Science Advances:慢滑移源區具有巖性和幾何非均勻特徵

SA: 慢滑移源區具有巖性和幾何非均勻特徵

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，間歇周期性地重複發生，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，由於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衝帶的板塊構造運動中佔有很大的比例（Schwartz et al., 2007），在俯衝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）。

儘管學術界已經認識到慢滑移地震事件對於研究俯衝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衝帶，紐西蘭近海的Hikurangi俯衝帶北部淺層（

為了研究俯衝板塊上慢滑移事件所在的斷層性質，Barnes et al. （2020）以紐西蘭北部近海的Hikurangi淺層俯衝帶為研究對象，將綜合大洋鑽探計劃（IODP）的鑽井取芯數據和地震反射剖面觀測結果相結合，開展了俯衝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衝有關的幾何複雜性促進了慢滑移事件和相關慢地震的發生。研究成果於2020年3月發表在Science Advances上。

基於區域地震相關性，該研究發現紐西蘭北部Hikurangi 淺層俯衝板塊界面最有可能產生並最終形成慢滑移地震事件的關鍵原巖層段位於鑽井點U1520的海底650 m以下。結合IODP鑽井取芯（U1520和U1526）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釐米尺度到千米大尺度範圍的幾何、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捲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）在鑽井區域小尺度和遠離鑽井處的數公裡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釐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，該研究還發現在複合基底單元（Hikurangi基底：HKB；火山基底：VB）的頂部，俯衝板塊地形起伏大於2 km，粗糙度為102-104 m（圖1和圖3），造成斷層帶的幾何複雜性，並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衝和巖石之間的相互接觸發生變化。因此，在俯衝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。

圖1 地震剖面05CM-04的放大版，顯示了主要的斷層構造、IODP鑽探點U1520和U1526，以及與鑽孔數據相關的地震單元(SU)。（A）前緣增生楔，主要逆衝斷層(帶有位移符號的紅線)、大逆衝板塊界面(粗體黑線)、俯衝板塊的正斷層(藍線)；（B）在東Hikurangi海溝下的俯衝「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)

圖2 輸送到板塊界面斷裂帶和SSE震源區的IODP巖心和從俯衝層序得到的鑽孔數據。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。（A）U1520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)

圖3 鑽探區域沿俯衝板塊的測深剖面、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P1和P2標籤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高原基底俯衝的上表面；（C）相鄰地震反射剖面GeoDyNZ Ge93-21a 和Ge93-21b突出了沿俯衝板塊走向的基底起伏和主要地層間隔(Barnes et al., 2020)

圖4 Hikurangi俯衝高原北部及鄰近的淺層俯衝慢滑移環境的概念模型。(A) 橫截面X-Y（未按比例繪製）描述了對俯衝高原地層構造的解釋以及斷層俯衝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（未按比例繪製），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於鑽探斷面以南120 km的慢滑移區的地震剖面相對應(Barnes et al., 2020)

該研究關於沿淺層俯衝板塊界面的幾何、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，並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。

據鑽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，並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） 是由釐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，會在更大範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。

綜合鑽井和地震反射數據的直接觀測和推論，該研究認為：沿板塊邊界巨型逆衝斷層的巖性、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。其他俯衝帶區域也存在淺層慢滑移現象，其特徵是捲入板塊形態粗糙。因此，類比Hikurangi北部的觀測結果，該研究推測：在全球範圍內，這種粗糙的形態增強了沿淺層巨型俯衝帶的巖性多樣性，從而促進了包括慢滑移事件在內的複雜滑動行為。但是這樣的觀點主要基於建模研究和概念論證，關於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

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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.

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.

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

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.

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.

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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.

（撰稿：李聃聃，田小波/巖石圈室）

校對：陶琴