2021年5月7日，国际著名学术期刊《Nature Geoscience》在线发表了中国科学技术大学地球和空间科学学院、科技部蒙城地球物理国家野外科学观测站、中国科学院深地科学卓越创新中心张海江教授课题组与美国地质调查局的合作研究成果，论文题目为《Correlation of porosity variations and rheological transitions on the southern Cascadia megathrust》。该研究利用最新发展的先进地震层析成像技术，联合海洋和陆地的地震数据，确定了位于太平洋西北部的卡斯卡迪亚（Cascadia）俯冲带南段的大型逆冲断层从海洋延伸到北美陆地下方的三维高精度地震波速度结构，并结合岩石物理实验和断层力学模拟的结果分析了该逆冲断层的岩石孔隙率与力学性质的变化，从而为该地区的大地震灾害评估提供了重要的物理基础。论文第一作者为郭浩博士，现为美国威斯康辛大学麦迪逊分校博士后。郭浩博士、Jeff McGuire博士和张海江教授为论文共同通讯作者，中国科学技术大学为论文第一单位。
位于太平洋西北部的Cascadia俯冲带沿着走向绵延上千公里，是北美地区地震风险最高的区域之一（图1）。在1700年，该地区发生了一个9级左右的大地震并引起了海啸。Cascadia俯冲带地震危险性评估中的一个关键性问题是未来发生在该板块界面上的大型逆冲地震的破裂范围。如果大地震可以破裂到陆地，那么可能会引起巨大的地震灾害。基于GPS观测资料的测地学模型显示，该俯冲板块的界面在大约20千米深度以内处于震间闭锁状态，30-50千米深度为幕式震颤和慢滑移事件（ETS）的发生区域，在闭锁区和ETS区之间存在一个过渡带（图1、2）。闭锁区累积的弹性应变能将会通过大地震的形式释放，但大地震破裂能否通过下方的过渡带还不清楚。
图1.Cascadia俯冲带（由南部的Gorda板块和北部的Juan de Fuca板块组成）的构造背景图以及本研究所用的地震事件和地震台站分布的平面图。左图中红-黄-白背景图表示板块界面的震间闭锁模型。
该研究通过分析布设在Cascadia俯冲带最南端Gorda板块上的海底地震仪和陆地上的地震仪所记录到的地震数据（图1），利用新发展的三重差地震定位和层析成像算法（tomoTD），得到了俯冲板块内高精度的地震定位以及对岩石孔隙率和流体含量敏感的地震波速比（Vp/Vs）模型。结果显示，从闭锁区到过渡带，板块界面附近的波速比存在一个明显的从高到低的变化（图2）。闭锁区的高Vp/Vs值很可能是由高孔隙率和高孔隙流体压引起的，这意味着闭锁区相对较弱，并且其它的地震学观测也支持了这样的推断。过渡带的较低Vp/Vs值反映了该区域的孔隙率和孔隙流体压要比闭锁区低一个量级，这很可能是由于随着深度/压力增加，界面附近流体逃逸的结果。结合前人的断层力学模拟的结果，该研究认为板块界面附近的孔隙率和流体含量的变化导致了断层流变性的变化，高孔隙率的闭锁区呈现脆性变形，而过渡带的岩石由于近乎100%的粒间接触（grain-to-grain contacts），即低孔隙率，因此呈现塑性变形（图2）。因此，未来大地震的破裂可能很难穿过过渡带，从而大大降低了陆地区域的地震危险性。对于更深的ETS区域，前人的地震学研究和大地电磁成像研究都表明存在高孔隙率和高孔隙流体压，从而使得板块界面断层又回归脆性变形，并产生震颤信号和低频地震（图2）。
图2.Cascadia俯冲带南段板块界面的震间耦合模型（a）以及沿着CC’剖面的地震波速比模型（b）和前人的电阻率模型（c）。
对于全球其他环太平洋俯冲板块，包括Cascadia俯冲带北段、日本南海俯冲板块、阿拉斯加俯冲板块、墨西哥俯冲板块，都具有和Cascadia南段相似的形变特征。该研究推测这些俯冲板块的界面可能也存在着和Cascadia南段相似的物性和力学性质变化，因此研究结果对于这些俯冲带的地震危险性评估也将会起到重要作用。
该研究是郭浩博士论文的一部分，得到了中国留学基金委、中国自然科学基金委、美国国家科学基金委、中国科学院战略性先导科技专项等联合资助。
论文链接：http://dx.doi.org/10.1038/s41561-021-00740-1
(中国科学技术大学地球和空间科学学院、科技部蒙城地球物理国家野外科学观测站、中国科学院深地科学卓越创新中心)