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NC:局部应力放大引起的下地壳地震成核
2021-01-07 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  陆内地震大多为上地壳的浅源地震,下地壳的地震很少(30-40 km),因为下地壳的岩石变形以缓慢的蠕变为主,但下地壳也可以发生地震,为了解释这一现象,目前学者们提出的机制包括:因热逸散导致塑性失稳,脱水反应导致的流体压力增加或局部应力重新分布,以及榴辉岩化作用。上述下地壳地震机制都需要岩石在一些特定的环境条件下发生某些矿物反应,使得岩石的结构或成分发生变化,导致岩石弱化而无法承载差异应力,最终引发地震。然而并不是所有的下地壳地震活动的位置都能满足发生矿物反应的条件。 

  普利茅斯大学的L.R. Campbell等研究人员在Nature Communications发表研究论文,针对发生在刚性下地壳的陆内地震提出了一种新机制:地壳深处的岩石缓慢蠕变剪切,由于不同剪切带之间的相互作用,直到它们无法承受不断增大的差异应力并突然断裂,从而引发地震。 

  挪威的Lofoten-Vesteralen群岛是世界上为数不多、大面积出露大陆下地壳岩石的地区,为研究下地壳的地震构造提供了重要载体研究人员首先对该地区进行了详细的构造填图分析,发现了多组剪切带均发育岩石快速滑动过程中摩擦生热熔融的产物——假玄武玻璃。按构造特征可将假玄武玻璃分为两类,强烈糜棱岩化(I类;图1)和未变形(II类;图2)。随后,通过对比I类和II类假玄武玻璃的构造关系以及围岩麻粒岩相的矿物组合,该团队认为两类假玄武玻璃均发生在下地壳层次,温压条件为650–750℃0.7–0.8 GPa。其中II类因为未经历变形改造,因此被认为是同震产物。同时,结合对II类假玄武玻璃相关的同震破裂长度和位移距离统计,这些地震发生的同时产生了异乎寻常的大应力降(>1 Gpa)。 

1 强烈糜棱岩化的假玄武玻璃Campbell et al., 2020

2剪切带内发育的未变形的II型假玄武岩(Campbell et al., 2020

  因此,研究者在下地壳地震成因上提出了新的解释:剪切带将岩石切割为多个独立的岩块,边界剪切带上持续的蠕变导致加载在块体上的应力不断积累增加。在这一过程中,无论是块体与剪切带体积比,还是块体与剪切带黏度比,都会使得加载在块体上的应力有着数量级上的变化。一旦块体上加载的差异应力超过临界值,块体就会发生局部地震破裂来释放应力,产生的地震破裂会集中在块体内部(图3a)。虽然弹性应力的积累和释放在每个块体内部发生,但是这些块体内部的地震破裂却可以维持整个强应变带蠕变的动态平衡。 

3 下地壳斜长岩在不同的粘性剪切带相互作用下破裂及地震成核过程(Campbell et al., 2020

  在下地壳相对坚硬岩石破裂成核的模型中,局部应力增加的条件相对于矿物反应条件较容易形成,也不需要浅部地震来为下地壳提供应力,只需要一个由高强度的、干的岩块和剪切带网络组成的系统即可形成。这种情况在许多板内下地壳麻粒岩区都有发现,因此该模型可以用来解释大陆地壳内部深部低震级的地震活动。     

  【致谢:感谢岩石圈室褚杨副研究员对本文提出的宝贵修改建议。】     

  主要参考文献 

  Campbell L R, Menegon L, Fagereng A, et al. Earthquake nucleation in the lower crust by local stress amplification[J]. Nature Communications, 2020, 11: 1322.链接    

  (撰稿:杨秋野,张艳/地星室) 

 
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