NC：流体不足以解释浅部蠕滑？Shumagin Gap巨型逆冲断层的多因素耦合新认识----中国科学院地质与地球物理研究所

长期以来，流体被认为是通过升高孔隙压力、降低断层有效正应力，进而促进俯冲带巨型逆冲断层蠕滑的关键因素。然而在实际俯冲系统中，板片粗糙度、沉积物厚度、上覆板块刚性及断裂渗透结构等多因素共同控制了流体的储存、迁移和排泄过程，并非简单的“流体输入-孔压升高-断层蠕滑”线性关系。

位于阿拉斯加-阿留申俯冲带的Shumagin Gap是一个典型的弱锁固段（图1），曾被视为地震空区，至少一个世纪未发生过>8地震，大地测量数据显示浅部可能存在明显蠕滑，2020年7.8 Simeonof地震主要破裂了较深部孕震带，并未充分破裂近海沟浅部界面。关于该区流体状态，前人研究尚存在分歧：一方面，太平洋板片弯曲断裂可能促进流体输入，地震层析成像也显示高/被解释为流体富集；另一方面，多道地震显示俯冲沉积物薄而不连续，大地电磁成像指示浅部存在相对贫流体的高电阻率段。因此，Shumagin Gap的浅部蠕滑是否真的由高孔隙流体压力控制，成为一个关键问题。

图1 Shumagin Gap研究区构造背景及EMAGE测量剖面图。洋红色虚线勾勒的区域为2020年7月同震滑动≥0.5m的7.8的地震断裂带；蓝色虚线表示2021年7月同震滑移≥2m的8.2的地震破裂区；红色圆圈表示海底电磁（OBEM）接收器；青色阴影斑块为历史上的大逆冲地震破裂

近期，Li等（2026）在Nature Communications发表的研究，利用海洋可控源电磁法（CSEM）对Shumagin Gap浅部板片界面和上覆板块进行了高分辨率电阻率成像。研究团队沿一条从海沟陆侧延伸至外陆架的观测剖面，布设了间距约4km的海底电磁接收器，使用深拖式水平电偶极子发射源注入250-300 A电流，记录不同频率和收发距下的电磁响应，并采用MARE2DEM进行二维电阻率反演。

反演结果显示，沿板片界面附近发育一个倾斜的中等导电带C1，从海沟附近向陆侧延伸约50 km，表明该处确实存在流体，但其导电性不支持大规模、连续的流体富集，更代表局部化流体分布（图2）。更值得注意的是，在距海沟约50-70 km处识别出一个向海倾斜的导电通道C2，可能代表由断裂控制的高渗透通道，为板片界面流体向上覆板块甚至海底排泄提供路径。此外，模型还识别出高阻异常R1（可能代表较强基底）和导电沉积盆地C3。总体而言，流体分布具有明显的局部化和通道化特征，而非一个富流体的连续高孔隙度层。

图2 Shumagin Gap外陆架与弧前的电阻率模型及地震-电磁综合解释。（a）垂直电阻率模型，显示边缘的关键导电和电阻特征；（b-c）叠加在电阻率模型上的观测剖面地震反射图像

为了进一步判断流体是否足以形成高孔隙压力，作者利用Archie定律将电阻率模型转换为孔隙度估算，并在不同地温梯度和胶结指数条件下测试结果稳定性（图3）。结果显示，在距海沟约10 km以外，浅部板片界面附近的最大孔隙度约为15%，即使采用偏向高孔隙度的端元参数，孔隙度仍低于约20%；距海沟约17 km以远，孔隙度进一步降至11%以下。将孔隙度结果与沉积物压实模型比较，估算得到修正孔隙压力比大致为0-0.4，远低于高超压状态。这表明Shumagin Gap浅部板片界面处于低孔隙度、低孔隙压力环境。

图3 利用Archie定律估算沿板界面的孔隙度。粗黑线表示由Archie定律推导出的孔隙度，胶结指数m=2，地热梯度为10°C/km的线性地热模型；考虑到本研究中热结构和沉积物固结的大范围不确定性（红蓝色过渡阴影区），红色和蓝色曲线代表两种端员情况（m=2.2,G=5℃/km；m=1.8，G=15℃/km）；洋红色的线显示了从同测线地震观测转换得到的孔隙度；细黑线表示不同流体压力比下的预测孔隙度，虚线段的预测孔隙度是由同测线地震结果转换而来；灰线表示Bray and Karig (1985)的全球压实趋势；虚线青色线显示沿板块界面使用van Keken and Wilson（2025）的温度模型估算的孔隙率

这一结果意味着，Shumagin Gap的滑动行为更可能受多种因素共同控制。首先，板片界面粗糙度可能导致局部应力集中与非均一滑动；其次，上覆板块刚性差异会影响破裂传播与界面耦合状态；此外，断裂控制的导流通道可能持续削弱流体封存能力，使浅部界面难以维持长期超压状态。相比传统“连续弱化层”模型，Shumagin Gap更像是一个结构-流体耦合控制的复杂系统（图4）。

图4 非均质前弧和缺乏流体的浅层巨型逆冲构造示意图

这一认识对地震与海啸危险性评估具有重要意义。2020年Mw7.8 Simeonof地震并未明显向浅部传播，而已有研究表明，弱锁固甚至长期蠕滑的俯冲段仍可能产生海啸型结构或局部破裂。因此，“低锁固”并不等同于“低危险性”。浅部界面是否参与破裂，可能取决于局部刚性、粗糙度、流体状态以及断裂结构等多种因素的共同作用。

总体而言，Li等的研究表明，Shumagin Gap浅部蠕滑并不能简单归因于高孔隙流体压力。流体虽然重要，但其作用必须放在复杂的结构背景和应力环境中理解。该研究推动了俯冲带滑动机制研究从“单一流体控制”向“多因素耦合控制”框架转变，也为重新认识全球其他弱锁固俯冲段提供了新的思路。

主要参考文献

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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.（原文链接）

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.

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