静/慢地震研究现状及意义*

闫 伟 彭汉书

(1)中国地震台网中心，北京 100045 2)中国地震局地球物理研究所，北京100083)

静/慢地震研究现状及意义*

闫 伟1)彭汉书2)

(1)中国地震台网中心，北京 100045 2)中国地震局地球物理研究所，北京100083)

静/慢地震是地壳能量释放的一种形式，可能消除一个正趋于断裂地带的地震威胁，也可能因为应力的转移而触发一个正常的地震;也有一些学者认为静/慢地震的发生并不在断层闭锁区域，两者的关系不大。对于静/慢地震的危险性尽管分歧较大，然而看法一致的是静/慢地震是地震断裂过程的一个组成部分，在地震成核作用中可能起着重要的作用，静/慢地震还有可能揭示更多板块边界的运动形式。目前，关于静地震的物理机制还存在较大的争议，一些学者认为静/慢地震现象产生的主要因素为含水矿物的脱水作用或流体的浸入作用从而导致孔隙压力的变化;另外有些学者认为在孔隙压力不变的情况下只利用摩擦定律数值模拟也能观测到类似静/慢地震现象;还有一些学者认为静/慢地震主要分布在距离俯冲带一定距离的地震反射体上，而不是发生在距离俯冲带界面附近一个狭窄的区域内。

静/慢地震;物理机制;地震危险性;低频颤动;阵发性震颤和滑动

1 引言

地震研究表明：震源过程是一个持续时间较长的复杂过程，地震发生时所释放的能量只是其中一部分，有很大一部分能量在地震前以各种形式缓慢释放，这种能量缓慢释放的地学现象称为慢地震或静地震［1］。

日本学者Watanabe［2］根据俯冲速度总错动量和地震位错错动量的差异推断，地震位错只占全部错动量的一小部分，很大部分由静地震实现。这些类似的结果表明，缓慢的能量释放可能是地球内部能量释放的主要形式。在全部地形变过程中，地震、静地震和蠕变各自占有多大的份额、静地震的分布具有怎样的特征，是一些值得研究的问题。

2 静/慢地震的概念及分类

对于像常规地震一样，由于断层的剪切滑动，而持续时间相对常规地震长些，辐射出的能量比常规地震少些的现象称之为慢地震或间歇性深部颤动、低频地震、甚低频地震、慢滑移事件及寂静地震等［3-5］。

图1总结了南海海槽内的低频颤动、低频地震、甚低频地震和慢滑事件连同卡斯凯迪亚消减带内间歇颤动和滑动以及一些寂静地震的特征量值。除沿日本海沟发生的两次寂静地震没记录到颤动活动以外，在特征持续时间T与地震矩M0之间存在着明确的比例关系：

该关系不同于消减带内常规地震的定标律［6］，即

3 静/慢地震的物理机制

目前，关于静地震的物理机制还存在较大的争议，主要集中在对其进行定位的方法上，Obara［7，8］认为脉动信号没有明显的初动。Katsumata and Kamaya［9］则指出，并非所有台站记录到的脉冲信号都没有明显的初动，并挑选出那些能够拾取初动的台站记录，通过提取P波初动对慢地震进行了精确定位。定位结果显示地震发生在俯冲带30～40km深处的地壳中，靠近地壳、地幔楔和俯冲板块交界处的带状区域内。Kao［10-12］采用 SSA(Source-Scanning Algorithm)方法对慢地震进行定位的同时，发现慢地震弥散在30～50 km深处的卡斯凯迪亚(Cascadia)俯冲带附近及其上部相当大的深度范围，有50～55%的慢地震分布在地震反射体(图2右图中的灰色区域)附近，而不是像前人所指出的那样发生在距离俯冲带界面附近一个较窄的区域内。

图1 各种慢地震的地震矩与特征持续时间之间的对比［6］Fig.1 Comparison between seismic moment and character lasting time of varient slow earthquakes［6］

Kodaira［13］综合利用天然地震和人工地震资料得到南海海槽和日本中部地区的地震速度和反射剖面，指出发震层下的俯冲带褶皱发育，促进了含水矿物脱水作用产生的流体运动，使孔隙水压增大、临界刚度稳定在发生慢滑移的范围内(图3)。

