神秘水世界：新西兰深处的“地下海洋”揭示慢滑地震谜团

编者按

慢滑地震（slow slip earthquake）是一种地震现象，与传统地震不同，它的释能速度较慢，通常在数天或数周内逐渐发生。这类地震的能量释放不会导致剧烈的地震震感或破坏，而是以一种相对平稳的方式释放构造板块之间的紧张应力。慢滑地震通常发生在地壳板块边界附近，是一种与地壳运动和构造活动密切相关的现象。虽然它们通常不会造成显著破坏，但研究慢滑地震对于理解地震活动和地壳运动的机制具有重要意义。

近日，“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编在国庆期间读到一篇最新的研究。希库兰吉地震断层（Hikurangi earthquake fault），位于新西兰北岛的海底地壳下方，是一个备受国际学界关注的地震断层。在希库兰吉海岸的三维地震成像和海洋钻探揭示了一个广泛的、以前未知的流体储库，位于俯冲的希库兰吉高大型火成省富含水分（含水量最多达47%）的火山性上地壳中。希库兰吉地震断层的研究对于理解地震活动、构造板块之间的相互作用以及地壳运动具有重要意义。水可能与慢滑地震的发生机制密切相关。这篇研究显示，在这个断层下面埋藏着巨量的水——相当于一个海洋那么大的水量，该研究是对于新西兰的慢滑地震的一个可能的较为科学的解释。编译分享如下，供“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者参考。

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2023年10月4日，研究人员在图像化新西兰的希库兰吉地震断层时，发现了一个相当于海洋的水埋藏在地壳深处。这些水是由侵蚀火山岩带下来的，据信它们减缓了地震断层的活动，使其通过无害的慢滑地震释放了大部分积压的构造应力。

这个地震断层以产生缓慢运动的地震事件，即所谓的“慢滑事件”而闻名。这些地震可以在几天甚至几周内无害地释放积压的构造压力。科学家们想知道，为什么它们在一些断层上比其他地方更频繁地发生？

许多慢滑地震被认为与埋藏的水有关。然而，直到现在，还没有直接的地质证据表明这种大规模的水库存在于这个特定的新西兰断层上。

该研究的首席作者、前德克萨斯大学地球物理研究所博士后研究员安德鲁·盖斯（Andrew Gase）说：“我们还不能深入到足够了解对地震断层的影响，但我们可以看到，流向这里的水量实际上比正常情况要多得多。”

这项研究发表在《科学进展》杂志上，是基于德克萨斯大学地球物理研究所（UTIG）研究人员进行的地震巡航和科学海洋钻探的基础上进行的。

上图：来自NZ3D反射和速度体积的地震剖面，显示了推覆板中的火山特征和断层。（A）P波速度模型和包含希库兰吉高原和积聚楔形体的PSDM反射图像，位于纵向400。黄线与白色圆圈表示火山基底的顶部[HKB/VB (29, 49)]。品红线是浮游单元的顶部。红色实线突出显示巨型逆冲断层，红色虚线突出显示剪切断层，分隔了楔形体中的聚集推覆板（标有F1、F2、Pāpaku和F4）。在俯冲的火山上地壳中存在低速区（LVZ），距离变形前缘超过15千米。上地壳内反射（ICRs）被解释为上地壳内的喷发流和底岩。（B）来自横向391的放大面板，显示了穿越VR1火山锥底下的ICRs的碟状底岩。VR1的底部由点状红线标出。底岩尖端标有红色三角形。VA，火山碎屑台地。（C）（A）中VR2的放大面板。年轻火山锥（VR2b和VR2c）和老火山锥（VR2a）的底部由红色点状线标出。垂直夸大比为2:1。图片来源：Andrew C. Gase等人

盖斯现在是西华盛顿大学的博士后研究员，他呼吁进行更深层次的钻探，以找到水的最终去向，从而使研究人员能够确定它是否会影响到地震断层周围的压力，这将有助于更精确地了解大地震。

