西北太平洋俯沖帶斷裂幾何學(xué)特征

郭雨帆， 宮 偉， 羅佳宏， 湯蘭榮， 董非非， 查小惠

(1. 江西省地震局，南昌 330039；2. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100；3. 中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

西北太平洋俯沖帶斷裂幾何學(xué)特征

郭雨帆1,2， 宮 偉2， 羅佳宏3， 湯蘭榮1， 董非非1， 查小惠1

(1. 江西省地震局，南昌 330039；2. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100；3. 中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

根據(jù)P波走時地震數(shù)據(jù)，使用雙差層析成像方法，獲得了西北太平洋俯沖帶70 km深度內(nèi)的震源重定位及P波速度結(jié)構(gòu)圖件結(jié)果；并結(jié)合水深地形數(shù)據(jù)、斷裂特征資料，繪制了西北太平洋俯沖帶70 km深度內(nèi)的斷裂幾何學(xué)剖面圖件；劃分了西北太平洋俯沖帶的斷裂級別，一級斷裂包括：Itoigawa-Shizuoka構(gòu)造線(ISTL)、Tartary斷裂(TF)、Tartary-Tanakura斷裂(TTF)、Tartary-Ishikari斷裂(TIF)、東日本海斷裂(EJSF)、中央薩哈林—北海道斷裂(CHSF)、Abashiri斷裂(AF)、千島盆地南部邊界(KBB2)、西鄂霍次克斷裂(WOF)、東鄂霍次克斷裂(EOF)；二級斷裂包括：中央構(gòu)造帶(MTL)、Hatagawa構(gòu)造線(HTL)、日本盆地邊界(JBB1、JBB2)、北海道斷裂(R8斷裂、R9斷裂、R10斷裂、R11斷裂、R12斷裂、R13斷裂)、千島盆地北邊界(KBB1)、東薩哈林斷裂(ESF)、鄂霍次克海斷裂(S1斷裂、S2斷裂、S3斷裂)、堪察加半島斷裂(Ka1斷裂、Ka2斷裂、Ka3斷裂、Ka4斷裂)；三級及以上斷裂數(shù)量較多，如逆斷性質(zhì)的R1～R7斷裂、R14～R25斷裂以及正斷性質(zhì)的N1～N4斷裂。

日本海溝；千島-堪察加海溝；地震層析成像；斷裂幾何學(xué)特征；斷裂分級

0 引言

西北太平洋處于4個板塊交界之處，北為北美板塊(鄂霍次克板塊)，西為歐亞板塊，西南為菲律賓海板塊，東南為太平洋板塊(圖1)。其中，北美板塊和歐亞板塊為大陸板塊，菲律賓海板塊和太平洋板塊為大洋板塊，兩個洋塊向兩個陸塊俯沖匯聚[1]，板塊邊界地震、火山活動活躍，主要包括日本海溝俯沖帶和千島—堪察加海溝俯沖帶，具典型的“溝-弧-盆”體系。研究西北太平洋俯沖帶斷裂幾何學(xué)特征有助于我們深入理解研究區(qū)構(gòu)造特征，有助于進一步豐富及細化研究區(qū)板塊構(gòu)造理論，能為未來預(yù)測評估“俯沖工廠”產(chǎn)生的礦產(chǎn)等資源及預(yù)測易發(fā)震區(qū)帶、研究火山作用提供科學(xué)依據(jù)。

晚元古代(750～600 Ma)，揚子克拉通發(fā)生大陸裂陷作用導(dǎo)致古日本誕生，之后西南日本因太平洋超級地幔柱的裂陷作用而逐漸形成被動大陸邊緣[2-4]；古生代(540～250 Ma)，揚子克拉通從被動大陸邊緣轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃哟箨戇吘?500 Ma)；中生代(250～65 Ma)，中-朝板塊和揚子板塊碰撞(250～210 Ma)，鄂霍次克板塊形成(90 Ma)，古千島之下開始發(fā)生俯沖作用而逐漸形成火山弧(90 Ma)；新生代(65～0 Ma)，古伊豆—博寧弧和菲律賓海板塊形成(40 Ma)，千島、日本等邊緣海盆地發(fā)育(30～15 Ma)，日本海的擴張使得日本分離成為島弧(28～15 Ma)[5]。太平洋板塊的俯沖作用對西北太平洋地區(qū)的地形地貌、構(gòu)造活動、沉積作用、氣候環(huán)境、生物樣貌等多方面產(chǎn)生了巨大影響。

