俯冲带是地球上板块构造活动最为活跃的区域之一：冷的大洋板片在此下沉消亡，参与到深部地幔对流中，为全球性板块运动提供关键驱动力，并发育全球最大、最多和最深的地震。这些地震不仅会引起地表震动及海啸、滑坡等次生灾害，同时也“点亮”固体地球深部结构和性质，是研究现今板块构造动力学和地震机理的重要抓手。在这些地震中，能量释放最多、最强烈的地震发生在40-50公里以浅，最大矩震级可达9.5级，其能量释放量是陆内最大地震的上千倍，也是人类观测史上最强地震。研究表明，俯冲大地震（Mw>8）的能量积累和释放具有上百年的周期性，导致地壳发生显著周期性（包括震间、同震和震后期）形变。这些形变可以通过现代大地测量技术，如全球卫星导航系统（GNSS）和干涉合成孔径雷达（InSAR），以毫米级的精度进行测量，为刻画其时空变化特征、探究其动力学机制提供观测约束。
21世纪以来，通过海底GNSS等新的观测和新的理论研究，已在理解处于不同地震周期子时期的水平形变特征方面取得重要进展，但对于大地震的地震周期形变完整演化过程，还缺乏系统性、框架性认识。另一方面，全球气候变化下的表生过程研究（如海平面上升、地面沉降等），需要更精细的地震形变模型定量分离固体地球垂向形变分量，克服垂向形变观测信噪比相对低、量值相对较小但蕴含物理过程相对复杂等问题，进而深入研究圈层耦合下的表生过程。针对上述两方面问题和需求，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变重点实验室李绍阳特聘研究员和陈凌研究员在前人工作的基础上，总结俯冲大地震震后四个子时期水平形变特征的最新认识（图1a），并设计仅与时间和空间相关的两个无量纲参数（即地震复发周期与黏弹性松弛时间之比T/tM、发震层厚度与上覆板块弹性厚度之比D/Hc），进而构建由这两个参数控制的普适性黏弹性地震周期模型。该模型预测的地表形变连续时空变化特征能自洽地解释所有水平观测（图1b），证明虽然不同俯冲带现今可能处于地震周期的不同子时期（即图1中的I-IV），但它们都遵循相同的地震周期性演化物理过程，即俯冲大断层周期性锁滑过程及与此耦合的地幔黏弹性松弛过程。基于该普适性模型，研究者进一步预测出时空连续的水平和垂向地震周期形变特征，进而：1）绘制出大地震震后/震间持续时间相图（图2a），发现现今俯冲带观测存在关键时空空白（图2b）；2）揭示3个关键垂向形变特征（图3）及其时空变化（图4），从而提出俯冲带黏弹性地震周期形变及其动力学内涵的新认识。
图1（a）俯冲大地震震后I-IV四个子时期的水平地壳形变空间变化特征；（b）普适性地震周期参考模型模拟的这些特征（上图）及其相应的水平相向运动边界时空迁移曲线（下图）
俯冲大地震之后，俯冲系统在板片俯冲的持续加载下，俯冲带不可避免地从震后期再次向震间期转变（即从I，II到III，IV，图1）。该转变是衡量俯冲系统应力状态（即挤压或拉张状态）、标识系统开始为下一个大地震积累能量、及其相应地震危险性显著增加的重要指标。然而，由于现代仪器观测时间相对较短（通常最长一二十年），该转变很难直接被观测。通过约束不同俯冲带T/tM和D/Hc的取值范围，进一步模拟水平形变的时空演化（如图1b），从而预测这些俯冲带的震后期/震间期相对时长tB（图2a）。结果显示，俯冲大地震（Mw>8）震后期约为0.2-0.4倍的平均地震复发时长，该时期相同震级大地震的发震危险低，为全球俯冲带的长期地震危险性规划提供指导。另外，通过对比典型俯冲带形变观测的时空范围，对比参考模型结果，发现现今俯冲带形变观测有3个关键的时空空白（图2b，Gap 1-3）。该图像在整体对比不同俯冲带地壳形变异同、指导不同俯冲带未来仪器布设、并展望填补数据空白后解决的关键地震周期科学问题等方面具有重要意义。
图2（a）震后持续时间（tB）受控于时间相关参数（T/tM）和空间相关参数（D/Hc）的相图；（b）全球俯冲带地震周期观测时空空白（Gap1-3）
