非震滑动与地震群集对2024年花莲M7.3地震的前兆作用：来自重复地震序列和流体扩散的证据

本研究针对地震周期中非震滑动的作用这一关键科学问题，通过分析台湾东部碰撞带24年的重复地震序列和地震群集活动，揭示了2024年花莲M7.3地震前存在的显著非震滑动加速现象。研究发现2021年持续四个月的地震群集伴随高扩散率（~5.2 m2/s）和GNSS观测到的慢滑移事件，表明超压流体和深部断层蠕变的共同作用。库仑应力模型显示2021年以来的累积非震和地震滑动在最终破裂面上产生高达~30 kPa的正应力，促进了断层弱化和浅层地震活动。该研究为碰撞断层系统中非震滑动触发大地震提供了有力证据，对将非震过程纳入地震灾害模型具有重要意义。

　　

在板块碰撞的激烈舞蹈中，地球深处悄然上演的"慢动作"变形往往预示着灾难性的快速破裂。台湾东部作为欧亚板块与菲律宾海板块正面交锋的前沿阵地，每年承受着高达8-9厘米的板块汇聚速率，使其成为研究地震孕育过程的天然实验室。特别是纵谷断裂带这个双倾没碰撞边界，不仅孕育了频繁的M≥6地震，还广泛存在着难以察觉的非震滑动，这些"静默的预警"如何影响大地震的发生时机，一直是地震学家关注的焦点。

传统观点认为，慢滑移事件可能通过两种截然不同的方式影响地震风险：要么作为"减压阀"释放累积应力降低大震风险，要么充当"催化剂"促进断层破裂。然而，由于观测资料的限制，关于前兆性慢滑移是否普遍存在的争论持续不断。2024年4月3日花莲M7.3地震的发生为破解这一谜题提供了难得机遇，研究人员通过多学科观测手段，揭示了地震前长达数年的精细变形过程。

本研究整合了地震学、大地测量学等多源数据，主要关键技术方法包括：基于波形相似性的重复地震序列识别技术（用于推断断层蠕变速率）、复合聚类算法（用于从2000-2024年地震目录中识别地震群集）、GNSS时间序列处理（11个台站数据去除同震阶跃和震后衰减后提取瞬变信号）、库仑应力计算（基于断层几何参数评估应力相互作用）以及流体扩散模型（通过r=√4πDt公式估算水力扩散率）。所有分析均基于台湾中央气象署提供的地震目录和台湾大地测量模型发布的GNSS数据。

重复地震序列揭示的非震滑动速率

研究团队更新了2000-2024年的重复地震序列目录，包含148个序列的1499个事件。通过建立滑动量-地震矩标度关系，发现北纵谷（中央山脉断层）和南纵谷（纵谷断层）表现出不同的滑动行为。2019年M6.1事件后，中央山脉断层上的重复地震序列活动从每年33.3次加速至45.8次，揭示了深部断层蠕变的积极响应。

地震群集反映的非震滑动行为

通过复合去聚类方法识别出15个群集序列，其中82%发生在2024年花莲地震的震源区。2021年4-8月的第9序列尤为显著，包含796个事件，表现出双向迁移特征。通过扩散模型拟合得到平均水力扩散率为5.4±1.1 m2/s，指示了中地壳快速的流体迁移过程。

群集与重复地震序列的时空关联

9个群序列中有6个在开始前出现非震滑动速率增加，表明深部蠕变与浅部群集活动存在因果关系。时空分析显示，群集与M≥6事件呈正相关，而重复地震序列加速与后续大震的关联相对较弱。

群集期间的大地测量观测

GNSS数据揭示了与群集活动同步的瞬变变形。2019年群集期间观测到约10 mm的东向和南向位移，2021年群集期间则记录到15-20 mm的东向位移。正演模拟表明，仅靠群集地震的同震滑动无法完全解释观测信号，需要额外的非震滑动贡献。

北纵谷地震与非震滑动事件的相互作用

2019-2024年的时间演化可划分为四个阶段：阶段一（2021年4-8月）以非震滑动加速和强烈群集活动为特征，伴随GNSS瞬变位移和浅层地震活动增强；阶段二（2021年9月-2022年底）表现为M6+事件的级联发生，同时非震滑动和整体地震活动下降；阶段三（2023-2024年）地震和非震滑动速率再次逐渐加速，重复地震序列矩率增加表明深部断层蠕变加强；阶段四（2024年4-5月）M7.3主震后在西倾中央山脉断层浅部引发新的群集活动。

应力触发模型

库仑应力计算表明，2021年非震滑动事件在2022年M6.1破裂面上产生10 kPa应力增加，深部重复地震序列滑动贡献额外6 kPa。2022年M6+地震序列可通过先前破裂的应力变化得到解释，但9月M7.0事件在2024年M7.3破裂面上产生-3 kPa应力影晌。综合分析显示，2021-2022年累积的非震和地震滑动在最终破裂位置产生高达30 kPa的正应力变化，显著促进了主震的发生。

研究讨论指出，5.4 m2/s的高扩散率需要快速孔隙压力扩散机制，可能涉及渗透率突变、低粘度孔隙流体或高孔隙压等多种因素。北纵谷作为碰撞-俯冲过渡带，浅部中央山脉断层存在流体饱和区，高Vp/Vs、低电阻率和低Qp/Qs等地球物理证据支持这一解释。流体可能来源于菲律宾海板块的增生楔状体或玉里带高压变质岩折返过程中释放的构造-热液系统。

该研究通过整合多尺度观测数据，首次系统揭示了台湾东部碰撞带非震滑动与地震活动的相互作用序列，为理解流体-断层蠕变-地震触发链提供了观测约束。研究结果强调了将非震滑动过程纳入地震灾害评估模型的重要性，对发展基于物理的地震预测方法具有深远意义。随着观测技术的进步和物理模型的完善，对地震孕育过程中"静默预警"的解读能力将不断提升，为减轻地震灾害风险提供新的科学支撑。