岩石学因素对走滑断层几何形态的控制作用——基于探地雷达（GPR）调查和模拟建模的见解

《Tectonophysics》：Lithological control on the geometry of strike-slip faults – insight from ground-penetrating radar (GPR) survey and analogue modelling

断层分叉与沉积层性质对 strike-slip 断层几何形态的影响研究，基于新西兰阿瓦泰尔断层的 GPR 探测和类比模型实验，揭示断层分支数量及断层面宽度随从基岩过渡到未固结冲积层显著增加。类比模型显示材料界面摩擦系数变化和沉积层厚度差异控制断层分叉位置及花状结构发育，验证了地表沉积层对深层断层的几何改造作用。自然案例（如美国洛杉矶盆地新港-英格尔伍德断层）证实该机制在不同尺度的 strike-slip 断层中普适，对地震破裂扩展模式预测具有重要指导意义。

　　大陆走滑断层常常展现出复杂的沿断层走向几何结构，包括分支和羽状断层，这些结构在地震破裂过程中起着重要作用。本研究通过数字高程模型（DEM）和地面穿透雷达（GPR）调查分析了新西兰的Awatere断层，并发现当断层从基岩过渡到非固结的冲积沉积物时，分支断层的数量和断层带的宽度会增加。通过模拟模型，我们测试了这一现象是否可以被重现。每个模型都包含一个代表沉积盆地的沙体，其上覆盖着玉米淀粉作为基底。模拟结果显示，在沙体与基底的交界处，断层分支点频繁形成，表明走滑断层的几何复杂性可以被宿主材料横向属性的变化强烈控制。在材料边界处摩擦系数的变化促进了羽状断层和分支断层的形成，同时也在断层弯曲处起到关键作用。沉积物层越厚，变形区越宽。这表明，断层从基岩横向进入非固结材料时，变形区会变宽，这一现象在Awatere断层的GPR调查中得到了验证。本研究的结果对理解活跃走滑断层在穿过沉积盆地时的演化具有广泛的应用价值，例如美国洛杉矶盆地的Newport-Inglewood断层。

在地震学研究中，断层的分支和弯曲被认为是影响地震破裂行为的重要因素。分支断层和弯曲断层的形成可能与多种过程有关，包括主断层与最大主应力方向的逐渐错位、摩擦系数的变化、传播断层的非断层应力分布，或者地震破裂传播过程中自发的剪切分支演化。理解断层的几何形态是地震危害评估的关键步骤，因为断层系统的复杂性会影响破裂范围、最大滑动量和地震震级。此外，羽状断层或分支断层可以将地震滑动从长期断层轨迹中转移，从而促进破裂的终止。另一方面，多个羽状断层（或独立断层）的共破裂会增加矩震级，这是由于破裂面积的扩大和断层网络中应力的传递，这会影响地震后继的危害。因此，从一个断层到另一个断层的破裂传播可能会产生更大的地震。这一效应是地震地质学中的一个关键问题。以2023年土耳其和叙利亚地震为例，主震发生在东安纳托利亚断层带的一个分支上，随后沿主断层双向传播。因此，对断层交集结构的详细了解对于合理预测地震破裂场景和建立动态破裂分支理论至关重要。

断层分支的形成以及已有分支对地震破裂行为的影响是断层分支研究的重要方面。大多数研究集中于后者，即地震破裂沿主断层传播的情况，而不是新分支的形成，如Ando和Yamashita（2007）的工作所示。然而，这两种过程是相互关联的，断层在多个地震周期中的演化会导致复杂的几何形态，从而影响未来地震破裂的传播。

鉴于断层羽状和弯曲对地震过程的重要性，我们研究了走滑断层在横向岩性变化下复杂性的演化。我们借鉴了之前的研究，这些研究表明走滑断层的弯曲和分支可能与横向材料属性的变化有关。我们以新西兰的Awatere断层作为野外研究实例，该断层是马尔伯勒断层系统的分支。我们使用GPR对该断层的结构进行了详细调查，并通过模拟模型研究了材料属性变化对走滑断层弯曲和羽状断层演化的影响。模拟结果与Awatere断层和自然断层（在不同岩性上走滑断层）进行了比较。

