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Science: 三维断层结构控制震群的动态发展

理解一个地震如何发生及为何开始发生是地震科学的最大挑战之一。考虑到大地震和小地震的发生频度不同，理解断层带地震的发生发展过程可以通过对破坏性大地震的时空破裂过程研究，以及中小地震序列的时空演化过程开展高分辨率探测等途径加以实现。通常认为，断层的结构会控制地震破裂的起始、传播和停止，且断层形态在地下浅部比深部更复杂。但科学家对地下断层结构的探究比较困难，虽可通过钻井等方式直接观测断层的物性特征，但空间采样非常有限。随着地震观测台网密度的增加和分析手段的不断进步，海量中小地震的精定位为认识断层带的三维深部形态提供了一种有效的手段（参见前沿报道《寻找隐藏的微地震》）。

震群（Earthquake Swarm）是一类特殊的地震，通常指的是某一特定小区域在较短时间内发生的一系列中小地震，震群的持续时间可以是一些天、几个月，甚至是几年，震群中会存在多个震级相近的震级较大地震，但整个震群的能量释放过程同常见的主震-余震序列由1个主震或几个大震占主导的方式明显不同。主震后发生的一系列余震不应被称为震群，而震级特别大的多次破坏性地震，一般也不称为震群，比如1976年松潘-平武地区发生的2次级强震和最大震级达级的余震。震群的发生通常被认为是由于外部作用导致断层上的应力增加或者减少了发震断层的强度（Shelly et al., 2016）而致，自然发生的震群常与岩浆迁移和地热流体活动相关联。通过对震群活动的精定位分析研究，可以探究地下岩浆的迁移及断层带内的流体运移过程，为认识地震的孕育和发生发展过程提供直接观测依据。

图1 （a）研究区的地理位置及主要的活动构造分布；（b）卡维拉谷附近三个不同时间震群的时空分布图（Hauksson et al., 2019）

最近美国加州理工大学的Zachy Ross博士及合作者在Science杂志刊文（Ross et al., 2020），针对南加州圣哈辛托断层（San Jacinto fault）及埃尔西诺断裂（Elsinore fault）之间的卡维拉谷（Cahuilla Valley）岩体附近2016-2019年发生的震群活动（图1），利用南加州密集分布的固定地震台站记录的连续地震波形数据，应用深度神经网络算法进行自动地震检测及精定位分析，获得了展布在4′4′2 km空间范围内矩震级为的22000多个地震的精细时空分布，进一步分析发现该地区断层带内复杂的三维结构控制着该震群的动态演化过程（Ross et al., 2020）。通过该项研究，推动了对断层带内部精细结构的一系列认识：

（1）精细的地震分布限定了断层带的三维形态。在断层垂直方向，地震分布范围非常窄，只有几十米或更小，因此断层带的孕震层厚度可能较薄。同时断层面在走向方向和倾向方向上都不是一个平面，尤其在西北段，断层面的倾向随深度发生了多次相反的变化。同时，在断层带内部，存在一系列与走向平行的垂直间距约200-400 m较密集展布的地震条带，且这些条带具有起伏的几何形态并在断层带内大部分区域都存在。

（2）精细测定的地震时空分布限定了地震序列的演化过程及可能的物理机制。此次地震序列起始于断层带底部（约8 km深度）一个约100 m宽的区域，其后发生的地震迁移过程与地震波传播类似，存在前锋面（类比地震波传播的波前面），后续的地震活动都发生在该前锋面内部，在前锋面的前方不存在地震活动（图2）。这一观测暗示在断层带底部存在一个连续的点状流体注入源，地震活动性的迁移是因为流体持续注入和迁移导致的。其中慢慢扩散的前锋面暗示这个震群主要是由流体运移来驱动的，而不是如典型的地震序列那样由静态或者动态应力触发来驱动。震群迁移的速度非常慢，达到1-5 m/天，这比慢滑移地震的传播速度（几十千米每天）要慢的多，进而估计断层带内的渗透率约为10 -17 -10 -18 m 2 。整个震群的发展可以分为三个阶段（图2）：自2016年至2017年，地震序列平稳发展且地震发生率比较低，然后发展到一个地震高发时段（阶段1和2），直到一次震级较大地震（）发生，地震发生率显著增加（阶段3）后减少并在1年后停止。阶段1和2的地震发生过程可能主要由整个断层区的流体压力扩展驱动，而阶段3的震群活动则由静态应力变化和流体压力变化混合驱动作用。地震在周围断层区形成了显著的应力变化，这可能改变了渗透率结构，从而增强了整个系统的流体流动。随时间变化的应力降分析发现，阶段1和2的应力降中值约8 MPa左右，而阶段3的应力降中值下降为2 MPa，这些特征进一步证实了上面的推论。

图2 2016-2019年卡维拉谷震群的时空分布。（a）和（b）震群在水平面及沿断层走向的深度剖面上的分布，不同颜色表示相对于震群起始的时间。c）沿走向和倾向的地震迁移分布，可以看到在阶段2中存在迁移的各向异性，迁移更多是沿着走向方向（蓝色椭圆所示）（Ross et al., 2020）

（3）地震序列的空间演化过程为推测断层带的物性特征提供了直接证据。这个震群的非均匀空间分布暗示断层带的渗透性体系是空间变化的。在4年的震群活动期内，只存在极少量震源深度大于 km的地震，因此推测在该深度可能存在一个渗透率障碍体，或者断层带自身没有延伸到更深或者在这个深度存在介质流变性的变化。2016-2017年，震群在断层面内的迁移速度基本是各向同性的。此后，沿走向的迁移相对沿倾向的迁移速度更快，这同流体进入断层通道的推测相一致（图2c）。在2018年8月，在震群开始3年后，在大约6 km深度处沿断层带倾向向上的迁移基本停止了，仅在断层区东南端沿走向约1 km长的区域内地震继续向上迁移；而在这些地震向上迁移500 m后，地震活动快速升级并最终形成序列中最大的地震（地震）。此后，震群基本是向西北方单向迁移，将深度小于6 km的地震空区填满。基于这些观测，作者推测在6 km深度存在一个近水平的渗透性障碍体，几乎没有流体可以穿过它。因此，断层区的渗透性结构对局部的扩散性质起控制作用，渗透率不是静止不变的标量，而是一个随空间和时间变化的张量，渗透率可能会伴随滑移和断层恢复过程而随时间变化。

断层区内破坏区的几何形态决定了内部流体运移的通道或者屏障。此次震群由一个局部流体注入点扩散的特征表明断层区可能同一个深部源区相连，但是连接通道最初是被封闭的（图3）。而卡维拉谷（Cahuilla Valley）岩体附近在1980-1981年、1984-1985年和2016-2019年曾多次发生震群活动，表明该地区地壳深部存在一个规模较大的流体源区（图1；Hauksson et al., 2019）。深部流体供给的运移导致断层区的震群活动，可以用断层阀门模型（Sibson et al., 1981）来进行解释（图3）。该研究中深度神经网络算法的应用，使对海量连续地震波形记录中的地震检测识别和定位工作可以自动化完成，地震学家仅需检验部分识别结果以确保数据质量，这大大提高了微弱地震的识别效率和定位精度。

图3 对震群发生机制的解释卡通图，深部流体穿过底部障碍体的某处进入断层区，并向浅部运移导致震群的发生（Ross et al., 2020）

【致谢：感谢地星室陈棋福研究员对本文提出的宝贵修改建议。】

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