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卡斯凱迪亞計(jì)劃的初步結(jié)果*

Haiying Gao1)， Susan Schwartz2)

1) Department of Geosciences， University of Massachusetts Amherst，

Amherst， Massachusetts 01003 USA

2) Earth and Planetary Sciences， University of California， Santa Cruz，

California 95064 USA

卡斯凱迪亞計(jì)劃(Cascadia Initiative， CI)以社區(qū)為基礎(chǔ)， 通過陸上和近海地震以及大地測量試驗(yàn)來研究諸類問題， 如俯沖大地震、 幕式震動(dòng)與滑動(dòng)、 火山弧結(jié)構(gòu)的形成與變形、 下沉的胡安·德富卡(Juan de Fuca)和戈?duì)栠_(dá)(Gorda)板塊液化過程等[1-2]。 2011～2015年， 國家科學(xué)基金會(huì)資助CI項(xiàng)目完成了4年的研究部署， 涵蓋了對(duì)如下板塊的規(guī)模性部署： 在下沉的胡安·德富卡和戈?duì)栠_(dá)板塊上裝置60個(gè)寬帶海底地震儀(ocean bottom seismometers, OBSs)， 在內(nèi)陸設(shè)立27個(gè)寬帶地球透鏡移動(dòng)地震臺(tái)陣， 在近海板塊交界處更新232個(gè)板塊邊界觀測站(plate boundary observatory， PBO)來傳輸大地測量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[2]。 從CI復(fù)原的地震數(shù)據(jù)保存在美國地震學(xué)研究聯(lián)合會(huì)(Incorporated Research Institutions for Seismology， IRIS)數(shù)據(jù)管理中心， 在技術(shù)可行的條件下， 可盡快向整個(gè)科學(xué)界開放(http:∥ds.iris.edu/mda/_CASCADIA， 截止到2015年7月)。 科學(xué)家們基于前3年獲取的可用數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列的分析研究并提出了要解決的問題。 這期地震研究快報(bào)(Seismology Research Letters， SRL)重點(diǎn)選取了有關(guān)該課題的6篇科技文章， 內(nèi)容涵蓋儀器性能、 地震構(gòu)造、 海嘯研究和地震探測。 這期地震研究快報(bào)中的專題論文給出了利用CI地震數(shù)據(jù)的最新研究概況。

Sumy等[3]總結(jié)了CI 前3年部署的海底地震儀的特點(diǎn)和性能， 數(shù)據(jù)復(fù)原及水平方位校正的問題， 同時(shí)給出了儀器布置和數(shù)據(jù)發(fā)布的過程。 總的來說， 第3年由可用的海底地震儀獲取的數(shù)據(jù)有71%經(jīng)過復(fù)原和改進(jìn)。 CI 海底地震儀的噪聲水平分析顯示： 功率譜隨著季節(jié)有一定的變換但與水深相對(duì)無關(guān)， 這一問題還需要作進(jìn)一步的綜合分析。 IRIS的海底地震儀器庫(ocean bottom seismic instrumentation pool， OBSIP)項(xiàng)目管理辦公室(management office， OMO)完成了對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)， 同時(shí)基于遠(yuǎn)震大地震表面波的極化作用， 對(duì)海底地震儀器的水平方位進(jìn)行了校正[4]， 促進(jìn)了該社區(qū)數(shù)據(jù)的應(yīng)用。 總體來說， 盡管由于相對(duì)較高的噪音水平使得一定量的觀測數(shù)據(jù)有相對(duì)大的誤差值， 但水平方位的研究還是比較成功的。

Ruan等[5]利用CI第1年的數(shù)據(jù)， 通過海底垂直位移與瑞利波壓力變化的比值構(gòu)建了海洋沉積物剪切波速結(jié)構(gòu)。 通過進(jìn)一步研究Ruan等[5]的工作， Bell等[6]計(jì)算了CI兩年來試驗(yàn)中沉積物的厚度和剪切波延時(shí)。 利用這些新數(shù)據(jù)， Bell等[6]提煉并更新了深海平原沉積物的剪切波速剖面。 通過與Ruan等[5]計(jì)算結(jié)果比較， 一些CI 海底地震儀給出了非常相似的結(jié)果， 而另一些測站僅在第2年發(fā)現(xiàn)了較薄的低速層。 作者認(rèn)為， 盡管這個(gè)方法無法判別薄于～150 m的均勻沉積物層， 然而， 他們通過考慮其地質(zhì)方面的等深數(shù)據(jù)能夠識(shí)別許多沉積物厚度可忽略的測站。 延遲時(shí)間的更新， 可顯著減小斷層分析模型中的主要誤差源， 因而， 層析成像的誤差也就大大減小了。

