地震的突发性与巨大的破坏力给人类社会带来的巨大灾难,激发了人们对地震的成因及其预测的探索。通过世界各国地震学家长期不懈的努力,人们对地震的成因有了基本的了解,在地震预测(特别是中长期地震预测)探索上取得了一些有意义的进展。但地震预测仍是极具挑战性、尚待解决的世界性科学难题之一,地震预测的进展主要受到地球内部的“不可入性”、大地震的“非频发性”和地震物理过程的复杂性等因素的制约(陈运泰,2009)。地球内部的“不可入性”指的是人类目前还不能深入到处于高温高压状态的地球内部设置台站、安装观测仪器以对震源直接进行观测; 大地震是一种稀少的“非频发”事件,通常情况下,大地震的复发时间比人的寿命和现代仪器开展观测的时间长得多,这限制了作为一门观测科学的地震学在对现象的观测和对经验规律的认知上的进展; 地震物理过程的复杂性体现在:地震是发生于极为复杂的地质环境中的一种自然现象,地震过程是高度非线性、极为复杂的物理过程,地震震源区地质环境的复杂性以及地震过程的高度非线性和复杂性则很可能导致地震前兆出现的复杂性和多变性(陈运泰,2009)。

地震复发概念可追溯到1911年Reid提出的弹性回跳理论,他认为地震复发是应变能积累和释放过程的轮回。强震复发间隔常常长达数百年或上千年,小地震的复发间隔则可能短至年尺度。Bufe等(1977)以及Geller和Mueller(1980)对有限区域的地震活动进行了研究,并考虑了不同频段的波形相似性,确认了在美国加利福尼亚州中部断层上存在应变能重复积累释放的小震复发现象。近年来,研究者在板块边缘的活动断裂带和俯冲带等不同的构造单元(Nadeau et al,1995,1999; Matsuzawa et al,2002; Peng,Ben-Zion,2005; Chen et al,2009; Yu,2013; Dominguez et al,2016)及板内大陆地区,如中国(Schaff,Beroza,2004; Schaff,Richards,2011; Li et al,2007,2011; 李乐等,2008)和韩国(Kim,Kim,2014)相继发现了发生在同一断层部位,且波形具有高度相似性、破裂面积相互重叠的小地震(即重复地震或重复微震),认为其属于孕育或发生过强震的大凹凸体周缘处于弱耦合状态的小凹凸体在区域构造加载作用下所发生的重复破裂(Igarashi et al,2003)。Sammis和Rice(2001)以及Chen和Lapusta(2009)通过数值模拟、[HJ2.1mm]理论分析和岩石实验等研究证实了这种重复地震发生的机理,即重复地震的孕育发生过程实际上反映了其破裂区周围断层蠕滑区域的应变积累和滑动过程,可以用以估算断层深部变形的滑动速率(Nadeau,McEvilly,1999),即可作为天然的“地下蠕变计”(Turner et al,2013)为探测“不可入”的地球内部和“非频发”大地震的孕震深处变形活动提供“原位”观测(陈棋福等,2015)的重要信息。

笔者曾先后对曾发生1976年唐山7.8级地震、1996年丽江7.0级地震、1998年宁蒗6.2级地震、2001年宁蒗5.8级地震和2008年汶川8.0级地震的唐山断裂带、丽江—宁蒗断裂带和龙门山断裂带开展了重复地震的分析研究(Li et al,2007,2011; 李乐等,2008),本文将在概述这些研究结果的基础上,在强震孕育发展过程中遵循同一变形模式的地震成因认识框架下,采用空间换时间的方式初步构建中国大陆强震孕育深处的变形模式,并探讨了深浅变形差异与强震活动的关联性问题。

地震活动是断裂活动的最直接体现,精定位的震源深度客观反映了断裂深部发生地震滑动变形的起始位置,断裂深部发生的慢滑动和重复地震等对揭示断裂深部行为具有重要的指示意义(Harris,2017)。在同一构造部位重复发生并具有高度相似波形的重复地震可作为天然的“地下蠕变计”,具有地质地貌和大地测量等浅表观测难得的“原位观测”优势,为探测断裂深部变形信息提供了有效的途径(陈棋福,李乐,2018)。

长达数百年甚至数千年的强震在原地复发的时间,较现代仪器开展地震观测的时间长得多,致使人们至今难以完整地获得一次对强震孕育发展复发轮回全过程的认识,即从初始应变能积累发展到释放发震至再次积累的过程。尽管我们缺乏对同一地点复发的强震孕育、发展、发生的轮回全过程的观测资料,但却有着不同地点发生的强震及强震前后不同时段的观测资料。强震孕育发展过程遵循同样的应变能积累变形这一基本成因共识下,则可将发震地点不同的强震发生前后位于不同孕育发展阶段的孕震深处的变形特征组合起来,采用空间换时间的方式(即将空间中不同地点发生的强震,其所属