前人應(yīng)用多種技術(shù)手段對研究區(qū)斷裂特征進行了研究。Xu等根據(jù)盆地幾何學(xué)特征對西北太平洋邊緣海盆地板塊構(gòu)造運動進行了重建，研究了構(gòu)造演化特征[6]；Kagohara等基于地震反射數(shù)據(jù)研究了日本本州島Yokote盆地斷裂幾何學(xué)特征及其構(gòu)造演化特征[7]；劉鑫將地震層析成像反演得出的北海道島附近40 km深度范圍內(nèi)的P波及S波速度平面圖與北斷裂平面圖進行對比，發(fā)現(xiàn)它們關(guān)聯(lián)性好[8]；Konstantinovskaia研究了堪察加半島新生代時期弧-陸碰撞及俯沖反轉(zhuǎn)等問題[9]。前人對西北太平洋俯沖帶斷裂特征研究工作不夠系統(tǒng)、全面，雖意識到地震層析成像反演結(jié)果與斷裂特征有聯(lián)系，

注：紅色粗線為大研究區(qū)；黃線為板塊邊界；紅色細線為測線；紅色三角形為火山；水深地形數(shù)據(jù)源于美國國家海洋和大氣管理局(National Ocean and Atmospheric Administration，簡稱NOAA)；MTL為中央構(gòu)造帶；ISTL為Itoigawa-Shizuoka構(gòu)造線；JBB1、JBB2為日本盆地北、南邊界；EJSF為東日本海斷裂；TF為Tartary斷裂；TTF為Tartary-Tanakura斷裂；HTL為Hatagawa構(gòu)造線；TIF為Tartary-Ishikari斷裂；CHSF為中央薩哈林-北海道斷裂；AF為Abashiri斷裂；R8～R13為北海道斷裂；KBB1、KBB2分別為千島盆地北、南邊界；WOF、EOF分別為西、東鄂霍次克斷裂；ESF為東薩哈林斷裂；S1～S3為鄂霍次克海斷裂；Ka1～Ka4為堪察加半島斷裂；R1～R7、R14～R25為小型逆斷層；N1～N4為小型正斷層圖1 區(qū)域水深地形、測線位置及斷裂平面展布圖

但尚未利用震源重定位及速度反演結(jié)果指導(dǎo)斷裂研究。本文利用P波走時數(shù)據(jù)對西北太平洋俯沖帶進行震源重定位和速度結(jié)構(gòu)反演，結(jié)合水深地形數(shù)據(jù)、前人斷裂特征資料，繪制研究區(qū)70 km深度內(nèi)的斷裂幾何學(xué)剖面圖件，劃分了斷裂級別，為全面深入理解西北太平洋俯沖帶特征提供地震層析成像及斷裂幾何學(xué)研究成果。

1 數(shù)據(jù)和方法

本文使用的TomoDD軟件，是張海江教授等基于雙差定位方法研發(fā)的層析成像反演軟件，能夠同時解決定位和速度結(jié)構(gòu)聯(lián)合反演問題[10]。正演計算采用的是偽彎曲算法[11]，反演計算則采用了最小二乘正交分解法[12]。

P波走時目錄數(shù)據(jù)源于國際地震中心(International Seismological Centre，簡稱ISC)，經(jīng)過EHB方法校正[13]，包括日本海溝俯沖帶、千島—堪察加海溝俯沖帶、海溝轉(zhuǎn)折處俯沖帶3個研究區(qū)。為了提高反演結(jié)果可靠性，下載數(shù)據(jù)和設(shè)置網(wǎng)格時將深度延伸至200 km，最終取0～70 km深度內(nèi)的速度反演結(jié)果進行分析和討論(表1～2)。

