从断裂带构造认识断层滑移习性＊

Chris Marone,Eliza Richardson

(Department of Geosciences and Dutton e-Education Institute,Penn State University,University Park,Pennsylvania 16802,USA)

对于地震物理学和断裂运动研究而言,探索断裂带构造和地震行为之间的联系是至关重要的。地震代表滑动行为的一个极端;摩擦熔融和假玄武玻璃为动力破裂过程中的局部滑动提供了野外证据[1-3]。无震滑动则代表滑动行为的另一极端,在无震滑动中,蠕变与断裂带内普遍存在的剪切作用有关。然而,最近的研究表明,这种观点过于简单化。事实上,构造断层不在连续谱模式范畴,这个连续谱包括蠕变事件和瞬态应变、慢地震和寂静地震、低频地震、构造断层颤动以及震后滑移等(图1)。

经过长期研究,许多研究者[4-6]已经认识到断层的滑动模式非常复杂,涉及到存在或不存在地震辐射的瞬时加速度。然而,直到最近十几年前,像构造断层震颤这样的破裂模式才被逐渐知晓[7-8],近期的研究主要集中在介于地震滑动和无震滑动之间的滑动行为上[9-22]。

图1突出显示了不同断层滑动模式的不同时间常数,其范围从几秒钟(动态地震破裂)到几天(迁移性震颤),直至一年或一年以上(震后滑移和无震蠕变)。这一模型保留了孕震区的基本概念,即孕震区的上方和下方都存在无震滑动(如文献[24]),该模型表明,地震的瞬态滑动模式,包括震颤和具有甚低频(VLF)增强谱成分的地震,主要发生在孕震区上倾和下倾界限的过渡带上。这种观点与近期的观测结果一致,但随着瞬时滑动定位技术的改进,可能还需要对其加以修正。已知的滑移行为需要一个更为复杂的有关断裂带结构和断层滑移习性间的关联理论来对其作出解释,但同时它们也提出了一些重要问题:①慢滑断层物理学与地震物理学之间有怎样的联系?②震颤和其他形式的准动态破裂是否发生在断层的主控动态破裂的同一区段?③什么因素控制着断层慢滑的迁移速度?④这些瞬态滑动模式是否赋予其所在的断裂带以独特的结构形式,抑或源于这些断裂带的独特结构形式?⑤是否可以区分在动态破裂、无震蠕变及其他形式的断层作用过程中所形成的断裂带构造?

Fagereng和Sibson[25]提出了有关这些问题的新见解。其研究表明,混合俯冲带内某一特定位置上所记录的断层滑移反映出地震滑动模式和无震滑动模式间的分离。他们抛开地震和震颤(或蠕变事件)仅限于断层的不同区段的传统理念,转而假定断裂带的不均匀性造成了流变和应变速率的空间变化,从而导致了多种破裂模式的产生。这种不均匀性可能源于能力差异[25]或摩擦本构行为的变化[26]。估测表明,相对于粘土富集区或物质不那么强硬的区域,断裂带内较强硬的地块和局部剪切中硬化区段的破裂韧度较低,并显示出较强的脆性特征。这可能引起断裂带的自然分割,以致对地震成核与地震的形成产生影响[27]。因此,在断层地震周期的早期(局部剪切带发育不充分),断层滑动的瞬态模式可能更为常见。

图1 (上图)俯冲带背景下的不同断层滑动行为。通常在孕震区的下倾端点可以观测到深部不连续颤动和滑移(ETS)。缺乏高频能量的地震,即低频(或甚低频——VLF)地震可发生于不同的背景下,且可能与慢地震或无震瞬态滑动有关。(下图)不同滑动行为所对应的特征持续时间,包括非火山颤动(NVT)[23](原图为彩图)

混合模式的断层滑动行为显示出孕震区定义的复杂性。孕震区的定义传统上单单依靠震源的位置,由此提出的观点完全基于地震成核。随着滑移空间分布解析技术的提高,孕震区有了另一种定义:地震期间的同震滑动区。因为动态破裂能够在有条件的稳定区域于地震成核区的上倾和下倾界限内传播,所以孕震区的范围可以超过成核区。因此,Fagereng和 Sibson[25]所设想的复杂的、混合模式断层滑动行为可能会发生在这种有条件的稳定过渡区内。

