郭雨帆， 宫 伟， 罗佳宏， 汤兰荣， 董非非， 查小惠

(1. 江西省地震局，南昌 330039；2. 中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 266100；3. 中国地震局地质研究所，北京 100029)

西北太平洋俯冲带断裂几何学特征

郭雨帆1,2， 宫 伟2， 罗佳宏3， 汤兰荣1， 董非非1， 查小惠1

(1. 江西省地震局，南昌 330039；2. 中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 266100；3. 中国地震局地质研究所，北京 100029)

根据P波走时地震数据，使用双差层析成像方法，获得了西北太平洋俯冲带70 km深度内的震源重定位及P波速度结构图件结果；并结合水深地形数据、断裂特征资料，绘制了西北太平洋俯冲带70 km深度内的断裂几何学剖面图件；划分了西北太平洋俯冲带的断裂级别，一级断裂包括：Itoigawa-Shizuoka构造线(ISTL)、Tartary断裂(TF)、Tartary-Tanakura断裂(TTF)、Tartary-Ishikari断裂(TIF)、东日本海断裂(EJSF)、中央萨哈林—北海道断裂(CHSF)、Abashiri断裂(AF)、千岛盆地南部边界(KBB2)、西鄂霍次克断裂(WOF)、东鄂霍次克断裂(EOF)；二级断裂包括：中央构造带(MTL)、Hatagawa构造线(HTL)、日本盆地边界(JBB1、JBB2)、北海道断裂(R8断裂、R9断裂、R10断裂、R11断裂、R12断裂、R13断裂)、千岛盆地北边界(KBB1)、东萨哈林断裂(ESF)、鄂霍次克海断裂(S1断裂、S2断裂、S3断裂)、堪察加半岛断裂(Ka1断裂、Ka2断裂、Ka3断裂、Ka4断裂)；三级及以上断裂数量较多，如逆断性质的R1～R7断裂、R14～R25断裂以及正断性质的N1～N4断裂。

日本海沟；千岛-堪察加海沟；地震层析成像；断裂几何学特征；断裂分级

0 引言

西北太平洋处于4个板块交界之处，北为北美板块(鄂霍次克板块)，西为欧亚板块，西南为菲律宾海板块，东南为太平洋板块(图1)。其中，北美板块和欧亚板块为大陆板块，菲律宾海板块和太平洋板块为大洋板块，两个洋块向两个陆块俯冲汇聚[1]，板块边界地震、火山活动活跃，主要包括日本海沟俯冲带和千岛—堪察加海沟俯冲带，具典型的“沟-弧-盆”体系。研究西北太平洋俯冲带断裂几何学特征有助于我们深入理解研究区构造特征，有助于进一步丰富及细化研究区板块构造理论，能为未来预测评估“俯冲工厂”产生的矿产等资源及预测易发震区带、研究火山作用提供科学依据。

晚元古代(750～600 Ma)，扬子克拉通发生大陆裂陷作用导致古日本诞生，之后西南日本因太平洋超级地幔柱的裂陷作用而逐渐形成被动大陆边缘[2-4]；古生代(540～250 Ma)，扬子克拉通从被动大陆边缘转变为主动大陆边缘(500 Ma)；中生代(250～65 Ma)，中-朝板块和扬子板块碰撞(250～210 Ma)，鄂霍次克板块形成(90 Ma)，古千岛之下开始发生俯冲作用而逐渐形成火山弧(90 Ma)；新生代(65～0 Ma)，古伊豆—博宁弧和菲律宾海板块形成(40 Ma)，千岛、日本等边缘海盆地发育(30～15 Ma)，日本海的扩张使得日本分离成为岛弧(28～15 Ma)[5]。太平洋板块的俯冲作用对西北太平洋地区的地形地貌、构造活动、沉积作用、气候环境、生物样貌等多方面产生了巨大影响。

