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题目

Enigmatic very low frequency tremors beneath the Shonai Plain in northeastern Japan

作者与单位信息

  1. Earthquake Research Institute, University of Tokyo, Tokyo, Japan
  2. National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention, Tsukuba, Japan

第一作者其他三篇代表著作

  1. Nishida, K., et al. (2008). Short-period (3-6 sec) microseisms excited in the northwestern Pacific Ocean revealed by three-component array analysis of ocean bottom seismograms. Journal of Geophysical Research, 113(B10), B10306.
  2. Nishida, K., et al. (2009). Source process of long-period microseisms excited by the 5 April 2004 Sumatra-Andaman Earthquake. Geophysical Research Letters, 36(17), L17309.
  3. Nishida, K., & Fukao, Y. (2017). Detecting deep slow slip events in the ocean by seafloor geodetic observations. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 122(4), 3111-3122.

摘要

我们报告了在日本东北部庄内平原下方观察到的神秘的极低频(VLF)震颤。这些震颤以0.085 Hz为主频，主要在冬季活跃，持续1-2天，每月发生数次。分析显示，这些震颤发出的Love波能量比Rayleigh波大一个数量级，这一特征无法用常见的地震源如滑坡或火山喷发来解释。震源位于海岸线附近浅水区，深度约30米，与庄内平原断层带相连的导电层相吻合，表明流体在震颤激发中可能起重要作用。观测到的单一频率峰值暗示了与流体系统共振相关的激发机制，类似于火山震颤。这一发现为研究极低频震颤的物理机制提供了新的视角，尤其是在海洋-陆地交界区域。

相关研究的重要性

  1. 地球背景噪声理解：极低频地震信号是地球背景噪声的重要组成部分，理解其来源有助于改进地震监测和成像技术。
  2. 断层物理机制：VLF震颤可能反映了断层带中特殊的物理过程，如流体运动或慢滑移，对理解断层行为至关重要。
  3. 地震前兆研究：某些类型的震颤可能与大地震前的断层预滑相关，研究这些现象有助于地震预测研究。
  4. 地球内部结构：VLF波形携带了地球浅层结构信息，可用于高分辨率成像。
  5. 海洋-陆地相互作用：在海岸线附近的震颤活动可能揭示了海洋与陆地交界处独特的物理过程。

前人研究及不足

前人相关研究：

  1. 海洋引起的微震：Longuet-Higgins (1950)首次提出海洋波浪相互作用产生地震噪声的理论。
  2. 持续性瑞利波：Oliver (1962)和Shapiro et al. (2006)在南半球冬季观测到周期为26秒的持续性瑞利波，但源区附近台站稀疏，物理机制不明。
  3. 火山震颤：Kawakatsu & Yamamoto (2007)研究了与流体系统共振相关的火山震颤机制。
  4. 低频震颤：Obara (2002)在日本西南部发现与慢滑移事件相关的低频震颤，但频率通常在2-8 Hz，高于本文研究的VLF范围。
  5. 断层带流体：Ichihara et al. (2011)通过大地电磁数据在庄内平原断层带下方发现了导电层，暗示流体存在。

前人研究不足：

  1. 台站分布限制：在已知VLF震颤区域(如几内亚湾)台站稀疏，难以精确定位源区和表征波场特性。
  2. 频率范围狭窄：此前对非构造、非火山VLF震颤(0.01-0.1 Hz)的研究较少，大多关注更高频率的震颤。
  3. 机制理解不足：已报道的VLF震颤多以瑞利波为主，对以Love波为主的震颤现象缺乏认识和物理解释。
  4. 季节性变化研究缺乏：对VLF震颤活动与季节变化关系的系统研究不足。
  5. 流体作用不明确：断层带中流体在VLF震颤激发中的具体角色尚未明确。

本文使用数据与方法

数据：

  1. Hi-net倾斜仪数据：利用日本国家地球科学与灾害预防研究所(NIED)运营的高密度Hi-net倾斜仪网络数据，这些倾斜仪可作为水平长周期地震仪使用。
  2. 时间范围：2004年12月6日前后数据，以及其他冬季月份的观测数据。
  3. 研究区域：日本东北部庄内平原，太平洋板块向北美板块俯冲的区域，庄内平原断层带附近。