由于垂向形变信号弱、信噪比低、物理过程复杂，俯冲带垂向地震周期形变的时空变化图像还远不清楚。基于上述普适性模型，研究者选择俯冲断层闭锁相对较浅的（D/Hc≈0.5）北美西部Cascadia和闭锁相对较深的（D/Hc≈1.0）日本西南部Nankai俯冲带为典型案例着重展示（图3a、图3b）。两者未来都有大震的危险性，且研究程度相对较高，因此具有较强科学和社会价值，且具有推广意义。研究发现两者垂向黏弹性地震周期形变具有明显的相似性和差异性，并揭示海岸线附近的沉降-抬升边界（CPL）、位于断层闭锁下边界上方的抬升区（UZ）、和弧后区的抬升-沉降边界(IPL)或沉降区（SSZ）等3个共同的垂向形变特征（图3c、图3d）。这些特征与两个俯冲带现今GNSS垂向速度场有很好的一一对应关系，证明垂向和水平向形变观测受控于共同的黏弹性地震周期动力学过程。该结果纠正了以往的一些认识，将引发学界进一步研究。例如，有研究认为Cascadia弧后现今沉降信号（SSZ）完全来自上次冰川消融后的地幔冰后回弹过程，而无俯冲带地震周期的贡献。
图3（a-b）Cascadia和Nankai热力学结构和相对闭锁深度（D/Hc）；（c-d）数值模拟的Cascadia和Nankai两类俯冲带垂向地震周期形变
研究者进一步系统研究了T/tM和D/Hc对上述3个垂向特征时空变化的控制作用，结果显示：1）CPL空间位置主要受控于D/Hc（图4a），因此该特征可直接指针断层闭锁深度；CPL向海洋方向迁移可以同时反映T/tM和D/Hc（图4b红点）。2）UZ的宽度主要受控于T/tM（图4c、图4d），因此该特征可表示地幔黏度或地震复发时长。3）IPL空间位置同时受控于T/tM和D/Hc。这些结果充分说明垂向地壳形变包含丰富的俯冲带动力学信息，具有很高的观测价值。同时，研究结果也可以辅助设计台站的布设，例如，仅需在海岸线附近或弧后区垂直于海沟方向布设几台永久GNSS站，即可捕获CPL或IPL信号，指示俯冲系统关键物理参数。
图4 a和b、c和d、e和f分别为CPL、UZ和IPL受控于T/tM和D/Hc的时空变化。上排和下排分别为震间早期和晚期的数值模拟结果。X符号代表上覆板片地壳形变为完全下沉，无CPL、UZ和IPL信号
综上，研究者总结近二十年俯冲带地震周期研究进展，更新了黏弹性地震周期理论框架，并建立普适性模型统一解释了不同地震周期子时期的水平形变特征，模拟出时空连续的水平和垂向地震周期形变，为理解全球俯冲带地壳形变观测及其动力学内涵提供有效的理论工具。为了研究地震周期的主要物理过程，他们对模型做了许多必要的简化，如二维的模型、平面的断层和忽略地幔冷楔等小尺度结构。未来，可以进一步研究这些简化对地震周期形变的影响，而更多的观测数据将有助于验证和改进模型（图2和4）。他们预见将有更多后续研究来理解俯冲带地震周期形变及其动力学内涵。
研究成果发表于国际学术期刊GRL和JGR-Solid Earth，研究得到重点研发项目（2023YFF0803200）和国家自然科学基金（42288201）的资助。
1.李绍阳*，陈凌.How Long Can the Postseismic and Interseismic Phases of Great Subduction Earthquake Sustain? Toward an Integrated Earthquake-Cycle Perspective. [J]. Geophysical Research Letters, 2023, 55: e2023GL103976. DOI:10.1029/2023GL103976.
2.李绍阳*，陈凌.Vertical Crustal Deformation due to Viscoelastic Earthquake Cycles at Subduction Zones: Implications for Nankai and Cascadia. [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2024, 129: e2024JB028817. DOI:10.1029/2024JB028817.
编辑：万鹏