Nature Communications：局部應力放大引起的下地殼地震成核
陸內地震大多為上地殼的淺源地震，下地殼的地震很少（30-40 km），因為下地殼的巖石變形以緩慢的蠕變為主，但下地殼也可以發生地震，為了解釋這一現象，目前學者們提出的機制包括：因熱逸散導致塑性失穩，脫水反應導致的流體壓力增加或局部應力重新分布，以及榴輝巖化作用。上述下地殼地震機制都需要巖石在一些特定的環境條件下發生某些礦物反應，使得巖石的結構或成分發生變化，導致巖石弱化而無法承載差異應力，最終引發地震。然而並不是所有的下地殼地震活動的位置都能滿足發生礦物反應的條件。
普利茅斯大學的L.R. Campbell等研究人員在Nature Communications發表研究論文，針對發生在剛性下地殼的陸內地震提出了一種新機制：地殼深處的巖石緩慢蠕變剪切，由於不同剪切帶之間的相互作用，直到它們無法承受不斷增大的差異應力並突然斷裂，從而引發地震。
挪威的Lofoten-Vesteralen群島是世界上為數不多、大面積出露大陸下地殼巖石的地區，為研究下地殼的地震構造提供了重要載體。研究人員首先對該地區進行了詳細的構造填圖分析，發現了多組剪切帶均發育巖石快速滑動過程中摩擦生熱熔融的產物——假玄武玻璃。按構造特徵可將假玄武玻璃分為兩類，強烈糜稜巖化（I類；圖1）和未變形（II類；圖2）。隨後，通過對比I類和II類假玄武玻璃的構造關係以及圍巖麻粒巖相的礦物組合，該團隊認為兩類假玄武玻璃均發生在下地殼層次，溫壓條件為650–750℃和0.7–0.8 GPa。其中II類因為未經歷變形改造，因此被認為是同震產物。同時，結合對II類假玄武玻璃相關的同震破裂長度和位移距離統計，這些地震發生的同時產生了異乎尋常的大應力降（>1 Gpa）。
圖1 強烈糜稜巖化的假玄武玻璃（Campbell et al., 2020）
圖2剪切帶內發育的未變形的II型假玄武巖（Campbell et al., 2020）
因此，研究者在下地殼地震成因上提出了新的解釋：剪切帶將巖石切割為多個獨立的巖塊，邊界剪切帶上持續的蠕變導致加載在塊體上的應力不斷積累增加。在這一過程中，無論是塊體與剪切帶體積比，還是塊體與剪切帶黏度比，都會使得加載在塊體上的應力有著數量級上的變化。一旦塊體上加載的差異應力超過臨界值，塊體就會發生局部地震破裂來釋放應力，產生的地震破裂會集中在塊體內部（圖3a）。雖然彈性應力的積累和釋放在每個塊體內部發生，但是這些塊體內部的地震破裂卻可以維持整個強應變帶蠕變的動態平衡。
圖3 下地殼斜長巖在不同的粘性剪切帶相互作用下破裂及地震成核過程（Campbell et al., 2020）
在下地殼相對堅硬巖石破裂成核的模型中，局部應力增加的條件相對於礦物反應條件較容易形成，也不需要淺部地震來為下地殼提供應力，只需要一個由高強度的、幹的巖塊和剪切帶網絡組成的系統即可形成。這種情況在許多板內下地殼麻粒巖區都有發現，因此該模型可以用來解釋大陸地殼內部深部低震級的地震活動。
【致謝：感謝巖石圈室褚楊副研究員對本文提出的寶貴修改建議。】
主要參考文獻
Campbell L R, Menegon L, Fagereng A, et al.Earthquake nucleation in the lower crust by local stress amplification[J].Nature Communications, 2020, 11: 1322.
（撰稿：楊秋野，張豔/地星室）