文
图1所示为本研究采用的新喀里多尼亚和新赫布里底的观测站位置。我们利用新赫布里底的深源地震对这些站位上记录到的所有数据进行了检验。最令人吃惊的一项观测结果是，PVC和LNR站上均从15°S以北的深源地震记录到了低频（约0.5 Hz）S波占主导地位。 英文
图2所示为穿过新赫布里底岛弧与NOU、LNR相交的一个横剖面，该剖面也通过PVC附近。新赫布里底深源地震位于深部地震带的西部（距中层深度带向下的投影很近），它在PVC站形成衰减的低频S波。地震波列的路径恰好穿过下倾地震带的下方。频率均不高于1 Hz，且S相的振幅大都小于P相。如奥利弗与艾萨克斯 [1] 和贝雷赞吉与艾萨克斯 [3] 所示，这可以解释为地震波穿过衰减低 Q 带的传播。相反，位于汤加岛弧的NIU站记录到的汤加深源地震S波的主要频率为3~4 Hz，而且S相的振幅也比P相的大。 英文
图2. 新赫布里底岛弧的横剖面图。图中给出了地震波到NOU、PVC和LNR观测站的J–B传播路径及与之相对应的记录［PVC站的E–W分量、NOU的N–S分量以及LNR上的Z分量］，同时还给出了地震活动发生的位置（竖线）。这些观测站仅记录到了低频S波。
LNR站位于新赫布里底岛弧活火山带附近，深源地震在该站亦产生低频S波。这与在沿汤加岛弧活火山带的观测站记录到的汤加深源地震高频S波明显相反 [6] 。 英文
我们认为，在PVC和LNR站上观测到的低频S波主要应该是沿传播路径衰减的结果。由于新赫布里底深源地震在斐济观测站形成的地震图与汤加深源地震图类似，因此可以排除震源的影响（新赫布里底和汤加深源地震到斐济站的距离基本相等）。而PVC和LNR站记录到的沿新赫布里底岛弧的中源地震都无一例外地生成高频（约3~4 Hz）S波，所以也可以排除观测站因素的影响。当路径长度与深源地震的相当或更大时亦是如此。此外，汤加深源地震在PVC和LNR站形成的地震图与斐济站上形成的惊人的一致。因此，沿传播路径的衰减应该是PVC和LNR站所观测到的低频S波的主要成因。 英文
通过PVC站以及新赫布里底岛上其他观测站所记录的中源地震产生的高频剪切波的观测数据判断，衰减作用主要发生于300 km以下。综合所有观测结果，一个最好的解释就是，在300~600 km的深度上岩石圈板片物质缺失。因此，新赫布里底岛的深源地震说明，该地区上地幔中存在一个拆沉的小板片。据我们所知，这是首次发现直接证据，证明使地震波衰减的软流圈在上地幔中的位置位于300 km以下。 英文
在NOU站上，新赫布里底岛深源地震总是形成低频S波（图2）。这很可能是在上地幔中（软流圈）的衰减作用所致，因为到NOU站的传播路径完全处于下倾的新赫布里底地震带之外。 英文
位于深部地震带东部的新赫布里底深源地震在PVC和LNR站均形成衰减的低频S波。而根据杰弗里斯－布伦（J–B）的速度结构计算，在横向均质地幔中，其传播路径恰好通过倾斜地震带的正上方（图3）。然而，同样通过汤加倾斜带上方的S相，则具有高振幅、高频率的特征（我们注意到，NIU记录的时间比例尺约是PVC的两倍，如图3所示）。尽管J–B传播路径似乎并未通过汤加地震带，高频S波很可能是穿过下降的板片传播的。贝雷赞吉、艾萨克斯和奥利弗 [7] 提出了其他证据，证明汤加地区下部下降的板片对高频剪切波具有波导的作用，因而其波谱也是连续的。因此，通过比较发现，新赫布里底岛最东端深源地震中高频剪切波的缺失，可以视为新赫布里底地区下部岩石圈拆沉的证据。 英文
图3. 汤加和新赫布里底岛弧的横剖面图。图中给出了到达NIU和PVC站的传播路径以及与之对应的记录［PVC站上的E–W分量、P波的Z分量以及NIU站上S波的N–S分量］，另外还给出了上地幔中地震活动发生的位置（竖线）。注意，虽然NIU站和PVC站上的传播路径相同，但S波的特征差别却很大（NIU站记录的时间比例尺是PVC站的两倍）。
下面我们将详细研究新赫布里底深源地震P波的走时。在新赫布里底岛弧沿线的PVC和LNR站上，新赫布里底深源地震的P波走时残差接近正常（约提早1~2 s）。而汤加岛弧沿线的观测站上记录到的汤加深源地震的P波残差则为4~5 s左右 [8] ，两者形成鲜明对比。所以，走时数据也支持了根据地震波衰减作用得到的结果，这说明，岛弧东北部的深源地震意味着存在一个从岩石圈拆沉下来的板片。 英文
