2016年10月1日

隱沒板塊與深震的生成

作者/曾泰琳(國立臺灣大學助理教授,研究領域為地震學。)、陳伯飛(國立中央大學副教授,研究領域為地震學。)、龔慧貞(國立成功大學副教授,研究領域為礦物物理學。)

板塊構造學說認為地球表面是由多個約100公里厚的板塊所組成,板塊間的相互運動造就了現今觀測到的地震、火山活動等分布與地表形貌等。隱沒帶(Subduction Zone)的形成是指聚合板塊邊界中密度較大的海洋板塊因重力作用而沒入地函,此板塊稱為隱沒板塊(Subduction Slab)。隱沒帶的特徵除了有狹長且陡峭的海溝,還有隱沒板塊上方的火山島弧,另外,一連串深度超過70公里的地震沿著隱沒板塊發生則被稱為瓦班氏帶(Wadati-Benioff Zone,圖一)。


 圖一:隱沒帶地體構造概念圖。雙箭頭是由地震斷層面解得知的板塊內應力狀態。 
(作者提供)
圖二:全球地震分布、板塊運動方向以及隱沒帶剖面圖。(作者提供)


環太平洋地震帶就是由一連串的隱沒帶所構成(圖二),不同隱沒帶有不同的瓦班氏帶特徵,例如:地震在不同深度的出現頻率或能量大小、隱沒板塊的傾角和發生地震的最大深度等,這些特徵常與隱沒板塊的溫度特性有關,其中我們先從海床磁力條帶異常得知海洋板塊的年紀,年紀越老的海洋板塊從中洋脊生成後,就受到更長時間的海水冷卻作用,隱沒時就形成越冷的隱沒板塊。

太平洋西側是又老又冷的海洋板塊隱沒至東加群島、馬里亞納、日本及堪察加半島之下,從剖面上我們可以發現隱沒板塊以陡峭的傾角隱沒,瓦班氏帶的地震持續延伸至600多公里深;然而在太平洋東側,溫暖且年輕的海洋板塊被隱沒,呈現低緩傾角的瓦班氏帶,地震在中南美洲西部底下延伸至200多公里深。有趣的是,南美洲底下的瓦班氏帶地震在600多公里的深度再度出現。目前所知最大的深震是1994年玻利維亞規模8.2(地震矩規模,下同),以及2013年鄂霍次克海規模8.3的地震,兩個深度都超過600公里。

隱沒板塊的溫壓條件跟地表不同,瓦班氏帶的深部地震是以不同的機制來滿足地震發生的條件。地震發生的要件有三:(A)應力產生的來源、(B)介質能夠累積應力、(C)能有瞬間釋放累積能量的觸發機制。在地表的機制是:由於板塊相對運動、被擠壓的岩石其累積剪切彈性位能超過岩石強度時,就在斷層面上的瞬間錯動觸發地震。當溫度隨深度上升時,物質由脆性轉為塑性而不利於彈性應變的累積,壓力的增加則提高斷層上錯動所需剪切應力的門檻,兩者皆有礙地震的產生。一般來說,超過30公里的深度理應沒有孕震的條件,因此,解釋瓦班氏帶上的孕震機制是一個有趣又難解的議題,除了必須符合深部地震在力學上與淺層地震擁有類似的剪切錯動形式,也必須能描述不同隱沒帶的瓦班氏帶特徵。

究竟什麼原因造成瓦班氏帶地震在不同的隱沒板塊,隨著深度有不同的發生率呢?這些不同深度的地震所釋放出的累積應力也反應出板塊內的應力狀態,雖然目前仍有許多科學問題待
解,本文藉由結合地震觀測與礦物物理實驗結果,試著說明現今科學家對中深層地震的發生機制所提出的模型。


中深層地震的發生機制
一般我們將地震依其發生的深度分為淺層(<70>300公里)三種。淺層地震主要集中發生在板塊的邊界,只要有應力累積的條件就可能發生,而中深層地震卻只發生在隱沒的海洋板塊,也因此中深層地震是描述隱沒板塊形貌的最佳觀測。由全球統計可知(圖三),中深層地震發生總數不及淺震的三分之一。地震的數量在深度100~300公里範圍以對數快速減少,接著地震又開始逐漸增多,在深度約600公里處達到峰值,並急遽地在700公里完全消失,全世界深震最活躍的東加隱沒帶也呈現同樣的趨勢。......【更多內容請閱讀科學月刊第562期】

 圖三:地震發生次數隨深度之變化圖。淺層地震發生頻率最高,中層地震隨深度減少,深層地震出現另一峰值。(作者提供)

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