日本中部俯冲带深部地震的精细地幔板结构与机制

岩石本不该断裂处的地震

大多数地震发生在靠近地表的地方，那里的岩石寒冷且脆性容易断裂。然而，地球上最强烈的震动有些却发生在数百公里深处，那里的温度和压力按理会让岩石流动而非破裂。本研究深入日本中部之下，描绘正在下沉的海洋岩板的隐秘结构，并揭示矿物微小变化和少量水分如何可能触发这些神秘的深源地震。

位于日本深部的复杂“邻里”

日本中部位于多个构造板块相互碰撞并相互潜没的地质要冲。一段古老、寒冷的太平洋海底正在日本下方向地幔深处俯冲，形成一块巨大的下沉岩板。由于日本布满灵敏的地震仪并拥有数十年高质量的地震记录，该区域成为研究俯冲板内深部地震发生位置与机制的理想天然实验室。

洞察下沉岩板内部

作者分析了572次深于300公里的地震记录，这些记录来自一百多台地震台网。利用一种称为“双差层析成像”的先进成像技术，他们追踪不同类型地震波在岩板内的传播速度。波速的变化揭示了岩性差异，类似于医学CT扫描显示人体内部结构。新图像显示在大约330到380公里深度的太平洋岩板内存在一条显著的低速带，夹在上方和下方的高速区之间。这种三层结构比先前模型能解析的要细致得多。

延迟相变的隐秘舌状体

为了解释这些模式，研究重点放在橄榄石——一种主导地幔的常见绿矿物。随着压力增大，橄榄石应当转变为更致密的矿物相。但在非常寒冷的俯冲岩板中，这一转变可能被延迟，留下一个“非平衡”橄榄石的核心，被称为亚稳楔体。层析结果与这一观点一致：中间的低速层很可能标记出一条舌状区域，那里橄榄石正处于主动相变过程中，而上下两层则以更稳定的矿物相为主。波速的细微差异还表明，即使在如此极端的深度，亚稳区周围也可能存在少量水分。

水、挤压与雪崩式破裂

研究团队还通过分析大量地震震源机制——记录每次事件滑动方式的参数——来考察岩板受挤压与拉伸的状态。在中等深度处，岩板主要处于拉伸，这与先前将该深度地震与富水矿物分解联系起来的研究一致。然而在约300公里以下，应力方向发生了翻转：岩板沿其长度方向受到挤压。在更深区域，作者提出，亚稳楔体边缘的微小橄榄石口袋在受压时会突然崩塌为更致密的矿物，形成所谓的“反裂纹”，这些结构可以连成破裂面。较小的地震可能起始于楔体边缘，那里某些含水矿物脱水并加速相变。随着这些破裂体的扩展，它们可以向楔体干燥的内部甚至更远传播，产生更大的深源地震。

这些深源地震为何重要

研究得出结论：解释日本中部下方的深源地震，最合理的是一个组合过程——寒冷的亚稳橄榄石楔体内的矿物相变，深部脱水的促进作用，以及岩板受力方式的引导。本工作提供了迄今为止关于该隐秘楔体及其内部分层的最清晰图像之一，将矿物物理学、深部水循环与实际地震模式联系了起来。尽管其他俯冲带的细节可能有所不同，这些结果将科学家们推近了对为何在按常理应弯曲而非断裂的深处岩石仍能破裂的一般性解释。

引用: Zhang, X., Jiang, G., Zhao, D. et al. Fine slab structure and mechanism of deep earthquakes beneath central Japan. Commun Earth Environ 7, 256 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03280-x

关键词: 深源地震, 俯冲带, 日本海沟, 亚稳橄榄石楔体, 地震层析成像