中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 陳棋福

云南省地震局  姜金鐘

2002年6月29日1時(shí)19分，我國(guó)吉林省汪清縣發(fā)生7.2級(jí)深震，震源深度540 km。該震與7級(jí)淺源地震激發(fā)的地震能量和震動(dòng)波形基本一致，在經(jīng)過(guò)數(shù)百至上千千米的能量衰減后，到達(dá)東北全境和華北部分地區(qū)時(shí)雖仍有微小震動(dòng)，但并未驚醒位于該震上方的汪清周邊居民。與7級(jí)淺源地震常常造成大量人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失相比，汪清深震未造成人員傷亡和建筑物破壞。

一、汪清7.2級(jí)深震發(fā)生的位置

深震是指震源深度大于70 km（也有認(rèn)為是大于60 km），深度小于70 km或60 km的則稱為淺震（淺源地震），深度在70~300 km或60~300 km的地震被稱為中源地震，深度大于300 km的為深源地震。中源地震和深源地震經(jīng)常被籠統(tǒng)的稱為深震，有些嚴(yán)格的學(xué)者則僅將深度大于300 km的地震稱為深震?

從下圖看，汪清深震發(fā)生在太平洋板塊俯沖至中國(guó)東北下方的日本俯沖帶上，中國(guó)東北一帶的深震活動(dòng)可以從近600 km的深處連續(xù)向上和向東追蹤至日本海溝附近的淺源地震，十分明顯地展現(xiàn)出太平洋板塊向歐亞大陸板塊俯沖插入中國(guó)東北大陸下方約600 km深度的圖像。各種尺度的地震層析成像結(jié)果也都顯示中國(guó)東北一帶的深源地震與日本海深震具有很好的連續(xù)性并發(fā)生在西太平洋俯沖板片的高速異常體內(nèi)部。圖中藍(lán)色星號(hào)處及其連線分別給出了汪清7.2級(jí)深震的位置和震源機(jī)制解。

日本海溝至中國(guó)東北的剖面兩側(cè)300 km范圍內(nèi)的地震深度分布藍(lán)圖

圖中藍(lán)色星號(hào)處及其連線分別給出2002年6月29日汪清7.2級(jí)深震、2011年5月10日中國(guó)東北中俄邊界處6.1級(jí)深震和2011年3月11日日本東北9.0級(jí)淺震的位置和震源機(jī)制解；

圖上方畫(huà)出了剖面沿線的陸地和海洋地形形態(tài)

二、深震與淺震的似與不似

迄今為止，人類記錄到的最大深源地震是2013年5月24日鄂霍茨克海8.3級(jí)地震（深度約607 km）和1994年6月9日玻利維亞8.3級(jí)（也有報(bào)告說(shuō)為8.2級(jí)）地震（深度約637 km）。人類記錄到的最深的大地震是2015年5月30日發(fā)生在日本小笠原群島的7.9級(jí)深震（日本氣象廳測(cè)定8.1級(jí)），國(guó)際地震中心最終確定的震源深度為685.5 km。

國(guó)際地震中心2020年4月發(fā)布的1904-2016年全球Mw6.0地震分布圖

自1907年有關(guān)發(fā)現(xiàn)深源地震的觀測(cè)結(jié)果發(fā)表后，就受到廣泛質(zhì)疑，直至和達(dá)清夫通過(guò)研究證實(shí)了深源地震的存在，以及貝尼奧夫綜合地質(zhì)、地震和物理信息提出貝尼奧夫帶（現(xiàn)稱Wadati-Benioff帶，即俯沖帶）來(lái)解釋深震活動(dòng)圖像，深震作為一種“不可思議”的現(xiàn)象始得到較廣泛研究。近百年的觀測(cè)研究表明：天然發(fā)生的深震與淺震都屬于構(gòu)造地震，是人類生存的地球深部鮮活運(yùn)轉(zhuǎn)著的體現(xiàn)。

據(jù)國(guó)際地震中心1964-2016年地震目錄統(tǒng)計(jì)的地震深度個(gè)數(shù)分布藍(lán)圖

總的來(lái)說(shuō)，深震與淺震十分相似。深震與絕大多數(shù)淺震都是由剪切變形引起的破裂，在地震破裂特征和從震源處輻射出的地震波圖像與地震破裂前后的應(yīng)力差（應(yīng)力降）等許多方面都存似，雖然深震與淺震的地震輻射效率、地震斷裂面形態(tài)、地震破裂速度和破裂持續(xù)時(shí)間及應(yīng)力降等在具體量值變化上有所差異，且因深震激發(fā)的地震波在地球淺部的傳播路徑較短，故在地震波形可觀測(cè)到深震的面波相對(duì)不大發(fā)育甚至缺失，且深震的體波波形顯得不如淺震波形那么復(fù)雜。此外，深震與淺震都滿足震級(jí)–頻度的Gutenberg–Richter統(tǒng)計(jì)關(guān)系，甚至淺震的動(dòng)態(tài)觸發(fā)現(xiàn)象和破裂區(qū)域重疊的重復(fù)地震也在深震中觀測(cè)到。

