利用高分辨率结构映射技术推断意大利中部亚平宁山脉Roccapreturo正断层系统的地下连通性和结构成熟度

《Journal of Structural Geology》：Inferring the sub-surface connectivity and structural maturity of the Roccapreturo normal fault system, Central Apennines, Italy, using high-resolution structural mapping

　　**摘要**
限制地下活动断层的相互连接方式，以及理解断层几何形状和结构成熟度对地震传播的影响，是理解地震行为和地震灾害的关键工具。我们以意大利中央阿彭尼诺山脉的Roccapreturo断层系统作为案例研究，该系统有三个在地表上紧密排列的正断层。我们提供了一个高空间分辨率的结构（走向/倾角）和运动学（滑移矢量的趋势/俯冲角）测量数据库，以及全新世和地质抬升量的测量数据。研究发现，断层几何形状变化很大，走向范围从072°到183°，倾角从42°到82°不等，且断层迹线在走向上呈现不规则分段。在两个断层段之间的过渡带中，倾角更为陡峭。我们将这一观察结果 interpreted 为支持以下观点：这些断层段在地下是相互连接的。我们收集了12个全新世抬升剖面和7个地质剖面，其中最大全新世抬升量为8.75 ± 1.75米（全新世平均抬升速率为0.58 ± 0.16毫米/年），最大地质抬升量为610米（T/L比率为0.055）。利用高分辨率的结构、运动学和全新世抬升数据进行的应变率计算表明，尽管地表几何形状复杂，但断层的应变率变化较为平滑，这表明断层几何形状和滑移是耦合的。我们的结果证明了在可能的情况下进行高分辨率断层测绘的价值，以便识别断层的成熟度、地下连接情况以及潜在的地震破裂动力学。

**引言**
在考虑地震发生、断层相互作用和由此产生的地震灾害时，重要的是要描述活动断层及其系统的几何特征（即分段情况、走向和/或倾角的变化），包括这些特征随深度的变化。这些因素会影响基于比例定律得出的最大地震震级和同震滑移的估计（Manighetti等人，2007年；Stirling等人，2013年；Thingbaijam等人，2017年；Wells和Coppersmith，1994年）。随着时间的推移，断层网络会通过滑移的积累和各个断层段的相互作用而演变。初始阶段，孤立的断层段通过尖端扩展生长，形成在中心处达到最大滑移量并向两端逐渐减小的滑移剖面（Walsh和Watterson，1988年；Dawers等人，1993年；Cartwright等人，1995年）。随着断层段长度的增加和重叠，它们会形成过渡带和阶梯式连接，其中断层通过旋转的过渡坡面相互连接（Peacock和Sanderson，1994年；Cartwright等人，1995年；Gupta和Scholz，2000年；Long和Imber，2011年；Mansfield和Cartwright，2001年；McLeod等人，2000年）。持续的位移使坡面旋转，并促进次级高倾角断层的形成，从而适应应变，最终突破坡面并连接各个断层段（Peacock和Sanderson，1994年；Long和Imber，2012年）。这种连接通常是跨不同结构层次的，因此过渡带的某些部分会形成牢固的连接，而其他部分则仍被未被突破的坡面分隔（图1a）。当破裂发生时，断层迹线会沿走向发生更陡峭的弯曲，并脱离原来的断层尖端（Davatzes和Aydin，2003年；Iezzi等人，2018年；Perrin等人，2016年）。随着进一步滑移，这些不规则部分逐渐平滑，形成更简单的断层，这些断层在长度增加较少的情况下积累位移（Rotevatn等人，2019年）。这种演变本质上是三维的：过渡区域的几何形状、重叠-分离比以及连接程度不仅沿走向变化，还随深度变化，从而产生次级断层、多分支线路以及同一过渡带内的重叠-分离比的量级差异（Long和Imber，2011年，2012年；Camanni等人，2019年；Torabi等人，2019年；Roche等人，2021年）。这种垂直变化部分反映了机械层序的影响：在异质层状序列中的传播可能限制断层的向下倾角增长，导致不规则的尖端线、低位移段，或在某些层次上相互连接但在其他层次上不连接的断层表面（Huggins等人，1995年；Sch?pfer等人，2006年；Benedicto等人，2003年；Childs等人，1995年；Kristensen等人，2008年；Long和Imber，2011年；Camanni等人，2019年；Roche等人，2021年）。结构继承性进一步增加了复杂性，因为现有的断层会局部化年轻断层的形成和滑移（Paton，2006年；Ghisetti和Vezzani，2005年；Collanega等人，2019年），因此地下的单个断层可能对应地表上的多个断层段（图1a，时间5）（Walsh等人，2003年；Giba等人，2012年；Roche等人，2021年；Walsh等人，2023年）。限制地下活动断层的沿走向和向下倾角的几何形状及连通性对于理解和量化地震灾害至关重要。过渡带、大的阶梯式连接、断层弯曲和断层分段，或预先存在的断层的存在已被证明会影响地震破裂的范围和传播（例如，Crone和Haller，1991年；DePolo等人，1991年；King和Nabelek，1985年；Mildon等人，2019年；Mouslopoulou等人，2022年；Pizzi等人，2017年），而这些结构也可能在多段地震中作为应力集中区和破裂起始点（例如，Aki，1979年；Perrin等人，2016年；Sibson，1986年）。此外，断层的结构成熟度可能影响地震动力学（Perrin等人，2016年）。尽管结构成熟度的定量定义具有挑战性（参见Manighetti等人（2021年）及其中的参考文献），但总体而言，随着断层通过积累滑移而变得更加成熟，假设大地震的应力降会降低（Choy和Kirby，2004年；Hecker等人，2010年；Manighetti等人，2007年）。如果断层较为不成熟，那么研究表明将存在更多的应力不均匀性（Hayek等人，2024年），更多的分布损伤（Thakur和Huang，2021年），更多的余震（Guo等人，2023年），不规则的复发间隔（Thakur和Huang，2021年）以及地震破裂传播效率较低（Andrews等人，2026年；Guo等人，2023年）。因此，了解断层的连通性和结构成熟度有助于理解潜在的地震行为，特别是当感兴趣的断层在历史或仪器记录时期尚未破裂时。当直接测量断层连通性（如通过3D地震反射数据）不可用时，可以从地表观测推断其连接性。正断层可以基于收敛的滑移矢量推测在地下是相互连接的（Faure Walker等人，2010年；Roberts，2007年；Roberts和Michetti，2004年）。如果存在连续的足wall抬升山脉和/或连续的向下倾角悬壁盆地，地形学数据可用于推测地下断层的连通性。另一种方法是利用依赖于几何形状的抬升率模型（Faure Walker等人，2009年，2015年，2019年）（图1b）。该模型认为，为了在断层迹线走向变化时保持断层的应变率，断层的倾角和抬升角必须共同变化。特别是，该模型预测当断层沿走向弯曲时，断层应变得更陡峭（即倾角增加），抬升角也应增加。这一模型已经在阿彭尼诺山脉的正断层上得到验证，无论是同震情况（Iezzi等人，2018年；Mildon等人，2016年）还是全新世情况（Faure Walker等人，2009年；Sgambato等人，2020年；Wilkinson等人，2015年）。然而，这些研究均未探讨该模型是否适用于地下存在断层弯曲但尚未延伸到地表的连接区域。要使用依赖于几何形状的抬升率模型来推断地下断层的连接性，必须对地表断层陡坡进行高分辨率的地质测绘，以确定断层的位置、几何形状和滑移率。我们认为，这些野外数据可用于识别断层或断层系统中倾角和抬升角高于预期的区域，这可能表明断层在地下是相互连接的。

