NC：流體不足以解釋淺部蠕滑？

長期以來，流體被認為是通過升高孔隙壓力、降低斷層有效正應(yīng)力，進而促進俯沖帶巨型逆沖斷層蠕滑的關(guān)鍵因素。然而在實際俯沖系統(tǒng)中，板片粗糙度、沉積物厚度、上覆板塊剛性及斷裂滲透結(jié)構(gòu)等多因素共同控制了流體的儲存、遷移和排泄過程，并非簡單的“流體輸入-孔壓升高-斷層蠕滑”線性關(guān)系。

位于阿拉斯加-阿留申俯沖帶的Shumagin Gap是一個典型的弱鎖固段（圖1），曾被視為地震空區(qū)，至少一個世紀未發(fā)生過>8地震，大地測量數(shù)據(jù)顯示淺部可能存在明顯蠕滑，2020年7.8 Simeonof地震主要破裂了較深部孕震帶，并未充分破裂近海溝淺部界面。關(guān)于該區(qū)流體狀態(tài)，前人研究尚存在分歧：一方面，太平洋板片彎曲斷裂可能促進流體輸入，地震層析成像也顯示高/

被解釋為流體富集；另一方面，多道地震顯示俯沖沉積物薄而不連續(xù)，大地電磁成像指示淺部存在相對貧流體的高電阻率段。因此，Shumagin Gap的淺部蠕滑是否真的由高孔隙流體壓力控制，成為一個關(guān)鍵問題。

圖1 Shumagin Gap研究區(qū)構(gòu)造背景及EMAGE測量剖面圖。洋紅色虛線勾勒的區(qū)域為2020年7月同震滑動≥0.5m的7.8的地震斷裂帶；藍色虛線表示2021年7月同震滑移≥2m的8.2的地震破裂區(qū)；紅色圓圈表示海底電磁（OBEM）接收器；青色陰影斑塊為歷史上的大逆沖地震破裂

近期，Li等（2026）在Nature Communications發(fā)表的研究，利用海洋可控源電磁法（CSEM）對Shumagin Gap淺部板片界面和上覆板塊進行了高分辨率電阻率成像。研究團隊沿一條從海溝陸側(cè)延伸至外陸架的觀測剖面，布設(shè)了間距約4km的海底電磁接收器，使用深拖式水平電偶極子發(fā)射源注入250-300 A電流，記錄不同頻率和收發(fā)距下的電磁響應(yīng)，并采用MARE2DEM進行二維電阻率反演。

反演結(jié)果顯示，沿板片界面附近發(fā)育一個傾斜的中等導(dǎo)電帶C1，從海溝附近向陸側(cè)延伸約50 km，表明該處確實存在流體，但其導(dǎo)電性不支持大規(guī)模、連續(xù)的流體富集，更代表局部化流體分布（圖2）。更值得注意的是，在距海溝約50-70 km處識別出一個向海傾斜的導(dǎo)電通道C2，可能代表由斷裂控制的高滲透通道，為板片界面流體向上覆板塊甚至海底排泄提供路徑。此外，模型還識別出高阻異常R1（可能代表較強基底）和導(dǎo)電沉積盆地C3。總體而言，流體分布具有明顯的局部化和通道化特征，而非一個富流體的連續(xù)高孔隙度層。

圖2 Shumagin Gap外陸架與弧前的電阻率模型及地震-電磁綜合解釋。（a）垂直電阻率模型，顯示邊緣的關(guān)鍵導(dǎo)電和電阻特征；（b-c）疊加在電阻率模型上的觀測剖面地震反射圖像

為了進一步判斷流體是否足以形成高孔隙壓力，作者利用Archie定律將電阻率模型轉(zhuǎn)換為孔隙度估算，并在不同地溫梯度和膠結(jié)指數(shù)條件下測試結(jié)果穩(wěn)定性（圖3）。結(jié)果顯示，在距海溝約10 km以外，淺部板片界面附近的最大孔隙度約為15%，即使采用偏向高孔隙度的端元參數(shù)，孔隙度仍低于約20%；距海溝約17 km以遠，孔隙度進一步降至11%以下。將孔隙度結(jié)果與沉積物壓實模型比較，估算得到修正孔隙壓力比大致為0-0.4，遠低于高超壓狀態(tài)。這表明Shumagin Gap淺部板片界面處于低孔隙度、低孔隙壓力環(huán)境。