研究人员发现水的地点，是一个庞大的火山高原的一部分，这个高原在1.25亿年前太平洋上的地壳表面冒出一个熔岩柱形成，其大小相当于今天美国的面积。这次事件是地球已知的最大火山喷发之一，持续了几百万年。

盖斯使用地震扫描建立了一个古老火山高原的三维图像，在其中他看到了包围埋藏火山的厚厚的分层沉积物。他的UTIG合作者对火山岩的岩心样本进行了实验，并发现水几乎占了它体积的一半。

他说：“正常的海洋地壳，一旦年龄达到大约7000万~1亿年，其含水量应该要少得多。”尽管在地震扫描中的海洋地壳年龄是其寿命的10倍，但它仍然保持得较湿润。

盖斯猜测，火山喷发发生的浅海侵蚀了一些火山，使它们变成了多孔、碎裂的岩石，像蓄水层一样存储了水，随着埋藏，岩石和岩石碎片转化为粘土，封锁了更多的水。

上图：‍超叠加的NZ3D速度和反射体积的三维视图。
该视角朝向南南东，朝向俯冲的希库兰吉高原，相对于俯冲方向向上倾斜。变形前缘由带刺的实线红线标示。(A)在海底剖面。红色的实线和虚线分别是解张断层和主要逆冲断层。火山基底的顶部是实线的黄色线。(B)在火山基底的顶部剖面。标注显示了火山区域(VR1和VR2)、低速区(LVZ1和LVZ2)、高速区(HVZ)和地壳内反射器(ICRs)的位置。垂直夸大比为2:1。图片来源：Andrew C. Gase等人

这一发现很重要，因为科学家认为，地下水压力可能是释放构造应力的关键因素，通过慢滑地震以无害的方式释放构造应力。通常情况下，当富含水的沉积物与断层一起埋藏时，就会发生这种情况，将水困在地下。然而，新西兰的这个断层几乎没有这种典型的海洋沉积物。相反，研究人员认为，这些古老的火山和转化后的岩石——现在是粘土——随着被断层吞噬而运送大量的水。

UTIG主任Demian Saffer是一位研究的合著者和科学钻探任务的联合首席科学家，他表示，这些发现表明，全球其他地震断层可能也面临类似的情况。

他说：“这清楚地说明了流体与构造断层运动风格之间的相关性，包括地震行为。”他说：“这是我们从实验室实验中提出的假设，也是一些计算机模拟所预测的，但在构造板块尺度上进行这种实验的明确领域实验非常少。”

据介绍，这项研究得到了美国国家科学基金会以及新西兰、日本和英国的科学与研究机构的资助。

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编译 | Wendy

编辑 | 绿茵

排版 | 绿叶

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【参考资料】

1. Andrew C. Gase, Nathan L. Bangs, Demian M. Saffer, Shuoshuo Han, Peter K. Miller, Rebecca E. Bell, Ryuta Arai, Stuart A. Henrys, Shuichi Kodaira, Richard Davy, Laura Frahm, Daniel H. N. Barker. Subducting volcaniclastic-rich upper crust supplies fluids for shallow megathrust and slow slip. Science Advances, 2023; 9 (33) DOI: 10.1126/sciadv.adh0150

2. University of Texas at Austin. "Discovery of massive undersea water reservoir could explain New Zealand's mysterious slow earthquakes." ScienceDaily. ScienceDaily, 4 October 2023. <www.sciencedaily.com/releases/2023/10/231004105221.htm>.

3. Aretusini, S., Meneghini, F., Spagnuolo, E. et al. Fluid pressurisation and earthquake propagation in the Hikurangi subduction zone. Nat Commun 12, 2481 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22805-w

4. https://ig.utexas.edu/marine-and-tectonics/hikurangi/

5. GNS Science提供的关于新西兰最大断层带的短视频：

https://www.gns.cri.nz/

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