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  大地测量与地球动力学  2018, Vol. 38 Issue (6): 639-645  DOI: 10.14075/j.jgg.2018.06.018

引用本文  

郭雨帆, 罗佳宏, 宫伟, 等. 日本-千岛海沟转折处地震层析成像研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2018, 38(6): 639-645.
GUO Yufan, LUO Jiahong, GONG Wei, et al. P-Wave Seismic Tomography of the Japan-Kuril Trench Transition Zone[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2018, 38(6): 639-645.

项目来源

中国地震局地震科技星火计划(XH16023);江西省地震局青年基金(JXDZ-KY-201701);江西省地震局新世纪优秀人才项目(JXDZ-YXRC20172)。

Foundation support

The Spark Program of Earthquake Technology of CEA, No.XH16023; Youth Fund of Jiangxi Earthquake Agency, No.JXDZ-KY-201701; Scentific Research Project for New Century Excellent Talents of Jiangxi Earthquake Agency, No.JXDZ-YXRC20172.

第一作者简介

郭雨帆,助理工程师,主要从事地震层析成像及构造解释研究,E-mail: guoyufan_ouc@126.com

About the first author

GUO Yufan, assistant engineer, majors in seismic tomography and tectonic explanation, E-mail: guoyufan_ouc@126.com.

文章历史

收稿日期:2017-01-22
日本-千岛海沟转折处地震层析成像研究
郭雨帆1,2     罗佳宏3     宫伟2     董非非1     汤兰荣1     查小惠1     
1. 江西省地震局,南昌市洪都北大道865号,330039;
2. 中国海洋大学海洋地球科学学院,青岛市松岭路238号,266100;
3. 中国地震局地质研究所,北京市华严里甲1号,100029
摘要:根据P波走时地震数据,使用双差层析成像方法,获得较高分辨率的日本-千岛海沟转折处俯冲带200 km深度内的震源重定位及P波速度结构结果。将日本-千岛海沟转折处俯冲带分为北日本海沟俯冲带及南千岛海沟俯冲带,且200 km深度内太平洋俯冲板块是连续的。最后,结合水深地形数据、断裂特征资料,划分日本-千岛海沟转折处俯冲带的断裂级别。
关键词日本-千岛海沟转折处地震层析成像断裂分级

日本-千岛海沟转折处俯冲带位于西北太平洋,包括北日本海沟俯冲带和南千岛海沟俯冲带,由“沟-弧-盆”体系构成(图 1)。东北北海道火山的火山爆发指数(voclanic explosivity index,VEI)≤3,而南北海道火山曾在1640~1739年发生4次VEI=5的喷发,是日本火山喷发最强烈的地区[1]。该地区地震活动频繁,北海道之下的震源深度可达300 km [2]

图 1 研究区地形、测线位置及断裂平面展布图 Fig. 1 The distribution map of regional bathymetric topography, line location and fractures OKR为Okushuri洋脊, EJSF为东日本海断裂, TF为Tartary断裂, TTF为Tartary-Tanakura断裂, HTL为Hatagawa构造线, TIF为Tartary-Ishikari断裂, CHSF为中央萨哈林-北海道断裂, AF为Abashiri断裂, KBB2为千岛盆地南边界, R3~R8为北海道断裂, R1~R2、R9~R10为逆断层[8-16], 红色三角形为火山, 红线为本文测线, 黑线为前人测线

晚元古代(750~600 Ma BP)扬子克拉通发生大陆裂陷作用导致古日本诞生,之后西南日本因太平洋超级地幔柱的裂陷作用而逐渐形成被动大陆边缘[3-5]。古生代(540~250 Ma BP)扬子克拉通从被动大陆边缘转变为主动大陆边缘(500 Ma BP)。中生代(250~65 Ma BP)中-朝板块和扬子板块碰撞(250~210 Ma BP),鄂霍次克板块形成(90 Ma BP),古千岛之下开始发生俯冲作用而逐渐形成火山弧(90 Ma BP)。新生代(65~0 Ma BP)古伊豆-博宁弧形成(40 Ma BP),千岛、日本等边缘海盆地发育(30~15 Ma BP),日本海的扩张使得日本分离成为岛弧(28~15 Ma BP)[6]

