神秘水世界：新西蘭深處的“地下海洋”揭示慢滑地震謎團(tuán)

慢滑地震（slow slip earthquake）是一種地震現(xiàn)象，與傳統(tǒng)地震不同，它的釋能速度較慢，通常在數(shù)天或數(shù)周內(nèi)逐漸發(fā)生。這類(lèi)地震的能量釋放不會(huì)導(dǎo)致劇烈的地震震感或破壞，而是以一種相對(duì)平穩(wěn)的方式釋放構(gòu)造板塊之間的緊張應(yīng)力。慢滑地震通常發(fā)生在地殼板塊邊界附近，是一種與地殼運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造活動(dòng)密切相關(guān)的現(xiàn)象。雖然它們通常不會(huì)造成顯著破壞，但研究慢滑地震對(duì)于理解地震活動(dòng)和地殼運(yùn)動(dòng)的機(jī)制具有重要意義。

近日，小編在國(guó)慶期間讀到一篇最新的研究。希庫(kù)蘭吉地震斷層（Hikurangi earthquake fault），位于新西蘭北島的海底地殼下方，是一個(gè)備受?chē)?guó)際學(xué)界關(guān)注的地震斷層。在希庫(kù)蘭吉海岸的三維地震成像和海洋鉆探揭示了一個(gè)廣泛的、以前未知的流體儲(chǔ)庫(kù)，位于俯沖的希庫(kù)蘭吉高大型火成省富含水分（含水量最多達(dá)47%）的火山性上地殼中。希庫(kù)蘭吉地震斷層的研究對(duì)于理解地震活動(dòng)、構(gòu)造板塊之間的相互作用以及地殼運(yùn)動(dòng)具有重要意義。水可能與慢滑地震的發(fā)生機(jī)制密切相關(guān)。這篇研究顯示，在這個(gè)斷層下面埋藏著巨量的水——相當(dāng)于一個(gè)海洋那么大的水量，該研究是對(duì)于新西蘭的慢滑地震的一個(gè)可能的較為科學(xué)的解釋。編譯分享如下，供讀者參考。

2023年10月4日，研究人員在圖像化新西蘭的希庫(kù)蘭吉地震斷層時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)相當(dāng)于海洋的水埋藏在地殼深處。這些水是由侵蝕火山巖帶下來(lái)的，據(jù)信它們減緩了地震斷層的活動(dòng)，使其通過(guò)無(wú)害的慢滑地震釋放了大部分積壓的構(gòu)造應(yīng)力。

這個(gè)地震斷層以產(chǎn)生緩慢運(yùn)動(dòng)的地震事件，即所謂的**“慢滑事件”而聞名。這些地震可以在幾天甚至幾周內(nèi)無(wú)害地釋放積壓的構(gòu)造壓力**?？茖W(xué)家們想知道，為什么它們?cè)谝恍鄬由媳绕渌胤礁l繁地發(fā)生？

許多慢滑地震被認(rèn)為與埋藏的水有關(guān)。然而，直到現(xiàn)在，還沒(méi)有直接的地質(zhì)證據(jù)表明這種大規(guī)模的水庫(kù)存在于這個(gè)特定的新西蘭斷層上。

該研究的首席作者、前德克薩斯大學(xué)地球物理研究所博士后研究員安德魯·蓋斯（Andrew Gase）說(shuō)：“我們還不能深入到足夠了解對(duì)地震斷層的影響，但我們可以看到，流向這里的水量實(shí)際上比正常情況要多得多。”

這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，是基于德克薩斯大學(xué)地球物理研究所（UTIG）研究人員進(jìn)行的地震巡航和科學(xué)海洋鉆探的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

上圖：來(lái)自NZ3D反射和速度體積的地震剖面，顯示了推覆板中的火山特征和斷層。（A）P波速度模型和包含希庫(kù)蘭吉高原和積聚楔形體的PSDM反射圖像，位于縱向400。黃線(xiàn)與白色圓圈表示火山基底的頂部[HKB/VB (29, 49)]。品紅線(xiàn)是浮游單元的頂部。紅色實(shí)線(xiàn)突出顯示巨型逆沖斷層，紅色虛線(xiàn)突出顯示剪切斷層，分隔了楔形體中的聚集推覆板（標(biāo)有F1、F2、Pāpaku和F4）。在俯沖的火山上地殼中存在低速區(qū)（LVZ），距離變形前緣超過(guò)15千米。上地殼內(nèi)反射（ICRs）被解釋為上地殼內(nèi)的噴發(fā)流和底巖。（B）來(lái)自橫向391的放大面板，顯示了穿越VR1火山錐底下的ICRs的碟狀底巖。VR1的底部由點(diǎn)狀紅線(xiàn)標(biāo)出。底巖尖端標(biāo)有紅色三角形。VA，火山碎屑臺(tái)地。（C）（A）中VR2的放大面板。年輕火山錐（VR2b和VR2c）和老火山錐（VR2a）的底部由紅色點(diǎn)狀線(xiàn)標(biāo)出。垂直夸大比為2:1。圖片來(lái)源：Andrew C. Gase等人

