地震学百科知识(四)——慢地震*

吴忠良 许忠淮

(中国地震局地球物理研究所, 北京 100081)

引言

慢地震是指以几小时到几个月的时间尺度缓慢地发生了有限的断层位移、但没有地震波辐射的断层慢滑动事件。由于有人将震源过程慢、但仍辐射地震波的地震(常常是与发生海啸有关的地震)称为慢地震，所以不辐射地震波的慢地震有时被称为 “静地震” 。

慢地震与岩层的蠕变现象相似，但就时间过程来说, 慢地震比岩层蠕变快得多； 从空间尺度来说, 慢地震的断层滑动发生在一个明确的区域内，这不同于分布在较大范围内的岩层蠕变。

科学家早就认为，地震断层错动只是地层运动表现的一部分，地层的运动和变形还会以其他非地震的方式实现，但以前获得的地层无震滑动的观测证据很少。20世纪90年代以后，由于观测手段的进步，世界上陆续出现了不少有关断层缓慢滑动事件的报道。

1 圣安德烈斯断层上的慢地震

作为例子，图1展示了美国加利福尼亚州的圣安德烈斯断层上，1992年12月发生的一次慢地震的观测证据[1]。

慢地震发生于圣安德烈斯断层的北部闭锁段和南部蠕动段(图1a虚线段)的过渡带上。在范围不大的观测区内，SRL测孔(138 m深)安装了钻孔体应变计，SJT测孔(146 m深)安装了三分向(相间120°)水平应变计，图1b给出这两个应变站8个月的记录(慢地震前6个月，后2个月)，图中同时标出了大致位于两站之间地区的M≥2.5的小地震。

图1c给出了10天的记录，展示的是原始应变记录经去线性趋势、去固体潮变化、去气压变化影响后的结果。图上标出的A、C、E指示出快应变变化，B、D两段标出了类似指数衰减式的慢变化。在XNY和XSJ两点与断层斜交的10 m长蠕变计只能记录近地表几百米内的变化，由图1c可见，XSJ点也记到了事件E引起的地表附近的蠕变。

由于观测区发生的普通小地震(图1b下)是发生在地下4～8 km深度处，而浅钻孔应变计和地表蠕变计只能记录到4 km以上测点附近的应变变化，所以图1c中所标的几个事件是发生在浅部的断层慢滑动事件。观测者指出，图1b或图1c中观测到的显著应变变化是该地区1984至1996年的12年观测期间记到的惟一的慢滑动记录，慢应变量级为100～500纳应变(10-9)，滑动总共持续约1个星期。

2 卡斯卡迪亚俯冲带的慢地震

根据近年来积累的全球卫星定位系统(GPS)的观测结果，人们发现了多个发生在板块边界的慢地震。其中，北美西海岸温哥华岛附近的卡斯卡迪亚板块俯冲带上(图2a)2003年发生的慢地震就是一例[2]。

图1在美国西部圣安德烈斯断层上观测到的一次静地震的证据。(a)应变和蠕变观测点位置。插图中箭头指出观测区位于断裂闭锁段(北段)和蠕动段(虚线)之间的过渡区; (b)SRL台钻孔(138m)体应变仪和SJT台钻孔(146m)三分向水平应变仪在8个月内的应变观测结果。下方列出两站之间地区M≥2.5的小地震，黑点标出(c)图所示10天内的地震; (c) 1992年12月份10天的应变记录(实线)和断层浅部(< 4km)发生慢滑动模型预测的应变(虚线)。A、C、E指示3次慢滑动，B、D标出应变的缓慢变化。黑点表示4～8km深处发生的地震[1]

图2b展示的12个GPS连续观测站的4年多记录表明，在此期间，可看出观测地区发生了3次慢滑动事件，如图2b中3条蓝色粗竖线所示。这些记录显示，平时台站是缓慢向东移动，相对东部稳定北美大陆，地面是东西向受压缩； 而在发生慢地震时，站点转为以较快速度向西位移，对应于地面发生回跳性的近东西向受拉伸。慢地震时观测到的反向位移多为6～8 mm。图中所示2003年初发生的慢地震引起的反向位移持续时间约7个星期。能观测到发生反向位移的空间范围是有限的，大致在近南北向长约300 km的局部范围内。