前人应用地震层析成像技术对该区域进行了一些研究。刘鑫[2]应用台网外层析成像法反演得到日本海沟俯冲带三维地震波衰减结构、南千岛海沟俯冲带三维地震波速度结构及P波各向异性参数。Miler等[7]通过反演北海道转角处的三维P波、S波速度结构,认为北海道岛之下太平洋俯冲板块是连续且弯曲的。但目前缺乏应用地震层析成像对日本-千岛海沟转折处俯冲带分带及分析断裂特征的研究。本文利用P波走时数据对日本-千岛海沟转折处俯冲带进行震源重定位和速度结构反演,结合前人分带和断裂特征资料,对研究区俯冲带进行分带,并划分断裂级别,为全面、深入理解西北太平洋俯冲带结构和构造特征提供地震层析成像依据和研究成果。

1 数据和方法 1.1 数据

P波走时目录数据来自国际地震中心(International Seismological Centre,ISC),它经过了EHB方法校正[17],数据详情见表 1图 2。需要说明的是,设置反演网格的时候设置了一个包含整个研究区在内的边界,因此反演过程中图 2所示网格范围外的地震事件以及台站也有使用。

表 1 日本-千岛海沟转折处俯冲带数据具体情况统计 Tab. 1 Statistics of detailed data of the Japan-Kuril trench subduction zone

图 2 研究区地震台站、震源、网格及射线分布图 Fig. 2 The distribution map of regional seismic stations, hypocenters, grids and seismic rays 黑点为地震事件, 红色三角形为火山, 蓝色正方形为地震台站, 十字形为反演设置的网格点
1.2 初始速度模型

初始模型的建立参考了IASP91模型(源于地震合作研究所,Incorporated Research Institutions for Seismology,IRIS)。该模型认为上地壳厚度为20 km,P波速度为5.8 km/s;下地壳厚度为15 km,P波速度为6.5 km/s。因此,康拉德面深度为20 km,莫霍面深度则为35 km。在俯冲地区引入太平洋俯冲板块岩石圈的上下界面,并设置太平洋俯冲板块岩石圈内的初始P波速度比相同深度处的壳幔高4%[18-19]。引入高速异常体之后能有效减小走时残差均方根。

1.3 反演方法和分辨率分析

使用Zhang[20]基于双差定位方法研发的层析成像反演软件TomoDD,其能够同时解决定位和速度结构联合反演问题。正演计算采用伪弯曲算法[21],反演计算采用最小二乘正交分解法[22]

根据研究区地形地貌、海沟形态、震源和台站位置等特点,设置反演网格(表 2)。

表 2 日本-千岛海沟俯冲带网格设置参数 Tab. 2 Inverse grid parameters of the Japan-Kuril trench subduction zone

分辨率分析采用射线密度法(图 2)和偏微分加权数法(derivative weight sum,DWS)[23-24],射线密度越大,分辨率和可信度越高,一般情况下DWS≥100时分辨率好[25]。这两种方法结果均表明,反演得到的速度结果分辨率和可信度较高,且海沟以西、80 km深度范围内的反演结果质量最佳。

2 结果及其初步解释

经多次震源重定位及速度反演迭代,研究区的P波走时残差均方根大幅下降(表 3),将第16次反演迭代结果作为最终结果。据美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)提供的0~700 km太平洋板块俯冲深度等深图、反演得到的震源重定位及P波速度结构结果、前人研究成果[2]等,确定太平洋俯冲板块上下界面,最终得到图 3,并进行如下讨论。

表 3 最终次反演迭代后的P波走时残差均方根值 Tab. 3 Residual root mean square values of P-wave travel time after the final iteration inversion

1) 俯冲倾角。由于本文测线近垂直于海沟走向,太平洋板块俯冲方向也近垂直于海沟走向,又由于图 3中横纵向比例尺为1 :1,所以根据图 3中太平洋板块的俯冲形态,可以测出太平洋板块的视俯冲倾角,其变化范围为18°~34°。太平洋板块初始俯冲倾角较平缓,至火山弧之下变陡。由南至北不同测线的平均视俯冲倾角依次为:18°(t1剖面)、21°(t2剖面)、19°(t3剖面)、19°(t4剖面)、19°(t5剖面)、20°(t6剖面)、21°(t7剖面)、20°(t8剖面)、28°(t9剖面)、30°(t10剖面)、24°(t11剖面)、30°(t12剖面)、31°(t13剖面)、31°(t14剖面)、28°(t15剖面)、29°(t16剖面)、31°(t17剖面)、33°(t18剖面)、31°(t19剖面)、33°(t20剖面)、34°(t21剖面)。整体呈现小(t1~t8剖面)-大(t9~t21剖面)的变化趋势,分别对应北日本海沟俯冲带、南千岛海沟俯冲带。