前人应用多种技术手段对研究区断裂特征进行了研究。Xu等根据盆地几何学特征对西北太平洋边缘海盆地板块构造运动进行了重建，研究了构造演化特征[6]；Kagohara等基于地震反射数据研究了日本本州岛Yokote盆地断裂几何学特征及其构造演化特征[7]；刘鑫将地震层析成像反演得出的北海道岛附近40 km深度范围内的P波及S波速度平面图与北断裂平面图进行对比，发现它们关联性好[8]；Konstantinovskaia研究了堪察加半岛新生代时期弧-陆碰撞及俯冲反转等问题[9]。前人对西北太平洋俯冲带断裂特征研究工作不够系统、全面，虽意识到地震层析成像反演结果与断裂特征有联系，

注：红色粗线为大研究区；黄线为板块边界；红色细线为测线；红色三角形为火山；水深地形数据源于美国国家海洋和大气管理局(National Ocean and Atmospheric Administration，简称NOAA)；MTL为中央构造带；ISTL为Itoigawa-Shizuoka构造线；JBB1、JBB2为日本盆地北、南边界；EJSF为东日本海断裂；TF为Tartary断裂；TTF为Tartary-Tanakura断裂；HTL为Hatagawa构造线；TIF为Tartary-Ishikari断裂；CHSF为中央萨哈林-北海道断裂；AF为Abashiri断裂；R8～R13为北海道断裂；KBB1、KBB2分别为千岛盆地北、南边界；WOF、EOF分别为西、东鄂霍次克断裂；ESF为东萨哈林断裂；S1～S3为鄂霍次克海断裂；Ka1～Ka4为堪察加半岛断裂；R1～R7、R14～R25为小型逆断层；N1～N4为小型正断层图1 区域水深地形、测线位置及断裂平面展布图

但尚未利用震源重定位及速度反演结果指导断裂研究。本文利用P波走时数据对西北太平洋俯冲带进行震源重定位和速度结构反演，结合水深地形数据、前人断裂特征资料，绘制研究区70 km深度内的断裂几何学剖面图件，划分了断裂级别，为全面深入理解西北太平洋俯冲带特征提供地震层析成像及断裂几何学研究成果。

1 数据和方法

本文使用的TomoDD软件，是张海江教授等基于双差定位方法研发的层析成像反演软件，能够同时解决定位和速度结构联合反演问题[10]。正演计算采用的是伪弯曲算法[11]，反演计算则采用了最小二乘正交分解法[12]。

P波走时目录数据源于国际地震中心(International Seismological Centre，简称ISC)，经过EHB方法校正[13]，包括日本海沟俯冲带、千岛—堪察加海沟俯冲带、海沟转折处俯冲带3个研究区。为了提高反演结果可靠性，下载数据和设置网格时将深度延伸至200 km，最终取0～70 km深度内的速度反演结果进行分析和讨论(表1～2)。

表1 西北太平洋俯冲带数据具体情况统计表

表2 西北太平洋俯冲带反演网格参数表

2 结果及其初步解释

经多次震源重定位及速度反演迭代，3个研究区的P波走时残差均方根大幅度下降(表3)，将最后一次反演迭代结果作为最终结果。

表3 最终次反演迭代后的P波走时残差均方根值

总结前人断裂研究成果[9,14-25](表4)，发现前人对断裂的走向、倾向、性质等要素研究程度较高，而对倾角、深度等断裂要素研究尚缺乏。

表4 西北太平洋俯冲带前人资料断裂要素总结表

地形的变化能指示断层、火山等地质活动。双差层析成像能对断层、火山等构造单元附近的地震进行精确定位并进行速度反演；反过来，反演得到的震源位置及速度结构能够指示断层、火山的特征。一般地，在海拔骤降、地震发生、P波速度变化的地方发育断裂。由前人断裂资料(图2)，可确定各测线剖面上各断裂的位置、倾向、性质。在此基础上，根据地形、震源重定位及速度反演结果，对研究区内各剖面上断裂的几何学特征进行精细刻画(重点确定各断裂的倾角、切割深度)，最终得到由南至北各测线剖面的断裂剖面图(图3)。

P波速度为7 km/s的等值线能一定程度地指示莫霍面[10]。据图3，地形与Vp=7 km/s的等值线深度大致呈“镜面对称”的关系，具体表现在：在弧后，水深较大，Vp=7 km/s的等值线深度较小；在火山弧及弧前，海拔较高，Vp=7 km/s的等值线深度较大；在海沟附近，水深达全区最大，Vp=7 km/s的等值线深度减小。

