苏门答腊俯冲带分段边界弧前区的精细结构研究

Ruptures of the megathrust earthquakes in the Sumatra subduction zone were segmented in regions such as Simeulue Island and Batu Islands. The segmentation of the megathrust ruptures offers an unprecedented opportunity to understand the megathrust earthquake mechanism and the controlling factors of the ruptures and their propagation, and to predict the slip potential of the megathrust fault that may lead to a tsunami. Using the active-source wide-angle seismic data collected in the areas around Simeulue Island and Nias-Batu Islands, a 3-D P-wave first-arrival travel-time inversion technique and a 3-D P-wave joint refraction/reflection travel-time inversion technique are used to invert the travel-times picked from the wide-angle data for the P-wave velocity models of the study areas. Furthermore, a 3-D simultaneous P- and S-wave first-arrival travel-time inversion technique will be developed and used to invert for the S-wave velocity models. Based on these models inverted, we will reprocess the reflection seismic data collected in the study areas and relocate the earthquakes recorded approximately in the same areas. We will combine all these models and results to extract and analyze the detailed structure of the Sumatra subduction zone and the geophysical properties of the megathrust fault, in order to understand the structural and/or physical causes of the segmentation of the megathrust rupture. This study represents a new step in investigating detailed structure of tectonic plates on a regional scale, providing a new perspective and approach of studying structural and physical properties and dynamic characteristics of the subduction zone, with a combination of all types of seismic data.

苏门答腊俯冲带逆冲型大地震的断裂带在西姆鲁岛和巴图岛等区域被分隔，这种断裂带的分段现象对于理解俯冲带大地震发生的构造机理与逆冲断层破裂、发展的控制因素，预测断层滑动潜能及其引发海啸的风险等提供了重要契机。基于在西姆鲁岛和尼亚斯岛-巴图岛两个俯冲带弧前区采集的人工源宽角地震数据，利用三维纵波初至到时反演与纵波多震相到时反演方法反演拾取的到时数据，以获得研究区的纵波速度模型；在此基础上，发展三维横波和纵波到时联合反演技术，以获得研究区的横波速度模型。利用这些速度模型，对研究区的人工源反射地震数据进行深度域偏移成像，并对在研究区发生并记录的天然地震重新定位并进行联合到时反演,以综合分析苏门答腊俯冲带结构及大型逆冲断层的地球物理特征，研究大地震断裂分段的构造成因与物理机制。本研究体现区域性精细构造研究的新进展，在综合利用地震数据研究俯冲带构造、物理属性和动力学特征方面提供了一种新的思路与途径。

自2004年Mw 9.1级苏门答腊俯冲带大地震和随后2005年Mw 8.6级尼亚斯大地震发生以来，沿着苏门答腊俯冲带的一系列大地震清晰地描绘出地震断层破裂带的界限和分段区域。本研究着眼于这两次地震的分界区域-西姆鲁岛及毗邻的尼亚斯岛的精细结构研究，利用主动源OBS地震数据的纵波折射初至走时、折射/反射多震相走时反演西姆鲁与尼亚斯岛附近俯冲带的精细速度结构，并基于速度模型，利用局部地震重定位方法以及反射地震数据的叠前偏移方法，反映2005年尼亚斯大地震余震震源的分布和俯冲带板块分界面（滑脱面）的构造特征。通过较为系统和深入的研究，获得了西姆鲁地区的三维含板块分界面的精细速度结构、尼亚斯地区的三维光滑速度结构、尼亚斯大地震的余震活动性分布以及十余条深度域偏移剖面。通过对这些地球物理特征的联合分析与解释，结合地质信息，我们明确了苏门答腊俯冲带2004/2005地震断层破裂带的分界主控因素为下冲印度洋板块上既有的壳幔结构--沿96°经线断裂带，其表现为低速的异常海洋地壳增厚和崎岖不平的洋壳顶面。这个异常体与积聚在大陆板块边缘的阻滞体相作用，形成地震异常闭锁区，阻碍了2004年苏门答腊俯冲带大地震断裂向东南方向延伸发展以及2005年地震断裂向西北发展。余震震源分布能够印证这一结论，同时显示出更小尺度的结构构造，例如板块分界面局部地形异常区引起起震区向西姆鲁岛中部缩进、下冲地壳可能有贯穿的活动断层等，而沿海沟的深度域偏移剖面则显示出板块分界面的反射层性质在沿96°经线断裂带两侧存在显著差异。这些结果互相补充，构成一个较为系统的解释，针对西姆鲁区域的地震分段边界形成了比较明确的结论，对其他地区的俯冲带研究与地震断层破裂分界研究，例如青藏高原东缘龙门山断裂带、西太平洋俯冲带研究等，具有一定的参考价值，同时也填补了我国在苏门答腊俯冲带地震精细构造研究、地震与海啸等地质灾害研究以及弧前盆地油气资源评价方面的空白，具有一定的科学意义和经济价值。