慢滑移地震事件（SSEs）是20世纪早期在美国西北太平洋地区的卡斯卡迪亚断层（Cascadia Subduction Zone） 发现的，这是一种能量释放缓慢的地震，间歇周期性地重复发生，比一般地震持续时间长的多，可以从几分钟到几周甚至几年，以前常规的地震仪很难记录它们，因而被称为“无声地震”或者“幽灵地震”。在过去的20年间，由于数字观测技术的发展，GPS测量和地震观测已经识别出一系列的慢滑移地震事件。观测发现：慢滑移地震事件在俯冲带的板块构造运动中占有很大的比例(Schwartz et al., 2007)，在俯冲带浅层地壳地区发生慢滑移事件还可能与海啸的形成和板块间大地震的发生有关，比如2011年日本东北地震之前发生了近十年之久的慢滑移事件，因此对慢滑移事件的研究可能是预测未来地震的关键(Araki et al., 2017; Kato et al., 2014)。
尽管学术界已经认识到慢滑移地震事件对于研究俯冲板块地震形成的重要性，但是对其所在的断层知之甚少。目前普遍认为：断层岩石过渡摩擦和孔隙压力升高的共同作用，降低了断层面上的有效正应力，促使了间歇性慢滑移的发生，但断层内的摩擦、流变以及几何非均匀性都可能是造成慢滑移地震事件的关键因素(Saffer et al., 2015)。为了测试这些因素，科学家们需要对慢滑移地震事件源区的物理条件和岩石组分进行直接的观测。
作为地球上研究最深入的浅层俯冲带，新西兰近海的Hikurangi俯冲带北部浅层（<2 km）记录有质量较好的慢滑移地震事件，为研究慢滑移事件所在的断层提供了难得的机会。连续GPS测量显示：该俯冲板片浅层（<15 km）的慢滑移地震事件每1-2年发生一次(Wallace et al., 2012)。海底大地测量数据显示慢滑移事件延伸至海底2 km以内，并可能一直延伸到海沟(Wallace et al., 2016)。1947年，该浅层巨型逆冲断层上可能发生了两次MW7.0-7.2（矩震级）的地震，在海岸沿线引发了8-10 m的海啸(Doser et al., 2003; Bell et al., 2014)。这些观测结果表明极浅的板块边界的巨型逆冲断层上可能发生大地震，也可能发生抗震慢滑。
为了研究俯冲板块上慢滑移事件所在的断层性质，
Barnes et al. (2020)以新西兰北部近海的Hikurangi 浅层俯冲带为研究对象，将综合大洋钻探计划（IODP）的钻井取芯数据和地震反射剖面观测结果相结合，开展了俯冲板块进入慢滑移地震事件源区的物质的追踪和慢滑移原岩岩性和物理性质的研究，得到如下认识：慢滑移地震事件所在断层的岩性、力学和摩擦非均质性以及与板块俯冲有关的几何复杂性促进了慢滑移事件和相关慢地震的发生。研究成果于2020年3月发表在Science Advances上。
基于区域地震相关性，该研究发现新西兰北部Hikurangi 浅层俯冲板块界面最有可能产生并最终形成慢滑移地震事件的关键原岩层段位于钻井点U1520的海底650 m以下。结合IODP钻井取芯（U1520和U1526）数据和地震反射剖面(05CM-04)数据的观测结果，该研究认为：慢滑移地震事件源区的板块界面可能具有从厘米尺度到千米大尺度范围的几何、岩石成分和流变的非均匀性。主要表现为：高度非均质性的岩性组合在卷入板块间内具有广泛变化的物理特性（图1，图2）；纵波速度（VP）在钻井区域小尺度和远离钻井处的数公里的尺度上都有明显变化（VP的横向变化>1 km/s）（图2）；原岩和板块界面岩石主要由碳酸盐岩和火山碎屑沉积岩（多蚀变为蒙脱石粘土）组成，其主要成分、结构、成岩作用以及蚀变作用也在从厘米到千米的尺度上显著变化，从而导致粘聚力、弹性模量、强度和摩擦作用发生显著变化。
此外，该研究还发现在复合基底单元（Hikurangi基底：HKB；火山基底：VB）的顶部，俯冲板块地形起伏大于2 km，粗糙度为102-104 m（图1和图3），造成断层带的几何复杂性，并控制着输入板块上的各种岩性组合，进而可能导致板块界面母岩的不完整和高度变化（图4A、图4B）。岩性组合的性质和应变局部化的程度也会随着板片俯冲和岩石之间的相互接触发生变化。因此，在俯冲基底起伏和不均匀侵入的原岩的共同作用下，可能形成厚度和应变分布可变的几何不规则的断层，且断层由不同力学性质明显不同的各种岩石组成。
图1 地震剖面05CM-04的放大版，显示了主要的断层构造、IODP钻探点U1520和U1526，以及与钻孔数据相关的地震单元(SU)。（A）前缘增生楔，主要逆冲断层(带有位移符号的红线)、大逆冲板块界面(粗体黑线)、俯冲板块的正断层(蓝线)；（B）在东Hikurangi海沟下的俯冲“输入”，蓝色阴影区代表与板块界面断裂带相关的下倾地层间隔 (Barnes et al., 2020)