圖3 利用Archie定律估算沿板界面的孔隙度。粗黑線表示由Archie定律推導(dǎo)出的孔隙度，膠結(jié)指數(shù)m=2，地?zé)崽荻葹?0°C/km的線性地?zé)崮Ｐ停豢紤]到本研究中熱結(jié)構(gòu)和沉積物固結(jié)的大范圍不確定性（紅藍色過渡陰影區(qū)），紅色和藍色曲線代表兩種端員情況（m=2.2,G=5℃/km；m=1.8，G=15℃/km）；洋紅色的線顯示了從同測線地震觀測轉(zhuǎn)換得到的孔隙度；細黑線表示不同流體壓力比下的預(yù)測孔隙度，虛線段的預(yù)測孔隙度是由同測線地震結(jié)果轉(zhuǎn)換而來；灰線表示Bray and Karig (1985)的全球壓實趨勢；虛線青色線顯示沿板塊界面使用van Keken and Wilson（2025）的溫度模型估算的孔隙率

這一結(jié)果意味著，Shumagin Gap的滑動行為更可能受多種因素共同控制。首先，板片界面粗糙度可能導(dǎo)致局部應(yīng)力集中與非均一滑動；其次，上覆板塊剛性差異會影響破裂傳播與界面耦合狀態(tài)；此外，斷裂控制的導(dǎo)流通道可能持續(xù)削弱流體封存能力，使淺部界面難以維持長期超壓狀態(tài)。相比傳統(tǒng)“連續(xù)弱化層”模型，Shumagin Gap更像是一個結(jié)構(gòu)-流體耦合控制的復(fù)雜系統(tǒng)（圖4）。

圖4 非均質(zhì)前弧和缺乏流體的淺層巨型逆沖構(gòu)造示意圖

這一認識對地震與海嘯危險性評估具有重要意義。2020年Mw7.8 Simeonof地震并未明顯向淺部傳播，而已有研究表明，弱鎖固甚至長期蠕滑的俯沖段仍可能產(chǎn)生海嘯型結(jié)構(gòu)或局部破裂。因此，“低鎖固”并不等同于“低危險性”。淺部界面是否參與破裂，可能取決于局部剛性、粗糙度、流體狀態(tài)以及斷裂結(jié)構(gòu)等多種因素的共同作用。

總體而言，Li等的研究表明，Shumagin Gap淺部蠕滑并不能簡單歸因于高孔隙流體壓力。流體雖然重要，但其作用必須放在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)背景和應(yīng)力環(huán)境中理解。該研究推動了俯沖帶滑動機制研究從“單一流體控制”向“多因素耦合控制”框架轉(zhuǎn)變，也為重新認識全球其他弱鎖固俯沖段提供了新的思路。

主要參考文獻

Cordell D, Naif S, Evans R, et al. Forearc seismogenesis in a weakly coupled subduction zone influenced by slab mantle fluids[J]. Nature Geoscience, 2023, 16(9): 822-827.

Davies J, Sykes L, House L, et al. Shumagin Seismic Gap, Alaska Peninsula: History of great earthquakes, tectonic setting, and evidence for high seismic potential[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1981, 86(B5): 3821-3855.

Li Y, Naif S, Key K, et al. Electromagnetic imaging reveals insufficient fluids to explain shallow megathrust creep at the Shumagin Gap[J]. Nature Communications, 2026.

Saffer D M, Tobin H J. Hydrogeology and Mechanics of Subduction Zone Forearcs: Fluid Flow and Pore Pressure[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2011, 39(1): 157-186.

Ye L, Lay T, Kanamori H, et al. The 22 July 2020 M 7.8 Shumagin seismic gap earthquake: Partial rupture of a weakly coupled megathrust[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2021, 562: 116879.

(撰稿：吳優(yōu)、李寅初、涂小磊/深地技術(shù)與裝備研究中心）