**方法**
我们沿着Roccapreturo断层系统进行了详细测绘，收集了从岩基断层陡坡获得的结构（走向和倾角）和运动学（趋势和俯冲角）测量数据。岩基断层陡坡的形态和断层陡坡附近的地貌也进行了测绘。使用手持式的Garmin GPS记录了采样点，定位精度约为±5米。在大部分断层长度上，岩基断层陡坡的存在使得高分辨率的结构数据收集成为可能（图4，图5）。断层陡坡的形态和地貌也进行了测绘，并在图6和补充图1-9中展示。唯一的例外是在西北端的一个段落，那里的断层露头较为零散，因此无法达到与其他段落相同的测绘精度。

**结果**
Roccapreturo断层迹线在其8公里长度的大部分范围内都通过岩基断层陡坡得到了很好的约束（图3），这使得我们可以收集高分辨率的结构数据（图4，图5）。断层陡坡的形态和地貌被绘制成一系列地图，并在图6和补充图1-9中展示。根据我们收集的野外数据，我们建议对Fault2SHA数据库及其他意大利断层数据库（例如ITHACA数据库）进行以下修改：1）调整Beffi断层的迹线以匹配采集的地点（补充图12）；2）将Beffi断层的定位精度提高到1级，活动精度提高到2级，因为沿着该断层迹线已经确定了岩基断层陡坡，并收集了全新世抬升剖面（补充图12）。

**结论**
Roccapreturo断层系统通过碳酸盐岩基陡坡在地表上有很好的露头，因此可以沿其长度收集丰富的结构和抬升数据。目前，该断层系统在地表由三个独立的断层段组成。通过结合收集的结构数据以及全新世和地质抬升数据，我们假设这三个地表断层段在地下是相互连接的，基于以下原因：1）滑移矢量的收敛；2）断层倾角的增加。感谢Luke Wedmore在实地调查中提供的协助。同时感谢Gianluca Vignaroli和一位匿名审稿人的宝贵意见，这些意见极大地提升了稿件的质量。
撰写者：Zo? K. Mildon, Billy J. Andrews, Francesco Iezzi, Marco Mercuri, Joanna P. Faure Walker, Gerald P. Roberts, Constanza Rodriguez Piceda
所属机构：英国普利茅斯大学地理、地球与环境科学学院（School of Geography, Earth and Environmental Sciences, University of Plymouth）
地址：Drake Circus, Plymouth, UK