图2 输送到板块界面断裂带和SSE震源区的IODP岩心和从俯冲层序得到的钻孔数据。两个面板上的蓝色阴影区间表示与主要板块界面区域相关的序列。白色的间隔表示没有主要恢复。（A）U1520的测井数据：1-钙质泥岩；2-白垩；3-砾岩；4-白垩覆盖火山碎屑砾岩；5-火山碎屑岩胶结；6-粉砂质粘土岩；7-火山碎屑砾岩上的粉砂岩；8-玄武岩。(B) U1526的测井数据：1-石灰质的泥浆覆盖着纳米级的软泥；2-卵石砾岩上覆粗砂岩；3-粗糙的火山碎屑砂；4-多孔玄武岩；5-卵石-砾石火山碎屑砾岩；6-玄武岩角砾岩被方解石胶结(Barnes et al., 2020)
图3 钻探区域沿俯冲板块的测深剖面、地震剖面覆盖、基底表面和地震剖面图。(A) 研究中使用的地形测深和地震剖面的分布，带有P1和P2标签的黑色虚线表示基底地形；（B）合成HKB/VB顶部反射的几何形状，标记了Hikurangi高原基底俯冲的上表面；（C）相邻地震反射剖面GeoDyNZ Ge93-21a 和Ge93-21b突出了沿俯冲板块走向的基底起伏和主要地层间隔(Barnes et al., 2020)
图4 Hikurangi俯冲高原北部及邻近的浅层俯冲慢滑移环境的概念模型。(A) 横截面X-Y（未按比例绘制）描述了对俯冲高原地层构造的解释以及断层俯冲时板块界面形成的位置（不确定），右侧面板是概念图，显示X-Y部分的位置；（B）前缘增生楔的横截面（未按比例绘制），描绘了北部Hikurangi浅层慢滑移环境的推测地质框架。该剖面的一阶几何形状与位于钻探断面以南120 km的慢滑移区的地震剖面相对应(Barnes et al., 2020)
该研究关于沿浅层俯冲板块界面的几何、成分和流变异质性的分析为浅层的慢滑移地震事件环境研究提供了一个重要的地质框架，并为地震和抗震滑动行为的共存现象提供了一定的解释。以往的一些野外研究、模拟和室内试验表明，非均质断层可能比大地震滑动更容易发生慢滑移事件(Doser et al., 2003; Bell et al., 2014)。该研究的发现为这一概念模型提供了重要的事实基础。
据钻井和地震反射数据的观测结果，该研究推断：在北Hikurangi边缘板块界面普遍存在多尺度的非均质性，并且小尺度的非均匀性会影响更大断层板片的活动。该研究提出了一个慢滑移地震事件形成的模式，单个的慢滑移地震事件源(50-200 km尺度) 是由厘米到千米尺度的较小的非均质性块体组合而成的，它们连接在一起，会在更大范围内产生慢滑移地震事件，这一模式得到了数值模型的验证。
综合钻井和地震反射数据的直接观测和推论，该研究认为：沿板块边界巨型逆冲断层的岩性、几何、力学和摩擦非均匀性可能导致浅层慢滑移和慢地震现象的发生。其他俯冲带区域也存在浅层慢滑移现象，其特征是卷入板块形态粗糙。因此，类比Hikurangi北部的观测结果，该研究推测：在全球范围内，这种粗糙的形态增强了沿浅层巨型俯冲带的岩性多样性，从而促进了包括慢滑移事件在内的复杂滑动行为。但是这样的观点主要基于建模研究和概念论证，关于慢滑移事件断层的性质还有待进一步深入研究。
【致谢：感谢页岩气与工程室崔振东副研究员对本文提出的宝贵修改建议。】
主要参考文献
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.（链接）
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.（链接）
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.（链接）
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.（链接）
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.（链接）
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.（链接）
Schwartz S Y, Rokosky J M. Slow slip events and seismic tremor at circum-Pacific subduction zones[J]. Reviews of Geophysics, 2007, 45(3).（链接）
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).（链接）
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.（链接）
（撰稿：李聃聃，田小波/岩石圈室）
