预料之外的安第斯地震＊

Nadine McQuarrie

(University of Princeton,Princeton,New Jersey08544-1003,USA)

预料之外的安第斯地震＊

Nadine McQuarrie

(University of Princeton,Princeton,New Jersey08544-1003,USA)

沿南美安第斯山脉西缘的俯冲带边界预期会发生大地震。而沿东边界的地表运动测量表明,曾预期不会发生大地震的安第斯山脉东缘也具有发生同等规模大地震的潜在可能。

安第斯山脉(Andes Mountains)的西缘是活动板块俯冲带,因此,MW8.0以上地震时常发生。相比之下,沿安第斯东缘南美大陆之内的地震预期会小得多,最大估计震级为MW7.5(文献[1])。然而,Brooks及其同事[2]发表在《自然-地球科学》(Nature Geo science)的报告却称,隐伏在玻利维亚安第斯山脉(Bolivian Andes)东缘之下的一大段断层并没有处于滑动状态——虽然在其西侧该断层处于运动状态,由此,东侧断层可能会在一次MW8.7～8.9地震中破裂。

地震大小与地震中断层移动的范围成正比[3]。与地面夹角较小的断层在到达深部之前会穿过较大一部分脆性强地壳,而深部岩石通常温度较高、更具韧性,因而更不容易储存能量并突然在地震中释放能量。因此,由于陡倾断层与地壳脆性层相交的截面小很多,浅角断层相比陡倾断层而言产生大地震的可能性更大。如果断层处于闭锁状态不能自由滑动,由地壳的两块试图擦肩而过的部分产生的弹性能就会储存在断层不能移动的部分。认识和防备地震的关键因素就是确定断层处于闭锁状态的区域,并搞清此闭锁区有多大一段会释放能量,最终产生地震。

过去约4000万年间纳斯卡(Nazca)大洋板块和南美大陆之间的会聚使得南美西缘发生褶皱和断错,形成了安第斯山脉。目前这种收敛通过玻利维亚安第斯山脉沿东部山脉下方一条巨大断层的运动(相对于玻利维亚东部和巴西)而得以调节(图1)。具体说来,南部玻利维亚山脉以7～10mm/a的速率向稳定的大陆内部移动。虽然安第斯山脉沿整个南美大陆延伸,但其最宽的地方位于智利北部和玻利维亚西南部(图1),因此,此处下方断层延伸的规模也可能很大。认清断层的哪一部分在脆性地壳中处于闭锁状态对于评估与此断层相关的潜在地震危险性非常关键。

正是由于南玻利维亚安第斯山脉向东朝稳定的南美运动,Brooks等[2]利用全球定位系统(GPS)数据对其地表运动进行了测量。结果表明测量的GPS速度可通过一条以角度不超过5°向西倾斜的断层得到最佳拟合。他们发现该断层在西部的滑动速率为9～13 mm/a,但在东部约有85～100km的长度处于闭锁状态,并正在储存弹性能。断层处于闭锁状态的长度是确定任何潜在地震规模的必不可少的参数。相比之下,这个长度大约比在台湾测得的断层闭锁区段大了1.5倍,那里的地震震级达到了MW7[文献4],而这个长度与喜马拉雅(Himalaya)的估算值相当,据推算那里的地震规模高达MW8.4[5-6]。

图1 南玻利维亚安第斯山脉。安第斯山脉西缘为板块构造俯冲带边界,因而有可能发生大地震。相比之下,离稳定的大陆内部更近的安第斯山脉东缘通常不会被与破坏性地震联系在一起。然而,Brooks及其同事[2]证实南玻利维亚安第斯山脉下方长达85～100km的一段断层目前处于闭锁状态,其储存的弹性能可能会引发MW8.7～8.9的大地震。图片来自文献[9]并经其允许进行了修改