方法：

  1. 波形处理：对0.05-0.1 Hz频段进行带通滤波，分析横波和径向分量。
  2. 反向传播分析：将观测记录以假设的相速度反向传播到震源，假设相速度为3-3.5 km/s。
  3. 波数-频率谱分析：通过最小化观测记录与模型之间的残差平方和，估计不同频率和相速度下的辐射特性。
  4. 震源定位：采用两步网格搜索方法，首先在粗网格(5×10⁻²度)上搜索，然后在细网格(1×10⁻³度)上精确定位。
  5. 辐射模式建模：假设震源辐射模式为两叶状，对径向和横向分量分别建模。
  6. 统计验证：通过50次自助法(bootstrap)采样估计震源定位误差，要求最大VR>85%且平均震中误差<2 km。

研究结果

  1. VLF震颤特征：在日本东北部庄内平原下方发现神秘的VLF震颤，主频约0.085-0.09 Hz，以Love波为主。
  2. 波场特性：Love波能量比Rayleigh波大一个数量级，这一特征难以用常规地震源解释。
  3. 震源位置：震源位于海岸线附近浅水区，深度约30米，与庄内平原断层带相连。震源位置误差椭圆垂直于海岸线方向，因为台站仅分布于陆地一侧。
  4. 时间分布：震颤主要在冬季活跃，每次持续1-2天，每月发生数次，在夏季几乎不活跃。
  5. 震源时间函数：震源时间函数的平均功率谱显示明显的单色峰值，暗示与流体系统共振相关的激发机制。
  6. 无潮汐相关性：与低频震颤不同，未发现这些VLF震颤与潮汐的相关性。
  7. 震源机制：无法用常规的地震、滑坡或火山源解释这种以Love波为主的震颤现象。

创新之处

  1. 新型震颤发现：首次在日本东北部发现这种以Love波为主的VLF震颤，扩展了已知震颤类型的范围。
  2. 高分辨率定位：利用日本现代密集地震网络，实现了对VLF震颤源的高精度定位，克服了以往台站稀疏的限制。
  3. 波场特性分析：首次系统分析了VLF震颤的完整波场特性，特别是识别出Love波主导的特征。
  4. 季节性模式识别：揭示了VLF震颤活动与季节变化的明确关联，为理解其触发机制提供了线索。
  5. 多学科解释：结合大地电磁数据，将震颤活动与断层带流体联系起来，提出了新的物理解释框架。

研究贡献

  1. 填补研究空白：填补了极低频(0.01-0.1 Hz)非火山、非构造震颤研究的空白。
  2. 物理机制洞察：为理解VLF震颤的物理机制提供了新视角，特别是流体在震颤激发中的作用。
  3. 方法学进步：发展了适用于VLF震颤分析的反向传播和波数-频率谱分析方法。
  4. 地球背景噪声理解：增进了对地球背景噪声，特别是海洋-陆地交界区域持续性信号的理解。
  5. 断层带特性揭示：通过对震颤活动的研究，间接揭示了庄内平原断层带的流体分布和物理特性。

研究不足

  1. 激发机制不确定性：虽然提出了与流体共振相关的机制，但未能明确确定具体激发过程。
  2. 观测限制：震源位于海洋中，缺乏海底观测设备，限制了对震颤源区物理条件的直接观测。
  3. 物理模型简化：辐射模式假设为两叶状，可能过于简化，未考虑更复杂的震源机制。
  4. 长期变化研究不足：分析主要集中在2004年12月，对长期变化模式的研究有限。
  5. 定量解释缺乏：未能提供定量物理模型来解释为何Love波比Rayleigh波强一个数量级。

后续改进与跟进

  1. 海底观测网络：在震源区域部署海底地震仪和压力计，直接观测震颤源区的物理条件。
  2. 高分辨率成像：使用震颤信号本身作为源，对庄内平原断层带进行高分辨率成像，特别是流体分布特征。
  3. 流体-固体耦合模型：发展更复杂的流体-固体耦合数值模型，模拟断层带流体运动如何激发VLF震颤。
  4. 长期监测：持续监测这些震颤的季节性和年际变化，探索与气候变化、海平面变化的潜在关联。
  5. 全球比较研究：在全球其他海洋-陆地交界区域搜索类似震颤，确定其分布模式和共同特征。
  6. 多物理场观测：结合地震、大地电磁、重力和形变观测，全面约束震颤源区物理过程。
  7. 实验室模拟：在实验室条件下模拟断层带中流体运动激发的VLF信号，验证提出的共振机制。