快速演变的三板块边界上的一次大地震破裂*

快速演变的三板块边界上的一次大地震破裂*

Kevin P Furlong1)Thorne Lay2)Charles J Ammon1)
1)Department of Geosciences，Pennsylvania State University，State College，PA 16802，USA
2)Department of Earth and Planetary Sciences，University of California，Santa Cruz，CA 95064，USA

2007年4月1日，一次大海啸地震(MW8.1)使得所罗门群岛俯冲带在一个三联点处破裂。在这个三联点上，澳大利亚板块、所罗门海-伍德拉克盆地板块在不同滑动方向上同时向太平洋板块俯冲。大地震过程中，相关的滑动方向突变使得太平洋板块上部收敛滞弹性变形，这就产生了Simbo俯冲断层之上弧前的局部隆起，潜在地放大了局地海啸振幅。地震周期过程中的弹性形变似乎主要通过上冲的太平洋弧前来调节。这次地震显示了极其年轻的俯冲大洋岩石圈的孕震潜力和横贯坚实地质边界的破裂能力，也显示了引起隆起和海啸的复杂同震滑动的后果。

典型的大地震涉及到两个构造板块之间的突然滑动，而且最大的地震发生在由大洋板块插入上冲板块下方的地幔所造成的俯冲带上。在某些地点，两个大洋板块的边界冲击俯冲带，造成这两个大洋板块以不同的速率和方向降到上冲板块之下。2007年4月1日所罗门岛MW8.1级大地震(8.47°S，157.04°E，20:39:58.7 UTC)就是这种情况［1］。这次地震造成了太平洋上冲板块(PaP)与独立俯冲的澳大利亚(AuP)和所罗门海-伍德拉克盆地(SWP)板块之间的大型逆断层破裂 (图1)。根据余震结果［1］、隆起/沉陷模式［2-4］和初步破裂分析［5-6］，推断的沿圣克里托巴和新不列颠海沟的破裂区横跨将SWP和AuP板块分开的Simbo转换断层的下倾延展部分;因此，地震破裂横穿SWP-AuP板块边界。破裂产生了局地大海啸，造成大约50人死亡、超过9000人无家可归。

在2007年地震前，三板块交汇处的地震活动性很低，没有板间大地震记录［7］;因此，震前地震活动或其他可利用的地质或构造数据只能提供有限的有关俯冲带几何学方面的资料。Simbo断层下倾延展部分之上的区域是全新世快速隆起的区域［8］。目前沿海沟俯冲的岩石圈年龄大概在0.5～3.5 Ma之间，而且科学家已经推断如此年轻、炽热的岩石圈将不会产生大地震。这里，我们通过描绘2007年地震破裂来阐明在此次地震之前应变是如何在俯冲板块和上冲板块之间分布的。

约0.5 Ma前，伍德拉克盆地扩张脊的最东部向所罗门岛西部边缘之下俯冲(图1)，洋脊-海沟三联点以每年110～120 mm的速率向西北迁移。板块俯冲速率和方向上的差异形成了目前位于新乔治亚岛南部下方的板片窗。SWP以每年135 mm(N45°E)的速度俯冲，而AuP则以每年97 mm(N70°E)的速度俯冲［8-9］。约0.5 Ma前伍德拉克盆地脊面向海沟方向的部分几乎完全停止扩张［8-9］，同时形成了Simbo右旋走滑转换断层，导致Ghizo岩石圈碎片(图1)从SWP迁移到AuP。Simbo转换断层将SWP和AuP之间的板块运动调整到每年约60 mm，由Simbo转换断层和海沟形成的新的三联点以每年～110 mm的速度向东南迁移。

图1 2007年4月1日MW8．1级地震(星号表示震中位置)破裂区的板块构造背景和最近的构造演变。灰线表示0．5 Ma前的板块边界结构，包括初期的Simbo转换断层和由扩张活跃的伍德拉克扩张脊俯冲产生的板片窗。黑线表示现在的板块边界结构。三角阴影区(Ghizo碎片)代表0．5 Ma前从SWP迁移至AuP的伴随Simbo转换断层形成的俯冲大洋岩石圈的范围。根据Tregoning等［10］，我们认为伍德拉克盆地和所罗门海组成了一个单一的构造单元，即所罗门海-伍德拉克盆地板块(SWP)。箭头显示了SWP和AuP相对于PaP的板块运动。插图示出地震破裂区用三角形表示的板块运动速度。SCT:圣克里托巴海沟;NBT:新不列颠海沟;B: Bougainville;M:Mbava;V:Vella Lavella;R:Ranongga;G:Ghizo

