温联星研究组
 
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本研究组发现地下水变化引起的强烈地壳形变

2018-12-18

近日,中国科学技术大学地震与地球内部物理实验室温联星研究组,利用美国板块边界观测平台(PBO)的钻孔应变观测资料,发现地壳浅层局部区域发生了比地球固体潮应变大1至2个数量级的强烈长周期形变。论文指出该强烈应变与当地地下水变化相关,并提出了其物理机制。该成果首次发现与地下水相关的异常强烈形变信号,并提出了一种由降水至地下水渗透及孔弹反应产生地壳变形的物理机制。 2018年11月30日,该成果发表于国际著名期刊《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters)(论文链接),其作者为研究组博士生陆洲及其导师温联星教授。

与固体地球相互作用的各种力会使地球内部发生应变和应力变化。这些应变和应力的变化触发和调制了地震、火山、慢滑移等地质构造事件。比如,关于太阳和月球与固体地球的万有引力引起的地球固体潮是否触发了地震等各种灾害事件,就是科学界一直广泛研究的问题。研究组系统分析了PBO钻孔应变资料,在美国加州Parkfield和Anza两个地区发现了异常长周期形变信号。该形变信号出现于2010年12月,并在此后持续了三四年之久。它表现出了强烈的形变变化,其最大变化幅度达2微应变,比地球固体潮造成的应变大1至2个数量级。相似的信号也出现在相同地区的其它类型的观测中,包括降水、孔隙压力、地下水水位、土壤水含量等。研究指出,该应变信号及其与孔隙压力的关系,可以用一个由浅层可渗透介质和深层不可渗透介质组成的双层孔弹地壳模型来解释:降水由地表渗入可渗透介质中,通过孔弹作用,使地壳发生变形。在不同区域,可渗透介质的厚度不同,导致雨水渗透深度不同,从而造成了具有区域性特征的形变与孔隙压力关系。

该研究表明,地下水的变化可以使地球浅表发生比地球固体潮还剧烈的应力和应变变化,并且这些变化与当地的水文环境和水文特性紧密相关。因此,构造事件的触发机制研究应考虑地下水变化造成的应力和应变变化。

论文链接https://doi.org/10.1029/2018GL080856

参考文献:Lu, Z., & Wen, L. (2018). Strong hydro-related localized long-period crustal deformation observed in the Plate Boundary Observatory borehole strainmeters. Geophysical Research Letters, doi:10.1029/2018GL080856

图1 PBO应变观测台站分布图。红色三角形表示观测到异常长周期应变信号的台站,而靛青色三角形表示未观测到该信号的台站。

图1 PBO应变观测台站分布图。红色三角形表示观测到异常长周期应变信号的台站,而靛青色三角形表示未观测到该信号的台站。

图2 在美国加州Parkfield和Anza两个地区降水、地下孔压和应变中观测到的长周期异常信号。黄色背景标记该信号出现的时间。

图2 在美国加州Parkfield和Anza两个地区降水、地下孔压和应变中观测到的长周期异常信号。黄色背景标记该信号出现的时间。

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