俯冲带多边形断层系统对慢滑移行为的控制机制及其地震意义

研究人员针对俯冲带输入序列中广泛存在的多边形断层系统(PFSs)如何影响增生楔结构演化和板块界面滑移行为这一关键问题，整合离散元建模(DEM)与三维地震解释技术开展研究。发现PFSs可被重新激活并演化为逆冲断层，通过提供流体运移通道增强界面几何与应力异质性，为解释浅层慢滑移事件(SSEs)和低频地震(VLFEs)提供了新机制。

　　

在地球动力学研究领域，俯冲带作为板块运动最活跃的区域，其复杂的断层行为一直是科学家关注的焦点。特别是近年来在Hikurangi边缘和Nankai海槽等区域频繁观测到的浅层慢滑移事件(SSEs)和低频地震(VLFEs)，这些现象往往伴随海啸灾害，但其物理机制始终未能完全阐明。传统理论多关注海底粗糙度和岩性不均一性的影响，然而最新三维地震数据揭示，俯冲输入序列中广泛发育的多边形断层系统(PFSs)可能在这些过程中扮演着关键角色。这些具有多边形构造、正断位移特征的断层网络形成于细粒沉积物的埋藏历史中，主要发育在钙质沉积层内，其力学和水文效应长期被低估。

为揭示PFSs对俯冲带行为的调控机制，研究人员开展了开创性研究。通过整合高分辨率三维地震解释与离散元数值模拟(DEM)，系统分析了PFSs从输入序列到增生楔的演化过程。研究选取Hikurangi边缘北部作为关键研究区，这里不仅保存完好的PFSs构造，还是1947年海啸地震和周期性SSEs的活跃区域。国际大洋发现计划(IODP)372和375航次在该区域实施的钻探，以及2018年由R/V Marcus Langseth科考船采集的NZ3D三维地震数据集，为研究提供了宝贵的一手资料。

关键技术方法包括：(1) 基于NZ3D三维地震数据体(65×15 km)的结构解释，提取178条PFSs的几何参数；(2) 离散元数值模拟(DEM)构建系列二维模型，模拟不同倾角(35°-75°)PFSs在增生楔中的重新激活过程；(3) 结合全波形反演(FWI)速度模型和HT-RESIST电磁数据，分析PFSs对流体运移和应力场的影响。

【PFSs：从输入板块到SSEs源区】
地震解释显示，Hikurangi输入序列中PFSs平均倾角48°(30°-60°)，与DEM模拟最易重新激活的倾角范围(45°-65°)高度吻合。在增生楔内部，PFSs被限制在钙质单元内，主要逆冲断层(T1-T4)的发育位置与PFSs空间分布显著相关。特别是T2断层向北部延伸为Pāpaku逆冲断层——一条直接扎根于板块界面的重要分支断层，其侧向断坡发育过程清晰展示了PFSs如何被整合进大型逆冲断层的早期形成阶段。

【数值模拟结果】
DEM模拟揭示PFSs重新激活具有明显的倾角依赖性：中等倾角(35°-55°)易形成前冲断层并吸收大位移，而陡倾(≥65°)多形成后冲断层。在45°模型中，83%的前冲断层直接继承自PFSs，且最大位移达6.8 km，远超无PFSs参照模型(3 km)。应力场分析表明，含PFSs的增生楔前缘被分割为多个低应力散体，与平滑界面模型形成鲜明对比。海山-PFSs耦合模型进一步显示，海山前翼的PFSs更易重新激活，而后翼则受保护保持稳定。

【PFSs对结构、流体和SSEs的影响】
全波形反演速度模型显示，含PFSs的钙质单元下部呈现低速异常(3.4-3.5 km/s)，且高速"晕"与多边形断层位置吻合。电磁数据对比发现，重新激活的PFSs区域(C3f、C4f)与低电阻率带空间对应，证实其作为流体运移通道的功能。这种结构-流体耦合效应通过三种途径影响滑移行为：(1) 继承的PFSs几何形态在10¹-10³ m尺度增加界面粗糙度；(2) 流体输运改变孔隙压力分布；(3) 应力再分配形成力学不均一性。

这项发表在《SCIENCE ADVANCES》的研究首次系统论证了PFSs作为俯冲带"预存薄弱面"的关键作用。其重要意义在于：(1) 为解释Hikurangi和Nankai等地高频SSEs提供了新的结构控制理论；(2) 揭示了流体-应力-结构耦合影响滑移行为的新机制；(3) 建立的DEM模拟框架可推广至其他俯冲带研究。尽管目前仅在少数俯冲带确认PFSs存在，但随着高分辨率三维地震勘探的普及，这一理论有望成为理解俯冲带地震多样性的重要范式。研究结果对评估海啸风险和认识慢地震物理机制具有重要价值。