图2 (a)GPS连续观测站得到的相对于稳定北美大陆参考系的地表位移矢量图。红箭头表示2003年静地震的位移，黑箭头表示震间位移。有12个站可看出位移从NE方向(黑)向WSW方向(红)的转向变化。红箭头指示的滑动事件持续时间是7个星期，沿俯冲带走向的影响范围约300km。小椭圆表示1倍均方差; (b) 12个GPS台站经度位置的日变化(水平位移)记录，SC02站同时给出了垂直位移观测(两横线间的蓝色记录)。图中3根淡蓝粗竖线标出静地震的3次滑动，可看出慢地震期间E-W向位移是反向了。竖线长短表示每次滑动的空间范围。SC02站垂直向记录在后两次滑动时有看得出的下沉位移[2]

对地面观测位移进行反演的结果说明，海岸线西部的胡安德富卡板块向东俯冲，在28 km深处的一个相当于6.6级地震大小的断层面上，发生了最大达3.8 cm的逆冲慢滑动，观测到的局部区域的地表位移就是这一慢地震引起的。

除了伴随大地震的余震发生的断层滑动外，目前已观测到的较大的断层慢滑动事件多是发生在俯冲板块边界。例如，GPS观测表明，在日本东海地区的一个地震空区范围内，2001年1月至2002年6月的18个月期间地壳形变速率有明显变化，分析结果说明，东海地区西部的板块边界上发生了无震滑动[3]。又如，在墨西哥南部太平洋沿岸的格雷罗州，在一个地震空区上，连续GPS观测记录到了2001年10月的一个大的慢地震； 并且，根据GPS观测、精密水准测量和潮汐记录，研究人员确定了格雷罗地区发生过几次板块边界的慢滑动事件。记录到的这些事件说明，板块边界加载并不是稳定的，应力积累是间歇性的[4]。

还有人报道了伴随俯冲板块慢滑动过程发生的岩层间歇性 “颤动” (tremor)的观测结果[5]。地震仪可记录到这种颤动，其地震图的形态与通常的地震记录不一样，从图上看不出明显的体波到达时间，速度记录的振动频率多在1～10 Hz之间，振幅时大时小，振动可持续几分钟至几小时。还有人从连续GPS观测中发现，记录到阵发性颤动的时间与观测到GPS快变化的时间很吻合，于是他们认为，这种颤动记录也是板块发生慢滑动的重要证据，这是断层滑动的不稳定部分发出的振动信号。

在描述慢地震和普通地震的诸多物理参数中，有两个重要的特征参数，一是表征事件大小(或规模)的地震矩M0(M0=μDA，A是发生断层滑动的面积，D是该面上的平均滑动量，μ是岩石的剪切刚度), 另一个是断层滑动的持续时间T。有人将已观测到的多种慢地震和通常的地震归纳为两类不同的断层滑动事件[6], 各种慢地震在T为0.1 s到几年的时间尺度上，都表现出M0与T大致成正比的关系，而对普通地震(主要是板块俯冲带的地震)，则是在T为0.01 s至100 s的时间尺度内表现出M0与T3成正比。这两种不同的特征参数之间的标度关系表明，近期发现的多种慢地震现象并不是普通地震在某种属性方面的 “延伸” 结果，而是性质不同的一类新现象。至于这类新现象的物理成因，还在研究之中。

慢地震是迄今还研究得不充分的一类断层滑动现象。由于不辐射地震波，所以必须有近距离的形变观测，才能得到慢地震的信号。

[1] Linde A T, Gladwin M T, Johnston M J S, et al. A slow earthquake sequence on the San Andreas fault. Nature, 1996, 383(6595): 65-68

[2] Melboume T I, Szeliga W M, Miller M M, et al. Extent and duration of the 2003 Cascadia slow earthquake. Geophys. Res. Lett., 2005, 32, L04301, doi: 10.1029/2004GL021790

[3] Ozawa S, Murakami M, Kaidzu M, et al. Detection and monitoring of ongoing aseismic slip in the Tokai region, Central Japan. Science, 2002, 298(5595)： 1009-1012

[4] Kostoglodov V, Singh S K, Santiago J A. A large silent earthquake in the Guerrero seismic gap, Mexico. Geophy. Res. Lett., 2003, 30(15): SDE9-1～9-4

[5] Schwartz S Y, Rokosky J M. Slow slip events and seismic tremor at circum-pacific subduction zones. Review of Geophysics, 2007, 45(3), RG3004: 1-32

[6] Ide S, Beroza G C, Shelly D R, et al. A scalling law for slow earthquakes. Nature, 2007, 447: 76-79 . doi:10.1038/nature05780