俯沖帶黏彈性地震周期地殼形變特征及其動力學內涵 |李紹陽等- GRL/JGR

俯沖帶是地球上板塊構造活動最為活躍的區域之一：冷的大洋板片在此下沉消亡，參與到深部地幔對流中，為全球性板塊運動提供關鍵驅動力，并發育全球最大、最多和最深的地震。這些地震不僅會引起地表震動及海嘯、滑坡等次生災害，同時也“點亮”固體地球深部結構和性質，是研究現今板塊構造動力學和地震機理的重要抓手。在這些地震中，能量釋放最多、最強烈的地震發生在40-50公里以淺，最大矩震級可達9.5級，其能量釋放量是陸內最大地震的上千倍，也是人類觀測史上最強地震。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，導致地殼發生顯著周期性（包括震間、同震和震后期）形變。這些形變可以通過現代大地測量技術，如全球衛星導航系統（GNSS）和干涉合成孔徑雷達（InSAR），以毫米級的精度進行測量，為刻畫其時空變化特征、探究其動力學機制提供觀測約束。

21世紀以來，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期的水平形變特征方面取得重要進展，但對于大地震的地震周期形變完整演化過程，還缺乏系統性、框架性認識。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、量值相對較小但蘊含物理過程相對復雜等問題，進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，中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化與環境演變重點實驗室李紹陽特聘研究員和陳凌研究員在前人工作的基礎上，總結俯沖大地震震后四個子時期水平形變特征的最新認識（圖1a），并設計僅與時間和空間相關的兩個無量綱參數（即地震復發周期與黏彈性松弛時間之比T/tM、發震層厚度與上覆板塊彈性厚度之比D/Hc），進而構建由這兩個參數控制的普適性黏彈性地震周期模型。該模型預測的地表形變連續時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今可能處于地震周期的不同子時期（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，研究者進一步預測出時空連續的水平和垂向地震周期形變特征，進而：1）繪制出大地震震后/震間持續時間相圖（圖2a），發現現今俯沖帶觀測存在關鍵時空空白（圖2b）；2）揭示3個關鍵垂向形變特征（圖3）及其時空變化（圖4），從而提出俯沖帶黏彈性地震周期形變及其動力學內涵的新認識。

圖1（a）俯沖大地震震后I-IV四個子時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）及其相應的水平相向運動邊界時空遷移曲線（下圖）

俯沖大地震之后，俯沖系統在板片俯沖的持續加載下，俯沖帶不可避免地從震后期再次向震間期轉變（即從I，II到III，IV，圖1）。該轉變是衡量俯沖系統應力狀態（即擠壓或拉張狀態）、標識系統開始為下一個大地震積累能量、及其相應地震危險性顯著增加的重要指標。然而，由于現代儀器觀測時間相對較短（通常最長一二十年），該轉變很難直接被觀測。通過約束不同俯沖帶T/tM和D/Hc的取值范圍，進一步模擬水平形變的時空演化（如圖1b），從而預測這些俯沖帶的震后期/震間期相對時長tB（圖2a）。結果顯示，俯沖大地震（Mw>8）震后期約為0.2-0.4倍的平均地震復發時長，該時期相同震級大地震的發震危險低，為全球俯沖帶的長期地震危險性規劃提供指導。另外，通過對比典型俯沖帶形變觀測的時空范圍，對比參考模型結果，發現現今俯沖帶形變觀測有3個關鍵的時空空白（圖2b，Gap 1-3）。該圖像在整體對比不同俯沖帶地殼形變異同、指導不同俯沖帶未來儀器布設、并展望填補數據空白后解決的關鍵地震周期科學問題等方面具有重要意義。

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

由于垂向形變信號弱、信噪比低、物理過程復雜，俯沖帶垂向地震周期形變的時空變化圖像還遠不清楚。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性，且研究程度相對較高，因此具有較強科學和社會價值，且具有推廣意義。研究發現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（UZ）、和弧后區的抬升-沉降邊界(IPL)或沉降區（SSZ）等3個共同的垂向形變特征（圖3c、圖3d）。這些特征與兩個俯沖帶現今GNSS垂向速度場有很好的一一對應關系，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過程。該結果糾正了以往的一些認識，將引發學界進一步研究。例如，有研究認為Cascadia弧后現今沉降信號（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。

圖3（a-b）Cascadia和Nankai熱力學結構和相對閉鎖深度（D/Hc）；（c-d）數值模擬的Cascadia和Nankai兩類俯沖帶垂向地震周期形變

研究者進一步系統研究了T/tM和D/Hc對上述3個垂向特征時空變化的控制作用，結果顯示：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反映T/tM和D/Hc（圖4b紅點）。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發時長。3）IPL空間位置同時受控于T/tM和D/Hc。這些結果充分說明垂向地殼形變包含豐富的俯沖帶動力學信息，具有很高的觀測價值。同時，研究結果也可以輔助設計臺站的布設，例如，僅需在海岸線附近或弧后區垂直于海溝方向布設幾臺永久GNSS站，即可捕獲CPL或IPL信號，指示俯沖系統關鍵物理參數。

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的時空變化。上排和下排分別為震間早期和晚期的數值模擬結果。X符號代表上覆板片地殼形變為完全下沉，無CPL、UZ和IPL信號

綜上，研究者總結近二十年俯沖帶地震周期研究進展，更新了黏彈性地震周期理論框架，并建立普適性模型統一解釋了不同地震周期子時期的水平形變特征，模擬出時空連續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內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構。未來，可以進一步研究這些簡化對地震周期形變的影響，而更多的觀測數據將有助于驗證和改進模型（圖2和4）。他們預見將有更多后續研究來理解俯沖帶地震周期形變及其動力學內涵。

研究成果發表于國際學術期刊GRL和JGR-Solid Earth，研究得到重點研發項目（2023YFF0803200）和國家自然科學基金（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