表1 西北太平洋俯沖帶數(shù)據(jù)具體情況統(tǒng)計表

表2 西北太平洋俯沖帶反演網(wǎng)格參數(shù)表

2 結(jié)果及其初步解釋

經(jīng)多次震源重定位及速度反演迭代，3個研究區(qū)的P波走時殘差均方根大幅度下降(表3)，將最后一次反演迭代結(jié)果作為最終結(jié)果。

表3 最終次反演迭代后的P波走時殘差均方根值

總結(jié)前人斷裂研究成果[9,14-25](表4)，發(fā)現(xiàn)前人對斷裂的走向、傾向、性質(zhì)等要素研究程度較高，而對傾角、深度等斷裂要素研究尚缺乏。

表4 西北太平洋俯沖帶前人資料斷裂要素總結(jié)表

地形的變化能指示斷層、火山等地質(zhì)活動。雙差層析成像能對斷層、火山等構(gòu)造單元附近的地震進行精確定位并進行速度反演；反過來，反演得到的震源位置及速度結(jié)構(gòu)能夠指示斷層、火山的特征。一般地，在海拔驟降、地震發(fā)生、P波速度變化的地方發(fā)育斷裂。由前人斷裂資料(圖2)，可確定各測線剖面上各斷裂的位置、傾向、性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)地形、震源重定位及速度反演結(jié)果，對研究區(qū)內(nèi)各剖面上斷裂的幾何學(xué)特征進行精細刻畫(重點確定各斷裂的傾角、切割深度)，最終得到由南至北各測線剖面的斷裂剖面圖(圖3)。

P波速度為7 km/s的等值線能一定程度地指示莫霍面[10]。據(jù)圖3，地形與Vp=7 km/s的等值線深度大致呈“鏡面對稱”的關(guān)系，具體表現(xiàn)在：在弧后，水深較大，Vp=7 km/s的等值線深度較?。辉诨鹕交〖盎∏?，海拔較高，Vp=7 km/s的等值線深度較大；在海溝附近，水深達全區(qū)最大，Vp=7 km/s的等值線深度減小。

日本海溝俯沖帶內(nèi)斷裂大多呈NNE走向，NEE或NWW傾向，中等—較大傾角，縱向延伸距離變化大，一般在地殼內(nèi)發(fā)育，平面形態(tài)為彎曲形或直線形，剖面形態(tài)為鏟狀，斷裂性質(zhì)多樣。海溝轉(zhuǎn)折處俯沖帶內(nèi)斷裂呈NNW或N走向，為NEE或E傾向，中等—較大傾角，縱向延伸距離變化大，發(fā)育深度可至莫霍面或太平洋俯沖板塊上邊界，平面形態(tài)為彎曲形，剖面形態(tài)為鏟狀，斷裂性質(zhì)為逆斷型，大型斷裂還具有右旋走滑的性質(zhì)(如TIF、CHSF、AF)。千島—堪察加海溝俯沖帶內(nèi)斷裂走向和傾向多樣，中等—較大傾角，縱向延伸距離變化大，主要在地殼內(nèi)發(fā)育，平面形態(tài)為彎曲形或直線形，剖面形態(tài)為鏟狀或平直狀，斷裂性質(zhì)多樣。

值得注意的是TIF、CHSF、AF及R8～R13組合成的斷層組合樣式，它們呈階梯狀分布，均向東逆沖，從西向東傾角逐漸增大、上盤逐漸上升，在地殼的底部可能發(fā)育滑脫層，與上覆斷裂相連，特殊的斷裂組合與研究區(qū)內(nèi)特殊的應(yīng)力擠壓狀態(tài)有關(guān)：既受到東南部太平洋板塊NW向俯沖匯聚作用，又受到東北部千島弧前碎片帶SW向擠壓碰撞作用。