某一断层位置上的混合模式断层滑动行为的另一种解释涉及局部剪切对摩擦稳定性的影响。一系列的实验室研究表明,当剪切变得更加局部化时,摩擦不稳定趋势也随之增大(如文献[28])。最近的研究表明,断裂带组构和叶理面的粘土盖层对于确定断层强度以及摩擦流变与剪切局部化之间的关系起着关键作用[28-29]。因此,认识剪切组构和微细结构在断裂带中的作用,对于我们根据断裂带结构的观测来解读断层的滑动模式会有所帮助。

依据20世纪70年代到80年代初所使用的摩擦规律和稳定性模型,断层滑动行为的观测范围是不可预料的。然而,现代摩擦本构定律却能够描述断层滑动行为的所有内容(如文献[30-32])。将速率-状态摩擦定律整合于地震模型后,便能够描述滑动成核现象、动态破裂传播、瞬态震后滑移和蠕变。然而,这些摩擦定律主要是经验性的,目前对其基本过程还知之甚少,其关键本构参数也并未得到实验室数据和实地观测模拟结果的充分约束。为了更好地认识目前普遍观测到的复杂、多模式断裂活动习性之间的时空交互作用,必须将摩擦本构定律、仪器观测结果以及断裂带实地考察结果等综合起来进行研究。目前,Fagereng和 Sibson开展的工作就代表了一种全新的、至关重要的研究方向。

译自:Geology,August 2010,767-768

原题:Learning to read fault-slip behavior from fault-zone structure

[1]Sibson R.Fault rocks and fault mechanism s.J.Geol.Soc.,1977,133:191-213;doi:10.1144/gsjgs.133.3.0191

[2]Cowan D S.Do faults p reserve a record of seismic slip?A field geologist’s opinion.J.Struct.Geol.,1999,21:995-1001;doi:10.1016/S0191-8141(99)00046-2

[3]Cashman SM,Baldw in J N,Cashman K V,et al.Microstructures developed by coseismic and aseismic faulting in near-surface sediments,San Andreas fault,Califo rnia.Geology,2007,35:611-614;doi:10.1130/G23545A.1

[4]Tocher D.Creep on the San Andreas fault:Creep rate and related measurementsat Vineyard,California.Bull.Seism.Soc.Am.,1960,50:396-404

[5]Beroza GC,Jo rdan T H.Searching for slow and silent earthquakes using free oscillations.J.Geophys.Res.,1990,95:2485-2510;doi:10.1029/JB095iB03p02485

[6]Linde A T,Gladw in MT,Johnston MJS,et al.A slow earthquake sequence on the San Andreas fault.Nature,1996,383:65-68;doi:10.1038/383065a0

[7]Obara K.Nonvolcanic deep tremo r associated w ith subduction in southwest Japan.Science,2002,296:1679-1681;doi:10.1126/science.1070378

[8]Rogers G,D ragert H.Episodic tremor and slip on the Cascadia subduction zone:The chatter of silent slip.Science,2003,300:1942-1943;doi:10.1126/science.1084783

[9]Amoruso A,Crescentini L.Slow diffusive fault slip p ropagation following the 6 April 2009 L’Aquila earthquake:Italy.Geophys.Res.Lett.,2009,36,L 24306;doi:10.1029/2009GL041503

[10]Brow n J R,Beroza G C,Ide S,et al.Deep low-frequency earthquakes in tremor localize to the plate interface in multiple subduction zones. Geophys.Res.Lett.,2009,36,L19306;doi:10.1029/2009GL040027

[11]Johnson K,Bürgmann R,Freym ueller J T.Coup led afterslip and viscoelastic flow follow ing the 2002 Denali Fault,A laska earthquake.Geophys.J.Int.,2009,176:670-682;doi:10.1111/j.1365-246X.2008.04029.x

[12]Lambert A,Kao H,Rogers G,et al.Correlation of tremor activity w ith tidal stress in the northern Cascadia subduction zone.J.Geophys.Res.,2009,114,B00A 08;doi:10.1029/2008JB006038

