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题目

Active Protothrusts and Fluid Highways: Seismic Noise Reveals Hidden Subduction
Dynamics in Cascadia

作者与单位信息

  • 第一作者与通讯作者：Maleen Kidiwela (Email: seismic@uw.edu)
  • 单位：华盛顿大学海洋学院（School of Oceanography, University of Washington, Seattle, WA, 98105, USA）
  • 第一作者其他三篇代表著作（摘自文末参考文献）：
    1. Long term strain variability within the Cascadia megathrust using Ambient Noise Interferometry (Kidiwela et al., 2024)
    2. Characterization of Axial Seamount using an acoustic network (Kidiwela et al., 2021)
    3. Late-Stage Rift Evolution at Back Arc Basins: Insights from a Tomography Experiment at Orca Volcano, Bransfield Basin (Kidiwela et al., 2022)

摘要

应变积累、断层滑动与流体迁移之间的复杂相互作用影响着浅层俯冲带动力学。利用卡斯卡迪亚（Cascadia）海底观测站十年的连续背景地震数据，我们发现了俯冲动力学明显的区域性差异。北卡斯卡迪亚表现为完全锁定的特大逆冲断层和持续的应变积累；而中卡斯卡迪亚则在原初冲断层（protothrusts）上表现出慢滑移事件，以及上覆板块断层系统沿线的快速流体迁移。通过滑脱面（décollement）和阿尔文峡谷断层（Alvin Canyon Fault）进行的有效流体传输可能调节了地震行为，但并未引起特大逆冲断层上的慢滑移事件，且可能起到稳定大地震、促进破裂停止的作用。

相关研究的重要性

  • 灾害风险评估：浅层特大逆冲断层（megathrust）的机械行为直接决定了地震震级和海啸生成能力。
  • 理解断层性质：确定浅层是处于“锁固（locking）”还是“蠕滑（creeping）”状态，对于预测未来的大地震至关重要。
  • 流体与地震关联：流体在高压下的迁移被认为是触发慢滑移事件（SSE）和情景震颤与滑移（ETS）的关键因素。

前人研究及不足

  • 前人研究：
    • 利用陆地 GPS/GNSS 数据监测形变。
    • 通过活动源地震普查（active-source seismic surveys）提供精确的地壳结构。
    • 利用远程地震活动性（seismicity）监测断层行为。
  • 不足之处：
    • 近场观测缺失：大多数仪器部署在陆地，对于离岸近战壕（near-trench）的浅层俯冲带缺乏直接监测。
    • 观测精度限制：传统的陆基观测难以捕捉浅层极微弱的应变变化。
    • 理论假设不确定：由于缺乏数据，学界曾长期争论浅层是普遍存在无震蠕滑，还是具备产生大地震的能量潜力。

数据、方法与结果

  • 使用数据：
    • 来自 OOI（Regional Cabled Array）和 NEPTUNE（加拿大）两个海底观测站长达十年的连续背景地震噪声数据。
  • 采用方法：
    • 背景噪声干涉测量（ANI）：通过计算单站（互分量）或站间的时间相关函数，提取地震波速变化（$dv/v$）。
    • 应变代理法：将波速变化作为体积应变和孔隙压力波动的敏感代理。
    • 层次聚类分析：对震颤（tremor）数据进行聚类，识别不同区域的特征性地震活动模式。
  • 获得结果：
    • 区域差异明显：北部区域（NEPTUNE）波速稳步上升（+0.038%/yr），暗示持续锁固和应变积累；中部区域（OOI）表现出动态变化。
    • 流体迁移证据：监测到流体通过“阿尔文峡谷断层（ACF）”和滑脱面迁移的信号，估算水平迁移速度约为 0.58 km/天。
    • 稳定作用：发现流体排泄可能通过降低孔隙压力来增强断层稳定性，从而起到阻碍破裂蔓延的作用。

创新、贡献与不足

  • 创新之处：
    • 新视角：首次利用背景噪声监测离岸浅层俯冲带的长期应变和流体动力学。
    • 新路径：确定了“流体高速公路（Fluid Highways）”的存在，证明断层不仅是应变积累场所，也是流体排放通道。
  • 主要贡献：
    • 提供了卡斯卡迪亚北部和中部锁固状态存在本质差异的证据。
    • 提出了一种新的机制：流体迁移可能调节并“稳定”了原本高风险的地震断层，这对地震模拟和减灾具有重要理论价值。
  • 不足之处：
    • 信号非全覆盖：并非所有的慢滑移（ETS）事件都能在 $dv/v$ 中观察到信号（如 2017 和 2021 年）。
    • 解释复杂性：在缺乏辅助观测（如压力计）的情况下，难以 100% 区分信号是由应变引起还是由流体压力直接引起。
    • 站点密度：海底有线观测站数量有限，限制了对整个卡斯卡迪亚全长进行高密度实时监测。