地球深部600 km左右的溫壓條件通常不利于8級(jí)以上地震的發(fā)生，因此這些深大地震的發(fā)震機(jī)理仍存在許多疑問。針對(duì)這個(gè)科學(xué)問題，中國地震局地球物理研究所先導(dǎo)技術(shù)研究室陳偉文助理研究員與南洋理工大學(xué)韋生吉副教授及地球所王偉濤研究員合作，獲取了2013年鄂霍茨克海Mw8.3級(jí)深震的全球?qū)掝l帶地震臺(tái)P波波形，通過反卷積方法獲取其相對(duì)震源時(shí)間函數(shù)，通過破裂方向性分析，獲取了地震開始階段子事件的相對(duì)時(shí)空關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)初始的兩個(gè)子事件S1與S2之間呈現(xiàn)近垂直的相對(duì)位置（圖1）。

圖1 （a）USArray記錄到隨震中距變化的相對(duì)震源時(shí)間函數(shù)，（b）USArray記錄到隨方位角變化的相對(duì)震源時(shí)間函數(shù)，（c）全球不同臺(tái)網(wǎng)記錄到隨震中距變化的相對(duì)震源時(shí)間函數(shù)，（d）破裂開始階段子事件的相對(duì)空間位置，（e）全球不同臺(tái)網(wǎng)記錄到隨方位角變化的相對(duì)震源時(shí)間函數(shù)

通過對(duì)高頻段（0.2-0.8Hz）相對(duì)震源時(shí)間函數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)子事件S2在USArray上隨震中距變化出現(xiàn)了明顯的多路徑效應(yīng)（multipathing effect）。使用二維有限差分算法嘗試各種可能的速度結(jié)構(gòu)去擬合多路徑效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在俯沖板片下方引入“甜甜圈段”式的超低速異常體可以同時(shí)擬合位于中國/東南亞方向以及USArray兩個(gè)位于對(duì)頂角位置的臺(tái)陣上的數(shù)據(jù)（圖 2）。

圖2 （a）“甜甜圈段”式的低速異常體模型及其參數(shù)化，（b）中國/東南亞方向的相對(duì)震源時(shí)間函數(shù)觀測(cè)與合成波形，（c）USArray西部的相對(duì)震源時(shí)間函數(shù)觀測(cè)與合成波形，（d）“模版檢測(cè)”式的互相關(guān)系數(shù)，（e）USArray西部的高頻速度波形數(shù)據(jù)和合成波形，（f）“模版檢測(cè)”式的互相關(guān)系數(shù)隨各參數(shù)的變化，（g）“模版檢測(cè)”式的互相關(guān)系數(shù)隨“甜甜圈段”內(nèi)外徑的變化

通過拼合不同方位角上約束得到的二維結(jié)構(gòu)，獲得了該低速異常體的大致幾何形態(tài)和地震學(xué)性質(zhì)：其在空間上展布約為30*60*60 km，P波速度異常高達(dá)-18±2%。如此高的低速異常暗示該異常體處于高度熔融的狀態(tài)或存在較高的揮發(fā)物成分，考慮到過渡帶礦物的高度含水特性，該異常體極有可能在660 km間斷面之上依然保持向上的浮力，根據(jù)初步計(jì)算，該浮力施加給震源區(qū)域的應(yīng)力高達(dá)86~255MPa，如此高的應(yīng)力滿足了在600 km深度下的俯沖巖石圈中形成熱失穩(wěn)破裂的條件，其很有可能是8級(jí)以上地震為何在如此深度下發(fā)生的重要原因。俯沖板片下方超低速異常體的首次發(fā)現(xiàn)也為相關(guān)礦物物理和地球動(dòng)力學(xué)過程提出了新的研究課題。

圖3 （a，c，d）2013年鄂霍茨克海Mw8.3深震，1994年玻利維亞Mw8.2深震，2018年斐濟(jì)Mw8.2深震震源區(qū)域的層析成像速度模型與周邊地形，（b）超低速體對(duì)俯沖巖石圈施加應(yīng)力導(dǎo)致熱失穩(wěn)概念圖

成果于2024年發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》（Chen W, Wei S, Wang W. Subslab ultra low velocity anomaly uncovered by and facilitating the largest deep earthquake. Nature Communications. 2024 Mar 29;15(1):2754. .https://doi.org/10.1038/s41467-024-47129-3）。

【作者介紹】

第一作者：陳偉文，男，中國地震局地球物理研究所助理研究員，2015年博士畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，獲理學(xué)博士學(xué)位。以第一作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文5篇。主要從事地震震源，地球深部物理等方面的工作。

通訊作者：韋生吉，南洋理工大學(xué)新加坡地球觀象站研究員和亞洲環(huán)境學(xué)院副教授兼助理院長。本科和博士畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球物理專業(yè)，在加州理工學(xué)院地震實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究。擔(dān)任BSSA，Geoscience Letters副主編和Tectonophysics編委。主要從事地震震源和地球速度結(jié)構(gòu)方面的研究。

通訊作者：王偉濤，男，研究員，中國地震局地球物理研究所地球物理先導(dǎo)技術(shù)研究室主任。2004年博士畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，地球物理學(xué)報(bào)、EQS，ERA等多家期刊編委。主要從事臺(tái)陣、人工智能、主動(dòng)源的等地震學(xué)研究。