对于认识潜在地震规模而言,另一个至关重要的尺度就是沿断层可能破裂的长度。如果一条断层分为许多区段,各个部分可能会分别破裂形成许多小地震,而不是产生单一的大地震。Brooks等[2]利用高分辨率地形数据来识别闭锁断层——Mandeyapecua逆冲断层——的地表显示。他们提出地势高的区域代表地震期间发生移动的断层区段(各区段在不同地震期间发生移动),而地势低的地区代表区段边界。通过地形分析,Brooks及其同事[2]发现断层分为5个明显的区段。有了每个断层区段的长度和宽度估算值,就可以利用地震比例关系[7]估算出每个断层区段的潜在地震规模。Brooks等[2]估计安第斯东缘断层的各个区段可能在MW7.2～8.3地震中破裂。然而,如果所有断层区段的整个闭锁宽度都发生破裂,那么断层上可能发生的最大地震震级会达到MW8.7～8.9。

断层滑动的频繁程度对于认识其地震潜在可能非常关键。如果断层频繁滑动,应力则会在小地震事件中逐步释放,而不会形成大的破坏性地震。遗憾的是,沿玻利维亚安第斯山脉东部山前地带的数据还不能提供断层最后一次滑动的年代。该区也没有MW7以上地震的记载[1],因此,至少从公元1700年观测开始时应变就一直在积累。如此之长的应变积累期增加了MW7或更大地震的可能性。

按照Brooks及其同事的观点,南玻利维亚安第斯山脉下方闭锁断层带的罕见宽度应归因于两个重要因素。第一,安第斯山脉源自水平层状沉积岩,这些沉积岩在安第斯山脉形成时发生了褶皱和断错。这种环境中,断层沿水平沉积层发育,因此,没有几条自然边界(通常是垂直不连续面)能够阻止地震期间的滑动。第二,Brooks等认为由于断层不断生长使安第斯山脉向东移动,有更多的新岩石加入山脉,超过了由于侵蚀而去除的岩石。这种差异使得山脉向外扩张、变宽,并在其底部形成一条长长的缓倾断层。相比之下,在北玻利维亚安第斯山脉,沉淀速率较高,侵蚀更快,这就限制了山脉的宽度[8],有助于降低这里的地震危险性。该地区进一步的GPS数据可以测试侵蚀对潜在地震规模的影响。

Brooks等[2]表示,通常认为与高地震风险无关的安第斯山脉的部分地区有可能在大的、灾难性事件中破裂。鉴于最近海地和日本都发生了大地震,这些结果应该促使研究人员对那些地震潜在危险性很大但却被严重低估的其他地区进行再次评估。

译自:Nature Geoscience,June2011,Vol.4:357-358

原题:Unexpected Andean earthquakes

(中国地震局地球物理研究所 韩立波 译;左玉玲 校)

(译者电子信箱,韩立波:chinakkmm@gmail.com)

[1]Dimate C,Drake L,Yepez H,et al.Seismic hazard assessment in the Northern Andes.Ann.Geofis.,1999,42:1039-1055

[2]Brooks B,Bevis M,Whipple K,et al.Orogenic-wedge deformation and potential for great earthquakes in the central Andean backarc.Nature Geosci.,2001,4:380-383

[3]Hanks T C,Kanamori H.A moment magnitude scale.J.Geophys.Res.,1979,84:2348-2350

[4]Hsu YJ,Avouac J P,Yu SB,et al.Spatio-temporal slip and stress level on the faults within the western foothills of Taiwan:Implications for fault frictional properties.Pure Appl.Geophys.,2009,166:1853-1884

[5]Bilham R,LarsonK ,Freymueller J.GPS measurements of present-day convergence across the Nepal Himalaya.Nature,1997,386:61-64

[6]Kumar S,Wesnousky SG,Rockwell TK,et al.Paleoseismic evidence of great surface rupture earthquakes along the Indian Himalaya.J.Geophys.Res.,2006,111:B03304

[7]Scholz CH.Areappraisal of large earthquake scaling.Bull.Seism.Soc.Am.,1994,84:215-218

[8]McQuarrie N,Ehlers TA,Barnes JB,etal.Temporal variation in climate and tectonic coupling in the central Andes.Geology,2008,36:999-1002

[9]Beck S L,Zandt G.The nature of orogenic crust in the central Andes.J.Geophys.Res.,2002,107:B102230

P315;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.10.003

2011-08-12。