随着深度的增加, 温度和压力逐渐增大, 岩石的流变学特点将逐渐由脆性转变为塑性。虽然大于40～50 km的深度很可能会禁止任何脆性破裂的出现, 但现今的地震观测数据表明, 大于这一深度的地震非常常见。如果利用常用于解释浅源地震的库伦破裂准则来解释中源地震的发生,

τ_f= τ₀+ μ_fσ_h

式中： τ_f表示岩石抗剪切强度, σ_h表示破裂面上的正应力, μ_f表示破裂面上的摩擦系数。其中 τ₀, μ_f是由岩石的固有属性所决定, 随着温度压力的变化而变化。一般来说当深度达到60 km以上时, 岩石发生剪切破裂所需要的应力 τ_f可能达到1个GPa, 这在目前的研究中认为是难以达到的。但当我们引入流体压力（ P_f）时, 上述公式就转变为：

τ_f= τ₀+ μ_f( σ_h- P_f)

高流体压力的出现减少了潜在破裂面上的有效正应力, 使得破裂所需要的剪切应力大幅减少, 从而使破裂成为可能^{[ 11, 12, 20]}。

现在地球物理学家为验证脱水脆变在中源地震中的重要作用, 纷纷着眼如何由震源数据来分析中源地震。如果脱水脆变的假设正确, 那俯冲板块中水的分布将决定俯冲带地震的发生。而俯冲带流体主要来自于俯冲板块中含水矿物随着俯冲进行而发生的脱水反应, 这就意味着俯冲板块的物质结构（决定含水矿物的分布）与热结构（决定脱水反应的分布）将是决定中源地震分布的重要因素。对于物质结构的研究, Hacker等^{[ 8]}结合岩石学与地震学研究将俯冲洋壳分成4层：①含水的隐晶质-细粒玄武岩层, 其含水矿物将是诱发脱水脆变的主要流体来源；②粗粒辉长岩层, 总体是无水的, 少见地震分布；③局部含水的岩石圈地幔上层, 流体主要来自蛇纹岩的脱水；④无水地幔。这个模型意味着中源地震将为发生在含水的玄武岩层与岩石圈地幔上层, 分别对应着双地震带中的上下两层。同时由于脱水反应是个连续过程, 所以地震不仅仅发生相变边界, 而且是在整个含水矿物区域均有分布。

许多研究者试图通过验证中源地震震源分布与俯冲板块含水矿物脱水反应在空间上可能的耦合来说明两者之间的重要关系。由于目前MORB+H₂O体系、蛇纹岩或地幔橄榄岩体系下的含水矿物的稳定性已经被实验所测定^{[ 21, 22]}, 研究者们^{[ 6, 8, 23～ 25]}利用MORB+H₂O体系下的相图计算得到矿物脱水的温压条件（图3）, 再由理论模型近似计算出俯冲带的热结构, 以得到俯冲板块中脱水反应可能发生的位置, 从而与观测到的震源位置在空间上相互比较, 研究发现两者之间具有很好耦合关系（图4）。也就是说, 理论上中源地震只能发生在俯冲板块的蓝片岩相、硬柱石榴辉岩相、角闪石榴辉岩相等含水高压变质区域, 而“干”的榴辉岩相变质区域应当是没有地震发生的。

图3

Fig. 3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 MORB相图及在不同温压条件下的含水量传统意义上的变质作用禁区（Forbidden zone）中的相关系目前尚有许多不明确的地方（PP. 葡萄石绿纤石相; PA. 葡萄石阳起石相; egA. 帘石石榴石角闪岩相）（据文献[ 44]绘）Fig. 3 Phase diagram for MORB and the water content in various areasPhase relations in the “forbidden zone” are poorly known. (PP. prehnite-pumpellyite; PA. prehnite-actinolite; egA. epidote-garnet amphibolite) (after reference [ 44])

