摘要
地球移动构造板块下的弱软流层的概念是我们理解地幔对流和板块构造的基础。然而，人们对海洋地壳之下的软流圈(岩石圈以下的上地幔的一部分)的力学性质知之甚少，而海洋地壳覆盖了地球表面的60%左右。大地震会在离断裂区数百公里远及以下的地区引起大的同震地壳变形。粘弹性上地幔中地震诱发应力的松弛导致长时间的震后地壳变形，这种变形可能持续几十年，可以用大地测量方法记录下来1，2，3.．观测到的震后变形有助于我们了解上地幔的流变学性质，但迄今为止，此类测量仅限于大陆板块边界带。这里我们考虑2012年印度洋特大地震(矩级8.6)的震后变形4，5，6为海洋地幔流变学的结构提供迄今为止最直接的约束条件。在印度洋地震后的头三年里，该区域37个连续的全球导航卫星系统站在与同震偏移相似的方向上，发生了高达17厘米的水平东北位移。然而，在地震期间经历了高达4厘米下沉的破裂区域附近的几个站点在地震后上升了近7厘米。我们的三维震后变形粘弹性有限元模型表明，薄(30-200公里)，低粘度(具有(0.5-10)× 10的稳态麦克斯韦粘度18弹性海洋岩石圈下的软流层是产生观测到的震后隆起所必需的。
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确认
这项工作部分得到了北极地区超级计算中心和阿拉斯加费尔班克斯大学的HPC资源的支持。加拿大地质调查局的J. He编写了用于这项工作的有限元计算机代码。这项工作由美国国家科学基金会拨款EAR-1246850资助，并受益于米勒科学基础研究所对R.B.的支持和新加坡国家研究基金会对E.M.H.的支持(NRF-NRFF2010-064)。孟菲斯大学的J.保罗提供了安达曼群岛的GPS数据。SuGAr由新加坡地球天文台和印度尼西亚科学院(LIPI)共同维护。这是伯克利地震实验室2016-5年的贡献。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
Y.H.和R.B.一起设计了这项研究，并完成了大部分的写作工作。Y.H.进行了数值模拟。p.b.， L.F.和E.M.H.收集并处理SuGAr网络的每日时间序列。T.I.和T.T.收集并处理AGNeSS网络的每日时间序列。K.W.协助建模策略。所有作者都对最终手稿的解释和准备做出了贡献。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有相互竞争的经济利益。
额外的信息
审核人信息自然感谢G. Hirth和W. Thatcher对这项工作的同行评审所作的贡献。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图1 GNSS台站位置与地震米w从2009年到IOE≥6.5。
洋红色的星星代表了公元前的地震中心。红色和黑色箭头分别代表本工作中使用或排除的台站的地震后两年位移。车站名称用相同的颜色标记。实心棕色方块、三角形、菱形和倒三角分别代表来自SuGAr、IGS、Memphis和AGNeSS网络的GNSS。
图3去除前几次地震的震后变形、长期运动和季节变化后的震后GNSS时间序列。
一个，b而且c分别显示时间序列的东、北、向上分量。红色和黑色的线分别代表在这个工作中被选择或被排除的那些站。用连续的青色曲线拟合震后时间序列来约束我们的震后变形模型。
图4 IOE不同源模型的比较
一个同震滑动分布来自Wei等．6他对区域和远震波形数据进行了反演。本文采用了他们的断层滑动模型。同震GNSS观测是根据IOE前后5天的静态偏移估计的。b同震滑动分布来自Yadav等．16，反演了每日GNSS数据IOE前后5天的静态偏移量。模型预测按0.8比例缩放，以更好地拟合同震GNSS数据。c同震滑动分布来自Hill等．7，他们反演了中场高速率(秒速率)GNSS数据IOE前后约10分钟的静态偏移量，以及远场每日GNSS数据IOE前后10天的静态偏移量。模型预测按1.5比例缩放，以适应同样的GNSS数据，也显示在一个而且b更好。在上面的面板中，红色和黑色箭头分别表示同震GNSS观测和模型预测的位移。粗灰色线代表IOE的反向破裂段。在下面的面板上一个黑色箭头和彩色等高线分别表示模型预测的三年后水平和垂直位移。在下面的面板上b而且c位移由试验模型减去实际模型得到一个．
图5不含低粘度海洋软流圈的50 km以下均质海洋上地幔试验模型3年后GNSS观测与预测位移的比较
