SZ4D计划：用4D技术认识俯冲带灾害过程

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	SZ4D计划：用4D技术认识俯冲带灾害过程
	赵纪东
	2017-06-15
所属快报	地球科学快报
出版年	2017
期	12
语种	中文
领域	地球科学
栏目	地震与火山学
中文关键词	4D技术 ; 俯冲带 ; 灾害过程
中文摘要	2016年9月底，在美国国家科学基金会地球科学处（EAR）、海洋科学处（OCE）和国际计划办公室（IPO）的资助下，以及美国地质调查局（USGS）和其他国际组织（如新加坡新加坡南洋理工大学地球观测与研究所）的协助下，美国地震学研究联合会（IRIS）在美国爱达荷州的博伊西（Boise）组织召开了俯冲带观测站研讨会（Subduction Zone Observatory Workshop），来自全球22个国家的250名科学家参加了此次会议，就俯冲带基础过程及其相关灾害进行了广泛讨论。
情报分析_信息来源性质	政府机构
情报分析_信息来源机构	美国地震学研究联合会（IRIS）
情报分析_机构类别	政府机构
情报分析_信息来源国家	美国
情报分析_信息类别	会讯
情报分析_研究主题	分析和展望了捕捉俯冲带过程
情报分析_研究内容	2017年5月底，IRIS向美国国家科学基金会提交的最终报告公布，其提出了一项面对未来10年的科学计划，即《俯冲带四维研究计划：用四维技术认识俯冲带灾害过程》（The SZ4D Initiative: Understanding the Processes that Underlie Subduction Zone Hazards in 4D），报告总体分析和展望了捕捉俯冲带过程（形成灾害并驱动固体地球和地表的演化）在时间和空间尺度上所发生四维变化的前景。该计划将不仅改善人类对地震、火山、海啸等自然灾害的认识，所获得的观测数据还将解决地球科学领域一系列重大挑战，比如通过地壳和地幔的流体通量、岛弧的地球化学过程、岩浆活动和火山喷发、地表过程与深部过程之间的联系、地震周期、从数秒到几百万年和从数米到几千米尺度上对大型逆冲地震的响应等。在此，我们对俯冲带的作用及其研究情况，以及SZ4D计划所针对的4大科学问题及一些前沿性的观测活动计划作一简要介绍。 1 俯冲带及其研究 1.1 俯冲带产生了地球上最大的地质灾害通过聚集大量的机械能，并将其在狭窄的海岸地带释放，俯冲带成为这些人口密集区一系列地质灾害风险（比如地震、海啸、火山喷发等）的罪魁祸首。在那些能量储存活动进行了几个世纪，然后在几分钟内将这些能量释放出来的板块边界区域，往往会发生最强地震，比如1960年的智利地震、1964年的阿拉斯加地震、2004年的苏门答腊地震、2011年的东日本大地震（此次地震刷新了日本的地震历史记录，成为当时日本有观测史以来最大的地壳变动记录，同时，也进入1900年以来的全球第四大地震之列）。 1.2 俯冲带控制固体和流体地球的演化大洋板块俯冲所导致的物质循环进出地幔可能是地球上最为重要的地质过程，这一过程引起了重力能量的变化，进而驱动了板块的运动，以及地表物质与地球深部物质的混合。因此，俯冲运动决定了地幔对流的活力，这反过来又驱动了板块运动的步伐、大陆的离散与聚合、海平面的上升和下降。这一构造引擎几乎是所有地质形变的源头，同时，俯冲带也形成了地球上最深的海沟和最高的山脉。 1.3 21世纪的俯冲带研究进入21世纪，一系列的自然灾害造成巨大损失，这不断强化了人类对理解俯冲带物理过程的迫切需求。与此同时，新的观测技术不断出现，导致了快速的进步，以及一些前所未有的发现，比如地震慢滑事件的发现——这是在太平洋西北地区和日本部署了密集的观测设施后才取得的发现。为了减轻俯冲带灾害给社会带来的风险，需要对驱动俯冲带活动的物理和化学过程进行深入研究。