俯沖帶大型逆沖斷層（megathrust），即俯沖的大洋板片與上覆板片之間的邊界，孕育了全球大多數8級以上的大地震。斷層三維幾何形態(tài)和摩擦等物理特性，控制著(zhù)大地震破裂的起始、演化和終止，進(jìn)而影響地震大小及其造成的地震和相關(guān)次生災害（例如海嘯）。因此，精細約束俯沖帶大型逆沖斷層的幾何和摩擦狀態(tài)，對理解大地震震源物理及防震減災至關(guān)重要。
近年來(lái)，隨著(zhù)地震觀(guān)測臺網(wǎng)密度的增加和分析手段的不斷進(jìn)步，地震的精定位和震源機制解已成為理解斷層幾何和摩擦狀態(tài)的重要手段。盡管在少部分陸地區域密集臺陣地震精定位方法已取得廣泛的發(fā)展和應用，但在臺站相對匱乏的地區（如海域）地震的震源參數精細研究仍面臨挑戰。在絕大部分俯沖帶地區，由于缺乏近場(chǎng)地震觀(guān)測資料，僅利用全球遠場(chǎng)觀(guān)測數據和常規方法只能獲得極少量地震的震源機制解，且其水平位置和深度常有較大誤差，制約著(zhù)我們對大型逆沖斷層幾何和大地震破裂機制的認知。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所王新特聘研究員、韋生吉客座研究員、陳凌研究員、郝天珧研究員、趙亮研究員及其合作者，發(fā)展了基于全球遠場(chǎng)地震波波形模擬和分析的系列方法（圖1），并將其應用于蘇門(mén)答臘俯沖帶Mentawai地區。通過(guò)波形反演、地震深度震相模擬以及遠震面波相對定位等一系列手段（圖1），精細地約束了1990年至2017年間該地區108個(gè)中等震級地震的位置和震源機制解（圖2和圖3）。綜合歷史大地震和重力/地形異常分析，識別出了斷層幾何和閉鎖狀態(tài)在沿著(zhù)走向和傾向的變化，認為該區域2007年發(fā)生的Mw8.4（Bengkulu）地震破裂了斷層上一個(gè)永久性凹凸體，而2010年的Mw7.8（Mentawai）海嘯型地震則對應更為不規則的發(fā)震周期。
圖1 基于全球遠場(chǎng)地震波波形模擬和分析約束地震震源參數的系列方法。(a) 示例波形用于展示該研究中使用的三分量地震波；（b）基于遠場(chǎng)三分量P波和S波約束地震震源機制解的波形反演方法；（c）遠震面波相對定位方法，用以精確確定地震的水平位置；（d）深度震相模擬方法，用于精確約束地震的深度
圖2 研究區域及該研究獲得的地震震源參數。（a）蘇門(mén)答臘俯沖帶歷史大地震及前人研究獲得的震間閉鎖模型；（b）蘇門(mén)答臘Mentawai地區概況，包括大地震同震破裂范圍（2007年發(fā)生的Mw8.4 Bengkulu地震及其Mw7.9的余震，以及2010年發(fā)生的Mw7.8 Mentawai海嘯型地震）及該研究中獲得的中等震級地震的震源機制解
圖3 地震沿剖面分布及其傾角變化。（a）該研究結果與全球USGS地震目錄和GCMT地震目錄的對比；（b）該研究獲得的地震傾角與全球GCMT地震目錄的對比。其中，黑色實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)分別代表Slab1.0和Slab2.0模型，綠色曲線(xiàn)為研究區主動(dòng)源深反射探測結果。剖面位置參見(jiàn)圖2
具體研究結果顯示，這些中等震級的地震主要集中于2007年Mw 8.4 Bengkulu地震同震破裂區的上傾端(up-dip seismic belt)和下傾端(down-dip seismic belt)，形成了兩條明顯的地震帶（圖2和圖3）。下傾端地震帶的傾角比主震傾角陡約8度，顯示出大型逆沖斷層幾何在此處發(fā)生了明顯的彎曲；這種斷層幾何形態(tài)的改變可能影響著(zhù)大地震破裂向更深處傳播，并伴隨著(zhù)由于溫度變化導致的脆性到塑性的本構關(guān)系變化（圖4）。上傾端地震帶標志著(zhù)孕震區與穩定滑動(dòng)區（或條件穩定滑動(dòng)區）之間的摩擦邊界，并且具有顯著(zhù)的橫向變化。這些橫向和縱向的斷層幾何/摩擦變化極有可能對限制2007大地震的破裂范圍起到了關(guān)鍵性作用（圖4）。此外，地形和重力異常數據與上傾端地震帶及2007主震同震變形分布高度一致（圖5），指示了大地震同震破裂和地形/重力異常之間的因果關(guān)系，認為2007年Mw8.4地震破裂了一個(gè)永久性板塊閉鎖區域（凹凸體），而2010年的Mw7.8海嘯型地震區沒(méi)有造成顯著(zhù)地形/重力異常，對應更為不規則以及更長(cháng)的發(fā)震周期，和斷層上的條件穩定滑動(dòng)摩擦本構關(guān)系密切相關(guān)。因此，在研究未來(lái)大型逆沖斷層上的大地震時(shí)，考慮上傾端和下傾端地震帶、地形異常及重力異常的影響至關(guān)重要。該研究完全使用遠場(chǎng)地震波形數據，對隨后的全球類(lèi)似震源和斷層幾何研究具有指導性意義。
圖4 俯沖帶大型逆沖斷層三維結構卡通圖。該研究獲得的高分辨率地震機制解目錄揭示了該區域大型逆沖斷層沿走向和傾向的幾何變化，對理解大地震破裂過(guò)程有重要意義
圖5 研究區域地形異常（a）及重力異常（b）與地震分布的關(guān)系。圖中黑色閉合曲線(xiàn)表示大地震同震破裂范圍（見(jiàn)圖2）
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊EPSL（王新，韋生吉*，Catalina Morales-Yá?ez，Zacharie Duputel，陳凌，郝天珧，趙亮*. Plate interface geometry complexity and persistent heterogenous coupling revealed by a high-resolution earthquake focal mechanism catalog in Mentawai,?Sumatra[J]. Earth and Planetary Science Letters,?2024. DOI:?10.1016/j.epsl.2024.118726）。研究受?chē)抑攸c(diǎn)研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目（2022YFF0802600）和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所自主部署項目（IGGCAS-201904）聯(lián)合資助。
