马尼拉俯冲带缺失中深源地震成因初探

陈爱华， 许鹤华， 马 辉， 刘唐伟

（1.中国科学院南海海洋研究所边缘海地质重点实验室 广东 广州510301；2.中国科学院研究生院 北京 100049）

马尼拉俯冲带缺失中深源地震成因初探

陈爱华1，2， 许鹤华2， 马 辉1，2， 刘唐伟1，2

（1.中国科学院南海海洋研究所边缘海地质重点实验室 广东 广州510301；2.中国科学院研究生院 北京 100049）

马尼拉俯冲带是整个南海地震活动多发区，地震成因与南海的形成和构造演化关系密切。对马尼拉俯冲带地震数据和层析成像结果进行了深入分析。结果表明：马尼拉俯冲带的地震活动主要为密集的浅源地震，缺失中深源地震。进一步分析揭示：①脱水和榴辉岩的形成在南海洋壳到达软流圈前就基本停止。马尼拉俯冲带南部在较浅的深度就转变为塑性变形，并停止俯冲；北部由于菲律宾板块的斜向仰冲作用，南海板块继续向下俯冲；②俯冲板块在马尼拉俯冲带北吕宋海槽发生撕裂，向南延伸至南海古扩张脊，撕裂深度约100 km。以上两种机制综合作用导致马尼拉俯冲带缺失中深源地震。

马尼拉海沟；中深源地震；成因机制；俯冲带

引言

南海是我国最大的边缘海，位于欧亚板块、菲律宾海板块和印澳板块的汇聚中心，三大板块的相互作用，使得该地区地壳受到多方面的构造应力，并经历了由主动大陆边缘向被动大陆边缘的演化过程[1]。随着InterMARGINS等国际计划的实施，南海大陆边缘的破裂机制、变形模式和南海大陆边缘构造属性的研究，已逐渐成为全球海洋地质研究中的热点[2]。马尼拉海沟是南海唯一的海沟，由于其频繁发生的火山和地震活动，对其地震成因机制的研究，成为解决南海的形成、构造演化等科学问题的关键[3]。

根据俯冲带地震震源深度的不同，可以分为浅源地震 （＜70km）、中源地震 （70～300 km）和深源地震（＞300 km）[4]。一般认为，脆性断裂是导致浅源地震发生的原因，大洋俯冲带深部地震主要由岩石相变引起[5～8]。马尼拉地区地震、深部结构、大地热流和火山成因等方面，都有了较深入的研究[9～14]。马尼拉俯冲带震源机制解反映的最大主压应力轴 (P轴)以菲律宾大断层为界，北部主要为NW向；南部较为复杂，为NW、NE和近NS向，显示北部以挤压逆冲为特征，南部以顺时针旋转为特征[15]。地震中心资料统计的马尼拉俯冲带地震震源深度分布和已观测全球俯冲带地震分布相比，缺失中深源地震，根据地震方法描绘的板块俯冲深度与层析成像揭示深度有很大差距，前人并未对马尼拉俯冲带这种地震分布现象进行深入研究[15～19]。本文主要通过地震、古地磁、地热等多种地球物理资料处理解释，研究马尼拉俯冲带及其邻近海域的地震活动和俯冲深度，分析深部结构和物理过程，结合俯冲带大洋岩石相变数值模拟和层析成像，探讨马尼拉俯冲带缺失中深源地震的原因。

1 马尼拉俯冲带地质概况

马尼拉海沟南至民都洛岛西南，北边一直延伸到台湾碰撞构造带的北部，空间上呈南北向弧形展布。海沟东侧为正在活动的俯冲带增生楔，海沟西侧为南海海盆，整体表现为向西 “凸”形 （图1）[20]。马尼拉增生楔主要由两部分组成：东侧较老的恒春海脊和西侧较新的高屏斜坡[21]。马尼拉海沟西南方向的海底地震仪处理结果显示，莫霍面的深度大约为12 km，由北部陆源向南部中央海盆方向逐渐呈阶梯状减薄趋势，至中央海盆只有5～6 km厚的洋壳[14、22]。

