一次由2015年M8.3伊拉佩尔地震破裂沿岸的更新世海成阶地揭示的短暂海岸抬升事件

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：A Transient Coastal Uplift Event Revealed by Pleistocene Marine Terraces Along the 2015 M8.3 Illapel Earthquake Rupture, Chile

　　

智利中部弧前伊拉佩尔地区抬升的更新世海成阶地记录了在冰期-间冰期旋回时间尺度上时空变化的抬升速率。然而，这种抬升变异性及其与巨型逆冲地震周期的潜在关系仍知之甚少。伊拉佩尔地区受到2015年M_w8.3伊拉佩尔地震的影响，为评估巨型逆冲地震周期与永久海岸抬升之间的关系提供了机会。研究人员将沿300公里海岸的晚更新世海成阶地填图与地层学和沉积学分析、光释光测年、形态测量学和数值模拟相结合，以约束变形的时间和速率。研究结果表明，在海洋同位素阶段（MIS）9和5e期间，抬升速率适中，为0.1–0.2米/千年（m/ka），而在MIS 7期间，抬升速率介于0.5–0.9米/千年，持续约200千年。阶地抬升速率与十年尺度全球定位系统（GPS）速度之间缺乏相关性表明，永久弧前变形与伊拉佩尔地震周期的同震和震间阶段无关。研究人员还排除了上盘正断层对地表变形模式的影响，因为其位错模型表明它只起次要作用。相反，研究人员提出，短暂的抬升加速期与相邻海山链的水深异常俯冲引起的边缘边界条件变化有关。这些结果突出了控制弧前变形的机制的复杂性以及俯冲系统中深层过程的隐藏动力学。

**论文解读：智利中部弧前区短暂海岸抬升事件的成因与机制**

**研究背景与问题**
沿俯冲带的地表变形和抬升主要由俯冲通道和上覆大陆楔体的动力学控制。在智利中部弧前区，更新世海成阶地记录了冰期-间冰期时间尺度上时空变化的抬升速率，但抬升变异性的潜在机制及其与巨型逆冲地震周期的关系尚不明确。2015年M_w8.3伊拉佩尔地震为该区域提供了评估永久抬升与地震周期关联的独特机会。研究人员旨在回答两个核心问题：伊拉佩尔地区永久地表变形的时间演化特征是什么？何种机制导致该弧前区永久变形的累积？论文发表在《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》。

**研究内容与结论**
研究人员沿智利中部300公里海岸线，对晚更新世海成阶地系统进行了详细的地貌填图、地层学与沉积学分析、光释光测年、形态测量及数值模拟，以约束变形的时间和速率。结果表明，在海洋同位素阶段（Marine Isotope Stage, MIS）9和5e期间，抬升速率较低（0.1–0.2 m/ka），而在MIS 7期间，抬升速率显著加速至0.5–0.9 m/ka，持续约200 ka。阶地抬升速率与十年尺度GPS速度及同震滑移量之间缺乏相关性，表明永久弧前变形与伊拉佩尔地震周期的同震和震间阶段无关。弹性位错模型进一步显示，上盘正断层对地表变形模式贡献微弱（仅约10%）。研究人员提出，MIS 7期间的短暂抬升加速与俯冲板块浅表海山链引起的边界条件变化有关，可能伴随深部底侵作用的增强，而非地震周期或地壳断层活动主导。

**关键技术方法**
1. **海成阶地高程填图**：基于12 m分辨率的TanDEM-X地形数据，利用TerraceM软件识别古海崖基底与海蚀平台的交点（岸线角）以获取阶地高程，并沿垂直于海岸线方向布设宽幅剖面（100–200 m）以减小地形扰动影响。
2. **光释光测年**：对沉积物中的粗粒钾长石（150–200 μm）采用后红外红外释光（post-IR IRSL, pIRIR₂₂₅）协议，通过多颗粒和单颗粒测量获取等效剂量，结合环境剂量率（基于高分辨率γ谱仪测定U、Th、K含量）计算埋藏年龄。样本来自智利中部30°S–32°S沿岸5个地点（Tongoy、Talinay、Los Vilos、Pichidangui、Los Molles），深度1.2–5.5 m。
3. **抬升速率计算**：采用非递增和递增抬升速率公式，考虑古海平面位置（基于MIS 5e、7、9等阶段的海平面高度）及误差传递，利用景观演化模型（LEM）评估阶地再占用可能性。
4. **弹性位错建模**：基于Okada函数，对主要正断层（如Puerto Aldea断层、Los Loros断层等）进行滑动速率反演，拟合阶地抬升模式，并分离背景抬升与断层贡献。
5. **地震周期参数对比**：利用2010–2015年GPS垂直速度、震间锁定程度（Melnick et al., 2017）及2015年伊拉佩尔地震的同震滑移分布（Tilmann et al., 2016），与阶地抬升速率进行相关性分析。

