近日，南方科技大學地球與空間科學系講席教授、中國科學院院士陳曉非團隊在低頻地震震源動力學研究方面取得進展。研究結果以“The slow self-arresting nature of low-frequencyearthquakes”為題發表在學術期刊Nature Communications。
低頻地震是一系列主要發生於俯衝帶的不斷重複發生的小震。不同於普通地震，低頻地震的信號強度弱、信噪比低，其主頻相較於同震級的普通地震明顯低，這也是它們被稱為低頻地震的原因。並且，相較於相同震級的普通地震，低頻地震的應力降和滑移速率（sliprate）也比普通地震小1~3個數量級，這暗示了低頻地震的震源過程與普通地震有一定區別。那麼，是什麼導致低頻地震與普通地震有這些明顯不同的特點？低頻地震的震源破裂過程究竟是怎樣的？解决這些問題是理解低頻地震這類慢地震的關鍵。
圖1.（a）滑動弱化準則；（b）四種破裂模式；（c）震源動力學相圖。
研究地震震源過程的一個很有效的方法是進行震源動力學類比。研究團隊多年來一直從事地震震源動力學理論研究，並提出了“震源動力學相圖”的概念。根據該“相圖”理論，在不同的摩擦條件下，地震可以分為超剪切地震、亞剪切地震（普通地震）、自停止地震和慢自停止地震（slowself-arrestingearthquakes）四種模式。其中超剪切地震和亞剪切地震只有遇到阻礙時才能停止，而自停止地震和慢自停止地震在沒有任何阻礙條件下也會自發停止。其中慢自停止地震在破裂從震源發生後會自發在成核區內停止，並且其主頻較低、應力降小。這些特點與低頻地震的震源參數特點不謀而合。
為了驗證慢自停止地震與低頻地震的關係，研究團隊計算了美國加州Parkfield地區發生的低頻地震震源參數，並將觀測結果與類比的低頻地震震源參數進行對比。對比結果顯示，對於上述四種地震模式，只有慢自停止地震這一破裂模式得到的震源參數與低頻地震的震源參數特點符合。研究團隊進一步發現，慢自停止地震在地震過程中釋放能量小，觸發慢自停止地震所需要的外部能量也較低，這些發現與實際觀測到的低頻地震一致。在大尺度上，大量低頻地震遵循的震級-地震持續時間關係也與類比低頻地震的震級-地震持續時間關係一致。結合這些發現，團隊提出慢自停止地震震源模型可以解釋低頻地震現象。
進而，研究團隊提出了低頻地震的產生機制：（1）低頻地震的發生區域可能含水，導致其摩擦條件與普通地震不同；（2）外界產生一個較小的應力干擾，低頻地震開始發生，而普通地震由於誘使其發生所需的外加應力大得多，因而不會發生破裂；（3）低頻地震在發震結束後釋放的應力小，因而在下一個外加應力干擾下又能再次發生破裂，從而形成不斷發生的震顫訊號。
圖2.對比類比地震的震源參數與Parkfield地區低頻地震震源參數。
該研究揭示了低頻地震的震源物理模型。說明低頻地震與普通地震為不同摩擦條件下得到的不同的地震模式。而這些不同的地震模式均可以用震源動力學相圖統一解釋。這使得低頻地震被統一到了地震相圖框架中。
該論文第一作者是南科大地球與空間科學系訪問學生魏雪婷，通訊作者為陳曉非。該研究得到了國家自然科學基金、南方海洋科學與工程廣東實驗室、深圳科技計畫和深圳市深遠海油氣勘探科技重點實驗室等項目的資助。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25823-w
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