GRL：马里亚纳海沟南段的外缘隆起区深切断层

俯冲带是地球表面与深部物质交换的重要场所，大量的水伴随着俯冲板片进入地球内部并影响地震与火山活动（图1）。绝大多数海水通过俯冲板片外缘隆起区域广泛发育的正断层进入俯冲板片，有时这些断层能够触及上地幔，从而导致上地幔的水化。因此，可以通过外缘隆起区发育有多少断层、这些断层有多深来协助判断俯冲板片的含水量。

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图1. 全球俯冲带外缘隆起区地震分布

作为全球最深的海沟，马里亚纳海沟吸引着全球科学家的目光，也有许多奥秘有待被揭开。多波束测深数据显示，在马里亚纳俯冲带南段的外缘隆起区广泛分布着大量断层（图2a）。一个重要科学问题就是：这些断层有多深？俯冲带弯曲的形态是否影响了这些断层的发育？
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解决这个问题需要依赖地震数据。然而马里亚纳海沟远离陆地，水深数公里，近场观测数据很难获得。香港中文大学杨宏峰教授团队，利用在马里亚纳俯冲带南部挑战者深渊附近的12台海底地震仪(OBS)，对马里亚纳俯冲带的外缘隆起区断层进行了深入研究。

他们首先将基于机器学习的震相检测技术应用于OBS数据，成功检测并精确定位了1972个地震，其中包括一个发生于外缘隆起区的地震集群（图2b）。这一地震集群可以用来研究外缘隆起断层的发育情况。

图2. （a）研究区域地质图。三角形代表海底地震仪，圆点代表定位得到的地震。半透明白色覆盖区域代表外缘隆起区。（b, c, d）外缘隆起区的地震子集群及刻画出的断层。（d）子集群地震的波形对比。

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一个简单的原理是：如果把地震也划分为不同“家庭”，那么同一个断层上的地震可以视为“一家子”，而彼此之间“样貌“会比较相似。地震波形就代表地震的”样貌“，地震“家庭”也就代表着地震子集群。所以，可以通过计算波形互相关系数来搜索波形相似的地震、建立地震子集群、并确定孕震断层。

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作者利用上述手段最终确定了一个最大的地震子集群，刻画出了一条发育至50km深度的外缘隆起断层，该断层超出了此前数值模拟给出的板片中性面的深度（约30公里）。

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下一个问题就是，这个断层是什么类型的断层呢?

尽管受限于台站与数据情况，通过各种方法获取可靠震源机制解都未获成功，但研究区域广泛的低S波速度结构（Zhu et al., 2021）指示了超过30km深度的板片水化和伸展应力区域，因此，可以推断出这里发现的断层是正断层。

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研究结果也表明，俯冲带外缘隆起的地震分布并不均匀。在一定的条件影响下（例如俯冲板片横向形态的变化），外缘隆起区域可能发育超预期深度的断层。这预示着在马里亚纳海沟南部，俯冲板片带入地球内部的水可能比此前估计的还要多。

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参考文献

Zhu, G., Wiens, D. A., Yang, H., Lin, J., Xu, M., & You, Q. (2021). Upper mantle hydration indicated by decreased shear velocity near the southern Mariana Trench from Rayleigh wave tomography. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL093309.

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https://doi.org/10.1029/2021GL093309

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论文原文

https://doi.org/10.1029/2022GL097779