王丽凤研究员等在慢地震发生机制方面获得重要进展

断层发生突然错动是构造加载作用下,脆性上地壳释放能量的典型方式。然而,中下地壳经常可以观测到由于断层失稳激发的地震波,比如圣安德烈斯断层的深部震颤,这些小尺度的断层失稳,伴随着另外一种不稳定滑移模式,即慢滑移,它们的发生位置均深于脆性上地壳的地震域。实验室和野外观测表明,圣安德烈斯断层的中下地壳在其对应的温压范围应当表现为以稳滑为特征的速度强化,因此,在该深度发生断层失稳的机理仍然是一个待解之谜。

在国家自然科学基金项目和美国自然科学基金项目的共同资助下,地震动力学国家重点实验室王丽凤研究员与美国南加州大学Sylvain Barbot教授合作,以全球地震观测密度和研究程度最高的地区之一—圣安德烈斯断层Parkfield段为例,对此问题开展了研究。他们在研究中结合了室内岩石实验、地震学和地球物理研究结果以及长期大地测量形变(GPS)资料,通过300年的模拟结果,对断层深部的动态破裂行为和活动特征进行了分析,所得到的热扰动成因的动态破裂事件,可以很好地解释该地区发生的震颤和慢滑移。

他们的研究表明,断层相对滑动过程中的剪切生热,可以起到弱化断层的作用,从而为圣安德烈斯中下地壳的断层失稳提供了条件。正是这些剪切生热导致的断层弱化,使得断层发生加速滑动,形成失稳。下图模拟中下地壳温压环境下,断层面的应力、速度、接触状态与温度之间的耦合过程。

       上面的相图所示,断层滑动速度、应力、断层面接触状态随温度的演化;下图为各状态变量在三个慢滑移事件中的演化,不同的颜色,代表不同的滑移阶段,类似于地震中的成核期、同震期、间震期和震后期。

正如Barbot教授在接受美国媒体采访时的解释:“类似于我们在天冷的时候摩擦手掌,断层也可以在两侧相对滑动的时候升温。断层的升温对滑动过程会形成正反馈,让滑动更快,从而导致快速错动,激发地震波”。这一研究为深入理解中下地壳的断层失稳,如震颤和慢滑移,展示了一个新视角。

全文详见Excitation of San Andreas tremors by thermal instabilities below the seismogenic zone By Lifeng Wang, Sylvain Barbot,Science Advances, 04 Sep 2020 : eabb2057

(链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/36/eabb2057)