图4

Fig. 4

Figure Option ViewDownloadNew Window

图4 俯冲带地震分布与相关系图（a）日本东北俯冲带热结构, 太平洋板块由西向东俯冲到亚欧板块之下；（b）结合相图计算与（a）图热结构, 得到俯冲板块不同区域含水量, 从而与实际观测的俯冲带地震震源位置（黑点所示）相比较。地震主要发生在含水相区域, 罕见于不含水区域。（据文献 [ 8] 改绘）Fig. 4 Correlation between seismicity and phase relations in subduction zones(a) Thermal structure of the Tohoku subduction zone in northern Honshu, Japan. The Pacific plate is subducting beneath the Euro-Asia plate； (b) The empirical link between seismicity and phase transformations shows that the earthquakes occur chiefly in rocks predicted to contain abundant hydrous phases and is absent or less abundant in rocks predicted to contain anhydrous phases or only trace hydrous phases (after reference [ 8])

Kirby^{[ 12]}提出相对冷的板块快速俯冲可以将水带到深部从而使中源地震发生在更深的位置, 而年轻的、慢的俯冲带中水在相对浅部就被释放, 从而导致地震在深部的缺失。Peacock等^{[ 26]}分析了日本东北冷俯冲带和日本西南热俯冲带中的中源地震分布, 发现日本东北俯冲带中源地震可以持续到200 km深度, 但西南俯冲带的中源地震仅可以持续到65 km, 从而一定程度上证实了Kirby^{[ 12]}的观点。Peacock^{[ 4]}利用有限元热传导模型得到了东北日本俯冲带下层地震带对应的温压条件为约550～800 ℃, 100 km和约350～600 ℃, 160 km, 这些条件恰好对应了脱水反应 叶蛇纹石antigorite(serpentine)→镁橄榄石forsterite +顽火辉石 enstatite + H₂O, 这暗示着叶蛇纹石的脱水反应可能是导致中深地震的主要原因。Hacker等^{[ 8]}以加拿大温哥华岛（Cascadia）（是目前全球最年轻最热的俯冲带）、日本西南、哥斯达黎加中部和日本东北, 由热到冷四条活动俯冲带为研究对象, 结合板块热结构、理论相关系与实际观测到的地震活动, 发现地震总是发生在预计存在含水矿物相的岩石中, 而不出现在无含水矿物相的区域, 从而提出了水在中源地震中的作用。

中源地震发生于大于70 km的深度, 除了地震数据的反馈之外很难获得地震的直接岩石样品与信息, 为此, 实验岩石学家试图通过高温高压实验在实验室条件下模拟深部断裂甚至是地震的发生。众多的实验证据表明, 即使在70 km深度以下的高温高压条件下, 只要有流体的加入, 岩石仍然能够表现出脆性变形的特性, 从而为中源地震的脱水脆变机制提供了理论实验支持。Raleigh等^{[ 10]}在蛇纹石脱水实验中观察到岩石变形中的脱水作用引发了剪切破裂, 同时伴随着突然的应力下降。Raleigh^{[ 27]}由此认为蛇纹石脱水作用是俯冲带地震的主要成因, 因为当时普遍认为俯冲洋壳的主要组成是蛇纹石化橄榄岩。后来随着研究的深入, 俯冲洋壳的蛇绿岩套体系被确立, 洋壳从上到下被认为分别由大洋沉积物, 基性岩层, 超基性岩层组成, 其中基性岩层为主要组成岩石, 显然Raleigh^{[ 27]}的观点受到了质疑。