**研究结果**
**4.1 地层学与光释光年龄**
通过8个新测得的post-IR IRSL年龄（80–124 ka）及已有年龄约束，明确了MIS 5e、5c、5a沉积物的环境属性：MIS 5e为浅海相沉积，MIS 5c和5a为陆相冲积或风成沉积，构成阶地废弃后的表层覆盖，为阶地归属提供了最小年龄约束。

**4.2 海成阶地高程**
识别出四个阶地（L1–L4），岸线角高程在空间上表现出显著变化。L1（MIS 5e）高程约20 m，在Los Loros断层（LLF）附近出现局部下降，南部升至>50 m；L2（MIS 7）高程40–55 m，南部升至75–85 m；L3（MIS 9）高程60–170 m，在LLF处分界明显；L4（约1 Ma的rasa面）高程120–230 m，波状起伏波长15–100 km，显示出与断层活动相关的变形模式。

**4.3 震间锁定、GPS速度与同震滑移分布**
震间锁定在30.3°S–31.4°S海岸带极高（≥0.9），向南渐降至0.6；GPS垂直速度在大多区域显示沉降（-1.2至-5.8 mm/yr），仅Los Vilos站显示抬升（+0.5至+6.4 mm/yr）。同震滑移呈钟形分布，最大值3.7 m位于31°S。阶地抬升速率与震间锁定、GPS速度及同震滑移均无显著相关性，表明永久变形与地震周期过程解耦。

**讨论总结**
研究通过对比三种年代假说，选定最合理的方案（Hypothesis 2），将L4归为rasa面（约1 Ma），并计算递增抬升速率，确认MIS 7期间抬升速率异常增大（0.5–0.9 m/ka），而MIS 5e和9仅0.1–0.3 m/ka。弹性位错模型显示，背景抬升（约90%）主导了阶地变形，断层贡献有限（<10%），且断层滑动速率自MIS 9以来略有下降（0.1–0.2 m/ka）。短暂抬升的机制可能涉及两种深层过程：一是俯冲海山链（如MSC1和MSC2，高900–1300 m，宽2–7 km）在MIS 7期间移入海岸线下方，导致上覆板片弯曲抬升，随后因海山脱落或破坏而减速；二是侵蚀-底侵循环中，边界条件变化（如基底摩擦增大）触发地壳推覆体的底侵，形成短暂抬升脉冲。两种机制可能协同作用，揭示了弧前变形受深层动力学（如海山俯冲和板片界面过程）而非浅部地震周期控制的复杂性。

**结论翻译**
本研究基于对智利中部伊拉佩尔地区海成阶地的详细填图和测年，为弧前区域永久海岸抬升的控制过程提供了新见解。研究人员结合已有年龄约束、8个新的post-IR IRSL年龄及阶地横向对比，识别出由MIS 5e、MIS 7、MIS 9和约1 Ma的rasa面组成的海成阶地序列。研究人员发现，在MIS 7期间出现了短暂的加速抬升脉冲，叠加在长期低而稳定的抬升模式之上。这种短暂变形无法用巨型逆冲地震的震间或同震过程，也不能单独用上地壳断层活动来解释。相反，研究结果表明，抬升瞬变很可能由深层过程驱动，特别是中等规模海山俯冲与俯冲通道内增强的底侵作用联合影响。这些机制可能同时作用，暂时改变板界面的结构力学条件，导致短暂但显著的地表变形。这项研究强调了在弧前区域长期变形历史中识别短暂抬升事件的重要性，这有助于评估俯冲带沿线的海岸灾害。