岩石试验［14］表明，俯冲带附近的稳滑和黏滑现象的发生主要取决于断层的临界刚度系数：kc= -(a-b)(σn-Pf)/Lc。其中σn是正压力，Pf是孔隙压力，(a-b)是依赖静摩擦的速度。图3(b)中的k为把逆冲系统作为一个简单的弹簧滑块模型的系统刚度。当(a-b)为正时，kc＞0，则不会发生地震;当(a-b)为负，kc＜0，断层不稳定或者有条件的稳定时，就导致了慢滑移现象的发生。

Shelly［15］利用互相关和双差精定位方法对发生在2002—2005年的6 713次事件进行重新定位，分离出1 180次低频脉动事件，运用77个钻孔台网进行速度结构成像，也得出了高压流体的变化和慢滑移事件具有很好的关联性(图4)。

选取A-A’断面的主要原因是包括了较多的背景地震(图4(a)中的黑点)和慢滑移(图4(a)中的红点)。断面长度大约为9km。分析认为：LFE事件发生在逆冲断层的断层表面。图4(d)中的海洋莫霍面由图4(b)和(c)的高波速层得到。由图4(e)可以看出LFE事件主要发生在海洋莫霍面和岛弧莫霍面交界处的高波速比地区;LFE下方主要发生稳滑现象，上方主要是闭锁区域。

图2 卡斯凯迪亚俯冲带附近P波速度结构图［11］Fig.2 The P wave velocity structure near the Cascadia subductions zone［11］

图3 南海海槽和日本中部地区的地震速度和反射剖面［13］Fig.3 Seismic velocity and reflection profile of The Nankai trough and the central region of Japan［13］

但是Liu［16］利用速度-状态摩擦定律进行三维数值模拟研究发现，在孔隙压力不随时间变化的情况下，仅仅依靠摩擦本构关系随深度的变化和某些参量在俯冲带走向上的变化就能够产出与已有观测非常相似的慢滑移现象。同时指出不同俯冲带出慢滑移和脉动存在差异的原因可能与板块俯冲角度、板块聚合速度、温度以及孔隙压力的差异有关(图5)。

图4 对A-A’横截面重定位结果以及速度结构成像［15］Fig.4 Results of the cross-section A-A’re-positioning and the velocity structure imaging［15］

通过比较图5(a)～(d)图像的变化过程可以看出，开始滑动的地方位于60 km和220 km深处，逐渐向140 km处靠拢，当到达40 km处时，出现了最大的速度。图5(d)的迁移速度约为3 km/a。

4 静/慢地震的危险性

Linde［17］认为慢地震是地震断裂过程的一个组成部分，在地震成核过程中可能起着重要的作用。

图6中蓝颜色的圆圈代表ALBH台站(GPS)的日变化情况。绿色连续线代表长期的东向移动变化趋势。红线代表在每次滑动事件之前的东向移动趋势(周期为13～16月)。底部的图像表示在Vancouver岛南部的震颤的发生频次。

如果图6中表示的滑动和颤动一一对应的话，那么类似颤动的波形可以实时检测滑动事件。由于板块表面深处的滑移事件在闭锁板块表面产生了应力积累，所以Rogers［18］认为滑移事件可能触发一次破坏型地震。也就是说，阵发性震颤和滑动(ETS)的高发期可以产生一个地震的高发时段。

图6 Victoria地区的滑动事件和震颤事件的对比［18］Fig.6 Comparison between the transient slip events and the tremor events in the area of Victoria［18］

由图7可以看出，震颤的活跃期为几天或者几个星期。当活跃期过后，该地区将会平静几个月。震颤有时候看起来像是被一次较大地震的触发。例如，4月2日发生的Shizuoka M5.1地震后，Tokai地区的震颤开始活跃;3月24日Geiyo M6.7地震后，Shikoku地区的震颤开始活跃。另外，震颤的活跃期也可以在附近一次地震结束后而平静。例如，在Tokai地区，震颤在9月经历了大约2个星期的活跃期，恰巧随着Aichi M4.1地震的发生而结束。

Costello［19］研究表明，如果慢地震发生在原破裂附近，则地震的危险性将会降低，因为慢地震释放了累积的地应力或者能量，这对应于有慢地震无正常大地震发生的现象;如果发生在断层的闭锁段，则发生大地震的可能性将会增加，因为这会造成断层闭锁段的解锁，断层之间的摩擦力突然减小，产生快速滑动甚至破裂，这对应于慢地震之后有正常地震的现象，或慢地震触发了正常地震的假说。