不同孕震时段的变形特征归换为同一强震孕育轮回过程中相应时段的变形特征)初步构建中国大陆强震孕育深处的变形模式。

强震复发轮回的过程以发震时间为标志大体可划分为震前、震后和震间3个时段,需注意的是这3个时段的具体时间长短很可能是不均一的。根据前述利用重复地震获得的几个发震断裂带的深部滑动速率结果,即将龙门山断裂带、丽江—宁蒗断裂带和唐山断裂带等孕震深处的变形信息分别视为震前、震后和震间3个时段的深部变形信息,结合地质地貌和大地测量等获取的浅部变形信息,则可以初步构建出中国大陆强震孕育深处的变形模式(图3):震前深浅变形差异明显且存

图3 (a)板内强震孕育发生轮回的凹凸体变形模式强震闭锁区及其周围重复地震发生部位的示意图(修改自Uchida,Bürgmann,2019),图上方展示了地震台站记录到的重复地震的相似波形; (b)强震轮回过程中的长时段累积滑动量(红虚线),红实线的斜率代表长期滑动速率; (c)利用重复地震获得的强震发生(粗黑竖线)前后深部和浅部累积滑动量(蓝色和红色实线),深部的滑动速率(蓝色和红色虚线)在强震前后存在明显变化,浅部的滑动速率(红点线)与长期滑动速率基本一致
Fig.3 Schematic model of asperities and their accumulated slips of an intraplate earthquake cycle(a)A schematic diagram showing the distribution of small repeating earthquakes surrounding an asperity of major earthquake(modified from Uchida and Bürgmann,2019). The repeating earthquakes produce similar waveforms when observed by the same station(left top)because the seismic patch is loaded by creep in the surrounding area and repeat rupture at the same place.(b)The long-term accumulated slip of a major earthquake cycle shown in red dotted line. The slope of the solid line in red represents the long-term slip rate.(c)The accumulated slips of repeating earthquakes in the deep and shallow parts before and after a major earthquake(vertical line in black)were shown in solid lines in blue and red respectively. The slip rate inferred from deep repeating earthquakes(dashed lines in blue and red)exhibits significantly variation before and after the major earthquake, and the slip rate in the shallow part(dotted lines in red)is consistent with the long-term slip rate

在临震前深部变形加速的特征,震后深浅变形相当、震间深浅变形一致。

从图3c可以看出,深部的滑动速率(蓝色和红色虚线)在强震前后存在明显变化,浅部的滑动速率(红点线)与长期滑动速率基本一致。该模式采用的唐山7.8级地震发生后第25～30年(2001年10月—2006年12月)的地震波形资料所得到的孕震深处滑动速率极可能是强震轮回过程中震间变形特征的反映。如果说唐山7.8级地震发生后第25～30年的地震波形资料分析得到的重复地震估算的滑动速率不能完全算作强震轮回过程中震间变形信息的话,则由1999—2011年地震波形资料获得的1833年嵩明8级地震附近4～12.3 km深度的2.7～8.9 mm/a滑动速率(李乐等,2013)属于震间变形过程的信息应是确切无疑的; 从重复地震观测结果与地质地貌和GPS观测给出的小江断裂带西支4～10 mm/a的滑动速率基本一致的事实(李乐等,2013),也可见我们构建的震间深浅变形一致的模式是有较充足的依据的。而由2000年5月—2008年4月地震波形资料获得的龙门山断裂带深浅部滑动速率,则无可置疑地反映了汶川8.0级地震前的变形特征。利用1999—2006年的地震波形资料估算得到约23 km孕震深处的丽江—宁蒗断裂滑动速率,其是否确实反映了强震震后深部变形的信息还有待进一步的研究,但考虑到在所分析时段前的1996—2001年,丽江—宁蒗断裂带周围陆续发生丽江7.0级地震及宁蒗6.2级、5.8级地震,在暂时缺乏更可信的观测约束结果(如汶川8.0级地震后的结果)的情况下,本研究暂且将其作为强震后深部变形信息来使用。

由重复地震估计的滑动速率变化提供了断层变形活动的重要信息,笔者在中国大陆观测到的孕震深处滑动速率变化现象(图2,3)在板缘的重复地震研究中也有发现(Uchida,Bürgmann,2019)。如由重复地震推断出的美国圣安德烈亚斯断层中央蠕变段的滑动速率表现出周期性变化(Nadeau,McEvilly,2004; Turner et al,2015),在日本东北俯冲带也发现了类似的周期性滑动速率变化现象(Uchida et al,2016)。地表蠕变仪、GPS和InSAR数据都为推断出的美国圣安德烈亚斯断层和日本东北部巨型逆断层的滑动速率变化提供了支持(Khoshmanesh et al,2015; Nadeau,McEvilly,2004; Uchida et al,2016)。