图 3 日本-千岛海沟转折处俯冲带不同位置处P波速度层析成像剖面图 Fig. 3 P-wave velocity tomography profiles of different positions in the Japan-Kuril trench subduction zone 倒三角形为海沟, 黑色特粗线为陆地, 黑色粗实线为太平洋俯冲板块上界面, 黑色粗虚线为太平洋俯冲板块下界面, 黑色细虚线为DWS=100等值线, 其他部分同图 1

2) 地震分布。某些测线剖面中(如t11剖面)可观察到双地震带。

3) 高速异常体。高速异常体成片、较连续地分布在俯冲板块之内,能够较好地反映太平洋板块的俯冲形态和位置。t22~t36剖面中,高速异常体对应的太平洋俯冲板块在剖面西部-中部弯曲上拱,而在剖面东部弯曲下凹,这与海沟转折处复杂的应力环境有关。

4) 低速异常体。t22~t37剖面中,上覆板块地壳中的低速异常体水平展布,连续性好。由低速异常体形态及位置推测,研究区地壳发生局部熔融,如t5剖面。t7、t8剖面中,在约50 km深度处,低速异常体碎片落在了太平洋俯冲板块上界面,通过观察其上方低速异常体的形态,推断该低速异常体对应的地质体很可能与上方大片的地壳曾经是一个整体,后由于某种原因向下脱落[26]

5) 与前人地震层析成像剖面对比分析。如图 4,本文的t7、t28测线剖面的俯冲倾角、地震分布、高速异常体和低速异常体的位置及形态、太平洋俯冲板块上下界面位置及形态与前人研究结果(c1、c2测线剖面)基本吻合,表明本文反演结果可信。与前人相比,本文反演结果的细节更多(如能看出局部地壳脱落到太平洋俯冲板块上界面),因此能够更好地反映研究区的结构和构造特征。

图 4 本文与前人反演剖面对比图 Fig. 4 The comparison between this paper and previous study 黑色细线分别为康拉德面、莫霍面,c1、c2测线剖面据文献[2]修改,其他部分同图 3

6) 断裂几何学特征。地形的变化能指示断层、火山等地质活动。双差层析成像能对断层、火山等构造单元附近的地震进行精确定位并进行速度反演,反过来,反演得到的震源位置及速度结构能够指示断层、火山的特征。一般地,在海拔骤降、地震发生、P波速度变化的地方发育断裂。如图 5,由前人断裂资料可确定各测线剖面上各断裂的位置、倾向、性质,在此基础上,根据地形、震源重定位及速度反演结果,对研究区内各剖面上断裂的几何学特征进行精细刻画(重点确定各断裂的倾角、切割深度),最终得到典型测线的断裂剖面图(图 6)。

图 5 断裂解释过程示意图 Fig. 5 Schematic diagram of fracture interpretation process

图 6 日本-千岛海沟转折处俯冲带不同位置断裂剖面图 Fig. 6 Fracture profiles of different positionsin the Japan-Kuril trench subduction zone

P波速度为7 km/s的等值线能一定程度上指示莫霍面[20]。据图 6,地形与Vp=7 km/s的等值线深度大致呈“镜面对称”的关系,具体表现在:在火山弧(日本北海道岛弧和千岛岛弧)及弧前(如增生楔),海拔较高,Vp=7 km/s的等值线深度较大;在海沟(日本海沟和千岛海沟)附近,水深达全区最大,Vp=7 km/s的等值线深度减小。

研究区内发育具有右旋走滑性质的Tartary-Ishikari断裂(TIF)、中央萨哈林-北海道断裂(CHSF)、Abashiri断裂(AF)、北海道断裂(R3~R8)以及逆断层(如R1~R2、R9~R10)。断裂呈NNW或N走向,倾向NEE或E,中等-较大倾角,纵向延伸距离变化大,发育深度可至莫霍面或太平洋俯冲板块上边界,平面形态为弯曲形,剖面形态为铲状,断裂性质为逆断型,大型断裂还具有右旋走滑的性质(如TIF、CHSF、AF)。

该地区最引人注目的是TIF、CHSF、AF及R3~R8断裂组合成的断层组合样式,它们呈阶梯状分布,均向东逆冲,从西向东倾角增大、上盘上升,在地壳的底部可能发育滑脱层,与上覆断裂相连,特殊的断裂组合与研究区内特殊的应力挤压状态有关:既受到东南部太平洋板块NW向俯冲汇聚作用,又受到东北部千岛弧前碎片带SW向挤压碰撞作用。

