慢滑移调制圣安德烈亚斯断层帕克菲尔德段上的低频地震活动

《Nature Communications》：Slow slip modulates low-frequency seismicity on the Parkfield segment of the San Andreas Fault

　　

理解慢滑移事件（Slow Slip Events, SSEs）如何影响断层行为对于刻画断层滑动谱及其在地震生成中的作用至关重要。在此，研究人员展示了将深度学习应用于应变计量数据（strainmeter data）可以检测到圣安德烈亚斯断层（San Andreas Fault）帕克菲尔德段附近的短时SSEs，从而构建了一个SSE目录。这些SSEs在多个仪器上被一致观测到，并得到了附近蠕变仪（creepmeters）的证据支持。位置分析表明深度较浅且滑动方向与右旋运动一致。它们遵循立方矩-时长标度律（cubic moment–duration scaling law），与地震类似，且与俯冲带观测以及作为上限的线性标度一致。低频地震（Low-frequency earthquakes, LFEs）在SSEs之后增加，表明缓慢的无震滑动调制了地震活动。检测这些SSEs填补了慢地震研究中的观测空白，并强调了它们更广泛的相关性。这些发现支持无震滑动与地震滑动之间的连续谱，其中蠕变段的瞬态变形扰动了邻近锁定区的应力，可能促进地震活动。

## 研究背景与意义

断层通过快速（地震）和缓慢（无震）两种方式释放构造应力。无震滑动包括稳态蠕变和瞬态事件，如余滑和慢滑移事件（Slow Slip Events, SSEs），后者可持续数分钟至数月，释放沿断层积累的应变，可能减少大地震可用的弹性能。SSEs可发生在地震前、中、后，有时触发地震活动。其物理机制尚未完全明了，是否发生地震或无震滑动取决于温度、压力、断层带结构、物质属性及几何不均匀性等因素。SSEs倾向于出现在特定深度范围：浅部地壳（如加州圣安德烈亚斯断层蠕变段）或俯冲带闭锁-蠕变过渡带。在走滑断层如圣安德烈亚斯断层上，SSEs幅度小、持续时间短，使用大地测量或应变观测难以检测。钻孔应变计（Borehole Strainmeters, BSMs）对周围地球应变变化高度敏感，可捕捉高精度GPS可能遗漏的微弱形变，但数据常被环境和仪器噪声主宰，传统目视检视或阈值方法耗时且主观。因此，有必要开发系统性检测方法，以填补短时SSE的观测空白，并理解其对地震活动的影响。

## 研究内容与结论

研究人员基于深度学习算法，利用帕克菲尔德段（Parkfield segment）圣安德烈亚斯断层附近的三个钻孔应变计（B073、B075、B076）和蠕变仪数据（2009–2016年），自动检测短时SSEs，构建了包含92个事件的目录。这些SSE在多个仪器上一致观测到，部分得到蠕变仪支持。源分析表明SSE浅层（深度<4 km）、右旋滑动，且遵循立方矩-时长标度律（cubic moment–duration scaling law），与地震类似。低频地震（Low-frequency earthquakes, LFEs）活动在SSE后增加，表明无震滑动调制地震活动。该研究发表在《Nature Communications》，强调了在断层相互作用模型中纳入慢滑动力学的重要性，对地震危险性评估具有启示。

## 主要关键技术方法

- **数据来源**：三个钻孔应变计（B073、B075、B076，采样率1 Hz）、蠕变仪；时段2009–2016年。
- **预处理**：使用EarthScopeStrainTools去除长趋势、潮汐、气压效应；将应变计四通道数据转换为区域应变（面积应变、差应变、工程剪切应变）。
- **信号表示**：采用连续小波变换（Morlet小波）增强瞬态信号，生成日小波谱。
- **特征提取与降维**：使用AutoencoderZ（深度自编码器）将日小波谱压缩至24维潜在向量。
- **事件检测**：两步K-means聚类：第一步分离瞬态日与背景日；第二步从瞬态日中区分SSE与其他瞬态（如地震、仪器噪声）。
- **源定位与矩-时长分析**：基于Okada弹性半空间位错解，网格搜索位置、深度、走向、倾角、长度；拟合观测应变得到滑动量和地震矩；结合人工拾取的开始/结束时间计算时长，拟合标度律。
- **相关性分析**：利用LFE目录（Shelly, 2017），统计SSE前后LFE日计数变化。

## 研究结果

### A machine learning approach to detect slow slip events in strainmeter data
通过小波变换、自编码器和K-means聚类，研究人员成功从应变计数据中自动检测SSE。在参考台站B073上，该方法识别出手动目录中90%的SSE（71个事件中64个），并新发现21个SSE（其中14个得到蠕变仪支持）。漏检的7个事件振幅极低（~0.01微应变），与噪声水平接近。检测到的SSE持续时间25–100分钟，平均约50分钟。

### SSEs recorded on three strainmeters at Parkfield
在B073（距断层1.1 km）上检测到的SSE，在更远的B075（2.9 km）上自动检测60%，目视可辨认更多；B076（3.4 km）因数据污染和噪声，仅目视检测42%。SSE信号振幅随距断层距离增大而减小，显示空间相干性。

### Similar scaling laws for earthquakes and short-term SSEs in Parkfield
对22个在三台站一致观测的SSE，利用Okada位错模型反演源参数：深度<4 km，滑动方向与圣安德烈亚斯断层右旋运动一致。矩-时长关系遵循立方标度律（M₀ ∝ T³），与地震类似，但比以往观测的俯冲带SSE更慢。这支持慢地震与地震之间的连续谱。

### Low-frequency earthquakes increase following SSEs
利用LFE目录（2009–2016年），分析距B073 10 km内、深度<20 km的LFE。累积曲线显示SSE与LFE正相关。定量分析表明，SSE后一天LFE日计数显著增加，且持续2–3天（图5b, c）。该相关性在深度<20 km的LFE中更明显，提示浅层SSE可能通过应力传递影响更深区域的地震活动。

### Stress transfer between the creeping section and the transition zone
SSE的浅层、右旋特征与地表蠕变事件一致。立方标度律连接慢滑与地震滑动的动力学。研究结果表明，蠕变段的瞬态形变（SSE）可扰动邻近锁定区的应力，可能促进地震活动，强调了在断层相互作用模型中考虑慢滑动力学的重要性。

## 讨论与结论

讨论部分指出，SSE与LFE的时间相关性类似于俯冲带中的渐进式震颤与滑移（Episodic Tremor and Slip, ETS），证实了无震滑动对地震活动的调制作用。立方标度律可能源于不同于弹性动力学的扩散过程，但源尺寸约束有限，需谨慎解释。尽管三台站几何限制了源分辨率，但系统检测填补了短时SSE的观测空白，支持无震-地震滑动连续谱。

研究结论（翻译原文最后一段）：在此，研究人员展示了将深度学习应用于连续应变计数据，可检测圣安德烈亚斯断层帕克菲尔德段蠕变段上的短时慢滑移事件。在多个仪器上识别出一致的SSE信号，并得到蠕变仪观测支持，且发现这些事件与随后低频地震活动增加相关。源分析表明浅层滑动符合圣安德烈亚斯断层的右旋运动，尽管源几何仅受三台站弱约束。检测到的事件遵循近似立方矩-时长标度关系，与地震一致。研究者的观察强调了在模拟应力传递和断层相互作用时纳入慢滑动力学（尤其在蠕变断层段）的重要性。此类过程可能影响相邻锁定区的应力加载，从而对地震危险性评估具有启示意义。