汪清7.2级深震——源于地球深部的跳动

陈棋福研究员/中国科学院地质与地球物理研究所

姜金钟副研究员/云南省地震局

汪清7.2级深震

18年前的2002年6月28日深夜（6月29日1时19分，北京时间），吉林省汪清县发生了7.2级深震（图1）。震后国家地震台网快速测定的汪清7.2级深震震中位置为北纬43.5°、东经130.6°，震源深度为540 km。该深震与7级浅源地震激发的地震能量和震动波形虽基本一致，但在地下540 km深处激发的7.2级深震能量经过数百至上千公里的衰减后，到达我国东北全境和华北部分地区尽管仍有微小的震动，却并未惊醒位于该深震上方沉浸在睡梦中的汪清周边居民。与7级浅源地震常常造成大量人员伤亡和重大经济损失相比，该深震也未造成人员伤亡和建筑物破坏。

图1 日本海沟至中国东北的4级以上地震分布（据国际地震中心1964~2016年目录）

图中圆点表示的地震按其震级大小和右下所示震源深度标度所画。从左至右的3个白中带红的圆球分别为2002年6月29日汪清7.2级深震、2011年5月10日中国东北中俄边界处的6.1级深震和2011年3月11日日本东北9.0级浅源地震的震源机制解，这3个地震的震中位于图中的蓝色星号处。图中的蓝色和黑色带箭头线分别表示卫星全球定位系统GPS观测到的2011年日本东北9.0级巨震导致的地表位移大小和位移方向，绿色箭头线代表9.0级巨震后120天观测到的持续滑动，请注意图左上角给出的蓝色与黑色和绿色箭头线代表的位移大小相差一个数量级。图中的白线和蓝色数字表示西北太平洋板块俯冲到欧亚大陆下方的深度，黑线代表为图2所画的日本海沟至中国东北俯冲带的地震深度剖面位置。

汪清深震发生在太平洋板块俯冲至中国东北下方的日本俯冲带上

深震是指地震发震的深度大于70 km（也有认为是大于60 km），深度小于70 km（Houston, 2015）或60 km（Frohlich，2006）的则称为浅震（浅源地震），深度在70~300 km或60~300 km的地震被称为中源地震，深度大于300 km的为深源地震。中源地震和深源地震经常被笼统的称为深震，有些严格学者的则仅将深度大于300 km地震的称为深震｡

由国际地震中心（ISC，http://www.isc.ac.uk）汇集世界各地地震观测资料最终测定的1964~2016年间基本不遗漏的4.0级以上地震分布图1和图2可见，在陆地和海洋下方都可以发生浅源地震和深源地震，但中国东北一带的深震活动可以从近600 km的深处连续向上和向东追踪至日本海沟附近的浅源地震，十分明显地展现出太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲插入中国东北大陆下方约600 km深度的图像。各种尺度的地震层析成像结果（Fukao and Obayashi，2013；Wei et al., 2015；Chen et al., 2017；Tao et al.，2018）也都显示中国东北一带的深源地震与日本海深震具有很好的连续性并发生在西太平洋俯冲板片的高速异常体内部。

图2 图1所示日本海沟至中国东北的剖面两侧300 km范围内的地震深度分布

图中蓝色星号处及其连线分别给出2002年6月29日汪清7.2级深震、2011年5月10日中国东北中俄边界处6.1级深震和2011年3月11日日本东北9.0级浅震的位置和震源机制解；图右下角为圆圈所表示的地震震级大小，图上方画出了剖面沿线的陆地和海洋地形形态。

