慢地震与深部不连续颤动和慢滑事件同时发生

动　态

慢地震与深部不连续颤动和慢滑

事件同时发生3

Yoshi hir o It o,Kazushige Obara,Katsuhi ko Shi om i,

Shutar o Sekine and H it oshi H ir ose

(日本国家地球科学与灾害防御研究所,321Tennodai,Tsukuba30520006,Japan)

摘　要　我们对日本西南部南海俯冲板块界面过渡带发生的超低频地震进行报道。由矩震级为3.1～3.5的超低频地震引起的地震波显示其卓越长周期约为20s。超低频地震活动伴随深源低频颤动和慢滑事件同时发生,并随之移动。慢地震一直被认为会增加向上倾斜的大型逆冲地震断裂带上的应力,而这3种现象的同时发生提高了人们对慢地震的探测和特性鉴定水平。

　　在日本西南部的南海俯冲带的下倾部分,也就是从闭锁状态向无震滑动的过渡带上,同时发生了非火山深源低频颤动和慢滑事件。矩震级在8级以上的地震在这一地区呈周期性发生,其时间尺度为～100年。最近在此过渡带上发现的两个累积应力松弛机制的震源时间特性也有很大差异:深源低频颤动显示其优势频率接近0.5s,说明断裂持续的特征时间范围大约是1s;而慢滑事件不发射地震波但会造成持续2～5天的地壳形变。

日本国家地球科学与灾害防御研究所(N I ED)的地震台网监测到了日本的深源低频颤动和慢滑事件。该地震台网由～750个高灵敏度观测台站(H i2net)和73个宽带观测台站(F2net)组成。H i2net观测台站对小振幅信号的低频颤动具有高水平的探测能力。

H i2net和F2net台站也可测出南海俯冲带向下倾斜部分的增生棱体内的超低频(VLF)地

3收稿日期:2008201220。震。

每个H i2net台站都安装了一个宽频响应范围为5Hz到直流分量(H i2net TI L T)的二分量高灵敏度水平加速度计。这种加速度计的作用相当于倾斜仪,可用于分析短期慢滑事件。H i2net TI L T和F2net还可用于计算地方震的矩张量解。

要了解过渡带的应力松弛过程,重要的是要识别所有与地震学和大地测量学相关的现象。目前,在曾经确定的深源低频颤动的特征时间尺度和慢滑事件的特征时间尺度之间存在着很大差异。我们利用1～0.005Hz 范围内的各种带通滤波器对H i2net和F2net 数据进行检验,尽力探测从过渡带发射出的未被识别的长周期地震波。用0.02～0.05 Hz的带通滤波器,我们成功地探测出从深源低频颤动震源区附近的过渡带发射出的清晰而异常的超低频信号。由H i2net和F2net 台站观测到的这些信号可在径向分量和垂直分量上被清晰地识别出来。深源低频颤动波列总是伴随着超低频信号(图1)出现。由震图1　所选地点中一次超低频地震的地震图例。图中显示了7个H i2net T I L T台站的径向分量。实测波形以一个测算的震源位置为出发点按震中距顺序排列。红、黑迹线分别表示经0.02～0.05Hz和2～8Hz频带滤波的观测波形。右边的竖条表示位移振幅(原图为彩图)

中距50k m以上的台站到时估算的视速度约为6km/s,与该区的P波速度一致。此速度值表明观测到的超低频信号就是体波。

　　我们用网格矩张量反演法(G MTI)探测超低频地震信号并系统地估算其震源。在使用此方法过程中,我们假定目标地震通常发生在一个按空间和时间布置的网格点上。利用这种方法和F2net获得的连续地震波图,我们计算了水平0.1°、深度3k m、格点间隔1s的点源矩张量解。首先从所有G MTI解中除去那些被来自远震和一般地方震的地震波污染的时间周期。然后,利用F2net和H i2net TI L T数据,我们将矩心矩张量反演(C MTI)方法(该方法将目标地震的震源和断层机制同时进行计算)应用到其余G MTI解中。

我们探测到了许多2006年1—5月间与深源低频颤动和慢滑动事件同时发生的超低频地震事件。这些矩震级为3.1～3.5的超低频事件发生在深部低频颤动沿菲律宾海俯冲板块走向呈带状分布的区域(图2)。与这些超低频事件矩震级相同的地方震未被列入任何地震目录。

　　我们将一次超低频事件的波形与在F2net台站UMJ记录的一次普通地震的波形进行比较。两次事件的矩震级都是3.4,而且震中距和深度也大体相同。两次事件的低频成分振幅也都在0.02～0.05Hz之间。然而,一次超低频事件的信号不含任何2～8Hz范围内的高频成分。这种结果揭示了慢地震的另外一种类型,我们称之为超低频地震。在转换断层上可观测到低频和高频段振幅差异类似的地震,这种类型的地震被确定为慢地震。