在过去7年中，15°S以南，即水平长椭圆带的南部，共发生了3次深源地震，并且它们都发生在平行于新赫布里底岛弧南部的地带（图5）。从新喀里多尼亚的NOU站和位于新赫布里底岛弧的北部各站（至北部约16°S处，LNR和LUG站）得到的上述地震的记录均表现为衰减的低频S波。但在PVC站得到的最近一次发生在18°S，173°E附近的地震记录则表现为大振幅、高频率的S波。这是在PVC站记录到的三次地震中唯一一个质量较好的记录。不过该观测结果非常清晰，而且很可能意味着新赫布里底岛弧南部存在连续的下降板片。要对南部深源地震带作出实质性解释，还需要更多数据的支持。 英文
在新西兰，北岛地区地震发生于约300 km深处，而在南岛的最北部大约为200 km。另外，1953年和1960年在北岛有三次地震发生在约600 km深处 [9] 。图4所示为新西兰岛弧的横剖面图，同时还给出了由新西兰当地地震网获得的地震图示例。深源地震在惠灵顿站（WEL）形成高频S波。关于这一点可以有两种完全不同的解释。第一种，新西兰下部的板片是连续的而且至少可以到达600 km深处，由此为高频S波的传播提供了通道。第二种，虽然板片在大概300 km处有一段空白，但300 km之上的部分足以为地震波穿过高衰减区提供一个“窗口”。其中第二种解释暗含的意思就是，主要衰减带位于300 km以上，那么也就意味着，新西兰与新赫布里底地区差异很大，因为新赫布里底地区的衰减作用发生在300 km以下。 英文
图4. 新西兰岛弧横剖面图。图中给出了地震波到WEL、TNZ和ONE站的传播路径，以及到WEL、ONE和GPZ站的横向记录。另外图中还给出了北岛下部的倾斜地震带（竖线）。插图所示为站位位置（●）和新西兰深源地震发生的位置（■）。
第二种解释，即新西兰北岛下部存在拆沉的岩石圈，在新西兰—克马德克—汤加板块边界沿线，倾斜地震带的下倾长度是纬度的函数，它的变化就支持了上述观点。根据澳大利亚板块和太平洋板块的相对运动极点的位置推测，倘若将新西兰深源地震排除在外，向北下倾长度将呈规律递增 [10,11] 。从这方面来看，新西兰深源地震就显得极为反常，而且似乎是板块碎片存在的标志。 英文
塔拉塔（TNZ）和奥内拉希（ONE）站位于北岛活火山带的西侧，这两站记录的新西兰深源地震均表现为低频衰减S波。穆尼 [12] 所描绘的上地幔顶部异常强烈的衰减作用带也位于活火山带西侧。因此，TNZ和ONE站记录到的低频S波很可能是地震波在上地幔顶部至倾斜地震带西侧衰减的结果。 英文
有趣的是，在南岛的观测站上，新西兰深源地震形成的是高频S波。图4所示为在格比斯山口站（GPZ）记录到的一个实例，该站位于南岛上无地震发生的东海岸 [13] 。上述观测结果表明，至少在南岛的北部下方是不存在明显的衰减带的。那么北岛下部中源地震所标识的岩石圈可能一直延伸至南岛以下的大部分地区。 英文
汤加－斐济地区地震分布的一个独特特征就是汤加岛弧倾斜地震带西侧深源地震的发生（图5）。在过去10年中，斐济群岛下部发生了约8次位置明确的深源地震。还不清楚这些地震是否意味着下降的汤加板片的一种延续，即从现今的下降板片上拆沉下来的一个小板片，或者说是在早期板块的俯冲过程中拆沉的一个小板片。艾萨克斯等 [14] 从震源机制方面获得的证据表明，这些地震是下降汤加板片北部边缘一个扭曲延续体的标志。不管怎样，这些地震与新赫布里底深源地震共同证明，相关下降板片水平延伸出了相当远的距离。这说明，这些地震是无法穿过上地幔600~700 km深处不连续面的破碎岩石圈板片存在的标志，因此该不连续面可能就是软流圈的底界。这些板片一直堆积在不连续面上，直到它们在中层下地幔被同化。 英文
图5. 图中所示汤加和新赫布里底岛弧的地震等深线，新赫布里底深部地震带、斐济群岛和斐济高原深源地震的准确位置。▲525~575 km深处发生的地震；●576~625 km深处发生的地震；■626~675 km深处发生的地震。空心圆圈代表470 km深处发生的地震。
新赫布里底和新西兰深源地震是上地幔中拆沉的岩石圈板片存在的标志；在新赫布里底岛弧北部地区下方300 km深处的上地幔中很可能存在地震波的显著衰减，这意味着该地区地幔的软流圈可能延伸至300 km以下；新赫布里底和汤加岛弧之间深源地震的空间分布表明，岩石圈板片不可能下降至地幔大约700 km的深处。 英文
感谢亚当斯为我们提供的原始地震图，感谢沃尔特·米特罗诺瓦斯关于本文的讨论，感谢吉姆·吉尔和丹·凯里格提供了他们研究成果的预印本。作者感谢莫里斯·尤因提供的科研资助。 英文
本研究得到了美国国家科学基金的资助。 英文
（齐红艳 翻译；李三忠 审稿）