红色和黑色箭头分别表示水平GNSS观测值和水平模式预测位移。棕色实条和蓝色实条分别表示GNSS垂直观测和模型预测的垂直位移。一个，大洋上地幔粘度为1020.Pa。b，大洋上地幔粘度为1019Pa。
图6海洋软流圈范围、层状地球和岩石圈厚度变化对地表变形的影响
位移是由一个试验模型减去PM，其中岩石圈厚度，厚度(D一个)和粘度(η一个)，以及下伏海洋上地幔的粘度(ηO)分别为50公里、80公里和2 × 10公里18Pa和1020.分别是Pa。黑色和彩色轮廓分别表示水平和垂直位移。厚厚的棕色线条勾勒出了壕沟的位置。一个在试验模型中，岩石圈厚度假设为30 km，即比PM薄20 km。b，类似于一个除了岩石圈厚度为70千米之外。c，在试验模型中，板坯不存在。d在试验模型中，海洋软流圈在海沟处终止，不随俯冲板向下延伸。粗粗的灰色线条一个为IOE破裂段。
图7流变单元中的粘弹性松弛和IOE的后滑移对地震后3年累积地表变形的贡献。
一个，仅海洋软流圈中黏弹性松弛引起的表面变形。大陆和海洋上地幔被认为是弹性的。b，仅海洋上地幔黏弹性松弛引起的地表变形。c，单地幔楔体黏弹性松弛引起的地表变形。粗灰色线代表IOE的破裂段。d，假定其他部位不存在粘弹性松弛，则剪切带中建模后滑移引起的地表变形。打开的箭头和颜色等高线分别表示水平和垂直模型预测的位移。
图8 IOE后的后滑移对地表变形的影响。
一个、后滑剪切带稳态粘度η年代是5 × 1017爸爸，还有η一个= 2 × 1018允许在深度0-65千米处发生余震。红色和黑色箭头分别表示水平GNSS观测和模型预测的位移。洋红色实条和白色实条分别表示垂直GNSS观测和模型预测的位移。黄色箭头和彩色轮廓分别表示测试模型减去PM后的差值水平(DIFF−Hori)和垂直(DIFF−Vert)分量。b，类似于一个除了一个低η年代= 1017Pa。c，类似于一个除了高η年代= 1018Pa。d，类似于一个但只允许在浅层(≤50 km)发生后滑移，不允许发生深部后滑移。e，类似于一个不过，只允许在较深的深度(50-65公里)发生余震，不允许发生浅层余震。f，η年代= 5 × 1017爸爸，还有η一个= 1020.0-65千米深度允许发生余震。
扩展数据图9由于模型参数变化和GNSS观测数据与预测位移比较导致的地震后三年位移。
一个，试验模型减去PM计算的表面变形。在试验模型中，软流圈在沟槽处终止，不随下移板延伸。η一个比PM低一个数量级。其他模型参数与PM相同。黑色箭头和等高线分别表示地震后三年的水平和垂直地表位移。粗灰色线代表IOE的破裂段。b，类似于一个除了η一个和PM一样，但是D一个= 200公里，比PM厚2倍多。c在PM中，岩石圈和软流圈之间的尖锐边界被一个20公里厚的过渡带所取代，在该过渡带中，粘度从10开始呈线性下降22Pa s在岩石圈底部优选为2 × 1018软流层的Pa。d而且e测试模型是否最适合水平(图3)和垂直(图3 b) GNSS观测数据。红色和黑色箭头分别表示水平GNSS观测值和水平模式预测位移。棕色实条和蓝色实条分别表示GNSS垂直观测和模型预测的垂直位移。粗灰色线代表IOE的破裂段。f，最佳拟合水平和垂直GNSS数据的最佳最低失配测试模型(PM) (图3 c)的数据，与图5．海洋上地幔粘度值(ηO)，厚度(D一个)和粘度(η一个中，每个试验模型的软流圈的参数均标注在每个图的顶部d而且e．的价值χ2在每个测试模型中都标记为插入文本。
扩展数据图10 PM地震后位移演化
一个，b而且c分别显示地震后一年、三年和十年的累积地表震后位移。黑色箭头和等高线分别表示水平位移和垂直位移。粗粗的灰色线条一个为IOE破裂段。d，e而且f分别显示了位于海沟(红线)、苏门答腊西部(黑色)和东部(绿色)海岸以及内陆(蓝色)、北纬3°N的4个地表样点在东、北和向上的地震后位移演变。这四个点的位置也显示为中实点一个用相同的颜色编码。
补充信息
补充表1
此表显示三年的地震后GPS累计位移。(CSV 3kb)
权利和权限
关于本文
引用本文
胡勇，Bürgmann, R.，班纳吉，P.;et al。软流圈流变学从2012年印度洋地震观测推断。自然538， 368-372(2016)。https://doi.org/10.1038/nature19787
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DOI：https://doi.org/10.1038/nature19787
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