图2 破裂传播方位角为305°情况下作为方向参数Г的函数绘制的Rayleigh波R1有效震源时间函数(STF)。沿破裂方向(正Г)的STF持续时间很短，表明在305°方向主要为单侧破裂。沿STF端点拟合一条直线，将其投影至Г的极限值(±0．25 s/km)，我们便会得到STF的持续时间(最小52 s、最大182 s、平均117 s);由于STF的离散性，每个值约有±10 s的不确定性。直线显示了STF的起始、平均以及终止时间。STF显示主震7 min后明显有一次大余震

远震体波和短弧Rayleigh波(R1)被用来描绘主震破裂特征。R1震源时间函数(STF)的方位角变化［11］对平均破裂长度和破裂传播速度形成约束。图2显示R1震源时间函数在破裂方向上很窄(～50 s)，而在相反方向上则较宽(～180 s)。系统性持续时间变化与平行于海沟轴的单侧破裂一致，平均破裂速度为2.5±0.4 km/s。震源时间函数得出的地震矩为2.5×1021N·m(M= 8.2)，比全球矩心矩张量(GCMT)估算的稍大，GCMT给出的倾角非常大(37°)［5］。震源时间函数显示主震之后约7 min后有一次明显的大余震。这次MW=6.6地震起始于主震震源西北约200 km处(7.17°S，155.78°E，20:47:31.3 UTC)。

采用规定了断层取向的最小二乘反演，指定破裂速度Vr、次生断层可变滑动角和震源时间函数，我们计算了远震P波和SH波在方位角分布相对均匀情况下的有限断层模型，所获得的解为断层走向305°±5°、倾角25°±5°、Vr=2.5±0.4 km/s(图3)。破裂速度变化的主要影响就是造成了滑动带的延长。就断层倾角、走向和数据子集的变化而言，基本解是稳定的。

滑动模型显示在浅部主要有两处沿走向的滑动，两处滑动角的系统差为36°(近震中处的平均滑动角为49±11°，西北部的滑动角为85±15°)。另一处更深些的滑动位于距震中约100 km处，其滑动角范围处于以上两处滑动角之间。体波也显示主要为单侧破裂，总持续时间约为100 s，地震矩M0= 1.87×1021N·m(MW=8.1)。基本滑动属性与其他研究结果［5-6］一致。

图3 由P波和SH波反演得到的主震有限滑动模型概况。该模型给出的震源机制涉及平均断层取向、有滑动矢量的破裂面(表明PaP相对于SWP和AuP的运动指向，等值线间距1 m)以及矩率函数(表明作为时间函数的地震能量释放)。地震矩(M0)给出的震级为MW=8．1。反演中假定破裂速度Vr为2．5 km/s

主滑动区同震滑动的不同方向界定了震间应变积累的不同区域。如果Simbo断层在0.5 Ma前发育，那么板片界面上这个转变位置(图4)与预期的Simbo断层的下倾范围一致。浅震滑动方向与两对板块目前的相对板块运动的一致性界定了从 SWP迁移到AuP的Ghizo俯冲碎片区。Simbo俯冲断层下倾方向上AuP-PaP和SWP-PaP相对运动方向之间断层滑动的缓慢转变显示俯冲板片与该区至少局部相连，导致了应变积累和同震释放的复杂性。

东南主破裂区破裂的有限深度范围(AuP-PaP相互作用)与极其年轻的俯冲板块以及0.5 Ma前洋脊俯冲过程中发育的板片窗的范围和位置一致(图1)。沿Simbo断层附近大型逆断层相对较小的同震滑动令人难以理解，尤其是考虑到与该区的这次地震相关的明显隆起［2-4］以及类似模式的俯冲转换断层之上的全新世隆起［8］。

图4 地震滑动模型与该区板块构造背景的比较。(a)破裂模型概图，其范围从伍德拉克俯冲(已消逝)扩张中心一直到Simbo转换断层三联点的初始位置(0．5 Ma)。插图显示了沿两个主要矩释放区滑动之间的运动学关系，矩释放导致了观测到的最大隆起区内太平洋上冲板块缩短约2．5～3．0 m。(b)沿俯冲界面破裂的三维图。南部矩释放处的同震滑动表明该区与澳大利亚板块完全相连。较浅的西北部矩释放处内部的滑动表明SWP紧密相连。图中还显示了太平洋板块内同震滑动期间预期的板内缩短位置

对于俯冲带震间和同震弹性应变的积累和释放有两种描述。在“板片变形”模型中，所有震间弹性形变都发生在俯冲板片内，即刚性上部板块没有变形。基于这种假设，所有同震恢复都会涉及到板片的位移。在“上部板块变形”模型中，上冲板块积累了所有的震间形变，因此所有的同震位移都发生在上部板块。与前者相比，后者会产生更多的表面隆起，也更有可能引发海啸。俯冲带的情况可能介于这两种情况之间，而且地震观测通常无法辨别出一个特殊俯冲板块边界究竟位于哪个区域。如果所罗门俯冲体处于该区域的板片变形一端，那么同震滑动则要求在地震过程中和/或Simbo断层加载过程中出现同步或触发滑动。然而这两种情况似乎都没有出现。