3 讨论 3.1 俯冲带分带

前人对海沟转折处俯冲带分带及不同带之间是否存在撕裂等问题早有探讨[27-29],但就分带数量、边界线位置、撕裂等问题上存在诸多争议。

本次研究结果表明,一方面,北日本海沟俯冲带及南千岛海沟俯冲带在板块俯冲倾角、地震分布、高速异常体、低速异常体等方面存在差异,据此对研究区进行分带(图 7);另一方面,200 km深度范围内日本-千岛海沟转折处俯冲带之下不存在撕裂,为韧性变形的边界,能够看到明显的挤压变形导致的太平洋俯冲板块弯曲上拱和下凹现象(图 3)。

图 7 日本-千岛海沟转折处俯冲带分带平面图 Fig. 7 Division map of the Japan-Kuril trench subduction zone

对北日本海沟俯冲带和南千岛海沟俯冲带的特征进行整理归纳,结果见表 4

表 4 北日本海沟俯冲带和南千岛海沟俯冲带特征对比 Tab. 4 Feature comparison between the north of the Japan trench subduction zone and the south of the Kuril trench subduction zone
3.2 断裂级别划分

日本海沟和千岛海沟控制了西北太平洋边缘俯冲带生长演化等重要过程,而断裂活动是海沟俯冲带内强烈应力作用的主要表现形式之一,研究区内长期而复杂的构造演化导致不同分布范围、规模、形态、性质断裂的发育。对断裂级别进行划分有助于更好地理解研究区的构造特征。

断裂分级主要考虑两个原则:断裂的空间范围(平面延伸长度及切割深度)及其贯穿构造单元的范围(即具体贯穿的构造单元个数);断裂对构造单元发育演化的贡献大小。综合考虑分级原则,对日本-千岛海沟转折处俯冲带进行断裂分级(图 8)。

图 8 日本-千岛海沟转折处俯冲带断裂分级平面图(注释部分同图 1) Fig. 8 Fracture classification map of the Japan-Kuril trench subduction zone

一级断裂包括:Tartary断裂(TF)、Tartary-Tanakura断裂(TTF)、Tartary-Ishikari断裂(TIF)、东日本海断裂(EJSF)、中央萨哈林-北海道断裂(CHSF)、Abashiri断裂(AF)、千岛盆地南部边界(KBB2)。它们的空间延伸长度大,贯穿多个构造单元,是大型构造单元的边界。EJSF、TF、TTF共同构成了欧亚板块与鄂霍次克板块(北美板块)的边界;TIF、CHSF、AF组成的右旋走滑剪切带是控制其西侧日本盆地及东侧千岛盆地发育的重要边界;KBB2是鄂霍次克海的南边界。

二级断裂包括:Hatagawa构造线(HTL)、北海道断裂(R3~R8断裂)。它们空间延伸长度中等或较大,贯穿整个构造单元,是构造单元内部次级单元的重要边界。HTL将日本本州岛分为中部日本和东北日本;R3~R8断裂是中央北海道-萨哈林岛剪切带的组成部分,也是日高山脉等北海道山系的边界。

三级及以上断裂包括逆断性质的R1~R2断裂、R9~R10断裂。它们空间延伸长度小,产状、性质多样化,对局部小构造起控制和调节作用。

4 结语

本文获得了日本-千岛海沟转折处俯冲带之下200 km深度范围内的震源重定位及P波速度结构图件结果,并将日本-千岛海沟转折处俯冲带划分为北日本海沟俯冲带及南千岛海沟俯冲带。虽然北日本海沟俯冲带和南千岛海沟俯冲带在海沟走向、太平洋板块俯冲倾角、地震分布、速度异常体等方面存在差异,但两者之下200 km深度范围内的太平洋俯冲板块是连续的,且在日本海沟俯冲带之下弯曲上拱,在千岛海沟俯冲带之下弯曲下凹。

