俯沖帶黏彈性地震周期地殼形變特征及其動力學(xué)內(nèi)涵 |李紹陽等- GRL/JGR

俯沖帶是地球上板塊構(gòu)造活動最為活躍的區(qū)域之一：冷的大洋板片在此下沉消亡，參與到深部地幔對流中，為全球性板塊運(yùn)動提供關(guān)鍵驅(qū)動力，并發(fā)育全球最大、最多和最深的地震。這些地震不僅會引起地表震動及海嘯、滑坡等次生災(zāi)害，同時(shí)也“點(diǎn)亮”固體地球深部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，是研究現(xiàn)今板塊構(gòu)造動力學(xué)和地震機(jī)理的重要抓手。在這些地震中，能量釋放最多、最強(qiáng)烈的地震發(fā)生在40-50公里以淺，最大矩震級可達(dá)9.5級，其能量釋放量是陸內(nèi)最大地震的上千倍，也是人類觀測史上最強(qiáng)地震。研究表明，俯沖大地震（Mw>8）的能量積累和釋放具有上百年的周期性，導(dǎo)致地殼發(fā)生顯著周期性（包括震間、同震和震后期）形變。這些形變可以通過現(xiàn)代大地測量技術(shù)，如全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）和干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR），以毫米級的精度進(jìn)行測量，為刻畫其時(shí)空變化特征、探究其動力學(xué)機(jī)制提供觀測約束。

21世紀(jì)以來，通過海底GNSS等新的觀測和新的理論研究，已在理解處于不同地震周期子時(shí)期的水平形變特征方面取得重要進(jìn)展，但對于大地震的地震周期形變完整演化過程，還缺乏系統(tǒng)性、框架性認(rèn)識。另一方面，全球氣候變化下的表生過程研究（如海平面上升、地面沉降等），需要更精細(xì)的地震形變模型定量分離固體地球垂向形變分量，克服垂向形變觀測信噪比相對低、量值相對較小但蘊(yùn)含物理過程相對復(fù)雜等問題，進(jìn)而深入研究圈層耦合下的表生過程。針對上述兩方面問題和需求，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化與環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李紹陽特聘研究員和陳凌研究員在前人工作的基礎(chǔ)上，總結(jié)俯沖大地震震后四個(gè)子時(shí)期水平形變特征的最新認(rèn)識（圖1a），并設(shè)計(jì)僅與時(shí)間和空間相關(guān)的兩個(gè)無量綱參數(shù)（即地震復(fù)發(fā)周期與黏彈性松弛時(shí)間之比T/tM、發(fā)震層厚度與上覆板塊彈性厚度之比D/Hc），進(jìn)而構(gòu)建由這兩個(gè)參數(shù)控制的普適性黏彈性地震周期模型。該模型預(yù)測的地表形變連續(xù)時(shí)空變化特征能自洽地解釋所有水平觀測（圖1b），證明雖然不同俯沖帶現(xiàn)今可能處于地震周期的不同子時(shí)期（即圖1中的I-IV），但它們都遵循相同的地震周期性演化物理過程，即俯沖大斷層周期性鎖滑過程及與此耦合的地幔黏彈性松弛過程。基于該普適性模型，研究者進(jìn)一步預(yù)測出時(shí)空連續(xù)的水平和垂向地震周期形變特征，進(jìn)而：1）繪制出大地震震后/震間持續(xù)時(shí)間相圖（圖2a），發(fā)現(xiàn)現(xiàn)今俯沖帶觀測存在關(guān)鍵時(shí)空空白（圖2b）；2）揭示3個(gè)關(guān)鍵垂向形變特征（圖3）及其時(shí)空變化（圖4），從而提出俯沖帶黏彈性地震周期形變及其動力學(xué)內(nèi)涵的新認(rèn)識。

圖1（a）俯沖大地震震后I-IV四個(gè)子時(shí)期的水平地殼形變空間變化特征；（b）普適性地震周期參考模型模擬的這些特征（上圖）及其相應(yīng)的水平相向運(yùn)動邊界時(shí)空遷移曲線（下圖）

俯沖大地震之后，俯沖系統(tǒng)在板片俯沖的持續(xù)加載下，俯沖帶不可避免地從震后期再次向震間期轉(zhuǎn)變（即從I，II到III，IV，圖1）。該轉(zhuǎn)變是衡量俯沖系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)（即擠壓或拉張狀態(tài)）、標(biāo)識系統(tǒng)開始為下一個(gè)大地震積累能量、及其相應(yīng)地震危險(xiǎn)性顯著增加的重要指標(biāo)。然而，由于現(xiàn)代儀器觀測時(shí)間相對較短（通常最長一二十年），該轉(zhuǎn)變很難直接被觀測。通過約束不同俯沖帶T/tM和D/Hc的取值范圍，進(jìn)一步模擬水平形變的時(shí)空演化（如圖1b），從而預(yù)測這些俯沖帶的震后期/震間期相對時(shí)長tB（圖2a）。結(jié)果顯示，俯沖大地震（Mw>8）震后期約為0.2-0.4倍的平均地震復(fù)發(fā)時(shí)長，該時(shí)期相同震級大地震的發(fā)震危險(xiǎn)低，為全球俯沖帶的長期地震危險(xiǎn)性規(guī)劃提供指導(dǎo)。另外，通過對比典型俯沖帶形變觀測的時(shí)空范圍，對比參考模型結(jié)果，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)今俯沖帶形變觀測有3個(gè)關(guān)鍵的時(shí)空空白（圖2b，Gap 1-3）。該圖像在整體對比不同俯沖帶地殼形變異同、指導(dǎo)不同俯沖帶未來儀器布設(shè)、并展望填補(bǔ)數(shù)據(jù)空白后解決的關(guān)鍵地震周期科學(xué)問題等方面具有重要意義。