对观测到的超低频地震波形可由冲断裂作用来进行解释(图2)。超低频地震的震中被在一条受30～35k m长的板块界面等深线的表面突起约束的狭长带中(图2)。而且,它们的震中还与深源低频颤动的地震活动重合。板块界面的深度基于接收函数分析计算出的大洋莫霍面(壳2幔界面)深度变化。根据主动源地震试验结果,该地区大洋地壳的厚度为～5km。超低频地震的震源深度分布范围稍大;在Kii2Tokai和Shikoku地区的平均深度和标准偏差分别为40±8k m和35±9k m。如此大的深度范围可归因于随C M2 TI计算出的方差缩减宽峰变化的深度变化。

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图2　超低频地震(星)、深源低频颤动(圆)、台站分布及超低频地震的矩张量解。加号和菱形分别代表N I E D H i2net和F2net台站。等深线表示菲律宾海板块的上表面。矩形代表图3中所描述的地区。白色三角代表矩震级为3.4的一次普通地震的震中

这意味着对震源深度的条件不足。然而,这些震源深度与消减板块界面大体一致。向陆地倾斜的节面倾角与菲律宾海板块的斜度一致;平均倾角和标准偏差在Kii2T o2 kai地区是14°±8°,在Shikoku地区是15°±9°。这些数据意味着超低频地震可能发生在俯冲板块界面上。

在日本西南部已监测到深源低频颤动和慢滑事件同时发生的现象。这些活动无论在时间上还是空间上都是重合的,而且当深源低频颤动的活动性水平很高时,它们就会呈现一种清晰的迁移模式。2006年1月在Kii2 Tokai地区观测到深源低频颤动活动明显向东北方向迁移,而且慢滑事件引起了大地形变。在同一地区,还观测到超低频地震活动以相同模式迁移(图3)。超低频地震活动的迁移模式与深源低频颤动和大地形变的观测结果一致。这一结果说明慢滑事件与超低频地震活动和深源低频颤动的关系非常密切,从而反映出过渡带的应力积累和松弛过程。　　超低频地震引起的波列似乎总是与深源低频颤动引起的波列峰值振幅重合(图1)。然而,需要注意的是,深源低频颤动并非伴随超低频地震而发生。这一结果说明,超低频事件和深源低频颤动是两个性质截然不同的现象。

考虑到～20s超低频成分的优势(图1),它们对破裂过程的响应可能相当于破裂持续时间的特征时间标度约为10s的慢地震。这个破裂持续时间比一般地震的持续时间长,也超过了深源低频颤动的持续时间(～1s)。然而,10s的持续时间明显比观测到的持续时间为2～5天的区域性慢滑事件短。发生在增生棱体内的类似超低频地震被认为是代表了高空隙流体压力的断层面上的低应力降、低破裂速度和低滑动速度的慢地震。这些观测结果表明,3种类型的慢地震深源低频颤动、超低频地震和慢滑事件在俯冲板块界面的过渡带同时发生。

　　地震速度结构层析成像研究发现:在深源低频颤动的震源区周围存在高泊松比。在南海俯冲带进行的最新研究发现,低频地震呈线状分布,类似于拥有略微明显的P、S 震相的深源低频颤动,这些低频颤动发生在板块界面附近35～40km处,即过渡带附近高泊松比的地带。这可以有两种解释:①剪

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图3　超低频地震活动和深源低频颤动的迁移以及2006年1月5日至25日期间

在O KZH 、HAZH 、URSH 和M G W H 4个H i 2net 台站的倾斜变化。插图中代表俯冲板块界面走向的西南—东北向线条表示超低频地震(红星)和深源低频颤动(圆)的时间变化。4条彩色线条表示在H i 2net 台站观测到的倾斜变化东—西向分量记录。插图表示在同一时期的超低频地震和深源低频颤动的分布情况以及H i 2net T I L T 台站的位置(加号

)

图4　日本西南部俯冲带下倾部分发生的超低频地震、深源低频颤动

和慢滑事件的震源分布

切滑动引起了低频地震,②由俯冲洋壳的

脱水作用释放出的流体在某一地区形成了高孔隙流体压力。考虑到包括低频地震在内的3种慢地震都发生在过渡带(图4),高孔隙流体压力带的存在对于这些慢地震的发生起着重要作用。过渡带上应力松弛过程的一种可能的情况就是基于凹凸体模式,此模式下超低频地震的强耦合区域被无震慢滑地区包

围。慢滑部分的断层剪切强度低于大型逆冲断层地震凸起体的剪切强度,这是因为高孔隙流体压力可引起板块界面上的正应力降低。如果由俯冲板块承载的剪切应力达到慢滑部分总的屈服应力,那么在过渡带就开始发生慢滑事件。当慢滑事件的发生引起超低频地震区域剪切应力增加时,在积累应力达到被高孔隙流体压力降低了的屈服应力后,

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　　不仅要对深源低频颤动进行监测,还要对超低频地震进行监测,这对于大型逆冲断层地震破裂带上的应力评定非常有用,因为发生在俯冲带下倾部分所有震级的慢地震会增加大型逆冲断层地震凸起体上的剪切应力。超低频地震也是测定预期的大型逆冲断层地震破裂带应力状态的有用标志。

说明:文中参考文献略。

译自:Science.Vol315,26January2007:5032 506

原题:Sl ow earthquakes coincident with ep is odic tre mors and sl ow sli p events

(陕西省地震局　乔迎春译;左玉玲校)

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