日本海沟俯冲带内断裂大多呈NNE走向，NEE或NWW倾向，中等—较大倾角，纵向延伸距离变化大，一般在地壳内发育，平面形态为弯曲形或直线形，剖面形态为铲状，断裂性质多样。海沟转折处俯冲带内断裂呈NNW或N走向，为NEE或E倾向，中等—较大倾角，纵向延伸距离变化大，发育深度可至莫霍面或太平洋俯冲板块上边界，平面形态为弯曲形，剖面形态为铲状，断裂性质为逆断型，大型断裂还具有右旋走滑的性质(如TIF、CHSF、AF)。千岛—堪察加海沟俯冲带内断裂走向和倾向多样，中等—较大倾角，纵向延伸距离变化大，主要在地壳内发育，平面形态为弯曲形或直线形，剖面形态为铲状或平直状，断裂性质多样。

值得注意的是TIF、CHSF、AF及R8～R13组合成的断层组合样式，它们呈阶梯状分布，均向东逆冲，从西向东倾角逐渐增大、上盘逐渐上升，在地壳的底部可能发育滑脱层，与上覆断裂相连，特殊的断裂组合与研究区内特殊的应力挤压状态有关：既受到东南部太平洋板块NW向俯冲汇聚作用，又受到东北部千岛弧前碎片带SW向挤压碰撞作用。

日本海沟俯冲带和千岛—堪察加海沟俯冲带都受到太平洋板块俯冲汇聚作用，因此在一些方面存在相似处：俯冲倾角上，由浅至深，俯冲倾角逐渐增大；地震分布上，主要集中在太平洋板块岩石圈内(上部最多)，与板块边界平行分布，而在上覆板块壳幔中也有一定数量地震分布，以火山下方最为发育；板块形态上，剖面上均呈现高速的太平洋板块向低速的上覆板块俯冲的形态。另一方面，由于地理位置不同，各俯冲带受到的构造应力、火山作用、沉积环境等不同，因此存在差异性：俯冲倾角上，日本海沟俯冲带板块俯冲倾角小于千岛—堪察加海沟俯冲带；地震分布上，在某些地区地震散乱分布，如K19测线剖面，这可能与太平洋俯冲板块部分缺失有关[26]；板块形态上，海沟转折处俯冲带高速异常体对应的太平洋俯冲板块在剖面西部—中部弯曲上拱，而在剖面东部弯曲下凹，这与海沟转折处复杂的应力环境有关。

注：红色三角形为火山；倒三角形为海沟；黑色特粗线为陆地；黑色粗线为Vp=7.0 km/s的等值线；黑色细虚线为DWS=100等值(Derivative Weight Sum，简称DWS，偏微分加权数法，本文认为DWS≥100时分辨率好、可靠性高)；白粗线为太平洋俯冲板块上界面；其他部分同图1。a 水深地形图； b 断裂解释前剖面；c 断裂解释后剖面图2 断裂解释过程示意图

3 讨论

伊豆—博宁海沟、日本海沟、千岛—堪察加海沟控制了西北太平洋俯冲带生长演化等重要过程，而断裂活动是海沟俯冲带内强烈的应力作用的主要表现形式之一，研究区内长期而复杂的构造演化导致不同分布范围、规模、形态、性质断裂的发育，对断裂级别进行划分有助于我们更好地理解研究区的构造特征。

根据图3，补充前人研究成果表4中倾角、长度、切割深度等断裂要素，并对前人研究的断裂要素进行一定程度地校正，再根据前述断裂分级原则，最终得到表5和表6。断裂分级主要考虑2个原则：断裂的空间范围(平面延伸长度及切割深度)及其贯穿构造单元的范围(即具体贯穿了几个构造单元)；断裂对构造单元发育演化的贡献大小。综合考虑分级原则，对西北太平洋俯冲带断裂分级(图4)。

注：红色三角形为火山，倒三角形为海沟，黑色特粗线为陆地，黑色粗线为Vp=7.0 km/s的等值线，黑色细虚线为DWS=100等值线，白粗线为太平洋俯冲板块上界面。其他部分同图1)图3 西北太平洋俯冲带不同位置典型断裂剖面图

