南方科技大学陈晓非团队研究发现慢地震的产生机制

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  近日,南方科技大学地球与空间科学系讲席教授、中国科学院院士陈晓非团队在低频地震震源动力学研究方面取得进展。研究结果以“The slow self-arresting nature of low-frequencyearthquakes”为题发表在学术期刊Nature Communications。

  低频地震是一系列主要发生于俯冲带的不断重复发生的小震。不同于普通地震,低频地震的信号强度弱、信噪比低,其主频相较于同震级的普通地震明显低,这也是它们被称为低频地震的原因。并且,相较于相同震级的普通地震,低频地震的应力降和滑移速率(sliprate)也比普通地震小1~3个数量级,这暗示了低频地震的震源过程与普通地震有一定区别。那么,是什么导致低频地震与普通地震有这些明显不同的特点?低频地震的震源破裂过程究竟是怎样的?解决这些问题是理解低频地震这类慢地震的关键。

图1.(a)滑动弱化准则;(b)四种破裂模式;(c)震源动力学相图

  研究地震震源过程的一个很有效的方法是进行震源动力学模拟。研究团队多年来一直从事地震震源动力学理论研究,并提出了“震源动力学相图”的概念。根据该“相图”理论,在不同的摩擦条件下,地震可以分为超剪切地震、亚剪切地震(普通地震)、自停止地震和慢自停止地震(slowself-arrestingearthquakes)四种模式。其中超剪切地震和亚剪切地震只有遇到阻碍时才能停止,而自停止地震和慢自停止地震在没有任何阻碍条件下也会自发停止。其中慢自停止地震在破裂从震源发生后会自发在成核区内停止,并且其主频较低、应力降小。这些特点与低频地震的震源参数特点不谋而合。

  为了验证慢自停止地震与低频地震的关系,研究团队计算了美国加州Parkfield地区发生的低频地震震源参数,并将观测结果与模拟的低频地震震源参数进行对比。对比结果显示,对于上述四种地震模式,只有慢自停止地震这一破裂模式得到的震源参数与低频地震的震源参数特点符合。研究团队进一步发现,慢自停止地震在地震过程中释放能量小,触发慢自停止地震所需要的外部能量也较低,这些发现与实际观测到的低频地震一致。在大尺度上,大量低频地震遵循的震级-地震持续时间关系也与模拟低频地震的震级-地震持续时间关系一致。结合这些发现,团队提出慢自停止地震震源模型可以解释低频地震现象。

  进而,研究团队提出了低频地震的产生机制:(1)低频地震的发生区域可能含水,导致其摩擦条件与普通地震不同;(2)外界产生一个较小的应力干扰,低频地震开始发生,而普通地震由于诱使其发生所需的外加应力大得多,因而不会发生破裂;(3)低频地震在发震结束后释放的应力小,因而在下一个外加应力干扰下又能再次发生破裂,从而形成不断发生的震颤信号。


图2.对比模拟地震的震源参数与Parkfield地区低频地震震源参数

  该研究揭示了低频地震的震源物理模型。说明低频地震与普通地震为不同摩擦条件下得到的不同的地震模式。而这些不同的地震模式均可以用震源动力学相图统一解释。这使得低频地震被统一到了地震相图框架中。

  该论文第一作者是南科大地球与空间科学系访问学生魏雪婷,通讯作者为陈晓非。该研究得到了国家自然科学基金、南方海洋科学与工程广东实验室、深圳科技计划和深圳市深远海油气勘探技术重点实验室等项目的资助。

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