地震學(xué)百科知識(四)
——慢地震*

吳忠良 許忠淮

(中國地震局地球物理研究所, 北京 100081)

引言

慢地震是指以幾小時到幾個月的時間尺度緩慢地發(fā)生了有限的斷層位移、但沒有地震波輻射的斷層慢滑動事件。由于有人將震源過程慢、但仍輻射地震波的地震(常常是與發(fā)生海嘯有關(guān)的地震)稱為慢地震，所以不輻射地震波的慢地震有時被稱為 “靜地震” 。

慢地震與巖層的蠕變現(xiàn)象相似，但就時間過程來說, 慢地震比巖層蠕變快得多； 從空間尺度來說, 慢地震的斷層滑動發(fā)生在一個明確的區(qū)域內(nèi)，這不同于分布在較大范圍內(nèi)的巖層蠕變。

科學(xué)家早就認為，地震斷層錯動只是地層運動表現(xiàn)的一部分，地層的運動和變形還會以其他非地震的方式實現(xiàn)，但以前獲得的地層無震滑動的觀測證據(jù)很少。20世紀90年代以后，由于觀測手段的進步，世界上陸續(xù)出現(xiàn)了不少有關(guān)斷層緩慢滑動事件的報道。

1 圣安德烈斯斷層上的慢地震

作為例子，圖1展示了美國加利福尼亞州的圣安德烈斯斷層上，1992年12月發(fā)生的一次慢地震的觀測證據(jù)[1]。

慢地震發(fā)生于圣安德烈斯斷層的北部閉鎖段和南部蠕動段(圖1a虛線段)的過渡帶上。在范圍不大的觀測區(qū)內(nèi)，SRL測孔(138 m深)安裝了鉆孔體應(yīng)變計，SJT測孔(146 m深)安裝了三分向(相間120°)水平應(yīng)變計，圖1b給出這兩個應(yīng)變站8個月的記錄(慢地震前6個月，后2個月)，圖中同時標(biāo)出了大致位于兩站之間地區(qū)的M≥2.5的小地震。

圖1c給出了10天的記錄，展示的是原始應(yīng)變記錄經(jīng)去線性趨勢、去固體潮變化、去氣壓變化影響后的結(jié)果。圖上標(biāo)出的A、C、E指示出快應(yīng)變變化，B、D兩段標(biāo)出了類似指數(shù)衰減式的慢變化。在XNY和XSJ兩點與斷層斜交的10 m長蠕變計只能記錄近地表幾百米內(nèi)的變化，由圖1c可見，XSJ點也記到了事件E引起的地表附近的蠕變。

由于觀測區(qū)發(fā)生的普通小地震(圖1b下)是發(fā)生在地下4～8 km深度處，而淺鉆孔應(yīng)變計和地表蠕變計只能記錄到4 km以上測點附近的應(yīng)變變化，所以圖1c中所標(biāo)的幾個事件是發(fā)生在淺部的斷層慢滑動事件。觀測者指出，圖1b或圖1c中觀測到的顯著應(yīng)變變化是該地區(qū)1984至1996年的12年觀測期間記到的惟一的慢滑動記錄，慢應(yīng)變量級為100～500納應(yīng)變(10-9)，滑動總共持續(xù)約1個星期。

2 卡斯卡迪亞俯沖帶的慢地震

根據(jù)近年來積累的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的觀測結(jié)果，人們發(fā)現(xiàn)了多個發(fā)生在板塊邊界的慢地震。其中，北美西海岸溫哥華島附近的卡斯卡迪亞板塊俯沖帶上(圖2a)2003年發(fā)生的慢地震就是一例[2]。

圖1在美國西部圣安德烈斯斷層上觀測到的一次靜地震的證據(jù)。(a)應(yīng)變和蠕變觀測點位置。插圖中箭頭指出觀測區(qū)位于斷裂閉鎖段(北段)和蠕動段(虛線)之間的過渡區(qū); (b)SRL臺鉆孔(138m)體應(yīng)變儀和SJT臺鉆孔(146m)三分向水平應(yīng)變儀在8個月內(nèi)的應(yīng)變觀測結(jié)果。下方列出兩站之間地區(qū)M≥2.5的小地震，黑點標(biāo)出(c)圖所示10天內(nèi)的地震; (c) 1992年12月份10天的應(yīng)變記錄(實線)和斷層淺部(< 4km)發(fā)生慢滑動模型預(yù)測的應(yīng)變(虛線)。A、C、E指示3次慢滑動，B、D標(biāo)出應(yīng)變的緩慢變化。黑點表示4～8km深處發(fā)生的地震[1]