Awatere断层位于新西兰南岛，是马尔伯勒断层系统的一部分，该系统从阿尔卑斯断层分支出来。马尔伯勒断层系统包括四条主要的东北-西南走向的右旋断层，从北到南依次为Wairau断层、Awatere断层、Clarence断层和Hope断层。马尔伯勒断层系统和阿尔卑斯断层连接了南岛的Puysegur俯冲带（澳大利亚板块向东俯冲到太平洋板块之下）与东北部的Hikurangi俯冲带（太平洋板块向西北俯冲到澳大利亚板块之下）。Awatere断层长约200公里，平均走向约为57°N。该断层可以分为两个在几何形态和地貌上显著不同的部分，分别称为东部断层和Molesworth断层。1848年，东部断层发生了一次矩震级约为7.5的地震，而Awatere断层的晚第四纪滑动速率约为6-8毫米/年。我们的研究重点是Awatere断层的Saxton River断层段，该断层从基岩（早白垩纪Pahau砂岩）过渡到Saxton River谷地的厚非固结冲积沉积物（更新世至全新世砾石）。在Saxton River断层段，过去6300年发生了八次地表破裂事件，这表明该段断层的复发周期为770至1430年。在Saxton River断层段，滑动速率随时间变化，分别为约3毫米/年（约12,000至8,000年前）、约6至17毫米/年（约8,000至4,000年前）以及最近一次的约1.4毫米/年（约4,300至1,800年前）。

我们对Awatere断层进行了GPR调查，调查地点是断层从西向东穿越基岩山丘进入冲积沉积谷地的区域。GPR利用电磁波发射和接收反射回波进行地下结构的探测。通常使用的频率范围在几十MHz到1GHz之间，对应波长为10米到10厘米。由于其高空间分辨率和快速调查速度，相较于其他地球物理方法，GPR在浅层结构调查中被广泛使用。GPR在过去的断层和断层相关沉积结构的映射和表征中取得了成功。

在GPR调查中，我们发现非固结冲积沉积物中的断层数量多于基岩中的断层数量。GPR剖面显示，在基岩中，断层通常呈现平行排列，而在冲积沉积物中，断层数量增加，且间距变大。这一现象通过DEM分析得到支持，其中断层根据地形变化和GPR剖面进行解释。DEM还表明，基岩中的断层数量较少（2-3条），而断层间距更小，而在非固结沉积物中，平行断层数量部分增加到12条。DEM所显示的断层数量略多于GPR剖面可见的数量，这可能与GPR的分辨率有关。此外，DEM中的一些地形变化可能并非断层，而是侵蚀特征或倾斜坡地的重力土壤蠕变效应。我们的DEM分析与Zinke等人（2015）在Saxton River断层段的结果相似。

为了研究横向材料属性变化对走滑断层几何形态的影响，我们进行了一系列模拟实验。模拟实验的设置包括一个剪切装置，其中模拟材料的块体尺寸为30厘米长、15厘米宽和3厘米高。底部板分为两半，一半固定，另一半由电动机以3厘米/小时的速度移动，从而在底部板中心建立速度不连续。Schrank等人（2008）和Brandes等人（2022）曾成功使用类似的设置。我们的模拟实验没有使用左右壁，这与Dooley和Schreurs（2012）的设置相似，有助于减少边界效应。剪切力通过底部板和两侧壁的摩擦传递到模拟材料中。

为了模拟Saxton River断层段的情况，即Awatere断层从基岩过渡到非固结沉积物，我们的沙箱模型使用了不同尺寸的等腰梯形沙体来代表沉积盆地，而底部的玉米淀粉则代表基底岩石。我们选择了干燥的玉米淀粉和中粒（0.25-0.5毫米粒径）的干燥沙子来代表具有不同性质的脆性上地壳材料。沙子是更新世冰湖沉积物，采自德国下萨克森州Freden地区的沙场。我们使用了一种基于Schellart（2000）的Hubbert剪切装置对材料性质进行了测试。淀粉和沙子的摩擦角分别为38.6±0.98°和51.2±1.08°，摩擦系数分别为1.2±0.04和0.80±0.03，内聚力分别为55.39±6.9帕和78.50±15.05帕，密度分别为1399千克/立方米和594.7千克/立方米（见补充材料）。

在模拟实验中，我们进行了不同控制实验，使用纯淀粉块（30厘米长，15厘米宽，3厘米厚）以相同的速度（3厘米/小时）进行剪切。在接下来的实验中，我们在淀粉块中心放置了不同尺寸的等腰梯形沙体。模型中沙体的厚度（从上部基底到下部基底的距离）分别为0.5厘米和2.5厘米。为了达到这些厚度，我们在淀粉中挖掘了等腰梯形的盆地，并填充了沙子。这导致了在沙体中形成厚度为0.5或2.5厘米、宽度为10或18厘米的盆地。这些沙体模拟了不同厚度的沉积盆地，而淀粉则代表了基底岩石。

模拟实验的缩放分析表明，这些模型可以代表两种不同的自然地质情况。第一种是断层从基岩过渡到非固结沉积物的情况，这与我们在新西兰的GPR调查和DEM分析相吻合。第二种是断层进入沉积盆地的情况，例如美国洛杉矶盆地。根据Westerhoff等人（2019）的研究，Awatere断层研究区域的水文基底深度（对应于第四纪冲积沉积物的底部）为50-100米。Saxton River谷地在研究区域的宽度约为1.4公里。因此，为了使模型与Awatere断层的研究区域相匹配，我们需要将长度缩放因子（l*）设置为1.2×10^-4。这意味着模型中10厘米和18厘米宽的沙体分别对应自然中的500米和900米宽的沉积盆地。模型中0.5厘米和2.5厘米厚的沙体分别对应自然中的25米和125米厚的沉积盆地。

