深地震物理过程的统一规律被揭示

■ 本报记者 陈婉婉

版次:09  2023年05月22日

深地震是地球科学中的一个未解之谜。过去30年里,地震学家发现深地震的破裂过程与浅地震有诸多不同,认为这些不同是由深地震独特的产生机制导致。中国科学技术大学李泽峰研究员课题组利用机器学习对全球3000余个中大震级地震进行了系统分析,证明了深地震破裂过程和震源参数的差异由地球刚度随深度变化导致,与地震的具体产生机制无关,纠正了该领域长达三十年的错误解释。5月1日,该研究成果发表在国际学术期刊《自然-地球科学》。

深地震是指震源深度超过60公里的地震。由于地球深处高温高压,岩石表现出塑性形变,深地震的产生机制与浅地震的脆性破裂有所不同。关于深地震成因有许多猜想,如脱水脆化、热失稳和亚稳态橄榄石相变等,但至今仍没有定论。

了解深地震的成因和破裂过程有助于人类更好地理解地震的物理机制、俯冲带的性质以及地球内部的动力过程。长久以来,地震学家通过分析震源时间函数,发现浅地震(0~60km)、中源地震(60~300km)和深源地震(300~700km)具有不同的破裂特征,并根据这些差异推断深地震可能的产生机制。

李泽峰课题组创新性地设计了一系列机器学习实验,对全球3000多个中大地震进行了分类和相关性分析。结果证明浅地震和深地震的破裂过程差异都可以被随深度变化的地球刚度所定量解释,而与具体的地震产生机制无关。这一发现挑战了传统的地震应力降不变假设,转而支持了应变降不变,即断层滑移距与断层破裂长度比值对不同深度、不同介质下的地震均保持恒定。该理论预测发生在岩石刚度较低的超浅地震(如海啸地震)会有更长的持续间以及更大的破裂面积,可能造成超出预期的破坏,对地震预警以及地震灾害评估具有重要指导意义。

研究团队据此提出了新的基于介质刚度校正的地震标度律,将地震学界沿用超过半个世纪的自相似理论拓展到不同深度不同岩石种类的地震:传统地震标度律认为持续时间和破裂面积遵从相同的缩放关系,但这一关系并不适用于不同深度的地震;新的地震标度律考虑到不同深度的地震的持续时间和破裂面积会受其破裂区岩石刚度影响,增加了对岩石刚度的校正,使得不同深度不同介质的地震持续时间和破裂面积都会遵循相同的缩放关系,深化了人类对地震物理本质的理解。