Nadeau和McEvilly(1999)利用圣安德烈亚斯断层Parkfield地区的重复地震获取的断层滑动速率,显示出浅部与大地测量和蠕变仪观测的滑动速率值相当,而深部滑动速率增大呈现深浅滑动差异分布的图像,且重复微震不发育的区域(即断层闭锁区)在2004年发生了6.0级地震; Igarashi 等(2003)通过重复地震分析发现日本东北俯冲带滑动速率差异明显,且在显著的滑动亏损区发生了超出预估强度的2011年日本东北近海Tohoku-oki 9.0级地震。2011年日本9.0级地震(Igarashi et al,2003)、2008年汶川8.0级地震(Li et al,2011)以及1984年美国Morgan Hill 6.2级地震(Templeton et al,2009)等同震破裂区周缘发育的重复地震事例,都说明了利用重复地震空间分布勾画潜在强震闭锁区的可能性。

在1989年美国加州Loma Prieta 6.9级地震(Turner et al,2013)、2011年日本东北近海Tohoku-oki 9.0级地震(Uchida et al,2016)、2014年智利西北部海域Iqique 8.2级地震(Kato et al,2016)以及2008年中国四川汶川8.0级地震(陈棋福,李乐,2018)前,重复地震序列记录还展示出在震前1～2年或震前几天存在深部滑动速率的加速变化特征。这些事例为笔者应用强震孕育过程的变形模式(图3)进行强震危险性分析提供了有效的途径,即充分利用微小的重复地震探测断裂深部变形的原位观测优势,融合地质地貌、大地测量和地震学等多学科结果,就强震相关的断裂深浅部变形信息进行综合分析。对断裂闭锁段或低滑动部位,如果发现其深浅构造变形存在显著差异,则应对该区段的强震危险性进行强化跟踪研究。断裂闭锁段或低滑动部位(图3a)很可能处于强震积累应变能闭锁阶段,表现为浅部的活动(滑动量)较弱,而其周缘发生的重复地震则可能体现了闭锁区深部的区域构造运动处于定常活动状态或强震前的非线性变形阶段,故深浅部的重复地震所释放的累积滑动量表现出明显差异(图3c)。对于临震前的深部变形加速变化,笔者推测很可能是进入强震成核阶段(Kato et al,2016)或断层亚失稳阶段(马瑾,2016)的表现。

活动断裂是地震的发震构造,断层(断裂)活动性的研究是认识和理解地震过程与有效进行地震灾害防御的重要基础。在过去20多年,尽管在识别活断层的能力方面已经取得了显著进展,但大陆内部如2008年汶川8.0级地震出乎意料的发生等事例说明对陆内断层的认知还很有限(England,2011)。对龙门山断裂带发生的2008年汶川8.0级地震的危险性低估的重要原因之一是地质地貌和GPS观测等给出的龙门山断裂带滑动速率较低(张培震等,2008,2009; Zhang,2013)。断层滑动速率是衡量断层(断裂)活动性及分析地震危险性的一个非常重要的参数(邓起东等,2004; Bergen et al,2017),由地质学、地貌学、大地测量学和地震学等分析研究给出的滑动速率(张培震等,2013)各有其优势与局限性(陈棋福,李乐,2018)。利用微小的重复地震作为“深部蠕变”计来探测断裂深部变形,不可避免地受到地震台网分布间距及其可检测到重复地震的能力的局限,且所检测到的重复地震序列是否在观测时段内完整而无遗漏,对于客观估算断裂深部的滑动速率也是十分重要的。为能够更好地与地质地貌和大地测量的结果进行对比分析,尝试获取微小的重复地震震源机制解,结合重复地震的破裂节面解或可能确定的破裂方向,来约束所估算滑动速率的滑动方向也是十分必要的。

本文针对地震预测这一科学难题中缺乏强震原地复发全过程的变形观测资料的问题,基于强震孕育发展过程遵循同样的应变能积累变形的基本成因认识,利用重复地震探测获得的孕震深处滑动速率与浅表观测的对比分析结果,采用空间换时间的方式初步构建了中国大陆强震孕育深处的变形模式,即:震前深浅变形差异明显且存在临震前深部变形加速的特征,而震后深浅变形相当且震间深浅变形一致的模式。对于由1976年唐山7.8级地震、1996年丽江7.0级地震和2008年汶川8.0级地震等中国大陆强震相关的深浅部变形特征,以及板缘的重复地震研究得到的深浅部变形特征而言,本文构建的孕震深处变形模式中的几个时间段很可能是:震前为10年至发震时,临震则可能为震前1～2年至震前几天,震后则指的是强震后几个月开始,震间则可能为强震后至少20年至下一强震前10年的数百或上千年时段。

尽管本文所构建的中国大陆强震孕育深处的变形模式和关于相关时间段的说明及解释还有待进一步的检验和完善,但在人类对大陆内部深部构造变形探测程度还较为有限的情况下,充分发挥重复地震探测断裂深部变形的“原位观测”优势,可为探测“不可入”的地球内部和“非频发”大地震的孕震深处变形活动提供重要的约束信息。通过集成地震学、大地测量学和地质地貌学等学科对断裂变形活动的综合分析,将有可能对断裂闭锁段和深浅构造变形差异显著地区的强震危险性进行科学有效的预判。