此后, 大批实验岩石学家在众多体系下证明了, 即使是传统认为的不可能发生脆性变形的温压条件下, 岩石在脱水过程中如果渗透率不足以释放持续升高的流体压力的情况下仍然会发生突然的弱化与脆变。这些已被实验验证的体系包括：绿泥石^{[ 28]}, 透闪石^{[ 29]}, 蛇纹石^{[ 5, 30, 31]}, 角闪石^{[ 32]}, 石膏^{[ 17, 33]}等。Jung等^{[ 5]}在1～6 GPa, 650～820 ℃下分析了蛇纹石脱水过程中I型张裂隙（图5）的形成过程, 认为只要有含水矿物在差应力下的分解, 岩石在不同深度的脱水脆变都可以引发地震, 甚至在脱水反应前后体积变化为负（Δ V< 0）的情况下同样如此。Ko等^{[ 17]}在连通和非连通体系下对石膏的脱水脆变过程进行了详细研究。Dobson等^{[ 31]}在1.5～8.5 GPa, 300～900 ℃条件下对叶蛇纹石的脱水进行了声发射研究（acoustic emission）, 证明了叶蛇纹石在高孔隙流体压力下的脆性变形行为。

图5

Fig. 5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 断层微结构：实验室模拟1～6 GPa条件下蛇纹石的脱水脆变[ 5]Fig. 5 Fault microstructure. In all conditions tested (1～6 GPa) in the lab, the embrittlement of antigorite serpentinite during dehydration[ 5]

虽然通常认为“干”的榴辉岩相意味着脱水脆变诱发地震的终结, 但Zhang等^{[ 34]}认为只需要非常少量的流体就可以诱发岩石的不稳定性, 同时实验证明了即使是名义上不含水的榴辉岩在高温高压下释放的少量羟基水也可以导致断裂的出现, 并认为这可以用来解释热俯冲带中100～250 km的地震成因, 因为一般认为热俯冲带中, 板块在俯冲到100 km之前含水矿物已经全部分解, 所以这一深度不应当发生地震。

相对于众多的理论研究、地震数据解释与高温高压实验岩石学研究, 目前对于中源地震的野外岩石证据还非常匮乏。这主要是由于中源地震发生在大于70 km的深度, 现有技术手段尚且无法获得这一深度的岩石样品。为此, 部分学者开始从已经出露于地表的古俯冲带中经历超高压变质岩石中寻找可能的证据。这些古老的俯冲板块在一系列抬升机制的作用下出露于地表, 给学者们提供了研究俯冲带的直接岩石样品, 其中就可能包含了很多中源地震的信息。

对于浅源地震, 断层面的快速摩擦产生大量的热能, 使得断层面附近发生熔融, 快速冷却后产生玻璃质岩石, 被称为假玄武玻璃（Pseudotachylytes）^{[ 35, 36]}, 所以假玄武玻璃的发现被认为是浅源地震的重要证据。学者对于古中源地震的证据同样延续了这一思路。到目前为止, 学者们在若干处高压—超高压（HP-UHP）变质带中发现了形成于中源地震深度范围内的假玄武玻璃或其衍生物, 从而作为中源地震的重要证据。例如Lund等^{[ 37]}在挪威西片麻岩地区（WGR）变质杂岩中证实了部分岩石样品的水压破裂记录与假玄武玻璃的形成发生于650～700 ℃, 约2 GPa条件下, 可能记录了中源地震的发生。

除了假玄武玻璃的发现, 其他一些深部脆性变形的结构也被认为可能记录了中源地震的证据：

John等^{[ 38]} 报道了赞比亚中部古俯冲带中发现的辉长质榴辉岩。该处榴辉岩被认为是古俯冲洋壳的出露, 于其中发现了榴辉岩相（约630～690 ℃, 2.6～2.8 GPa）的地震记录, 主要证据包括：①超细粒（2～3 µm）绿辉石基质中分布的球粒陨石质岩石可能暗示了曾经假玄武玻璃的存在（图6）, 且其具有与周围绿辉石相同的化学成分；②斑状嵌晶石榴石与细粒（约10 µm）绿辉石共生, 可能暗示了其形成于榴辉岩相超碎裂岩（ultracataclasite）或者碎裂岩（cataclasite）过程。同时, 伴随着地震发生的是外部流体的入侵, 这被岩石中大量的榴辉岩相脉体所记录。

