北京大学地空学院薛莲团队通过地震活动性周期调制揭示孔隙流体对孕震过程的关键作用

地震活动性对不同应力加载的响应可以约束地震发生的物理机制和过程。其中不同频率的周期力对地震活动性的调制尤为重要，因为这种现象可揭示孕震时间和过程等重要信息。人们还没有完全认识相关的物理过程和机制，已有的研究都从实验室和理论分析出发，但自然界中观测的相关探究比较少。自然界中存在潮汐加载（日周期）和水文加载（年周期）两种周期不同的周期性应力扰动，为研究地震活动性周期调制现象提供了宝贵的机会。

地球与空间科学学院薛莲助理教授团队深入分析了美国圣安德烈斯断层中段（CSAF）上发生在较浅深度的常规地震和发生在较深深度的低频地震活动性对潮汐和水文调制的响应，发现常规地震更容易受到年周期水文加载的调制，而低频地震更容易受到日周期潮汐加载的调制，即两种震源类型的周期调制现象具有截然不同的周期依赖性（图1）。

图1：常规地震与低频地震截然不同的周期调制现象。（A）本研究的研究区域。（B）常规地震受潮汐加载的调制。（C）常规地震受水文加载的调制。（D）常规地震周期调制的统计显著性。（E）低频地震受潮汐加载的调制。（F）低频地震受水文加载的调制。（G）低频地震周期调制的统计显著性

为了解释这一观测现象，团队提出了结合孔隙流体扩散与地震非瞬态失稳过程的物理模型SRM-DD（Spring-slider Rate-and-state Model with Dilatancy and Diffusion），该模型通过引入两个孕震过程中的特征时间，成功解释了观测中截然不同的周期依赖性，由此揭示了孔隙流体在孕震过程中不可忽略的重要作用。进一步，团队基于SRM-DD定量约束了常规地震和低频地震的模型参数，其中流体含量在深度上的分布不仅能解释常规地震和低频地震在潮汐调制和水文调制上的差异，更与滑动模式在深度上的转变相符，说明孔隙流体的分布是孕震环境中重要物理因素（图2）。相关模型有望推广至俯冲带等区域，以充分利用地震活动性周期调制现象中蕴含的关于地震动力学的宝贵信息。

图2：断层孔隙流体对孕震环境的作用。（A）CSAF流体分布与滑动模式分布示意图。（B）根据周期调制约束出的模型参数及其在深度上的延拓。（C）模型预测的周期调制现象与断层滑动模式在深度上的变化

相关研究成果以“Tidal and Hydrological Seismicity Modulations Reveal Pore Fluid Diffusion during Earthquake Nucleation”为题，近期发表在Science Advances上。文章第一作者为北大地球物理博士毕业生赵泽严（现为中国地震局地质研究所博士后），薛莲为通讯作者。合作者还包括美国加州大学伯克利分校的Roland Bürgmann教授，冰岛大学的Elías Heimisson助理教授，北大地球物理博士毕业生陆威帆以及北大地球物理岳汉副教授。该项目得到了国家自然科学基金委创新群体项目（批准号：42021003）等的资助。