2010年智利马乌莱地震滑移与安第斯俯冲带震前闭锁的相关性＊

Marcos Moreno，Matthias Rosenau，Onno Oncken

（Helmholtz Centre Potsdam，GFZ German Research Centre for Geosciences，Telegrafenberg，Potsdam 14473，Germany）

2010年智利马乌莱地震滑移与安第斯俯冲带震前闭锁的相关性＊

Marcos Moreno，Matthias Rosenau，Onno Oncken

（Helmholtz Centre Potsdam，GFZ German Research Centre for Geosciences，Telegrafenberg，Potsdam 14473，Germany）

2010年2月27日马乌莱（智利）M 8.8地震使安第斯大逆冲型俯冲带的一部分区段破裂，该区段被认为具有极高的潜在地震危险性[1－6]。此次地震是使俯冲带内一个长期地震空区发生破裂的一次最大地震，在此之前，一个密集型空间大地测量台网对该俯冲带进行了监测。这就为评估震间闭锁与同震滑移的空间相关性提供了板块界面震前闭锁状态的前所未有的高分辨率图像。鉴于闭锁类似于滑动的基本假设，震前闭锁可被用于预测许多地震空区的未来破裂[6－12]。然而，没有第一次“填补空白”的地震的发生，这一假说就无法得以验证。在此，我们提供的证据表明，2010年马乌莱地震滑移分布状况与根据之前10年间全球定位系统（GPS）观测结果反演得到的震间闭锁分布密切相关。此次地震成核于一个闭锁程度很高的区域内，并将1835年大地震以来该区聚集的应力几乎释放一空。地震滑动量很大的两个区域（凸起体）在此次地震之前几乎处于完全闭锁状态。在这两个凸起体之间，此次破裂形成了一个处于震间蠕动状态的桥梁地带，其同震滑动量一贯较小。破裂中止于震前处于高度闭锁状态的区域，但其预应力却因20世纪重复发生的地震事件而大大降低。我们的结果显示，单个凸起体尺度内同震滑移的不均匀性应该能够说明未来大地震的潜在危险，由此，可以根据大地测量结果对其进行预测。

虽然我们无法预测下一次地震将在何时何地发生，但我们可以通过对今后数十年可能发生破裂的地带进行监测，估算出未来地震事件的最大可信规模，关于这一点，根据板块构造理论以及从前发生的地震事件已经得出过推论。这种易于发生破裂的地区被称为“地震空区”[2－3，13－17]，因为它们在地震活动的时空分布上呈空白状态。随着空间大地测量技术的开展，现在，我们可以根据地震空区应变（应力）积累的近实时测量结果获取有关地震危险性的更多的约束条件[6－12]。然而，目前尚不清楚震间应力积累究竟在多大程度上可以定量模拟未来地震的同震能量释放。显然，同震能量释放在破裂区内并不是均匀分布的，相反，破裂区是一个拼合而成的区域，其中某些地块（凸起体）滑动量大，某些地块（障碍体）滑动量小，甚至没有滑动[18]。的确，近期沿安第斯[10]和苏门答腊[11－12]俯冲带等地区的大地测量观测结果表明，沿大逆冲型板块界面可识别出一个由闭合地带（潜在凸起体）拼合而成的类似区域，这些闭合地带被蠕变区（潜在障碍体）所包围。这一拼合区域在震间以滑移缺失的形式积累应力，其空间模式是不均匀的，类似于未来的地震滑移分布，但这一假说还有待证实。

2010年2月27日袭击智利中南部马乌莱和比奥比奥地区的MW8.8地震（时间：06：34：14 UTC；震中：35.909°S，72.733°W；深度：35 km；http：∥earthquake.usgs.gov／earthquakes／eqinthenews／2010／us2010tfan／；参考文献[1]）是现代空间大地测量监测网捕捉到的第一次大地震，而且有可能是填补地震空区的一次大地震。由此，我们能够对震间应力积累模式与潜在灾难性事件期间同震释放之间的相似性进行空前详尽的检测和评估。沿安第斯板块边缘，纳斯卡（Nazca）海洋板块向南美大陆板块下方俯冲（图1a），此处大型逆冲区地震发生的频率为每100～200年一次，地点可位于该边缘的任一特定区段[2－4，19－20]。2010年马乌莱地震使一个长期地震空区——康塞普西翁（Concepción）空区——破裂，根据历史事件推测，这一地区被疑为地震的高危险区[2－5]。其高地震危险性最近得到了空间大地测量结果的支持[6]，该结果显示出震前数十年内积累了大量应力的一个闭锁板块界面。

图1 研究区的构造背景、数据、观测及结果。（a）智利中南部安第斯俯冲带的晕渲地形图。沿边缘的地震分段用椭圆表示，这些椭圆显示出历史地震的大概破裂区范围（更新自文献[4－6]）。小插图（矩形）示出了图a相对于南美大陆的位置。（b）2010年马乌莱地震前GPS观测的稳定的南美地表速度汇总（1996—2008）（参考数据见在线补充资料“方法详述”）。带箭头的椭圆代表95%的置信界限。（c）根据GPS＋FEM模拟获得的2010年马乌莱地震以前的10年中沿安第斯大逆冲型俯冲带的界面闭锁（板块会聚部分）分布。2010年马乌莱地震的震中（白色五角星，USGS／NEIC）和震源机制标示于图a和c中