图1 马尼拉俯冲带地形图Fig 1 Topographies maps of Manila subduction zone

南海东北部及其邻区新生代构造事件主要有白垩纪末-古新世早期、始新世中期、始新世晚期-早渐新世、中新世晚期-上新世初和上新世末-更新世中期发生的5次事件[23]。在中新世或10 Ma以后，菲律宾板块沿马尼拉海沟以7.0 cm/a的速度沿NW55°斜向仰冲，左旋走滑速率约为17～31 mm/a，产生的动力很大一部分被马尼拉海沟调节[20、24～28]。随着俯冲作用继续和菲律宾海微板块向西北方向移动，吕宋岛弧和欧亚板块发生碰撞[29]。菲律宾海板块持续地向西北运动，碰撞作用加剧并向南扩展，马尼拉海沟的北端逐渐进入碰撞造山阶段，形成了非火山弧 (增生楔)-弧前盆地 (北吕宋海槽和西吕宋海槽)-火山弧 (吕宋火山弧)构造组合[30、31]。

2 马尼拉俯冲带震源和板块俯冲深度

Yang等[32]统计台湾-菲律宾地区1967～1994年以来的4级及其以上的地震的震源深度和位置，描绘马尼拉俯冲板块的形态和俯冲深度 （图2），地震的空间分布主要呈以下特征：

（1）马尼拉俯冲带主要为密集的浅源地震；

图2 台湾-菲律宾地区1967～994年以来MS≥4震源深度与纬度投影图贝尼奥夫带俯冲板块厚度为50 km[32]Fig.2 The projections of earthquake epicenters(MS≥4)in the Taiwan-Philippines region(1967-1994)for each degree of latitude.The Benioff zones are arbitrarily defined as-50Km thick of subducting plate[32]

（2）23°～19°N之间，伴随有少量的中源地震，最大震源深度约250 km，俯冲角度非常陡，几乎接近垂直；

（3）纬度19°～16°N之间，地震活动明显减弱，震源深度降至200 km，俯冲角度也明显减小，约30°；

（4）16°～13°N中源地震数量、地震深度和俯冲角度较前一段均明显增加，深度至约300km，俯冲角度再次接近垂直。14°～15°N之间，地震向东部菲律宾海沟逐渐变宽，数量变少[18、19]。若将数据按纬度分成 13°～17°N 和 17°～23°N 两部分， 很明显反映出马尼拉海沟俯冲倾角差别，南部倾角较大，下部几乎接近垂直，而北部倾角变小，约45°[30]。板块俯冲深度也非常明显，台湾附近非常浅，约100 km，向南逐渐加深，20°N达250 km左右，18°N减至200 km后，在13°N迅速加深至300 km。

瞿辰等[13]根据国际地震中心 （ISC）报告 (1964～2002年)、国家地震信息中心台网（NEIC）和中国基本测震台网合成报告 (1985-1997年)以及中国数字地震台网报告 (2001～2005年)的震相观测数据，使用纵波和横波走时层析成像研究菲律宾海板块系边缘带和南海地区的深部结构 （图3）。波速相对扰动量 （Vpf）图清楚显示，在AA′剖面台湾岛附近往下俯冲的欧亚板块几乎垂直到达400 km附近，然后折向菲律宾海板块之下俯冲到大约660 km深度。剖面BB′处俯冲板块几乎垂直向下，直到660 km附近，两个板块彼此之间的俯冲挤压作用相当。剖面CC′表明马尼拉海沟处的俯冲板块基本上是陡直地到达300 km附近[13]。Lallemand等[12]根据ISC和美国地质调查局国家地震信息中心 （USGS′s NEIC）地震数据研究台湾地形和构造 （图4）。EE′和FF′剖面图表明，板块俯冲深度到达660 km；俯冲带南部GG′剖面处板块俯冲深度大约300 km，结果与瞿辰等[27]一致。

图3 3个纵剖面Vpf相对扰动图像 （剖面位置见图1）Fig.3 Vertical cross sections of velocity perturbations Vpf along the threet profiles shown in Fig.1

图4 P波平均速度异常与深度百分比 （±1.5%）Fig.4 Velocity anomalies are displayed percentages(±1.5%)with respect to average P-wave velocity at depth.