日本海溝俯沖帶和千島—堪察加海溝俯沖帶都受到太平洋板塊俯沖匯聚作用，因此在一些方面存在相似處：俯沖傾角上，由淺至深，俯沖傾角逐漸增大；地震分布上，主要集中在太平洋板塊巖石圈內(nèi)(上部最多)，與板塊邊界平行分布，而在上覆板塊殼幔中也有一定數(shù)量地震分布，以火山下方最為發(fā)育；板塊形態(tài)上，剖面上均呈現(xiàn)高速的太平洋板塊向低速的上覆板塊俯沖的形態(tài)。另一方面，由于地理位置不同，各俯沖帶受到的構(gòu)造應(yīng)力、火山作用、沉積環(huán)境等不同，因此存在差異性：俯沖傾角上，日本海溝俯沖帶板塊俯沖傾角小于千島—堪察加海溝俯沖帶；地震分布上，在某些地區(qū)地震散亂分布，如K19測線剖面，這可能與太平洋俯沖板塊部分缺失有關(guān)[26]；板塊形態(tài)上，海溝轉(zhuǎn)折處俯沖帶高速異常體對應(yīng)的太平洋俯沖板塊在剖面西部—中部彎曲上拱，而在剖面東部彎曲下凹，這與海溝轉(zhuǎn)折處復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境有關(guān)。

注：紅色三角形為火山；倒三角形為海溝；黑色特粗線為陸地；黑色粗線為Vp=7.0 km/s的等值線；黑色細虛線為DWS=100等值(Derivative Weight Sum，簡稱DWS，偏微分加權(quán)數(shù)法，本文認為DWS≥100時分辨率好、可靠性高)；白粗線為太平洋俯沖板塊上界面；其他部分同圖1。a 水深地形圖； b 斷裂解釋前剖面；c 斷裂解釋后剖面圖2 斷裂解釋過程示意圖

3 討論

伊豆—博寧海溝、日本海溝、千島—堪察加海溝控制了西北太平洋俯沖帶生長演化等重要過程，而斷裂活動是海溝俯沖帶內(nèi)強烈的應(yīng)力作用的主要表現(xiàn)形式之一，研究區(qū)內(nèi)長期而復(fù)雜的構(gòu)造演化導(dǎo)致不同分布范圍、規(guī)模、形態(tài)、性質(zhì)斷裂的發(fā)育，對斷裂級別進行劃分有助于我們更好地理解研究區(qū)的構(gòu)造特征。

根據(jù)圖3，補充前人研究成果表4中傾角、長度、切割深度等斷裂要素，并對前人研究的斷裂要素進行一定程度地校正，再根據(jù)前述斷裂分級原則，最終得到表5和表6。斷裂分級主要考慮2個原則：斷裂的空間范圍(平面延伸長度及切割深度)及其貫穿構(gòu)造單元的范圍(即具體貫穿了幾個構(gòu)造單元)；斷裂對構(gòu)造單元發(fā)育演化的貢獻大小。綜合考慮分級原則，對西北太平洋俯沖帶斷裂分級(圖4)。

注：紅色三角形為火山，倒三角形為海溝，黑色特粗線為陸地，黑色粗線為Vp=7.0 km/s的等值線，黑色細虛線為DWS=100等值線，白粗線為太平洋俯沖板塊上界面。其他部分同圖1)圖3 西北太平洋俯沖帶不同位置典型斷裂剖面圖

研究區(qū)內(nèi)一級斷裂(圖4)包括：Itoigawa-Shizuoka構(gòu)造線(ISTL)、Tartary斷裂(TF)、Tartary-Tanakura斷裂(TTF)、Tartary-Ishikari斷裂(TIF)、東日本海斷裂(EJSF)、中央薩哈林—北海道斷裂(CHSF)、Abashiri斷裂(AF)、千島盆地南部邊界(KBB2)、東鄂霍次克斷裂(EOF)(表5)。它們的空間延伸長度大，貫穿多個構(gòu)造單元，是大型構(gòu)造單元的邊界。ISTL與北部的EJSF、TF、TTF共同構(gòu)成了歐亞板塊與鄂霍次克板塊(北美板塊)的邊界；TIF、CHSF、AF組成的右旋走滑剪切帶是控制其西側(cè)日本盆地及東側(cè)千島盆地發(fā)育的重要邊界；KBB2、EOF分別是鄂霍次克海的南、東邊界[6]。