21世纪的前15年以新的科学见解和技术进步为特征，现在，观测网络和科学组织仍在成长，但是由于认识上的差距，以及资源短缺等原因，目标依旧遥远。越来越多的科学家认识到，只有更广的国际合作，更强的跨学科整合，才能取得新的技术进步来征服俯冲带观测前沿。因此，SZ4D计划是一个跨学科的综合研究计划。 2 SZ4D计划的重大科学问题科学问题是推动SZ4D计划提出的关键基础，这些科学问题及其具体的研究内容主要如下： 2.1 大地震在哪里发生，什么时候发生（1）俯冲带的哪一部分更可能发生大地震，哪些因素又控制着这些可能性？（2）在一个地震周期中，应力是如何累积的？（3）慢滑事件的作用是什么，其释放了构造应力，还是促进了地震的发生？（4）什么因素导致了前震的发生，这意味着大地震孕震的开始吗？（5）在哪些物理条件下，地震过程中的快速滑移会使海底发生形变，并增加大海啸发生的可能性？（6）沿俯冲带大型逆冲区的哪些过程控制着地震滑动向蠕动的转换？（7）在远离板块边界的俯冲带，哪些因素控制着地震的发生、规模，以及其所引起的海底变形？ 2.2 从地壳到火山，地幔岩浆的形成有何关联（1）各个岛弧的岩浆生成和地壳结构有何不同，什么因素又控制着岩浆的形成速率？（2）岩浆在上地幔和地壳中的运移速率有多快，什么因素控制着岩浆在火山下方的存储位置？（3）驱动火山喷发前有关现象出现的物理过程是什么，哪些事件又是火山喷发的前兆？（4）深入研究和认识发生在火山下方的物理与化学过程，能否指导火山喷发的预测，这与最先进的天气预报类似吗？ 2.3 俯冲带输入[ Subduction Input，沉积物、洋壳及地幔岩石圈下沉进入俯冲带时所携带的水、碳等]的空间差异如何影响地震活动和岩浆作用（1）输入板块（incoming plate）水合作用的范围在横向上有哪些差异？（2）俯冲输入过程中的岩性和地质特征如何影响地震活动和火山作用？（3）俯冲输入如何影响俯冲带的热结构和挥发物的存留？ 2.4 地表过程如何与俯冲活动发生联系（1）物质运移、地壳形变和地幔动力过程在改变地形中的相对作用如何？（2）基岩强度如何影响物质通量？（3）地下水文和基底流变如何相互作用，并影响滑坡的发生及其破坏力？（4）俯冲和气候之间的相关作用如何影响地形，以及对造山楔的侵蚀？（5）俯冲沉积物和岛弧的岩浆通量是否会影响山脉的高度？（6）永久性的应变如何在弧前累积，其是否会影响地震周期？ 3 SZ4D计划的前沿观测活动 SZ4D计划的统一主题是整合数据集并模拟关键俯冲过程的四维变化。地震、海啸、火山喷发，以及水和碳的循环等受控于一系列发生在广泛时空尺度上的过程，SZ4D计划试图将俯冲带科学研究从描述静态的某一时刻的状态转变为全面捕捉、整合并模拟其在长序列时间尺度和地质时间尺度上的变化。这将跨越诸多学科边界，相关科学工具不仅涉及大地测量学、地震学、地质年代学、气体化学与通量，还涉及数值模型、室内实验、野外观测等方面。因此，SZ4D计划将开展之前没有进行过的前沿性观测活动，这些努力将对关键性的地质事件和过程进行测量，比如，借助新一代海洋仪器对大型逆冲地震破裂的成核和传播进行观测，可以在破裂之前、破裂过程中和破裂之后，获得大陆架和斜坡之下足够密度的高分辨率地球物理信号。未来，一些主要的观测活动如下：（1）地震等灾害事件的全时间序列观测和分析。（2）俯冲带和地形的时空演化观测和研究。（3）对火山进行卫星观测。（4）海底大地测量与地震学研究。（5）高分辨率地震成像。（6）海底连续观测。（7）在大型逆冲断层到地幔楔这一范围内探测板块交界面。
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文献类型	快报文章
条目标识符	http://119.78.100.173/C666/handle/2XK7JSWQ/180572
专题	地球科学
推荐引用方式 GB/T 7714	赵纪东. SZ4D计划：用4D技术认识俯冲带灾害过程. 2017.