马尼拉俯冲带北部俯冲深度达660 km，而地震震源深度却只有200 km左右；南部俯冲深度与震源深度结果一致，约为300 km。已观测到的全球俯冲带地震活动，从地表一直连续分布至近660 km的地幔深部[16、17]。什么原因使马尼拉俯冲带地震缺失中深源地震？这个问题值得思考和研究。

3 成因机制讨论

南海地球物理调查资料显示，北缘的热流从陆架区的61 mW/m2向着海盆方向增加到陆坡区的73～80 mW/m2，台湾盆地的西北部平均热流为78 mW/m2[9、33]。南海海盆的热流非常高，平均为93 mW/m2，大部分高热流值位于东部次海盆，平均为94 mW/m2，西南次海盆热流值略低，平均为90 mW/m2[9]。南海热流总体分布不均匀，平均为75 mW/m2，从陆缘向着海盆方向逐渐增加，中央海盆最高，向海沟和弧前盆地逐渐降低，这种热流特征与马尼拉海沟的构造背景相吻合[11、34]。南海洋壳为年轻俯冲板块，普遍认为海底扩张的时间段为32～17Ma[35、36]。Briais等[37]对1990年以前的SCS磁异常资料进行详细对比和综合分析,认为南海海底扩张时间为32～15.5Ma。

马尼拉俯冲带板块年龄、热流和震源深度分布等，与全球一些俯冲构造带类似[38]。Peacock等[39]和Kirby等[40]将马尼拉俯冲带这种热流值＞75 mW/m2，且年龄＜15～25 Ma的洋壳俯冲称为热俯冲，其它热流较低、年龄较老的俯冲为冷俯冲。年轻板块的初始热量损失较少，倾向于以较慢的速率俯冲，因此保持热的地热体制，形成热俯冲。而年龄老的洋壳冷却时间长，当它们以较快的速率向下俯冲时，会保持较冷的状态到很深的深度，形成冷俯冲。

热俯冲的研究比较薄弱，地震成因机制主要有以下两种观点：

（1）俯冲深度比较浅[38]；

（2）含水相脱水和榴辉岩的形成，在俯冲板块与软流圈接触之前停止[40]。由于马尼拉俯冲属于热俯冲，本文推测，年轻的热的南海板块沿着Peacock和Wang[39]定义的热P-T体制俯冲时，南海洋壳由绿帘石蓝片岩相、角闪石榴辉岩相、绿帘石榴辉岩相，然后进入干榴辉岩相区域。热俯冲板块温度比俯冲带周围的围岩高约300℃，自由水降低200～300℃反应温度，使南海板块含水相在较浅深度 （60 km）大量脱水，孔隙压力增加，上覆岩石压力减小，岩石脱水脆化发生破裂，生成的水促进周围无水辉长岩和玄武岩相变，形成大量榴辉岩[40～43]。榴辉岩的形成使洋壳密度增大，板块应力改变，负浮力增加。在南海洋壳到达软流圈之前，含水相脱水和榴辉岩的形成基本停止，使马尼拉俯冲带地震活动倾向于发生在软流圈之上的洋壳。马尼拉俯冲带南部，南海洋壳在较浅的深度时就转变为塑性变形，至约300 km停止俯冲；北部由于菲律宾板块的斜向仰冲作用，南海板块继续向下俯冲。这种推测与马尼拉俯冲带地震震源深度分布和层析成像结果吻合。

热俯冲由洋壳相变发生在俯冲带或断裂带的地壳和上地幔的变质作用控制地震最大深度为350 km[40]。因此，热俯冲机制不能解释马尼拉俯冲带北部350 km以下缺失地震的原因。

吕宋岛东侧 （约12°N位置）向东倾俯冲带的剖面之间不连续，倾角和最大地震深度急剧变化，推测此处可能发生撕裂[18]。图2表明，俯冲的南海板块的倾角在19°～20°N处发生急剧的变化，俯冲板块应在19°～20°N处发生撕裂：由于古扩张脊对俯冲的阻碍和形成台湾岛的碰撞作用，使得西火山链北部的火山停止喷发，而已经俯冲的板块所具有的重力和动能，引起板块在深部的撕裂―南海洋陆过渡带的破裂[32]。Bautista等[44]详细分析1897～1997年所发生的地震资料，作出8条覆盖菲律宾群岛地震垂向分布图，计算南海俯冲板块的俯冲倾角，结合对比震源深度小于65 km的浅震和大于65 km的地震应变能释放分布图，认为在17°～18°N之间存在明显的俯冲倾角突变和应变能释放间断，据此推测俯冲板块破裂位置应该在17°N左右，进一步认为破裂具体位置是已经俯冲于菲律宾海板块之下的南海古扩张脊。