圖2（a）震后持續(xù)時(shí)間（tB）受控于時(shí)間相關(guān)參數(shù)（T/tM）和空間相關(guān)參數(shù)（D/Hc）的相圖；（b）全球俯沖帶地震周期觀測時(shí)空空白（Gap1-3）

由于垂向形變信號弱、信噪比低、物理過程復(fù)雜，俯沖帶垂向地震周期形變的時(shí)空變化圖像還遠(yuǎn)不清楚。基于上述普適性模型，研究者選擇俯沖斷層閉鎖相對較淺的（D/Hc≈0.5）北美西部Cascadia和閉鎖相對較深的（D/Hc≈1.0）日本西南部Nankai俯沖帶為典型案例著重展示（圖3a、圖3b）。兩者未來都有大震的危險(xiǎn)性，且研究程度相對較高，因此具有較強(qiáng)科學(xué)和社會價(jià)值，且具有推廣意義。研究發(fā)現(xiàn)兩者垂向黏彈性地震周期形變具有明顯的相似性和差異性，并揭示海岸線附近的沉降-抬升邊界（CPL）、位于斷層閉鎖下邊界上方的抬升區(qū)（UZ）、和弧后區(qū)的抬升-沉降邊界(IPL)或沉降區(qū)（SSZ）等3個(gè)共同的垂向形變特征（圖3c、圖3d）。這些特征與兩個(gè)俯沖帶現(xiàn)今GNSS垂向速度場有很好的一一對應(yīng)關(guān)系，證明垂向和水平向形變觀測受控于共同的黏彈性地震周期動力學(xué)過程。該結(jié)果糾正了以往的一些認(rèn)識，將引發(fā)學(xué)界進(jìn)一步研究。例如，有研究認(rèn)為Cascadia弧后現(xiàn)今沉降信號（SSZ）完全來自上次冰川消融后的地幔冰后回彈過程，而無俯沖帶地震周期的貢獻(xiàn)。

圖3（a-b）Cascadia和Nankai熱力學(xué)結(jié)構(gòu)和相對閉鎖深度（D/Hc）；（c-d）數(shù)值模擬的Cascadia和Nankai兩類俯沖帶垂向地震周期形變

研究者進(jìn)一步系統(tǒng)研究了T/tM和D/Hc對上述3個(gè)垂向特征時(shí)空變化的控制作用，結(jié)果顯示：1）CPL空間位置主要受控于D/Hc（圖4a），因此該特征可直接指針斷層閉鎖深度；CPL向海洋方向遷移可以同時(shí)反映T/tM和D/Hc（圖4b紅點(diǎn)）。2）UZ的寬度主要受控于T/tM（圖4c、圖4d），因此該特征可表示地幔黏度或地震復(fù)發(fā)時(shí)長。3）IPL空間位置同時(shí)受控于T/tM和D/Hc。這些結(jié)果充分說明垂向地殼形變包含豐富的俯沖帶動力學(xué)信息，具有很高的觀測價(jià)值。同時(shí)，研究結(jié)果也可以輔助設(shè)計(jì)臺站的布設(shè)，例如，僅需在海岸線附近或弧后區(qū)垂直于海溝方向布設(shè)幾臺永久GNSS站，即可捕獲CPL或IPL信號，指示俯沖系統(tǒng)關(guān)鍵物理參數(shù)。

圖4?a和b、c和d、e和f分別為CPL、UZ和IPL受控于T/tM和D/Hc的時(shí)空變化。上排和下排分別為震間早期和晚期的數(shù)值模擬結(jié)果。X符號代表上覆板片地殼形變?yōu)橥耆鲁粒瑹oCPL、UZ和IPL信號

綜上，研究者總結(jié)近二十年俯沖帶地震周期研究進(jìn)展，更新了黏彈性地震周期理論框架，并建立普適性模型統(tǒng)一解釋了不同地震周期子時(shí)期的水平形變特征，模擬出時(shí)空連續(xù)的水平和垂向地震周期形變，為理解全球俯沖帶地殼形變觀測及其動力學(xué)內(nèi)涵提供有效的理論工具。為了研究地震周期的主要物理過程，他們對模型做了許多必要的簡化，如二維的模型、平面的斷層和忽略地幔冷楔等小尺度結(jié)構(gòu)。未來，可以進(jìn)一步研究這些簡化對地震周期形變的影響，而更多的觀測數(shù)據(jù)將有助于驗(yàn)證和改進(jìn)模型（圖2和4）。他們預(yù)見將有更多后續(xù)研究來理解俯沖帶地震周期形變及其動力學(xué)內(nèi)涵。

研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊GRL和JGR-Solid Earth，研究得到重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2023YFF0803200）和國家自然科學(xué)基金（42288201）的資助。

1.李紹陽*，陳凌.How Long Can the Postseismic and Interseismic Phases of Great Subduction Earthquake Sustain? Toward an Integrated Earthquake-Cycle Perspective. [J]. Geophysical Research Letters, 2023, 55: e2023GL103976. DOI:10.1029/2023GL103976.

2.李紹陽*，陳凌.Vertical Crustal Deformation due to Viscoelastic Earthquake Cycles at Subduction Zones: Implications for Nankai and Cascadia. [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2024, 129: e2024JB028817. DOI:10.1029/2024JB028817.

編輯：萬鵬