[13]La Rocca M,Creager K C,Galluzzo D,et al.Cascadia tremo r located near plate interface constrained by Sminus P wave times.Science,2009,323:620-623;doi:10.1126/science.1167112

[14]Liu C,Linde A T,Sacks IS.Slow earthquakes triggered by typhoons.Nature,2009,459:833-836;doi:10.1038/nature08042

[15]Nadeau R M,Guilhem A.Nonvolcanic tremor evolution and the San Simeon and Parkfield,California,earthquakes.Science,2009,325:191-193;doi:10.1126/science.1174155

[16]Peng Z,Vidale J E, Wech A G,et al.Remote triggering of tremor along the San Andreas Fault in central Califo rnia.J.Geophys.Res.,2009,114,B00A 06;doi:10.1029/2008JB006049

[17]Rubinstein J L,Gomberg J,Vidale J E,et al.Seismic wave triggering of nonvolcanic tremor,episodic tremo r and slip,and earthquakeson Vancouver Island.J.Geophys.Res.,2009,114,B00A 01;doi:10.

[18]Shelly D R.Migrating tremors illuminate comp lex deformation beneath the seismogenic San Andreas fault.Nature,2010,463:648-652;doi:10.1038/nature08755

[19]Smith E F,Gomberg J A.Search in strainmeter data for slow slip associated w ith triggered and ambient tremo r near Parkfield,Califo rnia.J.Geophys.Res.,2009,114,B00A 14;doi:10.1029/2008JB006040

[20]Thomas A M,Nadeau R M,Bürgmann R.Tremor-tide correlations and near-lithostatic pore pressureon the deep San Andreas fault.Nature,2009,462:1048-1051;doi:10.1038/nature08654

[21]Uchide T,Ide S,Beroza GC.Dynamic high-speed rupture from the onset of the 2004 Parkfield,California,earthquake.Geophys.Res.Lett.,2009,36,L 04307;doi:10.1029/2008GL036824

[22] Wdowinski S.Deep creep as a cause for the excess seismicity along the San Jacinto fault.Nature Geoscience,2009,2:882-885;doi:10.1038/ngeo684

[23]Saffer D M,Marone C,Bilek S.NSF-MARGINS Decadal Review,2009,http:∥www.nsf-margins.org/Review2009/index.htm l,and http:∥www.nsf-margins.o rg/Review2009/Final/3.2_SEIZE.pdf(June 2010)

[24]Scholz C H.The brittle-plastic transition and the dep th of seismic faulting.Geologische Rundschau,1988,77:319-328;doi:10.1007/BF01848693

[25]Fagereng Å,Sibson R H.Mélange rheology and seismic style.Geology,2010,38:751-754;doi:10.1130/G30868.1

[26]Marone C,Cocco M,Richardson E,et al.The critical slip distance for seismic and aseismic fault zones of finite width.In:Fukuyama E(ed.),Fault-zone Properties and Earthquake Rupture Dynamics,International Geophysics Series,Burlington,Massachusetts,Elsevier,2009,94:135-162

[27] Wesnousky S G.Seismological and structural evolution of strike-slip faults.Nature,1988,335:340-343;doi:10.1038/335340a0

[28]Collettini C,Niemeijer A,Viti C,et al.Fault zone fabric and fault weakness.Nature,2009,462:907-910;doi:10.1038/nature08585

[29]Schleicher A M,van der Pluijm B A, Warr L N.Nanocoatingsof clay and creep of the San Andreas fault at Parkfield,California.Geology,2010,38:667-670;doi:10.1130/G31091.1

[30]Marone C.Laboratory-derived friction law s and their app lication to seismic faulting.Annual Review of Earth and Planetary Sciences,1998,26:643-696;doi:10.1146/annurev.earth.26.1.643

[31]Scholz C H.Earthquakes and friction law s.Nature,1998,391:37-42;doi:10.1038/34097

[32]Rubin A M.Episodic slow slip events and rate-and-state friction.J.Geophys.Res.,2008,113:B11414;doi:10.1029/2008JB005642