图6

Fig. 6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 赞比亚中部发现的中源地震野外证据（a）图榴辉岩内, 石榴石被包裹在细粒绿辉石、针状金红石基质中；（b）（c）图基质中可见球粒陨石（spherulite）结构, 暗示了曾经假玄武玻璃的存在[ 38]Fig. 6 Field evidence of intermediate-depth earthquakes in central Zambia.（a）Large garnet (Grt) in fine-grained matrix of omphacite (Omp) and tiny rutile needles；（b）（c）Slightly brighter omphacite spherulites occurring dispersed in matrix implicate pre-existing pseudotachylytes[ 38]

最近Angiboust等^{[ 39]}在西阿尔卑斯Monviso蛇绿岩带的研究中发现了硬柱石榴辉岩相的角砾化岩石, 形成深度在约80 km。在野外尺度上, 角砾化岩石主要由1～10 cm的榴辉岩碎块与其周围绿辉石、石榴石、硬柱石构成的围岩组成；而在矿物尺度上, 证据主要包括破裂后由绿辉石充填愈合的脉体以及石榴石环带记录的破裂—愈合过程（图7）。这些证据共同暗示了古中源地震中岩石的角砾化过程, 并且伴随着外部流体的注入。

图7

Fig. 7

Figure Option ViewDownloadNew Window

图7 西阿尔卑斯Monviso蛇绿岩带硬柱石榴辉岩中石榴石的锰与镁成分环带图石榴石生长被分为2期, 第一期表现为富Mn石榴石的生长和随后的破裂, 第二期为边部富Mg石榴石的生长对核部的愈合, 暗示了古地震的存在[ 39]Fig. 7 Mn and Mg content chemical maps of garnet from lawsonite eclogites in Monviso ophiolite, Western AlpsThe garnet shows presence of two main garnet generations: first one exhibits Mn-rich growth, and second is characterized by Mg-rich overgrowth and healed fossilized fracture networks which imply fossil earthquakes[ 39]

通常认为大洋板块最初在大洋中脊产生时是“干”的, 但俯冲过程中脱水反应的存在证明了大洋板块在俯冲之前至少被部分水化（hydration）, 蛇纹岩的脱水作用更是说明大洋岩石圈地幔在俯冲前的水化作用。所以, 大洋板块尤其是其岩石圈地幔的水化过程是个值得关注的问题。单纯用海水沿洋底断层渗入的模式来解释大洋板块的水化是难以让人信服的, 因为通常认为这样的渗透能够到达岩石圈地幔的可能性微乎其微。Francis^{[ 40]}提出海水可以通过转换断层渗入岩石圈地幔。Seno等^{[ 41]}认为水化大洋岩石圈地幔的流体来自于富含挥发分的地幔柱。但地幔柱的分布相对局限, 显然板块尺度上大范围的水化作用很难用这一机制来解释^{[ 24]}。Peacock^{[ 4]}认为海沟处隆起区（outer-rise）的正断层将使海水可以渗透到数十公里以下的岩石圈地幔, 但这依然遭到很多质疑, 例如这样的正断层是否足够深等等。目前来看, 俯冲板块的水化作用还是个需要进一步研究验证的问题。