圖2b展示的12個GPS連續(xù)觀測站的4年多記錄表明，在此期間，可看出觀測地區(qū)發(fā)生了3次慢滑動事件，如圖2b中3條藍色粗豎線所示。這些記錄顯示，平時臺站是緩慢向東移動，相對東部穩(wěn)定北美大陸，地面是東西向受壓縮； 而在發(fā)生慢地震時，站點轉(zhuǎn)為以較快速度向西位移，對應(yīng)于地面發(fā)生回跳性的近東西向受拉伸。慢地震時觀測到的反向位移多為6～8 mm。圖中所示2003年初發(fā)生的慢地震引起的反向位移持續(xù)時間約7個星期。能觀測到發(fā)生反向位移的空間范圍是有限的，大致在近南北向長約300 km的局部范圍內(nèi)。

圖2 (a)GPS連續(xù)觀測站得到的相對于穩(wěn)定北美大陸參考系的地表位移矢量圖。紅箭頭表示2003年靜地震的位移，黑箭頭表示震間位移。有12個站可看出位移從NE方向(黑)向WSW方向(紅)的轉(zhuǎn)向變化。紅箭頭指示的滑動事件持續(xù)時間是7個星期，沿俯沖帶走向的影響范圍約300km。小橢圓表示1倍均方差; (b) 12個GPS臺站經(jīng)度位置的日變化(水平位移)記錄，SC02站同時給出了垂直位移觀測(兩橫線間的藍色記錄)。圖中3根淡藍粗豎線標(biāo)出靜地震的3次滑動，可看出慢地震期間E-W向位移是反向了。豎線長短表示每次滑動的空間范圍。SC02站垂直向記錄在后兩次滑動時有看得出的下沉位移[2]

對地面觀測位移進行反演的結(jié)果說明，海岸線西部的胡安德富卡板塊向東俯沖，在28 km深處的一個相當(dāng)于6.6級地震大小的斷層面上，發(fā)生了最大達3.8 cm的逆沖慢滑動，觀測到的局部區(qū)域的地表位移就是這一慢地震引起的。

除了伴隨大地震的余震發(fā)生的斷層滑動外，目前已觀測到的較大的斷層慢滑動事件多是發(fā)生在俯沖板塊邊界。例如，GPS觀測表明，在日本東海地區(qū)的一個地震空區(qū)范圍內(nèi)，2001年1月至2002年6月的18個月期間地殼形變速率有明顯變化，分析結(jié)果說明，東海地區(qū)西部的板塊邊界上發(fā)生了無震滑動[3]。又如，在墨西哥南部太平洋沿岸的格雷羅州，在一個地震空區(qū)上，連續(xù)GPS觀測記錄到了2001年10月的一個大的慢地震； 并且，根據(jù)GPS觀測、精密水準測量和潮汐記錄，研究人員確定了格雷羅地區(qū)發(fā)生過幾次板塊邊界的慢滑動事件。記錄到的這些事件說明，板塊邊界加載并不是穩(wěn)定的，應(yīng)力積累是間歇性的[4]。

還有人報道了伴隨俯沖板塊慢滑動過程發(fā)生的巖層間歇性 “顫動” (tremor)的觀測結(jié)果[5]。地震儀可記錄到這種顫動，其地震圖的形態(tài)與通常的地震記錄不一樣，從圖上看不出明顯的體波到達時間，速度記錄的振動頻率多在1～10 Hz之間，振幅時大時小，振動可持續(xù)幾分鐘至幾小時。還有人從連續(xù)GPS觀測中發(fā)現(xiàn)，記錄到陣發(fā)性顫動的時間與觀測到GPS快變化的時間很吻合，于是他們認為，這種顫動記錄也是板塊發(fā)生慢滑動的重要證據(jù)，這是斷層滑動的不穩(wěn)定部分發(fā)出的振動信號。

在描述慢地震和普通地震的諸多物理參數(shù)中，有兩個重要的特征參數(shù)，一是表征事件大小(或規(guī)模)的地震矩M0(M0=μDA，A是發(fā)生斷層滑動的面積，D是該面上的平均滑動量，μ是巖石的剪切剛度), 另一個是斷層滑動的持續(xù)時間T。有人將已觀測到的多種慢地震和通常的地震歸納為兩類不同的斷層滑動事件[6], 各種慢地震在T為0.1 s到幾年的時間尺度上，都表現(xiàn)出M0與T大致成正比的關(guān)系，而對普通地震(主要是板塊俯沖帶的地震)，則是在T為0.01 s至100 s的時間尺度內(nèi)表現(xiàn)出M0與T3成正比。這兩種不同的特征參數(shù)之間的標(biāo)度關(guān)系表明，近期發(fā)現(xiàn)的多種慢地震現(xiàn)象并不是普通地震在某種屬性方面的 “延伸” 結(jié)果，而是性質(zhì)不同的一類新現(xiàn)象。至于這類新現(xiàn)象的物理成因，還在研究之中。

慢地震是迄今還研究得不充分的一類斷層滑動現(xiàn)象。由于不輻射地震波，所以必須有近距離的形變觀測，才能得到慢地震的信號。

[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