实际情况是，所罗门俯冲体的地震周期与上部板块变形模型预期的一致。在地震之前，全球卫星定位系统测得的AuP位移(破裂区正南)显示出澳大利亚相对于太平洋的无阻碍运动［12］，意味着澳大利亚俯冲板块没有(即使有也很少)应变积累。与地震相关的上隆模式［2-3］以及最大的局部海啸的位置［3-4］与两处板间位移之间过渡带内上部板块的同震缩短量一致(图4)。在岛弧-海沟区的群岛上观测到的隆起可能源于同震形变或震后快速形变［2-4］，这些岛屿包括Ranongga、Mbava和Vella Lavella，它们都位于Simbo俯冲转换断层和Simbo洋脊之上。以前，这个近海沟隆起被认为源于一个狭窄矩形断层上方5 m的均匀滑动［2］，但图3显示的更复杂的断层破裂模式，尤其是Simbo俯冲转换断层附近的断层滑动相对极小值，表明要对此隆起模式作出解释，除了沿Simbo断层测深学的俯冲解释外还可能有另外一种机制。

观测得到的同震滑动模式给出的隆起模型显示该区局部隆起的增加超过了30%。同样，该区最大海啸的局部位置［3-4］可能体现了局部隆起(如果是同震的)的放大效应和/或反映出两处性质不同的矩释放所产生的波的相长干涉。别处沿边缘近海沟岛屿的数量有限，使得我们无法判断在Ranongga岛观测到的隆起和海啸是否是沿破裂带的典型特征。Ranongga(和相关岛屿)的存在以及附近岛屿长期的快速隆起模式(在全新世大于每年3 mm)［8］意味着这个区域代表着近海沟隆起的相对最大值。如图4所示，假设此次事件代表了上部板块形变，那么我们得到的2007年地震的破裂模型便意味着这个快速隆起代表着覆在东南破裂区之上的弧前和覆在西北破裂带之上的弧前之间的太平洋弧前内一个局部的沿岛弧汇聚区。这一复杂破裂模式，外加上部板块为主导的变形状态，增加了类似区域的地震风险。

(注:原文中图件均为彩图)

译自:Science，10 April，2009，Vol.324:226-229

原题:A great earthquake rupture across a rapidly evolving three-plate boundary

(中国地震局地球物理研究所研究生 吴 清译;左玉玲 校)

(译者电子信箱，吴 清:qingqing4259@ yahoo.com.cn)

［1］U.S.Geological Survey，http:∥earthquake.usgs.gov/eqcenter/eqinthenews/2007/us2007aqbk/

［2］Taylor F W，Briggs R W，Frohlich C，et al.Rupture across arc segment and plate boundaries in the 1 April 2007 Solomons earthquake.Nat.Geosci.，2008，1:253-257

［3］McAdoo B G，Hermann Fritz，Kelly L.Jackson，et al.Solomon Islands tsunami，one year later.Eos Trans. 2008，AGU 89:169-170

［4］Fritz H M，Kalligeris N.Ancestral heritage saves tribes during 1 April 2007 Solomon Islands tsunami.Geophys.Res.Lett.，2008，35:L01607，doi:10.1029/2007GL031654

［5］Ekström G，Nettles M.http://neic.usgs.gov/neis/eq_depot/2007/eq_070401_aqbk/neic_aqbk_hrv.html

［6］Ji C.http:∥earthquake.usgs.gov/eqcenter/eqinthenews/2007/us2007aqbk/finite_fault.php

［7］Lay T，Kanamori H.Earthquake doublets in the Solomon Islands.Phys.Earth Planet.Inter.，1980，21:283-304

［8］Mann P，Taylor F W，Lagoe M B，et al.Accelerating late Quaternary uplift of the New Georgia Island Group (Solomon island arc)in response to subduction of the recently active Woodlark spreading center and Coleman seamount.Tectonophysics，1998，295:259-306

［9］Crook K A W，Taylor B.Structure and Quaternary tectonic history of the Woodlark triple junction region，Solomon Islands.Mar.Geophys.Lett.，1994，16:65-89

［10］Tregoning P，Lambeck K，Stolz A，et al.Estimation of current plate motions in Papua New Guinea from Global Positioning System observations.J.Geophys.Res.，1998，103:12181-12203

［11］Ammon C J，Velasco A A，Lay T.Rapid estimation of first-order rupture characteristics for large earthquakes using surface waves:2004 Sumatra-Andaman earthquake.Geophys.Res.Lett.，2006，33:L14314，doi:10. 1029/2006GL026303

［12］Tregoning P，Tan F，Gilliland J，et al.Present-day crustal motion in the Solomon Islands from GPS observations.Geophys.Res.Lett.，1998，25(19):3627-3630

P315.2;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.05.006

2009-11-26;

2010-03-06。