從斷裂帶構(gòu)造認識斷層滑移習性＊

Chris Marone,Eliza Richardson

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

對于地震物理學和斷裂運動研究而言,探索斷裂帶構(gòu)造和地震行為之間的聯(lián)系是至關(guān)重要的。地震代表滑動行為的一個極端;摩擦熔融和假玄武玻璃為動力破裂過程中的局部滑動提供了野外證據(jù)[1-3]。無震滑動則代表滑動行為的另一極端,在無震滑動中,蠕變與斷裂帶內(nèi)普遍存在的剪切作用有關(guān)。然而,最近的研究表明,這種觀點過于簡單化。事實上,構(gòu)造斷層不在連續(xù)譜模式范疇,這個連續(xù)譜包括蠕變事件和瞬態(tài)應(yīng)變、慢地震和寂靜地震、低頻地震、構(gòu)造斷層顫動以及震后滑移等(圖1)。

經(jīng)過長期研究,許多研究者[4-6]已經(jīng)認識到斷層的滑動模式非常復(fù)雜,涉及到存在或不存在地震輻射的瞬時加速度。然而,直到最近十幾年前,像構(gòu)造斷層震顫這樣的破裂模式才被逐漸知曉[7-8],近期的研究主要集中在介于地震滑動和無震滑動之間的滑動行為上[9-22]。

圖1突出顯示了不同斷層滑動模式的不同時間常數(shù),其范圍從幾秒鐘(動態(tài)地震破裂)到幾天(遷移性震顫),直至一年或一年以上(震后滑移和無震蠕變)。這一模型保留了孕震區(qū)的基本概念,即孕震區(qū)的上方和下方都存在無震滑動(如文獻[24]),該模型表明,地震的瞬態(tài)滑動模式,包括震顫和具有甚低頻(VLF)增強譜成分的地震,主要發(fā)生在孕震區(qū)上傾和下傾界限的過渡帶上。這種觀點與近期的觀測結(jié)果一致,但隨著瞬時滑動定位技術(shù)的改進,可能還需要對其加以修正。已知的滑移行為需要一個更為復(fù)雜的有關(guān)斷裂帶結(jié)構(gòu)和斷層滑移習性間的關(guān)聯(lián)理論來對其作出解釋,但同時它們也提出了一些重要問題:①慢滑斷層物理學與地震物理學之間有怎樣的聯(lián)系?②震顫和其他形式的準動態(tài)破裂是否發(fā)生在斷層的主控動態(tài)破裂的同一區(qū)段?③什么因素控制著斷層慢滑的遷移速度?④這些瞬態(tài)滑動模式是否賦予其所在的斷裂帶以獨特的結(jié)構(gòu)形式,抑或源于這些斷裂帶的獨特結(jié)構(gòu)形式?⑤是否可以區(qū)分在動態(tài)破裂、無震蠕變及其他形式的斷層作用過程中所形成的斷裂帶構(gòu)造?

Fagereng和Sibson[25]提出了有關(guān)這些問題的新見解。其研究表明,混合俯沖帶內(nèi)某一特定位置上所記錄的斷層滑移反映出地震滑動模式和無震滑動模式間的分離。他們拋開地震和震顫(或蠕變事件)僅限于斷層的不同區(qū)段的傳統(tǒng)理念,轉(zhuǎn)而假定斷裂帶的不均勻性造成了流變和應(yīng)變速率的空間變化,從而導致了多種破裂模式的產(chǎn)生。這種不均勻性可能源于能力差異[25]或摩擦本構(gòu)行為的變化[26]。估測表明,相對于粘土富集區(qū)或物質(zhì)不那么強硬的區(qū)域,斷裂帶內(nèi)較強硬的地塊和局部剪切中硬化區(qū)段的破裂韌度較低,并顯示出較強的脆性特征。這可能引起斷裂帶的自然分割,以致對地震成核與地震的形成產(chǎn)生影響[27]。因此,在斷層地震周期的早期(局部剪切帶發(fā)育不充分),斷層滑動的瞬態(tài)模式可能更為常見。

圖1 (上圖)俯沖帶背景下的不同斷層滑動行為。通常在孕震區(qū)的下傾端點可以觀測到深部不連續(xù)顫動和滑移(ETS)。缺乏高頻能量的地震,即低頻(或甚低頻——VLF)地震可發(fā)生于不同的背景下,且可能與慢地震或無震瞬態(tài)滑動有關(guān)。(下圖)不同滑動行為所對應(yīng)的特征持續(xù)時間,包括非火山顫動(NVT)[23](原圖為彩圖)

混合模式的斷層滑動行為顯示出孕震區(qū)定義的復(fù)雜性。孕震區(qū)的定義傳統(tǒng)上單單依靠震源的位置,由此提出的觀點完全基于地震成核。隨著滑移空間分布解析技術(shù)的提高,孕震區(qū)有了另一種定義:地震期間的同震滑動區(qū)。因為動態(tài)破裂能夠在有條件的穩(wěn)定區(qū)域于地震成核區(qū)的上傾和下傾界限內(nèi)傳播,所以孕震區(qū)的范圍可以超過成核區(qū)。因此,Fagereng和 Sibson[25]所設(shè)想的復(fù)雜的、混合模式斷層滑動行為可能會發(fā)生在這種有條件的穩(wěn)定過渡區(qū)內(nèi)。

某一斷層位置上的混合模式斷層滑動行為的另一種解釋涉及局部剪切對摩擦穩(wěn)定性的影響。一系列的實驗室研究表明,當剪切變得更加局部化時,摩擦不穩(wěn)定趨勢也隨之增大(如文獻[28])。最近的研究表明,斷裂帶組構(gòu)和葉理面的粘土蓋層對于確定斷層強度以及摩擦流變與剪切局部化之間的關(guān)系起著關(guān)鍵作用[28-29]。因此,認識剪切組構(gòu)和微細結(jié)構(gòu)在斷裂帶中的作用,對于我們根據(jù)斷裂帶結(jié)構(gòu)的觀測來解讀斷層的滑動模式會有所幫助。

依據(jù)20世紀70年代到80年代初所使用的摩擦規(guī)律和穩(wěn)定性模型,斷層滑動行為的觀測范圍是不可預(yù)料的。然而,現(xiàn)代摩擦本構(gòu)定律卻能夠描述斷層滑動行為的所有內(nèi)容(如文獻[30-32])。將速率-狀態(tài)摩擦定律整合于地震模型后,便能夠描述滑動成核現(xiàn)象、動態(tài)破裂傳播、瞬態(tài)震后滑移和蠕變。然而,這些摩擦定律主要是經(jīng)驗性的,目前對其基本過程還知之甚少,其關(guān)鍵本構(gòu)參數(shù)也并未得到實驗室數(shù)據(jù)和實地觀測模擬結(jié)果的充分約束。為了更好地認識目前普遍觀測到的復(fù)雜、多模式斷裂活動習性之間的時空交互作用,必須將摩擦本構(gòu)定律、儀器觀測結(jié)果以及斷裂帶實地考察結(jié)果等綜合起來進行研究。目前,Fagereng和 Sibson開展的工作就代表了一種全新的、至關(guān)重要的研究方向。

譯自:Geology,August 2010,767-768

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

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