Gao 和Shen[7]利用完整的波形模擬和環(huán)境噪音地震層析成像構(gòu)建了一個(gè)從傳播中心擴(kuò)張至層疊弧的3D剪切波速度模型。 通過前3年環(huán)境噪音數(shù)據(jù)提取的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)， 給出了有用的瑞利波信號(hào)， CI海底地震儀測得的瑞利波信號(hào)周期為7～50 s， 寬帶內(nèi)陸站點(diǎn)測得的瑞利波信號(hào)周期有的長達(dá)100 s。 總體來說， 內(nèi)陸寬帶地震臺(tái)站給出了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)， 深海中的海底地震儀也給出了優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)， 而溝槽附近的海底地震儀測得的數(shù)據(jù)相對(duì)噪音較大。 地震層析成像得到了2個(gè)低波速地震特征： 第一， 給出了在俯沖板塊上沿淺海弧前的分段低波速異?，F(xiàn)象， 弧前低波速異常在北部更為強(qiáng)而廣泛。 我們觀測到低地震波速與近海盆地模式在某種程度上有空間相關(guān)性。 第二， 相對(duì)近海華盛頓和北部俄勒岡州(Oregon)， 溝槽附近的海洋莫霍面的地震波速較低， 該現(xiàn)象表明， 這里存在如同在其他俯沖帶觀測到的洋幔巖石圈的蛇紋巖化。

由于在水平分量上海水量增大且相對(duì)噪音較高， 很難利用海底地震儀器站點(diǎn)的數(shù)據(jù)來計(jì)算接收函數(shù)[8-9]。 Janiszewski和Abers[10]迎接了這一挑戰(zhàn)， 在震中距離CI海底地震儀器站點(diǎn)20°～100°的位置， 應(yīng)用時(shí)域迭代反褶積方法測量遠(yuǎn)震大地震(MW>6.0) ， 計(jì)算出徑向接收函數(shù)。 在淺海地區(qū)的水平分量上安裝屏蔽的抗拖網(wǎng)海底地震儀器， 可以大大降低0.1～0.4Hz頻段上的水平噪聲分量。 這項(xiàng)研究數(shù)據(jù)結(jié)果主要來自華盛頓格雷斯港(Grays Harbor)安裝的19個(gè)海底地震儀。 近海接收函數(shù)揭示了俯沖洋殼的相關(guān)結(jié)構(gòu)， 相連板塊間連續(xù)成像直到前方變形。 先前的模型表明： 俯沖海洋莫霍面位于格雷斯港近海約45 km的FN07位置的約16 km深處， 同時(shí)顯示在板塊間存在低速帶， 這可以解釋在接收函數(shù)中觀測到的一些特征。

Morton和Bilek[11]用CI兩棲臺(tái)陣數(shù)據(jù)集探測孕震區(qū)的地震， 通過使用子空間探測器， 應(yīng)用波形相關(guān)方法來探測重復(fù)(地震)事件。 在2011年10月21日至2012年1月31日期間， 共識(shí)別出96個(gè)新的(地震)事件。 這些事件的S-P時(shí)間不同， 有些與模板時(shí)間相近， 其他則僅有幾秒鐘的差異。 Morton和Bilek[11]設(shè)想(地震)事件群應(yīng)發(fā)生在斷層帶粗糙面， 如同俯沖海底山， 這與 Tréhu等[12-13]和 Williams等[14]的觀點(diǎn)相同。 通過檢測較短S-P時(shí)間事件， 發(fā)現(xiàn)了孕震區(qū)存在陸地探測儀器沒有探察到的小地震， 且在目前的分類中也沒有被列出。

Sheehan等[15]通過CI試驗(yàn)分析海底壓力測量值來研究2012年海達(dá)瓜依(Haida Gwaii)7.8級(jí)地震后發(fā)生的海嘯， 并與海底絕對(duì)壓力測量儀(absolute pressure gauges， APG)和差分壓力測量儀(differential pressure gauges， DPG)的量值進(jìn)行比較[16， 1]。 結(jié)果顯示， APG和DPG均捕捉到了海嘯信號(hào)。 APG量值與預(yù)期的海嘯波振幅和時(shí)間最為吻合。 觀測到的DPG量值的振幅較為分散， 有非常吻合的， 也有吻合得較差的， 這表明應(yīng)用DPG即使是研究海嘯帶的相對(duì)振幅也是比較困難的。 應(yīng)用APG和DPG測得的數(shù)據(jù)與觀測到的和模擬的海嘯波形之間的光譜相干性吻合較好。

