《SCIENCE ADVANCES》：Tephra seismites—Understanding seismic hazard of hidden faults by analyzing liquefied tephra layers in lakes
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本文推荐了一项开创性的古地震学研究，为解决评估地表无明显痕迹的“隐蔽断裂带”地震活动性及危险性的难题，研究人员通过对新西兰汉密尔顿低地18个湖泊中≤17.5 ka的火山灰震积岩进行高分辨率CT成像和空间统计分析，揭示了液化结构的时空分布与附近断裂带的地面震动直接相关，进而成功识别并约束了汉密尔顿盆地断裂系统及一个隐蔽断裂段的古地震复发间隔和震级，为全球火山与构造活跃区的古地震重建和地震危险性评估提供了一种全新、通用的工具，尤其在无法进行断层实地研究的地区。
在全球许多城市和人口密集区的地下，往往隐藏着一些在地表难以察觉的断裂带。这些“隐蔽断裂带”就像一个潜藏的计时炸弹，由于缺乏清晰的地表痕迹，其活动历史、地震潜力和危险性极难评估。2011年新西兰坎特伯雷地震和1897年印度阿萨姆地震就是由这类断裂带突然活动引发的灾难性事件。如何在这些区域重建古地震历史、准确评估地震风险，是当前古地震学面临的一大核心挑战。传统方法依赖于对岩化（固结成岩）沉积物中地震引起的软沉积变形结构（即震积岩）的研究，但这些结构在成岩过程中可能因压实、胶结作用而发生形态和尺寸的改变，从而影响记录的准确性。同时，过去的研究往往只能在少数几个地点获取样品，难以进行全面的时空重建。
为此，一项发表在《SCIENCE ADVANCES》上的创新性研究，为我们打开了一扇新窗口。研究团队将目光投向了湖泊中一种独特的“地质记录仪”——保存在松散、富含有机质的湖相沉积物中的薄层远端火山灰。这些火山灰层如同书页，一层层地记录着地球的历史。当强烈的地震震动发生时，位于特定深度、颗粒合适的火山灰层会发生液化，液化的物质在反向密度梯度的作用下，向下注入密度更低的有机湖泥中，形成向下延伸的负载构造。这种由地震触发的、保存在火山灰层中的软沉积变形结构，被研究者们称为 “火山灰震积岩” 。与岩化的震积岩相比，这些未岩化的结构避免了成岩作用的改造，更能真实反映液化过程。更重要的是，遍布研究区的多个湖泊和众多等时（同一时间沉积）的火山灰层，为研究者提供了高密度、多维度的时空采样点，就像一个天然的、分布广泛的“古地震记录网”。
研究者们选取了新西兰北岛汉密尔顿低地地区18个散布的湖泊作为研究区，该地区下方是地表迹象微弱的汉密尔顿盆地断裂系统，部分地区甚至位于汉密尔顿市（人口约20万）下方，其活动性未知。为了破解这个“隐藏的密码”，他们运用了几个关键技术方法：首先，使用医用计算机断层扫描（CT）对60个沉积岩芯进行成像，清晰、非破坏性地三维可视化并量化了其中超过100个火山灰震积岩的形态和尺寸；其次，利用火山灰年代学（一种通过独特的火山灰层进行高精度地层对比和定年的方法），精确建立了14层年龄介于17.5至1.7 ka的火山灰层的时间框架，并识别出不同时代的震积岩；最后，通过空间统计分析（如计算震积岩出现率SO比值、长度/厚度LT比值和液化严重程度因子LSF），并结合地面震动建模（利用OpenQuake软件模拟不同断裂破裂情景下的峰值地面加速度PGA分布），将液化结构的时空模式与潜在的断层活动联系起来。
研究的成果丰硕，系统地揭示了该地区过去一万多年间的古地震活动图景：
湖泊火山灰震积岩作为天然古地震记录仪
通过CT成像，研究者在总共观察的346个火山灰层中，识别出127个具有软沉积变形结构的震积岩。这些结构形态各异，从笔直、细长的特征到复杂的不规则网络均有发现，垂直长度从0.4厘米到35厘米不等，甚至在薄至0.2厘米的火山灰层中也观察到了液化现象。研究排除了波浪、海啸、快速沉积加载等其他可能的触发机制，确认地震震动是形成这些负载构造最合理的成因。
用于空间评估液化发生情况和尺寸的插值图
分析表明，震积岩的出现频率和相对尺寸（LT比值）在空间上存在显著变化。研究者绘制了SO比值、平均LTav比值和LSF的插值图。结果显示，液化严重程度较高的区域主要呈条带状分布：一条沿东北走向的条带与研究区内已知的西汉密尔顿盆地断裂——Kūkūtāruhe断裂高度吻合；液化严重程度向东北和东南方向的增加，则分别指向东北方向附近的断裂（如Hauraki盆地的Kerepehi和Te Puninga断裂）以及东南方向可能存在的一条未测绘的隐蔽断裂段或Te Tātua ō Wairere断裂的南延部分。
通过地面震动建模将液化与断裂破裂联系起来
这是研究的核心环节。通过分析震积岩在时间序列上的变化，研究者识别出两个地震活动期（SP1和SP2），并进一步解构出四个主要的地震事件（SE1至SE4）。随后，他们通过模拟五个最相关的断裂破裂情景下的地面震动，并将其PGA分布图与观测到的液化严重程度图进行对比，成功地将地震事件与具体的断裂活动对应起来：SE1和SE2事件源于Hauraki盆地Kerepehi-Te Puninga断裂系统的破裂；SE3事件与直接位于汉密尔顿市下方的Kūkūtāruhe断裂的破裂有关；而高度局部化但普遍发生的SE4事件，则表明研究区东南部存在一个未测绘的隐蔽断裂（可能是Te Tātua ō Wairere断裂的南延部分）在约1.7 ka以来发生过活动。利用经验关系估算，这些古地震的最小矩震级Mw范围从约7.4（SE1）到约5.2（SE4）。
研究结论与重要意义
该研究成功开发并示范了一种用于调查隐蔽或地表迹象微弱断裂带的位置、复发间隔和震级的通用工具。通过综合运用基于实验室的软沉积物高分辨率CT成像、围绕断裂带的高空间密度观测点分布、以及创新的液化严重程度填图方法，并将其与候选震源破裂的地面震动模型相互验证，研究取得了突破性成果：首次提供了直接证据，表明位于汉密尔顿市下方的Kūkūtāruhe断裂在距今约1.57万年的研究时段内曾经活动；识别出一个自约1.7 ka以来引发液化的、未测绘的隐蔽断裂；重建了自15.7 cal ka B.P.以来至少五次古地震事件，平均复发间隔约为3千年。
这项研究的重大意义在于其方法的普适性。它不仅适用于全球其他火山活跃区、湖泊中保存有火山灰层的地区（如智利、冰岛），也适用于任何具有高密度反差层（如浊积岩、风暴或海啸沉积的薄砂层）的沉积环境，为在无法进行断层实地研究的地区开展古地震重建和地震危险性评估开辟了全新的途径。尽管受限于采样点（18个湖泊）和时间切片（14层火山灰）的数量和分布，但其展示的“将微观液化结构与宏观断裂活动精确关联”的研究范式，无疑将极大地推动对隐藏地震风险的理解和防范。