图7 Tokai、Kii半岛和Shikoku地区的地震颤发生的频次［7］(箭头代表在脉冲活跃区发生的大于M4的主要地震)Fig.7 Frequency of tremor occurrence in the Tokai，Kii Peninsula and Shikoku regions(Arrows represent the M＞4 main earthquakes occurred in the active tremor area［7］

Kawasaki［4］在探讨静地震和地震预报之间的关系时(图8)，提出两个问题：第一，在静地震发生的稳滑和黏滑地区和地震发震区是如何联系的;第二，我们能否知道慢地震是如何发生的。

Stokstad［20］认为，由于每次慢滑移现象只是使本地的应力降低，但不会对断层闭锁区域的应力起作用，而断层闭锁区域为大震的发震区域。大量慢地震每隔500年会导致一次特大地震，这使得任何单一慢地震都不可能成为有意义的前兆。然而看法都一致的是，慢地震有可能揭示更多有关板块边界是如何运动的。

图8 地震矩和矩率之间的关系［4］Fig.8 Relation between the rate of seismic moment and the moment［4］

6 全球主要静地震事件及其分布

Schowartz［21］报道了环太平洋地区主要慢滑移现象的分布及其规律(图9)，其结果指出比较重要的一点便是：在观测仪器满足观测慢滑移现象的条件下，慢滑移事件在环太平洋俯冲地区似乎是一个普遍现象。

其他地区也有慢地震的分布(图10)。

图9 环太平洋俯冲带主要慢滑动事件位置［21］Fig.9 Locations of main slow slip events at circum-pacific subduction zones［21］

图10 静/慢地震事件分布图Fig.10 Space distribution of slow slip events all over the world

目前对绝大多数的慢滑移事件的观测报道，主要集中在俯冲板块边界区域。其中，阵发性震颤和滑动(Episodic Tremor and Slip，ETS)事件主要重点集中于美国卡斯卡迪亚地区及其日本南部板块交界俯冲带;慢滑移事件(Slow Slip Events，SSE)和震颤事件分布较广，除夏威夷群岛［21］的震颤报道之外，其余基本位于板块边界带上。关于其他类型板块边界地区和板块内部地区是否存在静/慢地震的问题，目前只有一些间接的线索。在圣安德列斯断层附近的观测表明，静/慢地震事件似乎不限制于俯冲型板块边界［22］。

致谢 感谢吴忠良教授、蒋长胜、武艳强博士的指导!

1 Kawasaki I，et al.The 1992 Sanriku-Oki，Japan，Ultra-Slow Earthquake［J］.Journal of Physics of the Earth，1995，43：(2)105-116.

2 Watanabe T，et al.Scaling relationship between the duration and the amplitude of non-volcanic deep low-frequency tremors［J］.Geophysical Research Letters，2007，DOI：10.1029/2007GL029391.

3 Hirose H，et al.A slow trust slip event following the two 1996 Hyuganada earthquakes beneath the Bungo Channel，southwest Japan［J］.Geophysical Research Letters，1991，26：3 237-3 240.

4 Kawasaki.Silent earthquakes occurring in a stable-unstable transition zone and implication for earthquake prediction［J］.Earth Planets Space，2004，56：813-821.

5 Ozawa S，et al.Detection and Monitoring of Ongoing Aseismic Slip in the Tokai Region，Central Japan［J］.Science，2002，298：1 009-1 012.

6 Ide S，et al.A scaling law for slow earthquakes［J］.Nature，2007，447，DOI：10.1038/nature05780.

7 Obara K.Nonvolcanic deep Tremor associated with subduction in southwest Japan［J］.Scince，2002，296：1 679-1 681.

8 Obara K，et al.Episodic slow slip events accompanied by non-volcanic tremors in southwest Japan subduction zone［J］.Geophysical Research Letters，2004，31，DOI：10.1029/2004GL020848.

9 Katsumata K，Wada N and Kasahara M.Newly imaged shape of the deep seismic zone within the subducting Pacific plate beneath the Hokkaido corner，Japan-Kurile arc-arc junction［J］.J Geophys Res.，2003，108，2565：doi：10.1029/ 2002JB002175.

