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SA: 慢滑移源區具有巖性和幾何非均勻特征
2020-05-26 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  慢滑移地震事件SSEs)是20世紀早期在美國西北太平洋地區的卡斯卡迪亞斷層(Cascadia Subduction Zone 發現的,這是一種能量釋放緩慢的地震,間歇周期性地重復發生,比一般地震持續時間長的多,可以從幾分鐘到幾周甚至幾年,以前常規的地震儀很難記錄它們,因而被稱為無聲地震或者幽靈地震。在過去的20年間,由于數字觀測技術的發展,GPS測量和地震觀測已經識別出一系列的慢滑移地震事件。觀測發現:慢滑移地震事件在俯沖帶的板塊構造運動中占有很大的比例(Schwartz et al., 2007),在俯沖帶淺層地殼地區發生慢滑移事件還可能與海嘯的形成和板塊間大地震的發生有關,比如2011年日本東北地震之前發生了近十年之久的慢滑移事件,因此對慢滑移事件的研究可能是預測未來地震的關鍵(Araki et al., 2017; Kato et al., 2014) 

  盡管學術界已經認識到慢滑移地震事件對于研究俯沖板塊地震形成的重要性,但是對其所在的斷層知之甚少。目前普遍認為:斷層巖石過渡摩擦和孔隙壓力升高的共同作用,降低了斷層面上的有效正應力,促使了間歇性慢滑移的發生,但斷層內的摩擦、流變以及幾何非均勻性都可能是造成慢滑移地震事件的關鍵因素(Saffer et al., 2015)。為了測試這些因素,科學家們需要對慢滑移地震事件源區的物理條件和巖石組分進行直接的觀測。 

  作為地球上研究最深入的淺層俯沖帶,新西蘭近海的Hikurangi俯沖帶北部淺層(<2 km)記錄有質量較好的慢滑移地震事件,為研究慢滑移事件所在的斷層提供了難得的機會。連續GPS測量顯示:該俯沖板片淺層(<15 km)的慢滑移地震事件每1-2年發生一次(Wallace et al., 2012)。海底大地測量數據顯示慢滑移事件延伸至海底2 km以內,并可能一直延伸到海溝(Wallace et al., 2016)1947年,該淺層巨型逆沖斷層上可能發生了兩次MW7.0-7.2(矩震級)的地震,在海岸沿線引發了8-10 m的海嘯(Doser et al., 2003; Bell et al., 2014)。這些觀測結果表明極淺的板塊邊界的巨型逆沖斷層上可能發生大地震,也可能發生抗震慢滑。 

  為了研究俯沖板塊上慢滑移事件所在的斷層性質,Barnes et al. (2020)以新西蘭北部近海的Hikurangi 淺層俯沖帶為研究對象,將綜合大洋鉆探計劃(IODP)的鉆井取芯數據和地震反射剖面觀測結果相結合,開展了俯沖板塊進入慢滑移地震事件源區的物質的追蹤和慢滑移原巖巖性和物理性質的研究,得到如下認識:慢滑移地震事件所在斷層的巖性、力學和摩擦非均質性以及與板塊俯沖有關的幾何復雜性促進了慢滑移事件和相關慢地震的發生。研究成果于20203月發表在Science Advances上。 

  基于區域地震相關性,該研究發現新西蘭北部Hikurangi 淺層俯沖板塊界面最有可能產生并最終形成慢滑移地震事件的關鍵原巖層段位于鉆井點U1520的海底650 m以下。結合IODP鉆井取芯(U1520U1526)數據和地震反射剖面(05CM-04)數據的觀測結果,該研究認為:慢滑移地震事件源區的板塊界面可能具有從厘米尺度到千米大尺度范圍的幾何、巖石成分和流變的非均勻性。主要表現為:高度非均質性的巖性組合在卷入板塊間內具有廣泛變化的物理特性(圖1,圖2);縱波速度(VP)在鉆井區域小尺度和遠離鉆井處的數公里的尺度上都有明顯變化(VP的橫向變化>1 km/s)(圖2);原巖和板塊界面巖石主要由碳酸鹽巖和火山碎屑沉積巖(多蝕變為蒙脫石粘土)組成,其主要成分、結構、成巖作用以及蝕變作用也在從厘米到千米的尺度上顯著變化,從而導致粘聚力、彈性模量、強度和摩擦作用發生顯著變化。 

  此外,該研究還發現在復合基底單元(Hikurangi基底:HKB;火山基底:VB)的頂部,俯沖板塊地形起伏大于2 km,粗糙度為102-104 m(圖1和圖3),造成斷層帶的幾何復雜性,并控制著輸入板塊上的各種巖性組合,進而可能導致板塊界面母巖的不完整和高度變化(圖4A、圖4B)。巖性組合的性質和應變局部化的程度也會隨著板片俯沖和巖石之間的相互接觸發生變化。因此,在俯沖基底起伏和不均勻侵入的原巖的共同作用下,可能形成厚度和應變分布可變的幾何不規則的斷層,且斷層由不同力學性質明顯不同的各種巖石組成。 

  

1 地震剖面05CM-04的放大版,顯示了主要的斷層構造、IODP鉆探點U1520U1526,以及與鉆孔數據相關的地震單元(SU)A)前緣增生楔,主要逆沖斷層(帶有位移符號的紅線)、大逆沖板塊界面(粗體黑線)、俯沖板塊的正斷層(藍線);(B)在東Hikurangi海溝下的俯沖輸入,藍色陰影區代表與板塊界面斷裂帶相關的下傾地層間隔 (Barnes et al., 2020) 

