【項(xiàng)目巡禮】東西伯利亞-阿拉斯加地區(qū)殼幔流變性及其對(duì)地震和火山活動(dòng)的意義

東西伯利亞至阿拉斯加地區(qū)位于北太平洋板塊向北美板塊俯沖的關(guān)鍵部位，發(fā)育強(qiáng)震、火山、海嘯和大陸巖石圈變形等多種地質(zhì)現(xiàn)象，是研究海洋板塊俯沖、地幔熔融、巖漿活動(dòng)和殼幔相互作用的理想的天然實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。該區(qū)北接北冰洋，南鄰北太平洋俯沖帶，涵蓋堪察加半島、阿留申群島、白令海、阿拉斯加及其鄰區(qū)，地震和火山活動(dòng)的空間差異十分顯著。阿留申弧和堪察加半島火山活動(dòng)強(qiáng)烈，阿拉斯加中南部卻發(fā)育Denali火山空缺帶，遠(yuǎn)離俯沖帶的白令海及西阿拉斯加地區(qū)仍存在板內(nèi)火山活動(dòng)（圖1）。上述現(xiàn)象表明，北太平洋俯沖系統(tǒng)中的熱物質(zhì)供給、流體釋放和巖石圈強(qiáng)度具有明顯的橫向變化。厘清這些變化的深部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，是認(rèn)識(shí)該區(qū)強(qiáng)震孕育、火山形成和大陸變形機(jī)制的關(guān)鍵。

圖1 東西伯利亞-阿拉斯加地區(qū)地表地形圖。圖中疊加了北太平洋板塊俯沖方向和速率（白色箭頭和長(zhǎng)度），俯沖帶（白線）和北美板塊之下太平洋板塊俯沖等深線（細(xì)黑線）（Hayes et al.，2018），以及火山分布（https:/volcano.si.edu），其中遠(yuǎn)離俯沖帶的板內(nèi)火山用紅色陰影區(qū)標(biāo)出

地震波穿過不同性質(zhì)的巖石時(shí)，能量損耗會(huì)發(fā)生明顯變化。高溫、含流體或含熔體的區(qū)域，往往表現(xiàn)出強(qiáng)衰減；冷而堅(jiān)硬的區(qū)域，則對(duì)應(yīng)弱衰減。由此，衰減成像成為觀測(cè)殼幔結(jié)構(gòu)的重要途徑。

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所趙連鋒研究員團(tuán)隊(duì)將該區(qū)域作為重點(diǎn)研究區(qū)，依托俄羅斯東西伯利亞區(qū)域臺(tái)網(wǎng)、美國(guó)阿拉斯加臺(tái)網(wǎng)、全球地震臺(tái)網(wǎng)及相關(guān)流動(dòng)臺(tái)網(wǎng)資料，通過建立多震相地震波衰減模型，來(lái)識(shí)別地殼和上地幔中的熱異常、流體活動(dòng)和部分熔融分布。模型可以將地下介質(zhì)的冷熱狀態(tài)和物質(zhì)運(yùn)移過程聯(lián)系起來(lái)，從而為理解北太平洋俯沖帶的地震、火山和構(gòu)造活動(dòng)提供關(guān)鍵證據(jù)。

在阿拉斯加地區(qū)，研究團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到阿留申弧火山、Wrangell火山場(chǎng)以及Buzzard Creek-Jumbo Dome火山區(qū)下方存在顯著的強(qiáng)衰減異常，說(shuō)明深部存在高溫或部分熔融區(qū)域。Denali火山空缺帶下方表現(xiàn)為弱衰減特征，指示該區(qū)地殼和上地幔環(huán)境偏冷，熔體供給條件有限。這一對(duì)比暗示，Denali火山空缺的成因可能與Yakutat板塊平俯沖阻擋深部熱物質(zhì)上涌有關(guān)。Yakutat板塊周緣出現(xiàn)的近環(huán)狀分布的強(qiáng)衰減異常，則與地表火山區(qū)存在空間聯(lián)系。結(jié)合已有各向異性觀測(cè)和區(qū)域構(gòu)造背景，研究認(rèn)為：Yakutat板塊平板俯沖可能一方面使其上方殼幔環(huán)境冷卻，抑制了局部火山活動(dòng)；另一方面又在板片邊緣誘發(fā)環(huán)狀地幔流，將熱物質(zhì)輸送至周緣火山區(qū)。由此可見，同一俯沖板片在不同位置形成截然不同的地表現(xiàn)象，這正是該區(qū)動(dòng)力學(xué)過程復(fù)雜性的體現(xiàn)。

在卡斯卡迪亞俯沖帶，研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注流體運(yùn)移與震顫活動(dòng)之間的關(guān)系。研究表明，卡斯卡迪亞沿岸地殼衰減結(jié)構(gòu)具有清楚的分段特征。北部和南部強(qiáng)衰減區(qū)與非火山震顫密集區(qū)對(duì)應(yīng)較好，中部Siletzia地體則表現(xiàn)為弱衰減，對(duì)應(yīng)震顫稀疏區(qū)。這一分段特征說(shuō)明：俯沖板片釋放出的流體受到地體結(jié)構(gòu)和淺部通道控制，在不同區(qū)域形成差異化富集；而流體的停留和遷移，進(jìn)一步影響了震顫活動(dòng)和巖漿供給。

在堪察加半島，研究團(tuán)隊(duì)建立了地殼衰減模型揭示出熱物質(zhì)運(yùn)移的連續(xù)過程。東部火山前緣與中部堪察加坳陷之間存在強(qiáng)衰減異常，說(shuō)明深部熱物質(zhì)和巖漿系統(tǒng)之間具有聯(lián)通關(guān)系。淺部結(jié)構(gòu)會(huì)改變熱物質(zhì)的上升路徑，使其在不同層位發(fā)生滯留和分異，最終形成空間上錯(cuò)位的火山帶。這一認(rèn)識(shí)為解釋堪察加復(fù)雜火山格局提供了新的約束。

從阿拉斯加到卡斯卡迪亞，再到堪察加，結(jié)合已有的地質(zhì)與地球物理觀測(cè)成果，研究團(tuán)隊(duì)利用地震波衰減成像逐漸勾勒出北太平洋俯沖帶地下結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵圖景：俯沖板片進(jìn)入地球深部之后，會(huì)重新分配熱量、流體和熔融物質(zhì)；這些深部過程通過殼幔結(jié)構(gòu)差異表現(xiàn)出來(lái)，并最終影響地表的地震、火山和構(gòu)造變形。地震波衰減成像由此成為連接深部過程與地表現(xiàn)象的重要手段。

未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)圍繞該區(qū)開展多震相衰減成像研究，建立更加完整的三維地殼和上地幔衰減模型，并結(jié)合速度結(jié)構(gòu)、各向異性、火山巖漿系統(tǒng)和地球動(dòng)力學(xué)認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步揭示殼幔流變強(qiáng)度的空間變化。這一工作的核心在于厘清俯沖板塊的“冷”與“熱”如何控制其脫水、熔融與變形的深度和方式——而這些深部過程，正是通過流體活動(dòng)與應(yīng)力傳遞，最終作用于淺表，控制著強(qiáng)震的孕育、火山的形成和大陸的變形。因此，這項(xiàng)研究的最終目標(biāo)，是系統(tǒng)建立從俯沖過程到地表響應(yīng)的因果關(guān)系鏈，為理解北太平洋俯沖帶的深部機(jī)制提供新的地震學(xué)約束。