研究区内一级断裂(图4)包括：Itoigawa-Shizuoka构造线(ISTL)、Tartary断裂(TF)、Tartary-Tanakura断裂(TTF)、Tartary-Ishikari断裂(TIF)、东日本海断裂(EJSF)、中央萨哈林—北海道断裂(CHSF)、Abashiri断裂(AF)、千岛盆地南部边界(KBB2)、东鄂霍次克断裂(EOF)(表5)。它们的空间延伸长度大，贯穿多个构造单元，是大型构造单元的边界。ISTL与北部的EJSF、TF、TTF共同构成了欧亚板块与鄂霍次克板块(北美板块)的边界；TIF、CHSF、AF组成的右旋走滑剪切带是控制其西侧日本盆地及东侧千岛盆地发育的重要边界；KBB2、EOF分别是鄂霍次克海的南、东边界[6]。

研究区二级断裂(图4)包括：中央构造带(MTL)、Hatagawa构造线(HTL)、日本盆地边界(JBB1、JBB2)、北海道断裂(R8断裂、R9断裂、R10断裂、R11断裂、R12断裂、R13断裂)、千岛盆地北边界(KBB1)、东萨哈林断裂(ESF)、鄂霍次克海断裂(S1断裂、S2断裂、S3断裂)、堪察加断裂(Ka1断裂、Ka2断裂、Ka3断裂、Ka4断裂)(表6)。它们空间延伸长度中等—较大，贯穿整个构造单元，是构造单元内部次级单元的重要边界。MTL和HTL将日本本州岛分为西南日本、中部日本和东北日本；JBB1、JBB2分别为日本盆地北、南边界[17]；R8～R13断裂是中央北海道—萨哈林岛剪切带的组成部分，也是日高山脉等北海道山系的边界[27]；KBB1、S1～S3断裂及其北部的左旋走滑断裂是鄂霍次克海盆内次级盆地的重要边界；ESF是萨哈林岛的东边界；Ka1、Ka4断裂是堪察加半岛的西、东边界，而Ka2、Ka3断裂是堪察加半岛东西山脉间的分界[9]。

研究区三级及以上断裂(图4)数量较多，如逆断性质的R1～R7断裂、R14～R25断裂以及正断性质的N1～N4断裂。它们空间延伸长度小，产状、性质多样，对局部小构造起控制和调节作用。

图4 西北太平洋俯冲带断裂分级平面图(注释部分同图1)

代号走向倾向倾角/(°)长度/km深度/km平面形态剖面形态断裂性质ISTLNWSW68300～40020弯曲形铲状逆走滑(左旋)型TTFNNWNEE50～671000～120020～35弯曲形铲状逆走滑(右旋)型TIFNNWNEE29～45600～80011～33弯曲形铲状逆走滑(右旋)型CHSFNE45～58gt;140010～35弯曲形铲状逆走滑(右旋)型AFNNWNEE60～71gt;140013～30弯曲形铲状逆走滑(右旋)型KBB2NENW40～511600～180010～20弯曲形铲状正断型EOFNNW-90gt;50032弯曲形平直状走滑(右旋)型

表6 西北太平洋俯冲带二级断裂要素总结表

4 结论

本文基于P波走时地震数据、水深地形数据、断裂特征资料，应用双差层析成像法，可以形成以下认识：

获得了西北太平洋俯冲带之下0～70 km深度范围内的三维结构特征。具体包括日本海沟俯冲带的震源重定位结果及其P波速度结构、千岛—堪察加海沟俯冲带的震源重定位结果及其P波速度结构、高精度的海沟转折处俯冲带的震源重定位结果及其P波速度结构。

绘制了西北太平洋俯冲带70 km深度内的断裂几何学剖面图件，包括日本海沟俯冲带的断裂几何学剖面图件、千岛—堪察加海沟俯冲带的断裂几何学剖面图件、高精度的海沟转折处俯冲带的断裂几何学剖面图件。

