近日,南方科技大学地球与空间系助理教授陈克杰及其合作者在2019年7月美国加利福尼亚州南部(简称南加州)地震序列研究中取得重要成果,其内容在《自然-通讯》杂志(Nature Communications)在线发表。


20200103c-10803.jpg


研究断层破裂过程对于认识地震机制及减轻地震灾害有着重要的科学意义。通常认为,地震在断层上的破裂过程主要呈现为裂纹型(crack-like)和脉冲型(pulse-like)两种类型。二者的主要区别在于断层局部的滑动时间对前者会持续增长,而对后者会达到饱和。前人的理论分析和实验观测表明,初始应力场对断层的破裂过程产生具有重要影响,当初始应力场中剪应力水平较高时,容易产生裂纹型破裂;而当初始剪应力较低时,则会产生脉冲型破裂。然而,在天然地震中同时清晰观测到这两种破裂类型且支持已有实验结论的案例则鲜有报道。

2019年7月4日和6日,美国南加州科恩县(Kern)莫哈韦沙漠小镇里奇克莱斯特(Ridgecrest)先后发生了6.4级和7.1级(矩震级)地震,是近20年来南加州地区最强地震,引起了公众的广泛关注。地震发生后,陈克杰博士及其合作者迅速开展了野外测量考察,并综合利用卫星影像、南加州密集的高频GPS观测网络、远场宽频带地震仪等数据,精确地反演了这两个地震的破裂分布以及动态破裂过程。


0.jpg

图1.野外实地测量地震断层


研究结果揭示,2019年的地震序列属于沿加州东部剪切带历史群震的一部分。该群震自1872年始,可能与暂时升高的地壳应变率有关。就2019年地震序列而言,该群震至少发生在五个断层其中,7月4日的6.4级地震始于一个西北向的右旋走滑断层,然后跳跃到与之共轭的东北向左旋走滑断层并破裂至地表。7月6日的7.1级地震则发生在三个走向角变化的西北向断层(F1,F2,F3)上,且主要为浅层破裂,地表破裂高达4米(图2a 和b)。


1.jpg

图2.2019年7月6日7.1级地震同震破裂模型以及7月4日M6.4级地震在该地震断层上造成的库仑应力变化


进一步分析显示(图2c),6.4级地震在7.1级地震震中(位于F2断层)处造成了约0.2 兆帕的库仑应力(主要贡献为剪切应力)增加,触发了7.1级地震。与此同时,断层F1上的库仑应力则被削弱。考虑到F1,F2,F3断层的走向角(分别为313°,333°, 305°),F2上断层的初始剪应力应该是三个断层上最大的。结合前人的理论分析和实验观测,F2断层、F1断层可以分别利于裂纹型、脉冲型破裂的产生。这与反演得到的地震破裂过程高度吻合(图3、动画1):F2断层上d段的滑动时间明显长于F1断层上a,b,c段的滑动时间。


2.jpg

图3.反演得到的2019年7月6日7.1级地震动态破裂过程(2秒间隔)


GIFTemp_5A98.gif

动画1.2019年7月6日南加州7.1级地震过程动画展示


此外,该研究成果对南加州潜在的地震风险性评估具有重要参考意义。7.1级地震往西北和东南方向分别在科索火山区(Coso Volcanic Field)和加洛克断裂带 (Garlock Fault)停止,使得相应邻近区域断层更接近于破裂,提升了这些区域未来破坏性地震的风险。

陈克杰为该论文第一作者及唯一通讯作者,南方科技大学为论文通讯单位。国际国内合作作者及单位包括Jean-Philippe Avouac、Saif Aati(美国加州理工学院),Chris Milliner (美国宇航局喷气动力实验室),郑福、施闯(北京航空航天大学)。

陈克杰于2019年9月加入南科大地球与空间科学系。此前,他于2016年在德国波茨坦地学中心/波茨坦大学获得地球物理学博士学位,2016年到2018年在美国宇航局喷气动力实验室进行博士后工作,2018年到2019年在美国加州理工学院地震实验室任研究科学家。他主要从事空间大地测量,地震破裂过程联合反演,地震/海啸预警等方面研究,多次在AGU、EGU等国际学术会议上做特邀报告,曾获中国卫星导航学术年会优秀论文奖(最高奖)等荣誉奖励迄今为止,以第一作者在Nature Communications、Geophysical Research Letters、Geophysical Journal International等主流地学期刊发表SCI论文11篇,被引230余次。


论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-13750-w