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仅有不到一半的主震有前震记录。这很难与地震实验和地震成核模型理论相协调，因为这两者都表明前震活动几乎无处不在。本研究中，研究人员使用最先进的高分辨率地震目录来研究2008—2017年南加州M4级和更大主震的前震序列。这个高度完整的目录为研究较小的前兆地震活动提供了新的机会。在该目录中，72％的主震之前有前震活动。前震序列的持续时间从几天到几周不等，大多为16.6天。结果表明，自然界中的前震比以前认为的更为普遍，对地震成核的理解可能会随着对探测小地震的能力的提高而提高。相关研究成果于2019年8月发表在Geophysical Research Letters上。 目前，对地震的观测有两种争论，一种观点认为地震发生的时间是随机的，但是另一方面地震的发生在时空上具有聚集的特点，大地震之后引起的余震就是很好的例子。包括驱动余震发生的物理过程以及震后断层滑移已经得到了很好的研究，但是对于前震人们却研究的很少。前震的物理意义和普遍性都受到激烈的争论。在地震实验中，几乎在所有情况下都观察到类似于前震的前兆滑动事件。同样，断层摩擦的理论模型在动态破裂之前通常都需要经过地震成核阶段。实验和理论地震行为的这些分析表明，前震发生可能是破裂前地震成核或预滑过程的表现。如果这种解释正确的话，这将会具有重要的科学和实际结果，并且可能会用于预测最终主震的发生特征。 图1 南加州M4和M5级的46个地震的前震序列 这种解释的一个问题是，如果它是地震成核的一个普遍特征，它将会普遍出现，但事实并非如此。对于不同的研究，由于采用了不同的阀值和时空选择窗口，很难将它们进行比较，但之前的研究中有10%~50%的地震都具有前震。如果这是事实，那其余50%~90%的地震成核过程中都发生了什么，或者是由于前震震级太小并没有别检测到。 在这项研究中，研究人员使用一个强大的新工具来测量前震活动：从2008年到2017年在加利福尼亚州南部发生的超过181万次地震的最好的地震目录。此目录的细节非凡，在完整区域下降到M0.3并且局部下降到M0.0或更小，允许研究人员在最小尺度上检查前兆地震活动，与实验直接进行对比。结果表明，加利福尼亚州南部前震活动普遍增加，72％的地震序列在主震事件之前表现出显著的局部地震活动率增加。这些序列的时空演变在性质上是多种多样的，这一事实可能妨碍基于前震活动的实时预测。然而，这些结果有助于对从实验室到地球尺度的前兆活动的理解。 本研究的主要方法涉及以下两个方面： （1）地震目录数据：研究人员根据地震模板匹配地震目录分析了南加州的地震序列，研究了位于纬度在[32.68°，36.20°]和经度在[-118.80°，-115.40°]的范围内的M4级以及更大的主震之前的前震活动。在这个研究区域内，研究人员选择了总共46个主震，这些主震在时空上与其他较大事件相对隔离，以确保所选事件确实是传统定义的主震，并且在事件前窗口期间的地震活动率没有由于余震引发无关事件而产生偏差。 （2）分析方法：对于每个选定的主震，使用事件时间法测量主震10 km震中距离内的局部背景地震率。在这种技术中，后续事件之间观察到的间隔时间差τ的集合被建模为伽马分布： 图2 南加州前震的复杂性 这些背景速率估计值与QTM目录的相对完整性相结合，可以测量前震活动的持续时间，这是迄今为止尚未仔细研究的课题。为此，计算5天移动窗口内的事件发生率。从主震起始时间T=0开始，在0.1天向后计算，直到观察到的事件率下降到背景速率μ的一个标准偏差内，并且将窗口结束时间作为持续时间估计。5天的窗口是最佳折衷方案。持续时间估计中的测量不确定性为1天。 研究整体表明，相对于背景地震活动率，加利福尼亚南部46次主震中有33次的前震活动显著增加。这72％的比例表明，前期地震活动比以前所理解的更普遍，并且实验室和实际前震的普遍性之间的差异可能部分源于观察限制。与SCSN目录的直接比较支持该假设，其中46个序列中只有22个表现出显著的前震活动。 图3 前震普遍性与震级、地震机制、震源深度以及热流值之间的关系 但是，使用QTM目录的前震序列分辨率的提高尤其值得注意，因为SCSN目录的标称完整性为M1.7，是当前可用的最高质量的基于网络的目录。尽管如此，在很多情况下，SCSN目录几乎完全错过了前震序列。在两个目录中前震活动明显的情况下，QTM目录提供了小的前震事件的改进细节，提供了更完整的成核过程。QTM目录还提供了一个独特的机会来检查加利福尼亚南部前震序列的空间和时间特征。例如，可以通过测量主震前的时间跨度来估计前震活动的持续时间。30个序列的前震持续时间预计长度为3~35天，中位数为16.6天。持续时间估计的精确度受到背景速率的不确定性和计算观察事件频率所需平均时间的限制。然而，对于1天的名义不确定性，它们仍然提供了对已增强前震活动的时间范围的有用测量。 前震序列的时空演变是多种多样的。许多较长时间的序列是以前在加利福尼亚州南部某些地区记录的地震群。在事件发生前的几天和几小时内，主震震源附近发生了一些类似主震的爆发式前震序列，而另一些主震则在地震活动率上有更多的扩散和广泛的升高。同样地，在前震中向主震震源发生系统线性迁移是值得注意的案例，但这并不具有普遍性。 虽然没有足够大的主震样本来做出明确的结论，但有几个有趣的趋势。主震大小和机制类型似乎没有强烈的影响，尽管这可能部分源于数据集的相对同质。较浅的主震倾向于有更多的前震。热流也可能起着重要作用，在较高热流区域的地震倾向于具有更活跃的前震序列。 观察到的可测量的前震活动的普遍性使人联想到实验室实验，其中在破裂之前普遍观察到的较小的前兆滑动事件。在实验室中，这些滑动事件的统计特征可用于预测即将发生的主震的特性，包括其时间和滑动幅度。在本研究中记录的许多前震序列的持续时间延长，平均持续数天到数周。这一观察结果为前震发生的物理过程提供了一些见解。正如Mignan（2014）所评论的，两个概念模型包括地震发生的“级联模型”和“预滑模型”。在级联模型中，前震被视为一系列地震，每个地震通过地震-地震应力相互作用互相触发，最终是主震。相比之下，预滑模型设想前震和主震都是由一个准静态加载过程触发。前震序列持续时间发生延长且仅包含小幅度事件，很难用前震发生的级联模型来解释，因为这种小幅度事件所带来的累积应力将无法驱动这样的序列。尽管不能排除级联型触发在所有情况下的重要性，但是后者在这里似乎更加合理。将物理建模与详细观测相结合的未来工作将进一步阐明这一问题，特别是关于个别前震序列的空间和时间范围的变化。 尽管与实验室研究有显著的相似性，在加利福尼亚南部有限的研究区域内，前震序列的持续时间和时空演变也有很大差异。值得注意的是，在实际断层系统中，前兆活动并不是地震活动率升高的唯一原因，这种活动率通常与余震触发有关。有几个记录良好的主震事件没有可检测到的前震，这表明个别地震的成核过程是多样的，而不是普遍的。然而，通过检查最精细的地震活动的细节，将提高人类对地震开始时的物理机制的理解。 来源：Trugman, D. T., & Ross, Z. E. (2019). Pervasive foreshock activity across southern California. Geophysical Research Letters, 46, 8772–8781. https:// doi.org/10.1029/2019GL083725 |
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