深震與淺震存在3點(diǎn)明顯區(qū)別：

1．在發(fā)震地點(diǎn)和致災(zāi)方面，淺震可發(fā)生在包括大陸在內(nèi)的地球上大部分地區(qū)，因而6級(jí)以上甚至5級(jí)淺震常常造成大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，而深震則僅發(fā)生在板塊俯沖下插的俯沖帶上，故深震少有造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的報(bào)道，但深度較淺的深震還是存在一定破壞性。

2．深震明顯少于淺震，最明顯的區(qū)別是深震的余震數(shù)量很少。在地震震級(jí)相同的情況下，深震的余震數(shù)量比淺震的要少1個(gè)或更多個(gè)數(shù)量級(jí)，且中源地震的余震數(shù)量又略少于深源地震。在較冷的俯沖帶（如湯加、印度尼西亞和馬里亞納俯沖帶）存在顯著的深震余震活動(dòng)，而相對(duì)較熱的俯沖帶（如南美、日本和伊豆-小笠原俯沖帶）的深震余震活動(dòng)則較少。

3、據(jù)全球矩張量gCMT給出的地震震源機(jī)制解，深震與淺震的震源主要為雙力偶剪切源，但有很大部分的深震都含有十分明顯的非雙力偶剪切斷裂成分，即補(bǔ)償線性矢量偶極（CLVD）成分。

三、待解深震之謎

對(duì)海洋巖石圈的淺震活動(dòng)分析表明：淺震僅發(fā)生在溫度≤700 ℃的環(huán)境下。實(shí)驗(yàn)研究顯示：隨著溫度和壓力增大，巖石的流變學(xué)強(qiáng)度會(huì)降低到只發(fā)生塑性流動(dòng)的程度，應(yīng)力作用的巖石失穩(wěn)由脆性破裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性蠕變。依據(jù)地球深度的溫度和壓力條件，正常的脆性破裂或滑動(dòng)在超過(guò) 60～100 km深度就變得極為困難，這正是20世紀(jì)20年代廣泛質(zhì)疑深源地震活動(dòng)存在的原因。然而，在幾乎不可能發(fā)生巖石脆性破裂的超過(guò)100 km地球深處，存在深震活動(dòng)是無(wú)可置疑的觀測(cè)事實(shí)，因而深震的成因機(jī)制與深震活動(dòng)為何會(huì)終止在約680 km深度處仍是待解之謎。

目前爭(zhēng)論較多的深震的可能成因機(jī)制可歸為三種：脫水脆裂、橄欖石相變引起的反裂隙斷層或相變斷層作用、熱剪切失穩(wěn)作用。越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)研究和巖石學(xué)、地震學(xué)觀測(cè)都傾向認(rèn)為：脫水脆裂可較好解釋中源地震成因，但已提出的各種可能機(jī)制在解釋深源地震成因時(shí)都存在各自不足，尚無(wú)單一的物理機(jī)制可解釋所有深度大于100 km或200 km深震活動(dòng)的地震學(xué)特征。研究表明：僅靠相變作用無(wú)法完全解釋深源地震震源區(qū)的各向異性，俯沖板片中的菱鎂礦或碳酸鹽巖熔融也可能會(huì)引起深源地震發(fā)生。由于深源地震的發(fā)震機(jī)制、破裂過(guò)程極其復(fù)雜且可能是動(dòng)態(tài)變化的，因此不同震源深度、不同俯沖帶和不同大小的深源地震發(fā)震機(jī)制也可能不同，甚至可能由多種機(jī)制共同作用所致。

根據(jù)不同俯沖帶的深源地震Gutenberg–Richter關(guān)系中的b值差異，提出深源地震的“雙機(jī)制”假設(shè)：深源地震在俯沖板片的亞穩(wěn)態(tài)橄欖巖楔形區(qū)（Metastable Olivine Wedge, MOW）內(nèi)部主要以相變斷層作用方式成核并開(kāi)始破裂，但破裂在突破MOW后以熱剪切熔融或熱逃逸的形式向外傳播；在較熱俯沖帶的薄MOW區(qū)內(nèi)，“雙機(jī)制”共同發(fā)生作用。精定位的深源地震結(jié)果表明：MOW確實(shí)存在于日本海及中國(guó)東北地區(qū)下方的俯沖板片內(nèi)，MOW厚度自約450 km深度處的50 km逐漸減薄至約580 km深度處的幾千米。汪清附近的大多數(shù)深震都發(fā)生在Jiang等給出的MOW內(nèi)或周邊區(qū)域，故認(rèn)為深源地震的“雙機(jī)制”假設(shè)可以較好解釋中國(guó)東北地區(qū)的Mw≤6.5深源地震成因，但僅有限臺(tái)站觀測(cè)資料約束的2002年汪清7.2級(jí)深震的物理成因仍有待探索研究。

500多千米深處發(fā)生的汪清7.2級(jí)深震，就像人的心臟跳動(dòng)一樣是地球內(nèi)部活躍的表征。深震活動(dòng)與板塊俯沖及其相伴生的體系密切相關(guān)，深震的發(fā)生為人們探測(cè)地球深部地核和地幔結(jié)構(gòu)提供了不可或缺的信息。近百年來(lái)的研究仍沒(méi)能給出令人完全信服、自洽的深源地震發(fā)震機(jī)制，深震之謎依然待解。

（來(lái)源：中國(guó)地震局網(wǎng)站）