通過地震活動和地形變推斷馬約特島附近深部巖漿的動態運移

2020-12-09 中科院地質地球所

NG：通過地震活動和地形變推斷馬約特島附近深部巖漿的動態運移

火成巖厚度可達幾公裡至幾十公裡，它的形成和生長是地殼成形的重要過程。隨著研究的深入，人們越來越多地認為：火成巖的生成發生在整個地殼中（Cashman et al., 2017），很可能不是單一的生長過程，而是由不連續巖漿的反覆注入與積聚而成，但該過程在空間和時間上如何控制深部火成巖的侵位和生長以及相關礦床的形成機制仍不大清楚（Menand, 2011）。長距離巖漿運移現象在地殼內普遍存在（Ishizuka et al., 2014），巖漿運移不僅對火山建造的形成和火山活動有著重要的控制作用，而且對火山效應評估、裂谷帶形貌、洋殼形成以及大陸地殼的最終演化和增生都有著重要的控制作用（Ishizuka et al., 2014）。

地質調查、巖石學和地球化學、地球物理學與火山學等在分析研究巖漿運移過程中發揮著重要的作用，但地殼深處巖漿運移的動態過程很難被捕捉到（Cesca et al.，2020）。新近在Nature Geoscience發表的文章，利用地球物理（地震活動和地形變）觀測資料推斷出2018年5月至2019年3月的馬約特（Mayotte）島附近深部巖漿排出的動態過程。

西印度洋的馬約特島以東約35km為地震相對平靜區，但自2018年5月開始發生了複雜的地震活動，包括有史以來最大的Mw5.9地震以及2018年11月全球地震臺網檢測到的長周期地震信號（VLP事件），馬約特島上的全球衛星導航系統（GNSS）4個觀測站也記錄到長期的沉降和東傾的位移（圖1a）。

作者利用2500km內的區域地震臺和遠在哈薩克斯坦ABKAR地震臺陣記錄的觀測數據，以4個不同速度結構模型進行了地震矩張量的全波形反演和深度震相分析，獲得了較強的火山構造地震的震源機制、質心位置和震源深度（圖1a中的震源球），且利用位於馬約特島上的YTMZ三分量地震臺（震中距100km內）來檢測較弱火山構造地震的相對位置（圖1a中的圓點），最終共檢測到6990個火山構造地震且確定了1904個地震的位置，並識別出407個VLP事件且得到22個VLP事件的高質量質心矩張量解（圖1a中帶紅線的黑白色震源球）。

作者通過地震和地形變數據分析，確定了研究時段的火山構造地震活動可劃分為4期：

（1）2018.5.10-2018.6.7為第1期，該期是火山構造地震最活躍的時段，5.15-5.20共發生11次Mw>5地震且主要發生在馬約特島以東約35 km處（圖2a），5.31-6.7的地震活動展示出向上遷移（參見圖2b及圖1a中深度剖面圖上的紅線箭頭）；

（2）2018.6.7-2018.6.18為第2期，地震震中向南移動到靠近發現的海底火山位置（圖1a中橙色的圓和矩形條所示），第1-2期的震源機制以左旋走滑機制為主（圖1a）；

（3）2018.6.28-2018.9.17為第3期，VLP事件佔主導，幾乎沒有發生Mw>4.5火山構造地震（圖2a）；

（4）2018.9.17-2019.3為第4期，VLP事件增多並伴隨著新型的火山構造地震活動（圖2c和d）。

4個GNSS站觀測數據推斷出的VLP源位置（圖1a深度剖面中的紅色虛線橢圓）靠近馬約特島，所有伴隨著VLP事件的火山構造地震和第3-4期的大多數火山構造地震（圖1及圖2a和c的紅色和綠色點）都位於更靠近馬約特島的地方，並具有陡傾的NE-SW逆衝震源機制（圖1a），與研究區的張扭性應力狀態不一致。

該研究認為馬約特島附近的深部巖漿活動過程可劃分為2個主要活動階段（圖3）：在第一階段（第1-2期）發生的由深到淺向上遷移的較強地震群活動是巖漿從Moho面向地表運移過程的響應，第2期結束時間可能標誌著海底巖漿噴發的開始；在第二階段（第3-4期）同步發生的VLP事件和火山構造地震活動及相關的大規模沉降變形，則標誌著大型巖漿儲庫的巖漿排出伴隨著的巖漿儲庫圍巖的逐漸破壞並觸發共振而致。研究分析表明：在馬約特島和新出現的海底火山間存在長約15km的近水平巖漿儲庫，該巖漿庫的深度位於25-35km，分析時段內至少有1.3km3的巖漿排出。

圖1 地震震源和形變觀測結果展示（a）與葛摩群島及主要構造和歷史地震及其震源機制解分布圖（b）。a中震源球和圓點的顏色代表著與YTMZ臺(黃三角形)的距離和波形相似性（Cesca et al., 2020）

圖2 巖漿活動相關的時間序列（Cesca et al., 2020）。a.火山構造地震的震級(圓點)和日發生率(黑線)；b.基於地震矩張量反演(圓點)和臺陣分析(x)獲得的火山構造地震深度；c.YTMZ站記錄到的火山構造地震的S-P到時差作為到Mayotte島距離的近似；d.VLP事件的震級(紫色圓點)和日發生率(黑線)；e.VLP事件優勢周期；f.GNSS的MAYG觀測站去均值和去傾後的東傾和北傾與垂直向位移；g.與巖漿活動相關的火山構造地震(藍線和紅線)、VLP事件(靛藍線)和MAYG站位移矢量長度(綠線)的歸一化累積數

圖3 深部巖漿動態運移過程示意圖（Cesca et al., 2020） 　

參考文獻

1.Cashman K V, Sparks R S J, Blundy J D. Vertically extensive and unstable magmatic systems: a unified view of igneous processes[J]. Science, 2017, 355(6331): eaag3055.

2.Cesca S, Letort J, Razafindrakoto H N, et al. Drainage of a deep magma reservoir near Mayotte inferred from seismicity and deformation[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(1) : 87-93.

3.Ishizuka O, Geshi N, Kawanabe Y, et al. Long-distance magma transport from arc volcanoes inferred from the submarine eruptive fissures offshore Izu-Oshima volcano, Izu–Bonin arc[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2014, 285: 1-17.

4.Menand, T. Physical controls and depth of emplacement of igneous bodies: A review[J]. Tectonophysics, 2011, 500(1-4), 11-19. 　

（撰稿：陳棋福/地星室）

美編：徐海潮

校對：張騰飛

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