EPSL:大地震后断层余滑和深部粘弹松弛在地表产生的形变可分离吗?

大地震后地壳的形变受多种震后机制控制,包括孔隙弹性回弹、余滑和粘弹性松弛。孔隙弹性回弹主要影响断层近场区域、持续时间较短,而余滑和粘弹性松弛的持续时间可长达几年甚至几十年,影响范围达数百公里,是常见的震后形变形式。余滑为我们提供了理解断层摩擦特性的关键线索,粘弹性松弛为研究岩石圈的流变和强度特性提供了途径。然而,这两种机制所产生的地表形变在衰减特性上相似,且相互交织,使得从观测数据中准确提取断层和地壳的物理特性变得复杂。

现代大地测量技术,如GNSS和InSAR,为震后形变研究提供了丰富的观测数据。但大多数观测数据并没有覆盖整个震后阶段,因此,我们往往面临“近年来的大地震缺乏震后晚期的观测、而较早时期的大地震缺乏震后早期的观测”,这也导致了大多数研究要么是仅关注余滑或粘弹性松弛、要么是综合两种机制来拟合观测数据。地表观测约束的缺失,使得我们对余滑和粘弹性松弛这两种震后过程在时间和空间上的演变过程认识不足。

为更好的揭示大地震后余滑和粘弹性松弛在时间和空间上的演化过程、解析两者“此消彼长”的主导关系,中国地震地质研究所地壳形变研究室李彦川副研究员、构造物理研究室王丽凤研究员、地壳形变研究室单新建研究员及赵德政博士,以1973年发生于鲜水河断裂上的炉霍Ms7.6地震为例(图1),收集了记录同震形变的大地测量三角网数据(1961-1975年)、处理了几乎记录完整震后阶段地壳形变的跨断层短基线测量数据(1976-2018年),揭示出该地震长时序的震后形变演化特征,结果表明:

①在时间域内,余滑在主震后20年仍会在断层近场局部区域产生>1.5mm/yr的变形,其空间影响在震后~10年内广泛存在;而黏弹性松弛可持续~60年,其对大范围区域的影响主要发生在震后30年内;②在空间域内,余滑能在距离断层~2倍孕震层深度(SD;20km)的范围内产生形变,但主要集中在距断层~1倍SD的近场区域;相比之下,黏弹性松弛影响更为广泛,横向范围可达200km;③在震后早期阶段,余滑和黏弹性松弛共同影响距离断层~2倍SD的区域,随着时间的推移,它们引起的形变在空间上逐渐分离,余滑引起的形变逐渐向断层靠拢,而黏弹性松弛引起的地表形变则集中在距断层~2-3倍SD的中场区域。

该研究的意义在于:①揭示了余滑和粘弹松驰在不同时空域的演化及主导;②余滑和粘弹性松弛的时空可分性,可用于指导针对摩擦属性和流变属性研究的野外观测及数据筛选,也为震后形变测站的部署提供了参考。

上述成果发表在近期的Earth and Planetary Science Letters杂志上:

Yanchuan Li(李彦川), Lifeng Wang(王丽凤*), Xinjian Shan(单新建*), Dezheng Zhao(赵德政). Spatiotemporal dominance of afterslip and viscoelastic relaxation revealed by four decades of post-1973 Luhuo earthquake observations, 2024, 118949, https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118949。

研究得到了国家自然科学基金地震联合基金(U2139202, U2239204)、面上项目(42374005)、中央级公益性科研院所基本科研业务专项(IGCEA2006, IGCEA2307)及国家重点研发计划(2021FYC3000605)的资助。

文章中处理的跨断层短基线数据、三角测量数据、同震及余滑模型可公开获取:https://doi.org/10.5281/zenodo.13346070。

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图1. 鲜水河断裂炉霍段构造背景、余滑和粘弹性松弛时空主导图

上图中,粗灰色线表示1967侏倭和1973炉霍地震地表破裂,蓝色三角形为跨断层短基线位置,彩色矩形表示炉霍地震引起的地貌位错;下图中,青色等值线对应余滑占地表总位移60%的比例,黄色到紫色等值线对应于黏弹性松弛速率>1.5mm/yr、且占地表总位移60%的比例