李圣强等（2013）对图1和图2所展示的2011年5月10日中国东北中俄边界处6.1级深震的非同寻常震源机制解进行精细测定，结合图1所示的在中国东北GPS观测到的2011年日本9.0级地震高达35 mm的南东东向同震位移（王敏等, 2011）和震后120天（2011年7月上旬）仍观测到不少于13 mm的同方向持续水平滑移（Shestakov et al. ，2012），研究认为2011年5月10日的6.1级深震活动属于日本海沟至中国东北的日本俯冲带整体动力作用过程的体现，是由日本东北近海9.0级地震导致的南东东向拉张应力变化而引发的。上述这些现象表明汪清深震是太平洋板块俯冲至中国东北下方的活动体现。由于太平洋俯冲板块的运动，汪清附近地区发生了不少的深震活动，有资料记载的7级以上深震就有1917年7月31日珲春东南7.5级、1918年4月10日珲春北7.2级、1940年4月10日东宁7.3级、1946年1月11日宁安南7.2级、1957年东宁西南7级、1973年9月29日珲春东南海中的7.7级和2002年的汪清7.2级深震等，近年来最为显著的深震活动是2016年1月2日发生在黑龙江省林口县的6.4级深震。

从国际地震中心2020年4月发布的1904~2016年全球Mw

6.0地震分布图4（http://www.isc.ac.uk/iscgem/overview.php），可见全球的地震主要聚集在的环太平洋、地中海-喜马拉雅和洋中脊三大地震带上，环太平洋地震带的地震活动图像则是板块构造活动的最明显体现，其中我国东北汪清附近和南美地区是世界仅有的较多发生震源深度大于300 km的深源地震的2个大陆地区。

图3 国际地震中心2020年4月发布的1904-2016年全球Mw

6.0地震分布图

最深的深震和最大的深震

地震活动由浅表至地球深部呈现了一定的频次特征，对国际地震中心采用三维地球速度结构更好地测定发震位置（尤其是震源深度）的1964~2016年ISC-EHB地震目录进行统计（图4红色），同时也将常见的Frohlich（2006）的ISC 5.2级以上地震的统计对比用蓝色画在图中。由图4可见，从近地表到深度约300 km处的地震发生数随深度增加而递减，然后保持着低活动量至约480 km深度，随后至约600 km深度处出现递增，然后再次递减至约700 km深度处，这一现象在基本没有漏记的ISC 5.2级以上地震的统计数据中显示的更为明显。

由于大量深震发生在海中或海岸线附近（见图3），震级较小的深震（小于3.0级或4.0级）因释放的地震能量较小，在近距离内缺乏足够的地震台记录以测定深震的发生，故较小的深震目录缺失严重。那么目前人类记录到最深的地震有多深呢？检索国际地震中心汇集的地震目录，可见最深的深震发生在约800 km深度处，包括2013年4月19~21日和2013年9月5日发生在尼加拉瓜和洪都拉斯的4个最大震级为4.0级的深震，及2003年11月6日和2018年7月3日分别发生在日本火山岛和斐济群岛没能测定震级大小的2个深震，这几个约800 km的深震因仅有极少的地震台记录到，其测定的震源深度可靠性有待确认。较为可信的最深深震是美国地质调查局给出的2004年4月8日瓦努阿图群岛发生在735.8 km深度的4.2级深震(https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/usp000cryq/executive#executive)。

图4 据国际地震中心1964~2016年地震目录统计的地震深度个数分布

迄今为止，人类记录到的最大深源地震是2013年5月24日鄂霍茨克海8.3级地震和1994年6月9日玻利维亚8.3级地震（也有报告说玻利维亚深震的震级为8.2级），这2个深震的震源深度分别为约607 km和637 km（Zhan et al., 2014）。而人类记录到的最深的大地震则是2015年5月30日发生在日本小笠原群岛的7.9级深震（日本气象厅测定震级为8.1级），国际地震中心最终确定的震源深度为685.5 km。

深震与浅震的似与不似

自1907年发现有深源地震的观测结果发表后，就受到了广泛的质疑（Frohlich，2006），直至和达清夫（Wadati, 1928）通过研究证实了深源地震的存在，以及贝尼奥夫（Benioff, 1949）综合地质、地震和物理信息提出贝尼奥夫带（现称为Wadati-Benioff带，即俯冲带）来解释深震活动图像（Frohlich，2006），深震作为一种“不可思议”的现象得到了较广泛的研究。近百年来的观测研究表明：天然发生的深震与浅震都属于构造地震，是人类生存的地球深部鲜活地运转着的体现；深震与浅震有着许多相似性但也存在明显的差异。

