流体作用与结构因素对中小规模地震活动的调控：以2020年阿尔及利亚东北部Ghardimaou–North Constantine断层带El Kantour地震（震级5.3）为例的探究

《Tectonophysics》：Fluid-mediated and structural controls on small-to-moderate seismicity: Insights from the 2020 El Kantour Mw 5.3 sequence, Ghardimaou–North Constantine Fault Zone, NE Algeria

研究阿尔及利亚东北部Ghardimaou–North Constantine断层带（GNC）的地震机制，通过2020年Mw5.3主震的高分辨率余震定位（盲断层SSW倾伏）和应力反演，揭示其由多重耦合过程（孔隙压扩散、静滑移、脆性破裂）调控，形成自调节反馈系统，抑制大破裂。强调需整合水力耦合、流体弱化、地壳异质性等要素改进地震评估模型。

　　Ghardimaou–North Constantine（GNC）断裂带位于阿尔及利亚东北部，是研究地震活动与断裂带结构复杂性之间关系的重要对象。该断裂带的长度约为400公里，其滑动速率约为2.4毫米/年，却主要表现为中等规模的地震活动，而非大型的地表破裂地震。这种现象与传统的走滑断裂带行为形成鲜明对比，为理解地震发生机制提供了独特的视角。2020年发生在该断裂带上的Mw5.3埃尔坎图尔地震，是该断裂带记录的最大地震事件，为研究其地震学特征和力学行为提供了宝贵的数据支持。

通过高分辨率的余震定位分析，研究团队揭示了该断裂带内部存在一个隐蔽的、向南西南倾斜的主断裂带（MSF1；方位角约为N107–109°E），以及一系列平行的次级断裂带，形成了一个分布式的断裂网络。这种结构有助于将应变能量分散到多个断裂带中，从而抑制了大规模地震的产生。此外，余震的深度分布表明，该断裂带的地震活动主要集中在中地壳区域，其地震发生层厚度约为14公里，这一厚度与区域内的下地壳低速区（LVZ）相吻合，暗示该低速区可能在断裂带的解耦和中地壳屏障中起到关键作用。

研究还通过应力倒推分析，发现该断裂带具有机械弱性特征，其摩擦系数（μ）非常低，约为0.25，同时具有较高的断层激活角度。这些结果表明，该断裂带在地震发生过程中表现出较低的阻力，使得地震能量更容易在断层面上释放。然而，这种低摩擦特性并未导致大规模地震的发生，而是通过复杂的断裂网络和应变分布机制，将地震能量分散到多个较小的断层上，从而避免了地震的快速传播和集中释放。

从地震序列的表现来看，埃尔坎图尔地震的余震活动呈现出双重特征。一方面，主震附近的余震表现出典型的主震-余震模式，地震活动集中在主断裂带附近，显示出清晰的应力释放路径。另一方面，大多数余震（85%）则分布在远离主震的浅层区域，形成类似群集的地震活动模式。这些浅层地震的断层方向与主震断层存在显著差异，表明它们可能由不同的断层结构或不同的应力条件所驱动。这一现象进一步支持了该断裂带存在复杂的断裂网络，而不仅仅是单一的主断裂带。

此外，研究团队还分析了地震序列的时空特征，包括约0.8公里/天的地震活动迁移速率、初始快速释放的地震活动（最高可达7公里/天）、地震活动的空间分布范围（约6公里）以及约42天的间歇性活动模式。这些特征为理解该断裂带的流体动力学过程提供了重要线索，特别是流体压力的扩散和非地震滑动的激活。流体压力的扩散可能在地震发生前后对断层的稳定性产生重要影响，通过改变断层面上的摩擦状态，促进或抑制地震的发生。

在地震发生后，研究人员通过监测沙质泉水的喷发情况，确认了该断裂带周围存在短暂的孔隙压力扰动。这种扰动可能与地震过程中流体的重新分布有关，表明该断裂带在地震发生后仍然受到流体动力学过程的显著影响。这些观测结果揭示了地震过程中多种机制之间的耦合关系，包括同震应力传递、流体压力扩散、非地震滑动和脆性破裂。这种耦合机制形成了一个自我调节的反馈系统，通过在渗透性断裂网络中分布应力，防止了地震的持续扩展和大规模破裂的发生。

本研究的发现对传统的地震危险性评估模型提出了挑战。传统模型通常依赖于断层长度与地震规模之间的线性关系，即断层越长，可能产生的地震规模越大。然而，GNC断裂带的情况表明，这种关系并不总是适用，尤其是在存在复杂的断裂网络和流体驱动机制的断裂带中。因此，研究团队呼吁建立更加综合的水力学模型，以考虑流体驱动的弱化、非地震滑动和地壳的非均匀性。这些模型将有助于更准确地评估地震风险，特别是在流体丰富的、机械弱化的断裂带中。

从地质、构造和结构背景来看，GNC断裂带位于阿尔及利亚东北部的Maghrebides山脉带，该山脉带是非洲北部边缘的重要构造单元。Maghrebides山脉带的结构方向主要为东-西向，其形成与阿尔卑斯造山运动密切相关。该区域可以分为三个主要的地质单元：内部Maghrebide域（IMD）、飞来石Maghrebide域（FMD）和外部Maghrebide域（EMD）。IMD主要由高温变质岩组成的结晶岩体构成，而FMD和EMD则可能包含更多的沉积岩和构造变形的特征。

研究团队还通过全波形反演（Full Waveform Inversion, FWI）技术，结合宽带地震仪的数据，对埃尔坎图尔地震的震源特性进行了详细分析。他们使用了阿尔及利亚数字地震网络（ADSN）的四个宽带站点和地中海超宽带地震网络（MedNet）的一个三通道站点的数据，对地震波的传播特性进行了建模。通过对地震波的频率范围（0.06–0.1 Hz）进行带通滤波，研究人员能够更准确地解析地震的震源参数，包括震源机制和地震波的传播路径。这一分析为理解地震的发生机制和断裂带的结构特征提供了重要的物理依据。

讨论部分指出，由于研究区域缺乏浅层地震勘探和深部地震反射剖面，直接成像地下断裂带的几何结构存在一定困难。然而，通过整合地震定位、震源机制和应力分析，研究团队仍然能够确定导致2020年地震序列的地震发生结构。这一结果表明，即使在缺乏直接观测数据的情况下，多源数据的综合分析仍然能够揭示断裂带的复杂性及其对地震活动的影响。

结论部分强调，2020年埃尔坎图尔地震序列为理解MAD断裂带及其所属的GNC断裂系统提供了新的视角。通过地震学分析，包括HypoDD定位、深度分布和震源机制，研究人员揭示了该断裂带结构的复杂性，包括多个平行的断裂带和显著的断裂带分割特征。这种结构不仅有助于应变的分布，还可能在地震发生过程中起到限制作用，防止地震能量的集中释放。此外，研究还表明，流体驱动的弱化过程可能在地震发生前后对断裂带的稳定性产生重要影响，这为未来研究断裂带的地震活动机制提供了新的方向。

综上所述，该研究通过多学科方法，揭示了GNC断裂带中地震活动的复杂机制，包括断裂带结构的多样性、流体动力学过程的作用以及应变分布的非均匀性。这些发现不仅加深了我们对地震发生机制的理解，还为地震危险性评估提供了新的思路和方法。在未来的地震研究中，综合考虑断裂带的结构特征和流体动力学过程，将有助于更准确地预测地震的发生和发展，从而为地震灾害的预防和减轻提供科学依据。