研究區(qū)二級斷裂(圖4)包括：中央構(gòu)造帶(MTL)、Hatagawa構(gòu)造線(HTL)、日本盆地邊界(JBB1、JBB2)、北海道斷裂(R8斷裂、R9斷裂、R10斷裂、R11斷裂、R12斷裂、R13斷裂)、千島盆地北邊界(KBB1)、東薩哈林斷裂(ESF)、鄂霍次克海斷裂(S1斷裂、S2斷裂、S3斷裂)、堪察加斷裂(Ka1斷裂、Ka2斷裂、Ka3斷裂、Ka4斷裂)(表6)。它們空間延伸長度中等—較大，貫穿整個構(gòu)造單元，是構(gòu)造單元內(nèi)部次級單元的重要邊界。MTL和HTL將日本本州島分為西南日本、中部日本和東北日本；JBB1、JBB2分別為日本盆地北、南邊界[17]；R8～R13斷裂是中央北海道—薩哈林島剪切帶的組成部分，也是日高山脈等北海道山系的邊界[27]；KBB1、S1～S3斷裂及其北部的左旋走滑斷裂是鄂霍次克海盆內(nèi)次級盆地的重要邊界；ESF是薩哈林島的東邊界；Ka1、Ka4斷裂是堪察加半島的西、東邊界，而Ka2、Ka3斷裂是堪察加半島東西山脈間的分界[9]。

研究區(qū)三級及以上斷裂(圖4)數(shù)量較多，如逆斷性質(zhì)的R1～R7斷裂、R14～R25斷裂以及正斷性質(zhì)的N1～N4斷裂。它們空間延伸長度小，產(chǎn)狀、性質(zhì)多樣，對局部小構(gòu)造起控制和調(diào)節(jié)作用。

圖4 西北太平洋俯沖帶斷裂分級平面圖(注釋部分同圖1)

代號走向傾向傾角/(°)長度/km深度/km平面形態(tài)剖面形態(tài)斷裂性質(zhì)ISTLNWSW68300～40020彎曲形鏟狀逆走滑(左旋)型TTFNNWNEE50～671000～120020～35彎曲形鏟狀逆走滑(右旋)型TIFNNWNEE29～45600～80011～33彎曲形鏟狀逆走滑(右旋)型CHSFNE45～58gt;140010～35彎曲形鏟狀逆走滑(右旋)型AFNNWNEE60～71gt;140013～30彎曲形鏟狀逆走滑(右旋)型KBB2NENW40～511600～180010～20彎曲形鏟狀正斷型EOFNNW-90gt;50032彎曲形平直狀走滑(右旋)型

表6 西北太平洋俯沖帶二級斷裂要素總結(jié)表

4 結(jié)論

本文基于P波走時地震數(shù)據(jù)、水深地形數(shù)據(jù)、斷裂特征資料，應(yīng)用雙差層析成像法，可以形成以下認識：

獲得了西北太平洋俯沖帶之下0～70 km深度范圍內(nèi)的三維結(jié)構(gòu)特征。具體包括日本海溝俯沖帶的震源重定位結(jié)果及其P波速度結(jié)構(gòu)、千島—堪察加海溝俯沖帶的震源重定位結(jié)果及其P波速度結(jié)構(gòu)、高精度的海溝轉(zhuǎn)折處俯沖帶的震源重定位結(jié)果及其P波速度結(jié)構(gòu)。

繪制了西北太平洋俯沖帶70 km深度內(nèi)的斷裂幾何學(xué)剖面圖件，包括日本海溝俯沖帶的斷裂幾何學(xué)剖面圖件、千島—堪察加海溝俯沖帶的斷裂幾何學(xué)剖面圖件、高精度的海溝轉(zhuǎn)折處俯沖帶的斷裂幾何學(xué)剖面圖件。