在模型B中，沙体宽10厘米，深0.5厘米。在沙体与淀粉交界处，材料属性的变化对断层几何形态的影响较小。沙体中的断层通常与淀粉中的断层相似，没有显著的变化。在沙体中，如果形成了弹出或拉出结构，它们的宽度通常较小，最大宽度为1厘米。在模型C中，沙体宽10厘米，深2.5厘米。在沙体与淀粉交界处，形成了两个断层分支。这些断层分支与淀粉中的断层相比，具有不同的几何形态。在模型D中，沙体宽18厘米，深0.5厘米。在沙体与淀粉交界处，形成了一个花状结构，但其宽度小于沙体的宽度（约10厘米 vs 18厘米）。这表明，底层岩石的性质仍然在一定程度上控制着上层沉积物的变形样式。在模型E中，沙体宽18厘米，深2.5厘米。在沙体与淀粉交界处，形成了一个更宽更长的花状结构。PIV图像显示，在这种情况下，变形区的宽度达到5厘米，这与沙体的厚度有关。

持续的变形导致这些断层段的连接，并最终形成断层弯曲。然而，在当前的模型设置中，断层在沙体中必须穿过底层淀粉，因此断层角度是两种剪切角度之间的妥协。此外，我们考虑边界断层具有螺旋形几何形态，因此在深盆地中，断层角度大于浅盆地中的断层角度。

Scholz（2011）提出，主断层与最大主应力方向的错位可能是断层羽状演化的一个驱动因素。Gholamrezaie等人（2021）的研究表明，地壳强度的变化控制了北安纳托利亚断层的分段，并且断层沿地壳的流变差异导致了断层弯曲的形成。在新西兰南岛的Awatere断层研究区域，该断层从基岩过渡到较年轻的非固结冲积沉积物。我们通过模拟模型重现了这一情况，其中等腰梯形沙体代表了非固结沉积物，而周围较硬的淀粉代表了基岩。

通过GPR调查和DEM分析，我们发现Awatere断层的样式从基岩中的低数量密集断层转变为非固结冲积沉积物中的高数量断层和更宽的断层模式。这种样式的变化对应于早白垩纪砂岩（Torlesse群）和晚更新世至全新世冲积沉积物之间的岩性边界。我们的模拟模型表明，沉积盆地越厚，变形区越宽。这表明，断层从基岩横向进入非固结材料时，变形区会变宽，这一现象可以应用于自然情况。这种变形区的向上扩展可以被设想为形成一个花状结构，其在地表处逐渐变宽。在地表，花状结构的存在可能导致更分散的断层模式，包含更短、更分段的断层，而在基岩中则相反。这在地震危害评估中具有重要意义，因为分散和分段的断层模式可能意味着深层连续断层的破裂，从而产生更大的地震。

在更大的沉积盆地尺度上，也有类似的例子，其中沉积物厚度控制了断层的结构样式。例如，在洛杉矶都市区，右旋走滑断层Newport-Inglewood断层进入洛杉矶盆地的沉积充填。地质图和剖面图表明，该断层从东南边缘向西北延伸至盆地的深处。在Long Beach地区和更东南地区，断层具有明显的直线轨迹（黄色区域），而在更西北地区则变得更加分散，呈现出一系列较小的错列断层，这些断层的倾斜角度较高，相对于东南部分的Newport-Inglewood断层。Ehman等人（2014）发表的地震剖面表明，Newport-Inglewood断层在盆地深处可能是一个花状结构，覆盖在连续断层之上。Boles等人（2015）通过检测断层沿线的地幔氦气，证实了Newport-Inglewood断层的深部性质。我们推测，Newport-Inglewood断层更分散的错列结构可能是由于更高的沉积物厚度，未来向西北传播的破裂可能会将当前的错列地表断层转变为更明显的连续断层轨迹。

综上所述，基于我们对Awatere断层的GPR野外观测和一系列模拟模型的分析，我们展示了横向岩性变化对走滑断层分支和弯曲位置的影响。Awatere断层在Saxton River断层段表现出从基岩过渡到非固结冲积沉积物时，断层数量、断层间距和断层带宽度的显著变化。模拟模型表明，这种断层几何形态的变化主要由宿主材料属性的变化所控制。断层分支线的位置由材料边界决定，而模拟中形成的花状结构在沉积物层更厚时更宽，这表明花状结构在向上方向上扩展。这表明，走滑断层复杂的结构样式可能仅仅是由于地壳属性的变化所导致。新西兰和加利福尼亚的野外实例，以及我们的模拟模型，表明这种情况可以在不同尺度上发生，因此这种模拟方法可以应用于许多其他走滑断层的研究。