对于理论模型与地震数据解释的研究方法, 主要的问题包括：①板块的精确热结构目前还很难获得, 因为利用有限元、有限差等方法对俯冲板块的热结构进行计算机模拟会受到众多参数的影响, 例如俯冲板块的年龄、俯冲速度、俯冲角度、板块几何形状、板块的弯曲（bending）、板块岩石的热导率、俯冲剪切生热率与放射性生热率、地幔对流速率等等, 同时这些参数会随着俯冲的进行而不断变化, 很难用一个稳态（steady-state）的模型来模拟板块的俯冲^{[ 42]}。由于计算时不得不采用简化的数学模型, 因此模型的构架以及参数的选择会对最终的结果产生很大的影响, 直到目前还没有任何模型能很好地模拟俯冲带的复杂性。②在计算含水矿物稳定性时, 相图计算采用的简化模型可能难以模拟俯冲过程中进变质反应的复杂性。同时相图计算默认的矿物均衡反应条件也难以达到, 俯冲板块中（尤其是冷俯冲板块）众多亚稳态（metastable）矿物的存在暗示了相变反应并不一定会在它理论上的空间位置发生。③俯冲板块的物质构成的不均一性, 局部的全岩成分的不同将很大程度上影响其脱水反应的反应边界。④震源位置难以精确得到^{[ 8]}。

对于高温高压实验岩石学方法, 在高温高压下观察岩石的变形特征固然可以从一定程度上模拟地球深部的状况且直观可行, 但岩石应变速率对于脆韧性变形的影响在实验室时间尺度和地质时间尺度上的差异往往难以预测。一般认为俯冲板块上层地震带中, 对中源地震最重要的脱水反应是蓝片岩相到榴辉岩相的进变质反应^{[ 43]}, 相对于众多的关于下层地震带蛇纹岩脱水脆变实验, 目前对于蓝片岩的脱水脆变实验室研究尚是一个空白, 可能的原因是由于蓝片岩的低温稳定性使得实验难以短期内完成所致。

而对于那些现今出露于地表的高压-超高压变质带而言, 从中寻找中源地震的证据面临的主要问题在于：①俯冲过程中地震的岩石学记录往往在高温榴辉岩相条件下难以保存；②地震的构造记录在板块抬升过程中被复杂的变形作用所叠加, 以致难以辨认或者完全抹去；③难以判别流体与地震的关系, 是流体诱发了地震？亦或是其他原因诱发了地震, 而后流体沿着地震的破裂带入侵留下脉体的证据。但是由于其岩石样品的可获得性, 从像阿尔卑斯和中国天山高压超高压变质带这样的大洋型古俯冲带中去寻找中源地震的岩石学证据已经成为新的非常重要的研究方法, 重新去审视过去可能忽略的一些古俯冲带岩石结构特征可能会有新的收获。

大洋俯冲带中的中源地震活动多表现为双地震带分布：其下层地震带的流体主要是由于俯冲岩石圈地幔中的蛇纹岩脱水作用, 而对于上层地震带, 其脱水流体主要来自于硬柱石蓝片岩相—硬柱石榴辉岩相—“干”的石榴石绿辉石榴辉岩相（较“冷”的俯冲带）或是绿帘角闪岩相—角闪石榴辉岩相—帘石榴辉岩相—“干”的石榴石绿辉石榴辉岩相（较“热”的俯冲带）的进变质过程。这一系列脱水反应所产生的流体被认为是造成中源地震的最重要的诱因。同时, 脱水作用带来的固体岩石体积的缩小以及中源地震所产生的裂隙提高了岩石的瞬时渗透率, 这样的高渗透率区域可能是俯冲板块流体内部运移和向上进入地幔楔的重要通道, 对于地幔楔的交代作用和弧岩浆的形成都具有重要意义^{[ 7, 8, 18, 38]}。

就目前已有的众多研究成果来看, 在中源地震脱水脆变机制的3中主要验证方法中, 理论研究与活动俯冲带地震数据解释, 高温高压实验室模拟研究虽然存在一定的问题, 但已经均取得了许多重要成果, 为验证该地震机制做出了巨大贡献。而对于方法3：从古俯冲带中寻找中源地震的岩石学证据, 目前的工作尚比较匮乏, 需要进一步的发现与研究。但值得肯定的是, 在古俯冲带中去探寻中源地震的岩石学记录, 将提供给我们最直接的最可信的中源地震证据, 这对研究中源地震成因机制问题将具有非常重要的意义。