Subsurface fault geometries in inland Hokkaido from geometric clustering of dense hypocenter distributions

在地球表面之下，地层并非一个坚实、完整的壳体。相反，它被被称为断层的大规模裂缝所破碎，这些裂缝是构造板块相互摩擦的地方。当应力沿这些裂缝积累并最终释放时，其结果就是地震。对于试图预测地面可能如何震动以及震动强度的科学家来说，了解这些隐藏裂缝的确切形状和方向至关重要。然而，尽管地质学家可以绘制出破裂出地表的断层，但绝大多数危险的地震都发生在从未到达地表的“盲断层”上。这些隐形的结构深埋于地下，使得利用卫星图像或地表调查等传统工具几乎无法观测到它们。由于缺乏对这些隐藏几何结构的清晰图景，人们很难理解应力是如何通过地壳运动的，也难以准确评估未来灾难的风险。

在日本北部的北海道岛，这一挑战尤为突出。该地区位于几个巨大的构造板块相互碰撞并相互滑动的复杂交汇处。这种构造活动产生了频繁的地震，然而，许多导致这些地震的断层仍然是未知的，因为它们被埋藏在深厚的土壤之下，或被厚厚的积雪和植被所掩盖。为了破解这个谜题，研究小组转向了地震本身。通过分析过去二十年间发生的数千次微小震动的精确位置，他们得以重建了引发这些震动的断层的三维形状。他们的工作提供了整个北海道内陆地区这些隐藏结构的第一个全面图谱，揭示了一个由深层、陡峭裂缝组成的景观，这与地表地图所暗示的情况显著不同。

研究人员首先用一种极其灵敏的“耳朵”倾听地球。他们收集了散布在北海道各地的密集地震仪网络发出的连续记录，捕捉了从2004年到2024年的每一次震动。利用经过先进计算机模型训练、能够识别微弱地震信号的技术，他们识别出了数十万个传统方法可能会遗漏的地震事件。其中许多是人类无法察觉的微震，但它们共同构成了一个详细的点云，标记了地面破裂的位置。随后，团队以极高的精度精炼了每个事件的位置，并针对地震波在不同类型岩石中传播速度不同的事实进行了修正。这一过程产生了一张高度准确的地震发生位置图，有效地将地震活动性转化成了隐形断层线的发光轮廓。

在掌握了这片密集的地震位置点云后，团队应用了一种新方法来寻找代表断层的平面。他们观察了这些点聚集的方式，将地震位置的集合视为像自然沉降在它们所滑过的裂缝形状中的尘埃云。通过分析这些集群的方向，他们可以确定断层的走向和倾角。其结果是重建了北海道内陆184个不同的矩形断层段。这些发现表明，该地区由陡峭的高角度断层主导，其中大多数位于地下6至12公里深处。这一深度具有重要意义，因为它将地震活动置于地壳的上部，即地球内部岩石发生破碎而非流动的脆性层中。

他们创建的地图讲述了一个关于塑造该岛构造力量的清晰故事。在北海道中部，断层形成了长距离的南北向线条，这与两个主要地质区域发生碰撞的边界完美对齐。这个被称为日高碰撞带（Hidaka collision zone）的碰撞区，是库里尔弧（Kuril arc）正挤压东北日本弧（Northeast Japan arc）的地方。研究人员发现，该区域的断层既陡峭又组织有序，这表明地壳正在以一种非常特定且可预测的方式被挤压和破碎。在北海道东部，模式发生了变化。这里的断层呈东北至西南走向，反映了一个地壳碎片被俯冲的太平洋板块向侧方推挤的运动。这些走向与构造板块的宏观运动相匹配，证实了隐藏的断层正直接响应驱动该地区地质运动的力量。

最令人瞩目的发现之一是不同区域断层的深度。虽然大多数地震活动发生在脆性上地壳，但研究人员发现，仅在中央北海道南部存在延伸至20公里以下的深层断层。该区域对应于地壳最厚的部分，即两个构造弧碰撞导致岩石堆积的地方。相比之下，北部和西部的火山区域显示出非常浅层的断层现象，这可能是因为来自岩浆和热流体的热量削弱了岩石，从而阻止了深层裂缝的形成。该研究还强调了一些断层模式复杂且难以定义的区域，例如该岛的最北端，那里地壳缓慢的蠕动运动可能正在创造一种混乱的裂解组合。

为了测试他们新地图的可靠性，研究人员将重建的断层与过去二十年该地区发生的八次重大地震的已知破裂模式进行了对比。他们发现，对于其中的六次事件，他们识别出的断层与实际的破裂面高度吻合，误差仅为几度。这包括2018年东部伊布里（eastern Iburi）的破坏性地震，其模型正确识别了导致这场灾难的陡峭且向东倾斜的断层。这种一致性让科学家们确信，该方法即使在大地震发生前也能成功揭示断层的几何形状。这也表明，他们所绘制的隐藏断层正是未来可能产生地震的断层。

研究还探讨了在当前应力条件下这些断层再次发生滑动的可能性。通过计算作用在每个断层上的力量，研究人员发现，沿着中央碰撞边界的陡峭断层完全符合失效条件，这意味着它们正处于高应力状态并准备发生破裂。相比之下，沿着东北和西南部火山链运行的断层表现出较低的滑动倾向。这表明在这些火山区域，局部条件——例如来自地下流体的压力或应力场的变化——正在阻止断层失效，或者改变了它们的行为方式。这种区分对于灾害评估至关重要，因为它有助于识别该地区哪些部分最容易发生即时破裂。

尽管取得了成功，研究人员也承认其局限性。该方法完全依赖于密集的地震活动的存在；在地震较少的区域，如石狩平原（Ishikari lowland）或十胜平原（Tokachi plain），断层仍然是不可见的。这意味着虽然该地图覆盖了该岛的大部分地区，但尚未展示所有的断层系统。此外，假设断层是扁平的矩形平面是一种简化处理；在现实中，断层通常是弯曲且复杂的。然而，研究人员认为，这种方法提供了一个可靠的一阶估算，提供了一种此前无法实现的细节水平。通过将地球无形的震动转化为清晰的几何图像，这项工作为理解北海道的地震风险提供了新的基础，并为如何在世界其他构造活跃地区绘制类似的隐藏结构提供了模型。