蓋斯現(xiàn)在是西華盛頓大學(xué)的博士后研究員，他呼吁進(jìn)行更深層次的鉆探，以找到水的最終去向，從而使研究人員能夠確定它是否會(huì)影響到地震斷層周?chē)膲毫?，這將有助于更精確地了解大地震。

研究人員**發(fā)現(xiàn)水的地點(diǎn)，是一個(gè)龐大的火山高原的一部分，這個(gè)高原在1.25億年前太平洋上的地殼表面冒出一個(gè)熔巖柱形成，其大小相當(dāng)于今天美國(guó)的面積。**這次事件是地球已知的最大火山噴發(fā)之一，持續(xù)了幾百萬(wàn)年。

蓋斯使用地震掃描建立了一個(gè)古老火山高原的三維圖像，在其中他看到了包圍埋藏火山的厚厚的分層沉積物。他的UTIG合作者對(duì)火山巖的巖心樣本進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)水幾乎占了它體積的一半。

他說(shuō)：“正常的海洋地殼，一旦年齡達(dá)到大約7000萬(wàn)~1億年，其含水量應(yīng)該要少得多。”盡管在地震掃描中的海洋地殼年齡是其壽命的10倍，但它仍然保持得較濕潤(rùn)。

蓋斯猜測(cè)，火山噴發(fā)發(fā)生的淺海侵蝕了一些火山，使它們變成了多孔、碎裂的巖石，像蓄水層一樣存儲(chǔ)了水，隨著埋藏，巖石和巖石碎片轉(zhuǎn)化為粘土，封鎖了更多的水。

上圖：超疊加的NZ3D速度和反射體積的三維視圖。
該視角朝向南南東，朝向俯沖的希庫(kù)蘭吉高原，相對(duì)于俯沖方向向上傾斜。變形前緣由帶刺的實(shí)線(xiàn)紅線(xiàn)標(biāo)示。(A)在海底剖面。紅色的實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)分別是解張斷層和主要逆沖斷層?；鹕交椎捻敳渴菍?shí)線(xiàn)的黃色線(xiàn)。(B)在火山基底的頂部剖面。標(biāo)注顯示了火山區(qū)域(VR1和VR2)、低速區(qū)(LVZ1和LVZ2)、高速區(qū)(HVZ)和地殼內(nèi)反射器(ICRs)的位置。垂直夸大比為2:1。圖片來(lái)源：Andrew C. Gase等人

這一發(fā)現(xiàn)很重要，因?yàn)榭茖W(xué)家認(rèn)為，**地下水壓力可能是釋放構(gòu)造應(yīng)力的關(guān)鍵因素，通過(guò)慢滑地震以無(wú)害的方式釋放構(gòu)造應(yīng)力。**通常情況下，當(dāng)富含水的沉積物與斷層一起埋藏時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況，將水困在地下。然而，新西蘭的這個(gè)斷層幾乎沒(méi)有這種典型的海洋沉積物。相反，研究人員認(rèn)為，這些古老的火山和轉(zhuǎn)化后的巖石——現(xiàn)在是粘土——隨著被斷層吞噬而運(yùn)送大量的水。

UTIG主任Demian Saffer是一位研究的合著者和科學(xué)鉆探任務(wù)的聯(lián)合首席科學(xué)家，他表示，這些發(fā)現(xiàn)表明，全球其他地震斷層可能也面臨類(lèi)似的情況。

他說(shuō)：“這清楚地說(shuō)明了流體與構(gòu)造斷層運(yùn)動(dòng)風(fēng)格之間的相關(guān)性，包括地震行為?！彼f(shuō)：“這是我們從實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中提出的假設(shè)，也是一些計(jì)算機(jī)模擬所預(yù)測(cè)的，但在構(gòu)造板塊尺度上進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn)的明確領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)非常少?！?/p>

據(jù)介紹，這項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)以及新西蘭、日本和英國(guó)的科學(xué)與研究機(jī)構(gòu)的資助。

參考文獻(xiàn)：

1. Andrew C. Gase, Nathan L. Bangs, Demian M. Saffer, Shuoshuo Han, Peter K. Miller, Rebecca E. Bell, Ryuta Arai, Stuart A. Henrys, Shuichi Kodaira, Richard Davy, Laura Frahm, Daniel H. N. Barker. Subducting volcaniclastic-rich upper crust supplies fluids for shallow megathrust and slow slip. Science Advances, 2023; 9 (33) DOI: 10.1126/sciadv.adh0150

2. University of Texas at Austin. "Discovery of massive undersea water reservoir could explain New Zealand's mysterious slow earthquakes." ScienceDaily. ScienceDaily, 4 October 2023. <www.sciencedaily.com/releases/2023/10/231004105221.htm>.

3. Aretusini, S., Meneghini, F., Spagnuolo, E. et al. Fluid pressurisation and earthquake propagation in the Hikurangi subduction zone. Nat Commun 12, 2481 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22805-w

4. https://ig.utexas.edu/marine-and-tectonics/hikurangi/

5. GNS Science提供的關(guān)于新西蘭最大斷層帶的短視頻：https://www.gns.cri.nz/

編譯：Wendy

審核：綠茵

編輯：Tommy