总的来说，深震与浅震是十分相似的。深震与绝大多数浅震都是由剪切变形引起的破裂（Houston, 2015），地震破裂特征和从震源处辐射出的地震波图像与地震破裂前后的应力差（应力降）等许多方面都存在相似之处（Houston, 2015；Frohlich，2006；Green and Houston，1995；干微等，2012），虽然深震与浅震的地震辐射效率、地震断裂面形态、地震破裂速度和破裂持续时间及应力降等在具体量值变化上有所差异（Houston, 2015），且因深震激发的地震波在地球浅部的传播路径较短，故深震的面波波形相对不大发育甚至缺失，且深震的体波波形显得不如浅震波形那么复杂（Frohlich，2006）。此外，深震与浅震都满足震级–频度的Gutenberg–Richter统计关系，甚至浅震的动态触发现象和破裂区域重叠的重复地震也在深震中观测到（Houston, 2015及所引相关文献）。

深震与浅震虽十分相似，但深震与浅震也存在着如下的3点明显区别。

1、在发震地点和致灾方面，浅震可发生在包括大陆在内的地球上大部分地区，因而6级以上甚至5级浅震常常造成大量人员伤亡和经济损失，而深震则仅发生在板块俯冲下插的俯冲带上（见图1-3），故深震很少造成人员伤亡和经济损失的报道，但深度较浅的深震还是存在一定的破坏性。如1977年3月4日发生的罗马尼亚7.5级（深度90 km）、1939年1月25日智利7.8级（深度80 km）和2003年5月26日日本7.0级（深度61 km) 等深震就造成了破坏（Houston, 2015），其中1977年罗马尼亚和1939年智利的中源地震分别造成1500人和28000人死亡（Frohlich，2006）。

2、深震的数量明显少于浅震，最明显的区别是深震的余震数量很少（Frohlich，1987；Wiens and Gilbert，1996）。在地震震级相同的情况下，深震的余震数量比浅震的要少1个或更多个数量级，且中源地震的余震数量又略少于深源地震（Frohlich，1987；Persh and Houston，2004）。在较冷的俯冲带（如汤加、印度尼西亚和马里亚纳俯冲带）存在显著的深震余震活动，而相对较热的俯冲带（如南美、日本和伊豆-小笠原俯冲带）的深震余震活动则较少（Wiens and Gilbert，1996）。对于2013年发生的鄂霍茨克海8.3级深震，也只检测出9次余震事件（Ye et al.，2013）。属于日本俯冲带的中国东北深源地震区也显示出很少有余震活动的现象，为确定这是否属于Wiens等（1997）指出的由于地震观测台站稀少而记录不全所导致，姜金钟等（2019）利用在东北深源地震区加密布设的密集台网观测的连续波形，采用与指纹扫描类似的波形匹配技术进行了深震检测分析，结果表明中国东北2010~2014年内发生的中强深源地震前后几乎没有前震或者余震发生，这与日本海俯冲带和鄂霍茨克海等很少或几乎没有深源地震余震活动的研究结果相一致（Frohlich，1987；Wiens et al.，1994；Houston, 2015）。Gardonio等（2020）对2015年5月30日小笠原群岛7.9级深震的波形匹配分析也表明：该近700 km深度发生的深震确实余震活动较少，但却检测到7.9级深震前存在的显著前震活动。

3、据全球矩张量gCMT（http://www.globalcmt.org）给出的地震震源机制解，深震与浅震的震源主要为双力偶剪切源（Houston，2015），但有很大部分的深震都含有十分明显的非双力偶剪切断裂成分，即补偿线性矢量偶极（CLVD）成分（Frohlich，1995；Houston，2015）。震源机制解的明显差异是讨论深震与浅震成因机制的主要依据，而Li et al.（2018）新近研究发现：深震震源区的介质各向异性可以造成深震的明显非双力偶剪切断裂成分，证实了深震与浅震一样完全是由剪切断裂机制引起的。