通过整合前人及本文的研究成果,综合分析断裂的走向、倾向、倾角、性质、平面展布长度、切割深度及对相关构造单元的控制作用等特征,制定统一的划分标准,将研究区内的断裂带大致分为三级。一级断裂包括Tartary断裂(TF)、Tartary-Tanakura断裂(TTF)、Tartary-Ishikari断裂(TIF)、东日本海断裂(EJSF)、中央萨哈林-北海道断裂(CHSF)、Abashiri断裂(AF)、千岛盆地南部边界(KBB2);二级断裂包括Hatagawa构造线(HTL)、北海道断裂(R3~R8断裂);三级及以上断裂包括:逆断性质的R1~R2断裂、R9~R10断裂。

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P-Wave Seismic Tomography of the Japan-Kuril Trench Transition Zone
GUO Yufan1,2     LUO Jiahong3     GONG Wei2     DONG Feifei1     TANG Lanrong1     ZHA Xiaohui1     
1. Jiangxi Earthquake Agency, 865 North-Hongdu Road, Nanchang 330039, China;
2. College of Marine Geo-Sciences, Ocean University of China, 238 Songling Road, Qingdao 266100, China;
3. Institute of Geology, CEA, A1 Huayanli, Beijing 100029, China
Abstract: Using the P-wave travel time of seismic data processed by the double difference tomography method, we obtain hypocenter relocation results and P-wave velocity structure within the range of 0~200 km beneath the Japan-Kuril trench subduction zone. This divides the Japan-Kuril trench subduction zone into the north of the Japan trench subduction zone and the south of the Kuril trench subduction zone. The Pacific plate is continuous within the depth of 200 km. Combining bathymetric with fracture feature data, we identify the fracture classification of the Japan-Kuril trench subduction zone.
Key words: Japan-Kuril trench transition zone; seismic tomography; fracture classification
图 1 研究区地形、测线位置及断裂平面展布图 Fig. 1 The distribution map of regional bathymetric topography, line location and fractures OKR为Okushuri洋脊, EJSF为东日本海断裂, TF为Tartary断裂, TTF为Tartary-Tanakura断裂, HTL为Hatagawa构造线, TIF为Tartary-Ishikari断裂, CHSF为中央萨哈林-北海道断裂, AF为Abashiri断裂, KBB2为千岛盆地南边界, R3~R8为北海道断裂, R1~R2、R9~R10为逆断层[8-16], 红色三角形为火山, 红线为本文测线, 黑线为前人测线
表 1 日本-千岛海沟转折处俯冲带数据具体情况统计 Tab. 1 Statistics of detailed data of the Japan-Kuril trench subduction zone
图 2 研究区地震台站、震源、网格及射线分布图 Fig. 2 The distribution map of regional seismic stations, hypocenters, grids and seismic rays 黑点为地震事件, 红色三角形为火山, 蓝色正方形为地震台站, 十字形为反演设置的网格点
表 2 日本-千岛海沟俯冲带网格设置参数 Tab. 2 Inverse grid parameters of the Japan-Kuril trench subduction zone
表 3 最终次反演迭代后的P波走时残差均方根值 Tab. 3 Residual root mean square values of P-wave travel time after the final iteration inversion
图 3 日本-千岛海沟转折处俯冲带不同位置处P波速度层析成像剖面图 Fig. 3 P-wave velocity tomography profiles of different positions in the Japan-Kuril trench subduction zone 倒三角形为海沟, 黑色特粗线为陆地, 黑色粗实线为太平洋俯冲板块上界面, 黑色粗虚线为太平洋俯冲板块下界面, 黑色细虚线为DWS=100等值线, 其他部分同图 1
图 4 本文与前人反演剖面对比图 Fig. 4 The comparison between this paper and previous study 黑色细线分别为康拉德面、莫霍面,c1、c2测线剖面据文献[2]修改,其他部分同图 3
图 5 断裂解释过程示意图 Fig. 5 Schematic diagram of fracture interpretation process
图 6 日本-千岛海沟转折处俯冲带不同位置断裂剖面图 Fig. 6 Fracture profiles of different positionsin the Japan-Kuril trench subduction zone
图 7 日本-千岛海沟转折处俯冲带分带平面图 Fig. 7 Division map of the Japan-Kuril trench subduction zone
表 4 北日本海沟俯冲带和南千岛海沟俯冲带特征对比 Tab. 4 Feature comparison between the north of the Japan trench subduction zone and the south of the Kuril trench subduction zone
图 8 日本-千岛海沟转折处俯冲带断裂分级平面图(注释部分同图 1) Fig. 8 Fracture classification map of the Japan-Kuril trench subduction zone
日本-千岛海沟转折处地震层析成像研究
郭雨帆     罗佳宏     宫伟     董非非     汤兰荣     查小惠