综述：利用GNSS聚类技术和三维应变率分析方法研究加拿大东部由地壳内应力（GIA）驱动的板块内部变形

《Earth-Science Reviews》：Investigating GIA-driven intraplate deformation in Eastern Canada with GNSS clustering and 3D strain rate analysis

板内地震活动机制与应变率研究：基于GNSS速度分析与微板块模型探讨加拿大东部地震成因及风险。

　　

亚历山大·L·皮斯（Alexander L. Peace）| 莎拉·斯坦普斯（D. Sarah Stamps）| 露易·徐（Rui Xu）

麦克马斯特大学（McMaster University），地球、环境与社会学院（School of Earth, Environment and Society），加拿大安大略省汉密尔顿（Hamilton, Ontario, Canada）

摘要

加拿大东部的板块内地震活动表现为在相对稳定的大陆内部空间聚集的地震现象。这种地震活动对渥太华（Ottawa）、蒙特利尔（Montreal）和魁北克市（Quebec City）等城市中心构成了显著的地震灾害风险。以往的研究试图揭示驱动加拿大东部板块内地震活动时空分布的机制，但未能取得明确结论，这些研究认为远场构造过程和冰川均衡调整（GIA）过程对古老地质结构产生了复杂的相互作用。我们采用微板块构造框架和基于全球导航卫星系统（GNSS）速度的应变率分析方法，以更好地理解该地区地震活动和变形的物理过程。我们通过使用成熟的机器学习聚类分析方法分析水平GNSS速度，并将结果与GIA信号的分布进行比较，来检验微板块模型在加拿大东部的适用性。机器学习聚类分析并未揭示出明确的微板块边界；然而，我们识别出与GIA相关的隆起和沉降区域相吻合的不同类型的变形区域。在应变率分析中，我们通过将垂直GNSS速度纳入计算（假设体积守恒）来探讨GIA引起的变形影响。在加拿大东部，我们量化了由垂直变形引起的体积应变率，范围从-1.16×10^-9年^-1到4.12×10^-9年^-1，并认为这些值可能足以重新激活古老的断层。这项工作有助于我们理解与GIA相关的地震风险，通过指出未来可能发生地震的区域并量化可能重新激活现有结构的体积应变率。

引言

加拿大的地震活动大致可以分为板块边界地震和板块内地震（Adams和Basham，1991；Vasudevan等人，2010；Hurd和Zoback，2012；Rimando和Peace，2021）。与北美西部板块边界相关的地震通常震级更大、频率更高（图1）（Mazzotti和Gueydan，2018）。然而，板块内地震活动仍然很显著，偶尔也会记录到震级达到6级的地震。值得注意的事件包括：拉德史密斯（Ladysmith）地震（M5.2，Ma和Audet，2014）、渥太华地震（M5.2，Ma和Motazedian，2012）以及泰米斯卡明（Témiscaming）地震（M6.1，Brooks等人，2024）。此外，加拿大东部的板块内地震活动发生在包括渥太华、蒙特利尔和魁北克市在内的多个大城市附近（图1），从而带来了重大的地震风险（Goda等人，2023；Rosset等人，2024）。

加拿大东部的大部分地震活动发生在魁北克的局部区域（Lamontagne等人，2003；Baird等人，2009；Doughty等人，2010；Rimando和Peace，2021；图1b），但安大略省（Mohajer等人，1992；Adams等人，1993b；Adams等人，1993a；Karrow，1993；Godin等人，2002；Godin等人，2003；Karrow和White，2002；Eyles和Mohajer，2003）以及其他加拿大东部地区（Gregory，1929；Bent，1995；Schulten等人，2019；Guna等人，2025）也存在着新构造变形。了解该地区的地震活动和变形对于评估地震风险以及据此做出明智决策至关重要（Goda等人，2023；Rosset等人，2024；Rosset等人，2025；Lessault等人，2025）。

