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2021年5月7日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature Geoscience》在線(xiàn)發(fā)表了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院、科技部蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)站、中國(guó)科學(xué)院深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張海江教授課題組與美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的合作研究成果，論文題目為《Correlation of porosity variations and rheological transitions on the southern Cascadia megathrust》。該研究利用最新發(fā)展的先進(jìn)地震層析成像技術(shù)，聯(lián)合海洋和陸地的地震數(shù)據(jù)，確定了位于太平洋西北部的卡斯卡迪亞（Cascadia）俯沖帶南段的大型逆沖斷層從海洋延伸到北美陸地下方的三維高精度地震波速度結(jié)構(gòu)，并結(jié)合巖石物理實(shí)驗(yàn)和斷層力學(xué)模擬的結(jié)果分析了該逆沖斷層的巖石孔隙率與力學(xué)性質(zhì)的變化，從而為該地區(qū)的大地震災(zāi)害評(píng)估提供了重要的物理基礎(chǔ)。論文第一作者為郭浩博士，現(xiàn)為美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校博士后。郭浩博士、Jeff McGuire博士和張海江教授為論文共同通訊作者，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)為論文第一單位。

位于太平洋西北部的Cascadia俯沖帶沿著走向綿延上千公里，是北美地區(qū)地震風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域之一（圖1）。在1700年，該地區(qū)發(fā)生了一個(gè)9級(jí)左右的大地震并引起了海嘯。Cascadia俯沖帶地震危險(xiǎn)性評(píng)估中的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題是未來(lái)發(fā)生在該板塊界面上的大型逆沖地震的破裂范圍。如果大地震可以破裂到陸地，那么可能會(huì)引起巨大的地震災(zāi)害?；贕PS觀(guān)測(cè)資料的測(cè)地學(xué)模型顯示，該俯沖板塊的界面在大約20千米深度以?xún)?nèi)處于震間閉鎖狀態(tài)，30-50千米深度為幕式震顫和慢滑移事件（ETS）的發(fā)生區(qū)域，在閉鎖區(qū)和ETS區(qū)之間存在一個(gè)過(guò)渡帶（圖1、2）。閉鎖區(qū)累積的彈性應(yīng)變能將會(huì)通過(guò)大地震的形式釋放，但大地震破裂能否通過(guò)下方的過(guò)渡帶還不清楚。

圖1.Cascadia俯沖帶（由南部的Gorda板塊和北部的Juan de Fuca板塊組成）的構(gòu)造背景圖以及本研究所用的地震事件和地震臺(tái)站分布的平面圖。左圖中紅-黃-白背景圖表示板塊界面的震間閉鎖模型。

該研究通過(guò)分析布設(shè)在Cascadia俯沖帶最南端Gorda板塊上的海底地震儀和陸地上的地震儀所記錄到的地震數(shù)據(jù)（圖1），利用新發(fā)展的三重差地震定位和層析成像算法（tomoTD），得到了俯沖板塊內(nèi)高精度的地震定位以及對(duì)巖石孔隙率和流體含量敏感的地震波速比（Vp/Vs）模型。結(jié)果顯示，從閉鎖區(qū)到過(guò)渡帶，板塊界面附近的波速比存在一個(gè)明顯的從高到低的變化（圖2）。閉鎖區(qū)的高Vp/Vs值很可能是由高孔隙率和高孔隙流體壓引起的，這意味著閉鎖區(qū)相對(duì)較弱，并且其它的地震學(xué)觀(guān)測(cè)也支持了這樣的推斷。過(guò)渡帶的較低Vp/Vs值反映了該區(qū)域的孔隙率和孔隙流體壓要比閉鎖區(qū)低一個(gè)量級(jí)，這很可能是由于隨著深度/壓力增加，界面附近流體逃逸的結(jié)果。結(jié)合前人的斷層力學(xué)模擬的結(jié)果，該研究認(rèn)為板塊界面附近的孔隙率和流體含量的變化導(dǎo)致了斷層流變性的變化，高孔隙率的閉鎖區(qū)呈現(xiàn)脆性變形，而過(guò)渡帶的巖石由于近乎100%的粒間接觸（grain-to-grain contacts），即低孔隙率，因此呈現(xiàn)塑性變形（圖2）。因此，未來(lái)大地震的破裂可能很難穿過(guò)過(guò)渡帶，從而大大降低了陸地區(qū)域的地震危險(xiǎn)性。對(duì)于更深的ETS區(qū)域，前人的地震學(xué)研究和大地電磁成像研究都表明存在高孔隙率和高孔隙流體壓，從而使得板塊界面斷層又回歸脆性變形，并產(chǎn)生震顫信號(hào)和低頻地震（圖2）。

圖2.Cascadia俯沖帶南段板塊界面的震間耦合模型（a）以及沿著CC’剖面的地震波速比模型（b）和前人的電阻率模型（c）。

對(duì)于全球其他環(huán)太平洋俯沖板塊，包括Cascadia俯沖帶北段、日本南海俯沖板塊、阿拉斯加俯沖板塊、墨西哥俯沖板塊，都具有和Cascadia南段相似的形變特征。該研究推測(cè)這些俯沖板塊的界面可能也存在著和Cascadia南段相似的物性和力學(xué)性質(zhì)變化，因此研究結(jié)果對(duì)于這些俯沖帶的地震危險(xiǎn)性評(píng)估也將會(huì)起到重要作用。

該研究是郭浩博士論文的一部分，得到了中國(guó)留學(xué)基金委、中國(guó)自然科學(xué)基金委、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)等聯(lián)合資助。

論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1038/s41561-021-00740-1

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院、科技部蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)站、中國(guó)科學(xué)院深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心)