劃分了西北太平洋俯沖帶的斷裂級別。整合前人及本文斷裂特征研究成果，綜合分析斷裂的走向、傾向、傾角、性質(zhì)、平面展布長度、切割深度及對相關(guān)構(gòu)造單元的控制作用等特征，制定統(tǒng)一的劃分標(biāo)準，將研究區(qū)內(nèi)的斷裂帶大致分為3級。一級斷裂包括：Itoigawa-Shizuoka構(gòu)造線(ISTL)、Tartary斷裂(TF)、Tartary-Tanakura斷裂(TTF)、Tartary-Ishikari斷裂(TIF)、東日本海斷裂(EJS)、中央薩哈林—北海道斷裂(CHSF)、Abashiri斷裂(AF)、千島盆地南部邊界(KBB2)、西鄂霍次克斷裂(WOF)、東鄂霍次克斷裂(EOF)，它們的空間延伸長度大，貫穿多個構(gòu)造單元，是大型構(gòu)造單元的邊界；二級斷裂包括：中央構(gòu)造帶(MTL)、Hatagawa構(gòu)造線(HTL)、日本盆地邊界(JBB1、JBB2)、北海道斷裂(R8斷裂、R9斷裂、R10斷裂、R11斷裂、R12斷裂、R13斷裂)、千島盆地北邊界(KBB1)、東薩哈林斷裂(ESF)、鄂霍次克海斷裂(S1斷裂、S2斷裂、S3斷裂)、堪察加斷裂(Ka1斷裂、Ka2斷裂、Ka3斷裂、Ka4斷裂)，它們空間延伸長度中等—較大，貫穿整個構(gòu)造單元，是構(gòu)造單元內(nèi)部次級單元的重要邊界；三級及以上斷裂數(shù)量較多，如逆斷性質(zhì)的R1～R7斷裂、R14～R25斷裂以及正斷性質(zhì)的N1～N4斷裂。它們空間延伸長度小，產(chǎn)狀、性質(zhì)多樣化，對局部小構(gòu)造起控制和調(diào)節(jié)作用。

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FractureGeometryFeatureoftheNorthwest-PacificSubductionZones

GUO Yu-fan1,2, GONG Wei2, LUO Jia-hong3, TAN Lan-rong1, DONG Fei-fei1, ZHA Xiao-hui1

(1. Jiangxi Earthquake Agency, Nanchang 330039, China; 2. College of Marine Geo-sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, Beijing 100029, China)

Based on P-wave travel time of seismic data, processed using the double difference tomography method, the hypocenter relocation results and P-wave velocity structure within the range of 0～70 km beneath the Pacific ocean subduction zones can be obtained. Combining with the bathymetric data and fracture feature data, we obtained the fracture geometry feature within the range of 0～70 km beneath the Northwest of the Pacific Ocean subduction zones and identified the fracture classification of Northwest-Pacific subduction zones. 1-level fractures include Itoigawa-Shizuoka Tectonic Line (ISTL), Tartary Fault (TF), Tartary-Tanakura Fault (TTF), Tartary-Ishikari Fault (TIF), East Japan Sea Fault (EJSF), Centre Hokkaido Sakhalin Fault (CHSF), Abashiri Fault (AF), the South of the Kuril Basin Boundary (KBB2), the West of Okhotsk Fault (WOF), the East of Okhotsk Fault (EOF). 2-level fractures include Median Tectonic Line (MTL), Hatagawa Tectonic Line (HTL), the North and the South of the Japan Basin Boundary (JBB1, JBB2), Hokkaido Faults(R8-fault, R9-fault, R10-fault, R11-fault, R12-fault, R13-fault), the North of the Kuril Basin Boundary (KBB1), East Sakhalin Fault (ESF), Okhotsk Faults(S1-fault, S2, S3)、Kamchatka Faults (Ka1-fault, Ka2-fault, Ka3-fault, Ka4-fault) . The number of 3-level and above level fractures is large, such as R1～R7 faults, R14～R25 faults which are reverse faults and N1～N4 faults which are normal faults.

the Japan trench; the Kuril-Kamchatka trench; seismic tomography; fracture geometry features; fracture classification

郭雨帆，宮偉，羅佳宏，等. 西北太平洋俯沖帶斷裂幾何學(xué)特征[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(4):1-10.

2017-04-05

地震科技星火計劃攻關(guān)項目(XH16023)；江西省地震局青年基金(JXDZ-KY-201701)

郭雨帆(1992—)，女，湖南株洲人，助理工程師，主要從事地震層析成像與構(gòu)造學(xué)研究. E-mail:guoyufan_ouc@126.com

P315.25

A

1003-1375(2017)04-0001-10

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.001