卡斯凯迪亚计划的初步结果*



卡斯凯迪亚计划的初步结果*

Haiying Gao1)， Susan Schwartz2)

1) Department of Geosciences， University of Massachusetts Amherst，

Amherst， Massachusetts 01003 USA

2) Earth and Planetary Sciences， University of California， Santa Cruz，

California 95064 USA

卡斯凯迪亚计划(Cascadia Initiative， CI)以社区为基础， 通过陆上和近海地震以及大地测量试验来研究诸类问题， 如俯冲大地震、 幕式震动与滑动、 火山弧结构的形成与变形、 下沉的胡安·德富卡(Juan de Fuca)和戈尔达(Gorda)板块液化过程等[1-2]。 2011～2015年， 国家科学基金会资助CI项目完成了4年的研究部署， 涵盖了对如下板块的规模性部署： 在下沉的胡安·德富卡和戈尔达板块上装置60个宽带海底地震仪(ocean bottom seismometers, OBSs)， 在内陆设立27个宽带地球透镜移动地震台阵， 在近海板块交界处更新232个板块边界观测站(plate boundary observatory， PBO)来传输大地测量的实时数据[2]。 从CI复原的地震数据保存在美国地震学研究联合会(Incorporated Research Institutions for Seismology， IRIS)数据管理中心， 在技术可行的条件下， 可尽快向整个科学界开放(http:∥ds.iris.edu/mda/_CASCADIA， 截止到2015年7月)。 科学家们基于前3年获取的可用数据进行了一系列的分析研究并提出了要解决的问题。 这期地震研究快报(Seismology Research Letters， SRL)重点选取了有关该课题的6篇科技文章， 内容涵盖仪器性能、 地震构造、 海啸研究和地震探测。 这期地震研究快报中的专题论文给出了利用CI地震数据的最新研究概况。

Sumy等[3]总结了CI 前3年部署的海底地震仪的特点和性能， 数据复原及水平方位校正的问题， 同时给出了仪器布置和数据发布的过程。 总的来说， 第3年由可用的海底地震仪获取的数据有71%经过复原和改进。 CI 海底地震仪的噪声水平分析显示： 功率谱随着季节有一定的变换但与水深相对无关， 这一问题还需要作进一步的综合分析。 IRIS的海底地震仪器库(ocean bottom seismic instrumentation pool， OBSIP)项目管理办公室(management office， OMO)完成了对数据质量的评价， 同时基于远震大地震表面波的极化作用， 对海底地震仪器的水平方位进行了校正[4]， 促进了该社区数据的应用。 总体来说， 尽管由于相对较高的噪音水平使得一定量的观测数据有相对大的误差值， 但水平方位的研究还是比较成功的。

Ruan等[5]利用CI第1年的数据， 通过海底垂直位移与瑞利波压力变化的比值构建了海洋沉积物剪切波速结构。 通过进一步研究Ruan等[5]的工作， Bell等[6]计算了CI两年来试验中沉积物的厚度和剪切波延时。 利用这些新数据， Bell等[6]提炼并更新了深海平原沉积物的剪切波速剖面。 通过与Ruan等[5]计算结果比较， 一些CI 海底地震仪给出了非常相似的结果， 而另一些测站仅在第2年发现了较薄的低速层。 作者认为， 尽管这个方法无法判别薄于～150 m的均匀沉积物层， 然而， 他们通过考虑其地质方面的等深数据能够识别许多沉积物厚度可忽略的测站。 延迟时间的更新， 可显著减小断层分析模型中的主要误差源， 因而， 层析成像的误差也就大大减小了。

Gao 和Shen[7]利用完整的波形模拟和环境噪音地震层析成像构建了一个从传播中心扩张至层叠弧的3D剪切波速度模型。 通过前3年环境噪音数据提取的经验格林函数， 给出了有用的瑞利波信号， CI海底地震仪测得的瑞利波信号周期为7～50 s， 宽带内陆站点测得的瑞利波信号周期有的长达100 s。 总体来说， 内陆宽带地震台站给出了高质量的数据， 深海中的海底地震仪也给出了优质数据， 而沟槽附近的海底地震仪测得的数据相对噪音较大。 地震层析成像得到了2个低波速地震特征： 第一， 给出了在俯冲板块上沿浅海弧前的分段低波速异常现象， 弧前低波速异常在北部更为强而广泛。 我们观测到低地震波速与近海盆地模式在某种程度上有空间相关性。 第二， 相对近海华盛顿和北部俄勒冈州(Oregon)， 沟槽附近的海洋莫霍面的地震波速较低， 该现象表明， 这里存在如同在其他俯冲带观测到的洋幔岩石圈的蛇纹岩化。

由于在水平分量上海水量增大且相对噪音较高， 很难利用海底地震仪器站点的数据来计算接收函数[8-9]。 Janiszewski和Abers[10]迎接了这一挑战， 在震中距离CI海底地震仪器站点20°～100°的位置， 应用时域迭代反褶积方法测量远震大地震(MW>6.0) ， 计算出径向接收函数。 在浅海地区的水平分量上安装屏蔽的抗拖网海底地震仪器， 可以大大降低0.1～0.4Hz频段上的水平噪声分量。 这项研究数据结果主要来自华盛顿格雷斯港(Grays Harbor)安装的19个海底地震仪。 近海接收函数揭示了俯冲洋壳的相关结构， 相连板块间连续成像直到前方变形。 先前的模型表明： 俯冲海洋莫霍面位于格雷斯港近海约45 km的FN07位置的约16 km深处， 同时显示在板块间存在低速带， 这可以解释在接收函数中观测到的一些特征。