划分了西北太平洋俯冲带的断裂级别。整合前人及本文断裂特征研究成果，综合分析断裂的走向、倾向、倾角、性质、平面展布长度、切割深度及对相关构造单元的控制作用等特征，制定统一的划分标准，将研究区内的断裂带大致分为3级。一级断裂包括：Itoigawa-Shizuoka构造线(ISTL)、Tartary断裂(TF)、Tartary-Tanakura断裂(TTF)、Tartary-Ishikari断裂(TIF)、东日本海断裂(EJS)、中央萨哈林—北海道断裂(CHSF)、Abashiri断裂(AF)、千岛盆地南部边界(KBB2)、西鄂霍次克断裂(WOF)、东鄂霍次克断裂(EOF)，它们的空间延伸长度大，贯穿多个构造单元，是大型构造单元的边界；二级断裂包括：中央构造带(MTL)、Hatagawa构造线(HTL)、日本盆地边界(JBB1、JBB2)、北海道断裂(R8断裂、R9断裂、R10断裂、R11断裂、R12断裂、R13断裂)、千岛盆地北边界(KBB1)、东萨哈林断裂(ESF)、鄂霍次克海断裂(S1断裂、S2断裂、S3断裂)、堪察加断裂(Ka1断裂、Ka2断裂、Ka3断裂、Ka4断裂)，它们空间延伸长度中等—较大，贯穿整个构造单元，是构造单元内部次级单元的重要边界；三级及以上断裂数量较多，如逆断性质的R1～R7断裂、R14～R25断裂以及正断性质的N1～N4断裂。它们空间延伸长度小，产状、性质多样化，对局部小构造起控制和调节作用。

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FractureGeometryFeatureoftheNorthwest-PacificSubductionZones

GUO Yu-fan1,2, GONG Wei2, LUO Jia-hong3, TAN Lan-rong1, DONG Fei-fei1, ZHA Xiao-hui1

(1. Jiangxi Earthquake Agency, Nanchang 330039, China; 2. College of Marine Geo-sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, Beijing 100029, China)

Based on P-wave travel time of seismic data, processed using the double difference tomography method, the hypocenter relocation results and P-wave velocity structure within the range of 0～70 km beneath the Pacific ocean subduction zones can be obtained. Combining with the bathymetric data and fracture feature data, we obtained the fracture geometry feature within the range of 0～70 km beneath the Northwest of the Pacific Ocean subduction zones and identified the fracture classification of Northwest-Pacific subduction zones. 1-level fractures include Itoigawa-Shizuoka Tectonic Line (ISTL), Tartary Fault (TF), Tartary-Tanakura Fault (TTF), Tartary-Ishikari Fault (TIF), East Japan Sea Fault (EJSF), Centre Hokkaido Sakhalin Fault (CHSF), Abashiri Fault (AF), the South of the Kuril Basin Boundary (KBB2), the West of Okhotsk Fault (WOF), the East of Okhotsk Fault (EOF). 2-level fractures include Median Tectonic Line (MTL), Hatagawa Tectonic Line (HTL), the North and the South of the Japan Basin Boundary (JBB1, JBB2), Hokkaido Faults(R8-fault, R9-fault, R10-fault, R11-fault, R12-fault, R13-fault), the North of the Kuril Basin Boundary (KBB1), East Sakhalin Fault (ESF), Okhotsk Faults(S1-fault, S2, S3)、Kamchatka Faults (Ka1-fault, Ka2-fault, Ka3-fault, Ka4-fault) . The number of 3-level and above level fractures is large, such as R1～R7 faults, R14～R25 faults which are reverse faults and N1～N4 faults which are normal faults.

the Japan trench; the Kuril-Kamchatka trench; seismic tomography; fracture geometry features; fracture classification

郭雨帆，宫伟，罗佳宏，等. 西北太平洋俯冲带断裂几何学特征[J]．华北地震科学，2017，35(4):1-10.

2017-04-05

地震科技星火计划攻关项目(XH16023)；江西省地震局青年基金(JXDZ-KY-201701)

郭雨帆(1992—)，女，湖南株洲人，助理工程师，主要从事地震层析成像与构造学研究. E-mail:guoyufan_ouc@126.com

P315.25

A

1003-1375(2017)04-0001-10

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.04.001