這期地震研究快報(bào)的文章展示了卡斯凱迪亞計(jì)劃的成功， 該計(jì)劃期望并獲得的科研成果讓人振奮， 同時(shí)社區(qū)應(yīng)用大型設(shè)施進(jìn)行試驗(yàn)來解決科學(xué)問題， 組建了廣泛而多樣化的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)， 并可以快速公開地獲取數(shù)據(jù)。

文獻(xiàn)來源： Haiying Gao， Susan Schwartz. Preface to the focus section on Cascadia initiative preliminary results. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5): 1235-1237. doi:10.1785/0220150160

(中國地震局工程力學(xué)研究所徐文杰譯)

(譯者電子信箱， 徐文杰： xuwenjie915@163.com)

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Toomey D R， Allen R M， Barclay A H， et al. The Cascadia initiative: A sea change in seismological studies of subduction zones. Oceanography， 2014， 27(2): 138-150. doi:10.5670/oceanog.2014.49

[2] Abers G， Schwartz S， Arrowsmith R， et al. Amphibious array facilities workshop report. http:∥www.earthscope.org/assets/uploads/misc/AAFW_Report_FINAL.pdf. 2015年7月

[3] Sumy D， Lodewyk J A， Woodward R， et al. Oceam bottom seismograph performance during the Cascadia initiative. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5)： 1238-1246. doi:10.1785/0220150110

[4] Stachnik J C， Sheehan A F， Zietlow D W， et al. Determination of New Zealand ocean bottom seismometer orientation via Rayleigh-wave polarization. Seismol.Res. Lett.， 2012， 83(4): 704-713. doi:10.1785/0220110128

[5] Ruan Y， Forsyth D W， Bell S W. Marine sediment shear velocity structure from the ratio of displacement to pressure of Rayleigh waves at seafloor. J. Geophys. Res.， 2014， 119(8): 6357-6371. doi:10.1002/2014JB011162

[6] Bell S W， Ruan Y， Forsyth D W. Shear velocity structure of abyssal plain sediments in Cascadia. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5)： 1247-1252. doi:10.1785/0220150101

[7] Gao H， Shen Y. A preliminary full-wave ambient noise tomography model spanning from the Juan de Fuca and Gorda spreading enters to the Cascadia volcanic arc. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5)： 1253-1260. doi:10.1785/0220150103

[8] Bostock M G， Trehu A M. Wave-field decomposition of ocean bottom seismograms. Bull.Seismol. Soc. Amer.， 2012， 102(4): 1681-1692

[9] Ball J S， Sheehan A F， Stachnik J C， et al. A joint Monte Carlo analysis of seafloor compliance， Rayleigh wave dispersion and receiver functions at ocean bottom seismic stations offshore New Zealand.Geochem. Geophys. Geosyst.， 2014， 15(12): 5051-5068. doi:10.1002/2014GC005412

[10] Janiszewski H A， Abers G A. Imaging the plate interface in the Cascadia seismogenic zone: New constraints from offshore receiver functions. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5)： 1261-1269. doi:10.1785/0220150104

[11] Morton E A， Bilek S L. Preliminary event detection of earthquakes using the Cascadia initiative data. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5)： 1270-1277. doi:10.1785/0220150098

[12] Tréhu A M， Braunmiller J， Nableck J L. Probable low-angle thrust earthquakes on the Juan de Fuca-North America plate boundary. Geology， 2008， 36(2): 127-130

[13] Tréhu A M， Blakely R J， Williams M C. Subducted seamounts and recent earthquakes beneath the central Cascadia forearc. Geology， 2012， 40(40): 103-106

[14] Williams M C， Tréhu A M， Braunmiller J. Seismicity at the Cascadia plate boundary beneath the Oregon continental shelf. Bull.Seismol. Soc. Amer.， 2011， 101(3): 940-950

[15] Sheehan A F， Gusman A R， Heidarzadeh M， et al. Array observations of the 2012 Haida Gwaii tsunami using Cascadia initiative absolute and differential seafloor pressure gauges. Seismol. Res. Lett.， 2015， 86(5)： 1278-1286. doi:10.1785/0220150108

[16] Tian Y， Shen W， Ritzwoller M H. Crustal and uppermost mantle shear velocity structure adjacent to the Juan de Fuca Ridge from ambient seismic noise. Geochem. Geophys. Geosyst.， 2013， 14(14): 3221-3233. doi:10.1002/ggge.20206

中圖分類號(hào)：P315；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.03.008

* 收稿日期：2016-02-10； 采用日期： 2016-03-04。

SRL專題介紹(Ⅱ)