10 Kao H and Shan S J.The Source-Scanning Algorithm mapping the distribution of seismic sources in time and space［J］.Geophys J Int.，2004，157，DOI：10.1111/j.1365-246X.2004.02276.x.

11 Kao H，et al.A wide depth distribution of seismic tremors along the northern Cascadia margin［J］.Nature，2005，436，DOI：10.1038/nature03903.

12 Kao H，et al.Spatial-temporal patterns of seismic tremors in northern Cascadia［J］.Journal of Geophysical Research，2006，111，DOI：10.1029/2005JB003727.

13 Kodaira，et al.High pore fluid pressure may cause silent slip in the Nankai trough［J］.Science，2004，304;DOI：10.1126/science.1096535.

14 Scholz C H，Katsumata A and Kamaya N.Low-frequency continuous tremor around the Moho discontinuity away from volcanoes in the southwest Japan［J］.Geophysics Research Letter，2003，30(1)：DOI：10.1029/2002GL015981.

15 Shelly D R，et al.Low-frequency earthquakes in Shikoku，Japan，and their relationship to episodic tremor and slip［J］.Nature，2006，442，DOI：10.1038/nature04931.

16 Liu Y J.Aseismic slip transients emerge spontaneously in three-dimensional rate and state modeling of subduction earthquake sequences［J］.Journal of Geophysical Research，2005，110，DOI：10.1029/2004JB003424.

17 Linde A T，et al.A slow earthquake sequence on the San Andreas fault［J］.Nature，1996，383：65-68.

18 Rogers G and Dragert H.Episodic Tremor and Slip on the Cascadia Subduction Zone：The Chatter of Silent Slip［J］.Science，2003，300，1 942-1 943.

19 Costello S W and Tullis T E.Can free oscillations trigger foreshocks that allow earthquake prediction?［J］.Geophysical Research Letters，1999，26(7)：891-894.

20 Stokstad E.Deep quakes slow but very steady［J］.Scince，2002，295(5564)：2 344-2 345.

21 Susan Y Schwartz and Julianna M Rokosky.Slow slip events and seismic tremor at circum-pacific subduction zones［J］.Reviews of Geophysics，2007，45，RG3004，1：32.

22 Nadeau R M and Dolenc D.Nonvolcanic Tremors Deep Beneath the San Andreas fault［J］.Science，2005，307：389-390.

SITUATION AND SIGNIFICANCE OF RESEARCH ON SILENT EARTHQUAKE

(1)China Earthquake Networks Center，Beijing 100045 2)Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing100083)

Silent/slow earthquakes are a form of crustal energy release，it is possible to eliminate the fracture of an earthquake fault but it is said that silent/slow earthquakes may also be the trigger of a normal earthquake because the stress transfer.Some scholars believe that the silent/slow earthquakes are not the fault latch area，little relationship between the two.Despite the divergence of viewpoint about the risk of silent/slow earthquake，there is a same view that the silent earthquake rupture process of slow earthquakes are an part of the earthquake nucleation and may play an important role and silent/slow earthquakes may reveal more movement forms of plate boundary.Currently，about the physical mechanism of the earthquake there is a big controversy yet，some scholars believe that the occurence of slow earthquakes is due to the dehydration of mineral water immersion or the invasion of fluid leading to changes in pore pressure，in the same time，some scholars think that under the same pore pressure according friction law only by numerical simulation the silent/slow earthquake phenomenon can also be observed，and some scholars believe that the silent/slow earthquakes are mainly distributed in a certain distance from the subduction zone seismic reflectors，rather than place from the subduction zone near the interface in a narrow area.

silent/slow earthquake;physical mechanism;seismic risk;deep low frequency earthquake(DLF); episodic tremor and slip(ETS)

Yan Wei1)and Peng Hanshu2)

1671-5942(2011)Supp.-0051-06

2011-02-03

地震行业专项(201108009);国家科技支撑计划项目(2008BAC35B03-05);中国地震局监测预报司预报处震情跟踪定向工作任务(2011020602)

闫伟，男，1982年生，硕士，助理研究员，主要从事地形变资料分析等研究.E-mail：ywcenc@163.com

P315.1

A