2 輸送到板塊界面斷裂帶和SSE震源區的IODP巖心和從俯沖層序得到的鉆孔數據。兩個面板上的藍色陰影區間表示與主要板塊界面區域相關的序列。白色的間隔表示沒有主要恢復。(AU1520的測井數據:1-鈣質泥巖;2-白堊;3-礫巖;4-白堊覆蓋火山碎屑礫巖;5-火山碎屑巖膠結;6-粉砂質粘土巖;7-火山碎屑礫巖上的粉砂巖;8-玄武巖。(B) U1526的測井數據:1-石灰質的泥漿覆蓋著納米級的軟泥;2-卵石礫巖上覆粗砂巖;3-粗糙的火山碎屑砂;4-多孔玄武巖;5-卵石-礫石火山碎屑礫巖;6-玄武巖角礫巖被方解石膠結(Barnes et al., 2020) 

3 鉆探區域沿俯沖板塊的測深剖面、地震剖面覆蓋、基底表面和地震剖面圖。(A) 研究中使用的地形測深和地震剖面的分布,帶有P1P2標簽的黑色虛線表示基底地形;(B)合成HKB/VB頂部反射的幾何形狀,標記了Hikurangi高原基底俯沖的上表面;(C)相鄰地震反射剖面GeoDyNZ Ge93-21a Ge93-21b突出了沿俯沖板塊走向的基底起伏和主要地層間隔(Barnes et al., 2020) 

4 Hikurangi俯沖高原北部及鄰近的淺層俯沖慢滑移環境的概念模型。(A) 橫截面X-Y(未按比例繪制)描述了對俯沖高原地層構造的解釋以及斷層俯沖時板塊界面形成的位置(不確定),右側面板是概念圖,顯示X-Y部分的位置;(B)前緣增生楔的橫截面(未按比例繪制),描繪了北部Hikurangi淺層慢滑移環境的推測地質框架。該剖面的一階幾何形狀與位于鉆探斷面以南120 km的慢滑移區的地震剖面相對應(Barnes et al., 2020)

  該研究關于沿淺層俯沖板塊界面的幾何、成分和流變異質性的分析為淺層的慢滑移地震事件環境研究提供了一個重要的地質框架,并為地震和抗震滑動行為的共存現象提供了一定的解釋。以往的一些野外研究、模擬和室內試驗表明,非均質斷層可能比大地震滑動更容易發生慢滑移事件(Doser et al., 2003; Bell et al., 2014)。該研究的發現為這一概念模型提供了重要的事實基礎。 

  據鉆井和地震反射數據的觀測結果,該研究推斷:在北Hikurangi邊緣板塊界面普遍存在多尺度的非均質性,并且小尺度的非均勻性會影響更大斷層板片的活動。該研究提出了一個慢滑移地震事件形成的模式,單個的慢滑移地震事件源(50-200 km尺度) 是由厘米到千米尺度的較小的非均質性塊體組合而成的,它們連接在一起,會在更大范圍內產生慢滑移地震事件,這一模式得到了數值模型的驗證。 

  綜合鉆井和地震反射數據的直接觀測和推論,該研究認為:沿板塊邊界巨型逆沖斷層的巖性、幾何、力學和摩擦非均勻性可能導致淺層慢滑移和慢地震現象的發生。其他俯沖帶區域也存在淺層慢滑移現象,其特征是卷入板塊形態粗糙。因此,類比Hikurangi北部的觀測結果,該研究推測:在全球范圍內,這種粗糙的形態增強了沿淺層巨型俯沖帶的巖性多樣性,從而促進了包括慢滑移事件在內的復雜滑動行為。但是這樣的觀點主要基于建模研究和概念論證,關于慢滑移事件斷層的性質還有待進一步深入研究。     

  【致謝:感謝頁巖氣與工程室崔振東副研究員對本文提出的寶貴修改建議。】  

 

  主要參考文獻 

  Araki E, Saffer D M, Kopf A J, et al. Recurring and triggered slow-slip events near the trench at the Nankai Trough subduction megathrust[J]. Science, 2017, 356(6343): 1157-1160.鏈接 

  Barnes P M, Wallace L M, Saffer D M, et al. Slow slip source characterized by lithological and geometric heterogeneity[J]. Science Advances, 2020, 6(13): eaay3314.鏈接 

  Bell R, Holden C, Power W, et al. Hikurangi margin tsunami earthquake generated by slow seismic rupture over a subducted seamount[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2014, 397: 1-9.鏈接 

  Doser D I, Webb T H. Source parameters of large historical (1917–1961) earthquakes, North Island, New Zealand[J]. Geophysical Journal International, 2003, 152(3): 795-832.鏈接 

  Kato A, Nakagawa S. Multiple slow-slip events during a foreshock sequence of the 2014 Iquique, Chile Mw 8.1 earthquake[J]. Geophysical Research Letters, 2014, 41(15): 5420-5427.鏈接 

  Saffer D M, Wallace L M. The frictional, hydrologic, metamorphic and thermal habitat of shallow slow earthquakes[J]. Nature Geoscience, 2015, 8(8): 594-600.鏈接 

  Schwartz S Y, Rokosky J M. Slow slip events and seismic tremor at circum-Pacific subduction zones[J]. Reviews of Geophysics, 2007, 45(3).鏈接 

  Wallace L M, Beavan J, Bannister S, et al. Simultaneous long-term and short-term slow slip events at the Hikurangi subduction margin, New Zealand: Implications for processes that control slow slip event occurrence, duration, and migration[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2012, 117(B11).鏈接 

  Wallace L M, Webb S C, Ito Y, et al. Slow slip near the trench at the Hikurangi subduction zone, New Zealand[J]. Science, 2016, 352(6286): 701-704.鏈接     

  (撰稿:李聃聃,田小波/巖石圈室)

 
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