加拿大东部代表了一个复杂的构造环境（St-Onge等人，2009），其中许多高度可变的古老地质结构在当前的应力作用下有可能重新激活（Rimando和Peace，2021；Gusti等人，2023；Rimando等人，2023）。加拿大东部的应力状态可能受到多种因素的影响，包括：1）冰川均衡调整（GIA - Ma等人，2008；Brooks和Adams，2020）；2）远场构造力（Ghosh等人，2019；Hightower等人，2024）；以及可能存在的中生代热点轨迹的经过（Ma和Eaton，2007）。这些机制的相对贡献、重要性和相互作用尚未得到明确（Ghosh等人，2019）。此外，断层的选择性重新激活机制也尚未得到充分研究（Rimando和Peace，2021）。控制地震事件深度分布和聚集的因素进一步复杂化了该地区的地震模式。解决这些不确定性对于评估该地区的地震风险潜力和完善地壳变形模型至关重要。

通过微板块框架来观察变形的大陆区域不仅对加拿大东部地区和地震风险有重要意义，而且对板块构造理论和地球动力学也有普遍影响（Thatcher，1995）。这是因为这种方法使我们能够将大陆视为可变形的实体，而不是刚性的实体（Ady和Whittaker，2019；Peace等人，2019；King等人，2020；Yang等人，2021）。然而，在此背景下，什么构成一个明确的“板块”或“微板块”是一个有趣的难题，这对板块构造理论也有更广泛的影响（Peace，2021）。在这里，我们将“板块”定义为在观测尺度上表现为主要刚性实体的区域，即其现今的速度特征。然而，当将这种方法应用于地质历史时期时，这一定义变得更具挑战性，因为现今的速度可能与过去不同。这表明，为微板块定义的现今边界并不能确定在同一时期始终存在相同的边界。此外，已知加拿大东部的应力状态在其复杂的构造演化过程中发生了变化，尽管对过去的约束较少。尽管如此，可以预期微板块边界区域可能代表了长期的变形焦点，因为它们可能具有明显的区域弱点，容易受到后续变形的影响。

因此，在这项工作中，我们试图确定是否适合将微板块构造模型应用于加拿大东部，以解释观察到的地震活动和来自各种来源的GNSS速度。这一目标将通过检查大地测量数据、地震数据和层析数据之间的相关性来实现，并对相关文献进行全面的回顾。总体而言，这项工作旨在检验基于微板块的模型是否能够成功解释加拿大东部的GPS速度和地震活动的区域分布。

章节摘录

地质背景

加拿大东部的构造环境受到加拿大盾状地体和周围造山带的塑造，这些地质体共同保存了复杂而漫长的地质历史（Shilts等人，1987；Wardle等人，2002；St-Onge等人，2009；Lowe，2024）。这种多阶段的演化形成了一个高度异质的地质镶嵌体，其中包含大量可能在当前应力状态下重新激活的古老结构（Tarayoun等人，2018；Rimando和Peace，

远场和局部应力

加拿大东部的当前应力场以压缩状态为主，最大水平应力方向为NE–SW（S_Hmax，图1），主要由大西洋中脊的推力作用和冰川均衡调整（GIA）过程驱动（Mazzotti和Townend，2010；Hurd和Zoback，2012；Ojo等人，2021）。应力反演和钻孔破裂分析表明该地区的应力方向较为一致，尽管在活跃区域附近观察到了局部偏差

利用机器学习聚类评估微板块构造

我们使用水平GNSS速度和机器学习聚类算法（Savage，2018；Rui和Stamps，2025）来评估北美东部可以识别出多少个微板块（或聚类）。

量化应变率

为了量化该区域垂直速度（最大10.17 ± 2.36毫米/年）对构造应变的可能影响（假设垂直速度主要由GIA信号控制），我们最初使用Malvern（1969）提出的水平应变率张量公式（$\stackrel{?}{\epsilon }$）来计算水平应变率，该公式考虑了垂直速度分量：