Obliquity limit of megathrust earthquakes

技术摘要：巨型逆冲地震的斜交极限

问题陈述
地球上最大的地震发生在俯冲带巨型逆冲断层上，这些断层的构造板块通常与海沟呈斜向汇聚。这种斜向汇聚产生了一个与海沟平行的相对板块运动分量，该分量必须通过巨型逆冲断层本身的滑动或通过上覆板块内的变形（具体为走滑断层作用）来消纳。早期的模型认为存在一个临界汇聚斜角阈值，超过该阈值后，应变将完全分配到上覆板块的走滑断层中；然而，近期的大地测量分析表明，即使在低斜角情况下也会发生上覆板块变形，且汇聚斜角与前弧变形之间的关系在不同边缘之间存在显著差异。目前缺乏一个将汇聚斜角、俯冲几何结构、巨型逆冲断层滑动方向与上覆板块变形联系起来的定量框架。这一空白阻碍了对总应变积累、地震耦合及地震复发周期的准确估算，因为常见的简化假设（即认为巨型逆冲断层滑动要么完全垂直于海沟，要么完全平行于海沟）误解了实际的应变积累情况。

研究方法
作者结合了三个全球数据集来量化汇聚和巨型逆冲断层滑动的斜角：用于获取地震震源机制解的全球质心矩张量（GCMT）目录（1976–2020）、用于描述俯冲板片几何结构的 Slab2 模型，以及用于描述板块运动的全球应变率模型（GSRM）。对于每个界面逆冲地震，他们计算了相对于局部下倾板片方位角的汇聚斜角 ($\beta$) 和地震滑动斜角 ($\alpha$)。

为了解释观察到的系统性规律，作者开发了一个机械功最小化模型。该模型比较了两种端点变形构型的构造功需求：

1. 完全分配型： 海沟平行的应变完全由上覆板块的走滑断层释放，导致巨型逆冲断层呈现垂直于海沟的滑动 ($\alpha = 0$)。
2. 非分配型： 所有斜向应变均由巨型逆冲断层滑动释放 ($\alpha = \beta$)。

该模型假设地震释放积累的弹性应变的方式是使整个耦合的巨型逆冲断层-上覆板块断层系统的总构造功最小化。通过定义巨型逆冲断层与上覆板块走滑断层之间的有效剪切抗力比 ($R$)，作者推导出了一个与倾角相关的斜角极限 ($\beta_{rb}$) 的解析表达式。他们进一步开发了一个连续公式，用以识别使总功最小化的最优滑动斜角 ($\alpha_{opt}$)。

为了应用该框架，作者估算了 14 个全球俯冲带的群体水平有效剪切抗力比 ($R^*$)。他们使用网格搜索法来寻找一个 $R^*$ 值，使得观测到的“分配型”事件（即 $\alpha < \beta$ 的事件）最大比例地落入模型一致的区间内。他们还通过源自地震 $b$ 值的独立应力代理指标验证了这些发现。

主要结果

• 全球系统性： 在全球范围内，大多数巨型逆冲地震的滑动斜角小于局部板块汇聚斜角 ($\alpha < \beta$)，但它们很少以垂直于海沟的方向滑动。分段平均滑动斜角通常在 10 到 30 度之间，偏离了纯正交滑动的常见假设。
• 斜角极限： 数据支持巨型逆冲断层滑动斜角存在一个与倾角相关的极限。解析模型预测了一个“分配型”区间（即巨型逆冲断层的禁区），在该区间内，汇聚斜角超过了由板片倾角和抗力比 $R$ 决定的极限。
• 区域差异性： 对四个代表性边缘（苏门答腊、阿留申、菲律宾和克马德克）的分析显示了截然不同的最优抗力比 ($R^*$)：苏门答腊 (1.74)、阿留申 (1.41)、菲律宾 (1.35) 和克马德克 (3.75)。这些数值反映了局部巨型逆冲断层强度和上覆板块岩石类型的变化。然而，在所有案例中，观测到的滑动斜角都与功最小化模型预测的随倾角变化的优化滑动方向相一致。
• 应变分配： 在评估的 14 个边缘中，约 68% 的 10,383 个分析过的巨型逆冲地震（以及超过 80% 的 $M_w \ge 7$ 事件）其滑动斜角小于局部板块汇聚斜角，这表明相当大比例的海沟平行应变是由上覆板块变形而非巨型逆冲断层滑动来消纳的。

意义与主张
本文声称为估算发生斜向汇聚的巨型逆冲断层上的应变积累提供了机械基础。通过修正传统的阈值观点，作者认为应变分配的转换不仅取决于汇聚斜角，还关键取决于板片倾角和断层系统之间的有效抗力比。

作者断言，他们的功最小化框架解释了为什么巨型逆冲断层的滑动方向通常介于完全分配型和非分配型这两个端点之间。他们指出，假设其中任何一个极端情况（纯正交滑动或全板块平行滑动）都会在估算应变积累、地震耦合和复发周期时引入显著偏差。例如，在卡斯卡迪亚俯冲带，采用最优滑动方向而非全汇聚或纯正交汇聚，可能会改变复发时间估算达数十个百分点。

此外，论文表明，这种随倾角变化的机制为长期前弧平移和地块运动提供了物理机制，将地震尺度的应变分配与大规模构造输运联系起来，而无需极端的汇聚斜角。观测到的滑动斜角与简单能量模型的一致性表明，板片倾角是斜向俯冲构造中一个此前被低估的关键控制参数。