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李绍阳等-JGR:刚性俯冲板片影响震后/震间地幔黏度和断层滑动估计
2022-09-23 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  俯冲带是地球上板块构造活动最为活跃的区域之一,孕育了地球上绝大多数的大地震。俯冲带如何产生地震,一直以来都是科学家最为关心的问题。要研究该问题,需要对俯冲大断层滑动的时空特征进行精确厘定,然而俯冲地震前后(即震间和震后)的断层滑动非常难以限定,因为地表形变观测结果(如GNSS/GPSInSAR、水准测量等)不仅蕴含了断层运动的信息,还包括地幔流变及其空间结构的影响。具体而言,在俯冲地震周期过程中(Wang et al., 2012),同震应力快速拉伸大陆板块下的软流圈地幔,使其在震后向海沟方向流动(Pollitz et al., 2008),而震间断层闭锁使得构造应力挤压大陆板块下的软流圈地幔,让震间的地幔流动方向朝向陆地(Li et al., 2020)(1)。由于地幔(黏弹性)松弛过程和断层滑动过程之间存在耦合关系,如果粗略地考虑一个过程(如假设其时空均一),必然影响对另一个过程的精确厘定。另一方面,观测数据时间和空间的不连续性,使两个过程具有较强的多解性,必须更精细地考虑两个过程,以便更好地认识俯冲系统的动力学过程。 

  分层地球模型解析解简单、计算效率高,是研究俯冲带的地震过程的常用模型。如果忽略斜向插入地幔的刚性俯冲板片,可能导致断层滑动和地幔黏度估计的系统性偏差,进而影响理解断层力学/流变学、地震/海啸危险性,以及俯冲系统应力/应变状态和动力学过程等一系列问题。针对该问题,中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室李绍阳副研究员和陈凌研究员设计了俯冲模型和分层模型两种端元模型(1),并通过设定位于地幔的俯冲板片是否具有黏性,从而排除其他结构和过程产生的系统性偏差。首先,他们假设俯冲模型为真实模型,获得不同时空地表形变的虚拟数据;然后,再用分层模型反演断层滑动和地幔黏度,定量对比模型间的差异。最后,以日本东北和西南俯冲带作为实例,利用其密集的GNSS速度场分别研究了俯冲板片对震后和震间断层滑动和地幔黏度产生的影响。 

1 两种简化端元模型俯冲和分层模型模拟的震间和震后速度场异同。粉色箭头代表形变速度,红色线段代表发震断层,白色线段代表弹性体和黏弹体之间的边界

  理论模型研究发现: 

  1)在完全相同的断层滑动和边界条件下,分层和俯冲模型的速度场特征相似,但细节上仍存在不同——分层模型的水平形变比俯冲模型的范围更大,垂直形变可能完全相反(1黑色虚线框),说明分层模型研究垂向形变比水平形变的潜在误差更大。 

  2)选择俯冲模型不同方向(水平或垂向)和不同空间的形变数据作为约束,分层模型在震间和震后期均会高估地幔黏度(2,均方差曲线低点对应的黏度值/黏度范围大都高于蓝色竖线对应的黏度值)。尽管如此,利用不同方向和不同空间数据约束的稳态/瞬时黏度值是有具体差别的。例如,利用震后和震间水平数据分层模型获得的黏度随着离海沟的距离增大而增大(2a和图2c)。可见,分层模型导致的黏度估计误差是系统性的,需要进一步具体分析可用数据的时空范围。这些结果也侧面反映了合理设计大地测量台站空间分布和连续时间观测的重要性。 

  3)利用分层模型反演两种端元模型模拟的震后和震间速度场差异获得断层滑动分布。由于分层模型模拟的形变量相对更大、形变范围相对更广(1),分层模型倾向于得到更大的断层滑动量。 

2 用不同虚拟数据约束的分层模型黏度。蓝色竖线代表俯冲模型中的真实黏度,不同颜色虚线最优分层模型黏度

  基于GNSS数据,日本东北(3a)和西南俯冲带真实案例研究与上述理论模型研究的结论一致,即分层模型高估了震后和震间黏度(3b),并获得更大的断层滑动量(如3c)。值得注意的是,理论模型研究中假定俯冲模型为真实模型,而案例研究中没有该假设,两种模型的结果均为相同的实际GNSS观测数据约束所得。因此,两者结论的一致性进一步说明利用分层模型研究俯冲带动力学过程会导致系统性误差,且(日本)俯冲带的地震周期GNSS形变观测可能已经包含深部刚性俯冲板片的贡献。 

3 利用水平向GNSS数据和两种端元模型获得的2011年日本东北地震震后地幔黏度和断层滑动。图a中紫线代表模型剖面

  虽然分层模型容易获得解析解并已被广泛应用于俯冲带地震周期研究,但本研究建议重新审视以往分层模型获得的运动学和动力学结论,并强调俯冲带地震周期研究中刚性俯冲板片的重要性。解答现今地震科学中诸多重要科学问题,如俯冲带大地震破裂深部的断层(如3a黑色椭圆区域),在震间(孕震)期是否存在、或存在何种程度的闭锁,而在震后期是否存在、或存在何种程度的余滑,都需要更准确、更精细的模型定量分析结果(考虑俯冲带一阶结构和深部结构)。这些结果直接关系到我们理解俯冲断层甚至大陆断层的孕震、发震机理。

  研究成果发表于国际学术期刊JGR: Solid Earth李绍阳* 陈凌. Elastic slab in viscoelastic mantle: Effects on determining megathrust slip and mantle viscosity during postseismic and interseismic phases[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2022, 127: e2022JB024730. DOI:10.1029/2022JB024730)。研究得到国家自然科学基金(42288201)的资助。  

 
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