Morton和Bilek[11]用CI两栖台阵数据集探测孕震区的地震， 通过使用子空间探测器， 应用波形相关方法来探测重复(地震)事件。 在2011年10月21日至2012年1月31日期间， 共识别出96个新的(地震)事件。 这些事件的S-P时间不同， 有些与模板时间相近， 其他则仅有几秒钟的差异。 Morton和Bilek[11]设想(地震)事件群应发生在断层带粗糙面， 如同俯冲海底山， 这与 Tréhu等[12-13]和 Williams等[14]的观点相同。 通过检测较短S-P时间事件， 发现了孕震区存在陆地探测仪器没有探察到的小地震， 且在目前的分类中也没有被列出。

Sheehan等[15]通过CI试验分析海底压力测量值来研究2012年海达瓜依(Haida Gwaii)7.8级地震后发生的海啸， 并与海底绝对压力测量仪(absolute pressure gauges， APG)和差分压力测量仪(differential pressure gauges， DPG)的量值进行比较[16， 1]。 结果显示， APG和DPG均捕捉到了海啸信号。 APG量值与预期的海啸波振幅和时间最为吻合。 观测到的DPG量值的振幅较为分散， 有非常吻合的， 也有吻合得较差的， 这表明应用DPG即使是研究海啸带的相对振幅也是比较困难的。 应用APG和DPG测得的数据与观测到的和模拟的海啸波形之间的光谱相干性吻合较好。

这期地震研究快报的文章展示了卡斯凯迪亚计划的成功， 该计划期望并获得的科研成果让人振奋， 同时社区应用大型设施进行试验来解决科学问题， 组建了广泛而多样化的科学家团队， 并可以快速公开地获取数据。

文献来源： Haiying Gao， Susan Schwartz. Preface to the focus section on Cascadia initiative preliminary results. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5): 1235-1237. doi:10.1785/0220150160

(中国地震局工程力学研究所徐文杰译)

(译者电子信箱， 徐文杰： xuwenjie915@163.com)

参 考 文 献

[1] Toomey D R， Allen R M， Barclay A H， et al. The Cascadia initiative: A sea change in seismological studies of subduction zones. Oceanography， 2014， 27(2): 138-150. doi:10.5670/oceanog.2014.49

[2] Abers G， Schwartz S， Arrowsmith R， et al. Amphibious array facilities workshop report. http:∥www.earthscope.org/assets/uploads/misc/AAFW_Report_FINAL.pdf. 2015年7月

[3] Sumy D， Lodewyk J A， Woodward R， et al. Oceam bottom seismograph performance during the Cascadia initiative. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5)： 1238-1246. doi:10.1785/0220150110

[4] Stachnik J C， Sheehan A F， Zietlow D W， et al. Determination of New Zealand ocean bottom seismometer orientation via Rayleigh-wave polarization. Seismol.Res. Lett.， 2012， 83(4): 704-713. doi:10.1785/0220110128

[5] Ruan Y， Forsyth D W， Bell S W. Marine sediment shear velocity structure from the ratio of displacement to pressure of Rayleigh waves at seafloor. J. Geophys. Res.， 2014， 119(8): 6357-6371. doi:10.1002/2014JB011162

[6] Bell S W， Ruan Y， Forsyth D W. Shear velocity structure of abyssal plain sediments in Cascadia. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5)： 1247-1252. doi:10.1785/0220150101

[7] Gao H， Shen Y. A preliminary full-wave ambient noise tomography model spanning from the Juan de Fuca and Gorda spreading enters to the Cascadia volcanic arc. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5)： 1253-1260. doi:10.1785/0220150103

[8] Bostock M G， Trehu A M. Wave-field decomposition of ocean bottom seismograms. Bull.Seismol. Soc. Amer.， 2012， 102(4): 1681-1692

[9] Ball J S， Sheehan A F， Stachnik J C， et al. A joint Monte Carlo analysis of seafloor compliance， Rayleigh wave dispersion and receiver functions at ocean bottom seismic stations offshore New Zealand.Geochem. Geophys. Geosyst.， 2014， 15(12): 5051-5068. doi:10.1002/2014GC005412

[10] Janiszewski H A， Abers G A. Imaging the plate interface in the Cascadia seismogenic zone: New constraints from offshore receiver functions. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5)： 1261-1269. doi:10.1785/0220150104

[11] Morton E A， Bilek S L. Preliminary event detection of earthquakes using the Cascadia initiative data. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5)： 1270-1277. doi:10.1785/0220150098

[12] Tréhu A M， Braunmiller J， Nableck J L. Probable low-angle thrust earthquakes on the Juan de Fuca-North America plate boundary. Geology， 2008， 36(2): 127-130

[13] Tréhu A M， Blakely R J， Williams M C. Subducted seamounts and recent earthquakes beneath the central Cascadia forearc. Geology， 2012， 40(40): 103-106

[14] Williams M C， Tréhu A M， Braunmiller J. Seismicity at the Cascadia plate boundary beneath the Oregon continental shelf. Bull.Seismol. Soc. Amer.， 2011， 101(3): 940-950

[15] Sheehan A F， Gusman A R， Heidarzadeh M， et al. Array observations of the 2012 Haida Gwaii tsunami using Cascadia initiative absolute and differential seafloor pressure gauges. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5)： 1278-1286. doi:10.1785/0220150108

[16] Tian Y， Shen W， Ritzwoller M H. Crustal and uppermost mantle shear velocity structure adjacent to the Juan de Fuca Ridge from ambient seismic noise. Geochem. Geophys. Geosyst.， 2013， 14(14): 3221-3233. doi:10.1002/ggge.20206

中图分类号：P315；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.03.008

* 收稿日期：2016-02-10； 采用日期： 2016-03-04。

SRL专题介绍(Ⅱ)