根据Lallemand等[12]的研究 （图4），剖面EE′和GG′显示，俯冲板块在约70km处，出现一个低速区，使地震波高速区与地壳发生不连续；FF′剖面不连续深度略深，出现在约100 km的位置，推测马尼拉俯冲带在浅于100 km发生从北到南的撕裂。吕宋岛到琉球岛100～750 km深 （间隔50 km）的深部图在21°N也观察到不连续界面。

基于前人研究成果，本文认为俯冲板块在马尼拉俯冲带北吕宋海槽发生撕裂，往南延伸至南海古扩张脊，撕裂深度约100 km。当俯冲板块受到构造应力作用时，由于在较浅位置发生撕裂，下部俯冲板块与上部地壳断离，形成 “软化”弯曲，应力无法传递或积累，且南海洋壳很薄，撕裂深度以下板块由相变产生的构造变形逐渐被地幔物质调节，使断离以下俯冲板块缺失地震活动。受菲律宾板块强烈挤压影响，马尼拉俯冲带地震震源深度加深，俯冲角度也更陡。

总体而言，南海构造背景复杂，受诸多构造应力影响。本文认为：

图5 马尼拉俯冲带脱水-撕裂-地震示意图Fig.5 Schematic diagrams of Dehydration-Tear-Earthquake in Manila subduction zone

(1）马尼拉俯冲带发生的脱水和榴辉岩的形成，在南海洋壳到达软流圈前就基本停止。俯冲带南部，在较浅的深度就转变为塑性变形，并停止俯冲；北部由于菲律宾板块的斜向仰冲作用，南海板块继续向下俯冲至地幔深部。

(2）俯冲板块在马尼拉俯冲带发生撕裂，同时受菲律宾板块的强烈挤压，由北吕宋海槽向南延伸至南海古扩张脊，撕裂深度约100 km。上述两种机制综合导致马尼拉俯冲带缺失中深源地震 （图5）。

4 结语

本文介绍了马尼拉俯冲带地震分布现象，并结合热俯冲和层析成像对地震成因机制进行初步探讨，除了考虑上述各种引发地震的因素外，俯冲板块的热结构对马尼拉地震带深度分布的影响也值得研究。目前对马尼拉俯冲带的热结构已有一些研究，但其与地震震源深度的关系尚不清楚，这也是下一步的工作方向。无论哪一种因素，都需要进一步论证，需要从三维数值模拟方面模拟南海的构造演化史，解释马尼拉俯冲带形成地震的地球动力学背景。

致谢：感谢施小斌研究员、杨小秋博士在本文完成过程中给予的帮助。

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Preliminary Study of the causes of absence intermediate and deep focus earthquakes in the Manila subduction zone

CHEN Aihua1，2， XU Hehua2， MA Hui1，2， LIU Tangwei1，2

(1.South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301,China;2.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

The Manila subduction zone is a seismic-prone area in South China Sea whose formation and tectonic evolution have close relationship with the earthquake causes.In this paper,the seismic data and tomography results of Manila subduction zone were conducted in-depth analysis.The results showed that:the earthquakes in Manila subduction zone are mainly intensive shallow earthquakes without intermediate and deep focus earthquakes.Further analysis revealed that:1)Dehydration and eclogite formation of South China Sea ocean crust largely cease before contacting with asthenosphere.In the south of Manila subduction zone,South China Sea oceanic crust changed to plastic deformation in shallow depth and stopped diving while the South China Sea plate continued to dive due to the oblique obduction of the Philippine plate in the north.2)Subducting plate of Manila subduction zone was tore in the North Luzon Trench with a depth of nearly 100km and extended southward to the ancient spreading ridge of South China Sea.These two mechanisms combined responsible for the absence of intermediate and deep focus earthquakes of the Manila subduction zone.

Manila Trench;Intermediate and deep focus earthquake;Formation mechanism;Subduction zone

P315.728

A

1001-8662（2011）04-0098-10

2011-05-04

国家重点基础研究发展计划 “973”项目 （2007CB41170405）和国家高技术研究发展计划“863”课题 （2008AA09Z306）联合资助

陈爱华，男，1986年生，硕士研究生.主要从事海洋地质研究.E-mail:ahchen@scsio.ac.cn.