深震的待解之谜

地震发生在岩石产生脆性破裂而释放弹性应变能的地方，对海洋岩石圈的浅震活动分析表明：浅震仅发生在温度£~700 ℃的环境下（Frohlich，2006）。实验研究显示：随着温度和压力的增大，岩石的流变学强度会降低到只发生塑性流动的程度，应力作用的岩石失稳由脆性破裂转变为韧性蠕变（干微等，2012）。依据地球深度的温度和压力条件，正常的脆性破裂或滑动在超过 60～100 km深度就变得极为困难（Frohlich，1989，2006；Green and Houston，1995），这正是上世纪20年代学界广泛质疑深源地震活动存在的原因。然而，在几乎不可能发生岩石脆性破裂的超过100 km地球深处，存在深震活动是无可置疑的观测事实，因而深震的成因机制与深震活动为何会终止在约680 km深度处仍是待解之谜（Houston，2015；Li et al.；2018；Romanowicz，2018）。

目前争论较多的深震的可能成因机制可归为三种（参见Frohlich, 2006; Houston, 2015）：脱水脆裂（Dehydration Embrittlement）、橄榄石相变引起的反裂隙断层或相变断层作用（Anticrack/Transformational Faulting in a Meta- stable Phase）和热剪切失稳作用（Thermal Shear Instability）。后续研究提出的可能机制（如Liu and Zhang，2015；Chen and Wen，2015），包括俯冲带在地表时预存断层的机制等，都没有脱离这三种主要的成因机制。越来越多的实验研究和岩石学、地震学观测都倾向认为：脱水脆裂可较好地解释中源地震的成因（Romanowicz，2018；干微等，2012），但已提出的各种可能机制在解释深源地震成因时都存在着各自的不足之处，至今为止没有单一的物理机制可以解释所有深度大于100 km或200 km深震活动的地震学特征（Houston, 2015）。Li 等（2018）的研究表明：仅靠相变作用无法完全解释深源地震震源区的各向异性，俯冲板片中的菱镁矿或碳酸盐岩熔融也可能会引起深源地震的发生。由于深源地震的发震机制、破裂过程极其复杂并且可能是动态变化的，因此不同震源深度、不同俯冲带和不同大小的深源地震发震机制也可能是不同的，甚至可能是多种机制共同作用导致的（Houston, 2015）。

Zhan（2017）根据不同俯冲带的深源地震Gutenberg–Richter关系中的b值差异，提出了深源地震的“双机制”假设：深源地震在俯冲板片的亚稳态橄榄岩楔形区（Metastable Olivine Wedge, MOW）内部主要以相变断层作用方式成核并开始破裂，但破裂在突破MOW后以热剪切熔融或热逃逸的形式向外传播；在较热俯冲带（如日本海及中国东北区域）的薄MOW区内，“双机制”共同发生作用。精定位的深源地震结果（Jiang et al., 2015）表明：MOW确实存在于日本海及中国东北地区下方的俯冲板片内，MOW厚度自约450 km深度处的50 km逐渐减薄至约580 km深度处的几公里。姜金钟等（2019）的精定位结果显示：汪清附近的大多数深震都发生在Jiang等（2015）给出的MOW内或周边区域，故我们认为深源地震的“双机制”假设（Zhan，2017）可以较好地解释中国东北地区的Mw≤6.5深源地震成因（姜金钟等，2019），但仅有限台站观测资料约束的2002年汪清7.2级深震的物理成因仍有待探索研究。

总之，在地下500多公里深处发生的汪清7.2级深震，就像人的心脏跳动一样是地球内部活跃的表征；深震活动与板块俯冲及其相伴生的体系密切相关，深震的发生为人们探测地球深部地核和地幔结构提供了不可或缺的信息。虽然近百年来的研究仍没能给出令人完全信服、自洽的深源地震发震机制，但我国东北的深震活动与存在潜在喷发危险的长白山火山（刘嘉麒等，2015）及一些浅源强地震的发生存在着可能的关联性（Zhao and Tian，2013；郭增建等，2002；张凤鸣等，2007；高立新，2011），说明破解深震之谜的重要性。故在全球难得的我国东北深震区，增设固定地震台来获取更多的深震观测资料，加强地球物理观测、高温高压实验、矿物物理性质及数值模拟等多学科综合研究，是探索解决深源地震的成因机制之谜的重要途径。

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美编：ZYN

校对：陶琴