然而，就地震能量释放分布而言，现有的模型未能揭示出预测未来地震危险性所需的单一凸起体和障碍体闭锁分布的详细状况。康塞普西翁空区的上次大地震是由达尔文报道的[21]，发生在175年前的1835年，估算震级为M≈8.5（见文献[19]，图1a）。自那以来，该空区以北（1906年M 8.4，文献[4]；1985年M7.8，文献[22]）和以南（1960年M 9.5，文献[23－24]）地区共发生了3次“大型逆冲区”地震。康塞普西翁空区内的北部曾于1928年发生过一次“大型逆冲区”地震（M≈8；参考文献[4]），据推测只释放了自1835年以来积累的小部分应力。

在此，我们利用2010年马乌莱地震以前十几年间（1996—2008）的表面速度GPS观测结果，得到了震前闭锁的安第斯大逆冲型俯冲带的详细图像。在利用汇总的研究区GPS观测资料（图1b、补充图1、方法详述和补充信息）进行反演时，我们使用了安第斯俯冲带的一个球形的、层状有限元模型（FEM），该模型与根据近期地球物理大断面汇编[25]得到的模型一样，也包含了地形学、测深学和真实的板块形态等信息（见方法详述和补充图2）。通过除去由其他一些源——如1960年M9.5地震之后区域粘弹性震后地幔弛豫、地壳断裂运动和弧前裂块运动（图1b和补充图1b）——产生的地表形变信号，我们对GPS速度进行了校正，然后，对残余模式进行解释（补充图1c），以单独反映存在非均匀闭锁板块界面的情况下由纳斯卡－南美板块会聚产生的震间弹性应变积累。在此，沿大逆冲型俯冲带的震前闭锁在运动学上被定义为地震事件前作为滑移缺失而积累的板块会聚的部分。

将GPS获得的震前闭锁分布与2010年马乌莱地震的两个初始同震滑移模型进行比较，这两个模型一个源自远震体波反演（文献[26－27]；图2a、2b），另一个作为滑移模型约束，是利用圣地亚哥和康塞普西翁附近IGS－GPS台站的同震GPS速度进行远震－GPS联合反演获得的（文献[28]；图2c）。据此，我们检验了震间闭锁与同震滑移之间的相似性假说。最后，我们利用GEOFON扩展虚拟网络（GEOFON Extended Virtual Network——GEVN）提供的余震分布[29]对震后行为进行诠释（图3a、3b）。

虽然这里分析的滑移分布只是初步结果，而且其复杂程度也不尽相同，但它们显示出震中以南和震中以北两个滑动量很大的地块（凸起体）的一级模式，两个地块被一个50～100 km宽的滑动量很小的地带分开（图2a—c）。敏感性分析[1]表明这一主体模式是此次地震远震反演的一个稳定特征。因此，滑移成核于从前高度闭锁（板块会聚＞0.75的部分）区域外围破裂区段的中心部位。此处的震前闭锁程度朝板块会聚方向呈迅速下倾式降低（图1c），很可能强加了一个局部剪切应力梯度，使破裂成核。双边破裂[1]向南传播，南边的凸起体破裂，由此连通了从前的北边的一个蠕滑带，而后使北边的又一个凸起体破裂。该破裂虽然连通了数十公里宽的一个蠕变区段（即潜在的松弛障碍体[10－12，18]），但它却在马乌莱地震前（图2a—c）反直觉地中止于震前闭锁程度很高的区域（即潜在凸起体），这似乎自相矛盾，关于这一点我们以后再讨论。

在主要破裂区（～34°S—37°S），从视觉上观察震前闭锁与同震滑移分布之间的相似性（图2a—c），可以发现高度的一致性。滑动量＞5～10 m的两个凸起体与高度闭锁（＞0.75）互相关联，其间滑动量小的地带（＜5～10 m）与相对较低程度（＜0.75）的震前闭锁区域吻合。我们得出了震后滑移缺失残余图（图2d—f），力求对震间与同震滑移模式的相似性进行定量分析。为此，我们对每一子断层段中的同震滑移（180个来自USGS[26]模型的子断层段，220个来自UCSB[27]模型的子断层段，276个来自Caltech／JPL[28]模型的子断层段）和1835年最后一次大地震以来理论上积累的滑移缺失进行抗衡分析，并假定此次地震事件以前的10年间观测到的闭锁模式代表着先前的整个震间时期。结果（图2d—f）表明，2010年马乌莱地震的主要破裂区的残差很低（USGS[26]和UCSB[27]滑移模型中＜2 m，Caltech／JPL[28]滑移模型中～5 m）。这一定量关系说明，在平行于海沟的＞200～300 km距离范围内（图3c），震前滑移缺失几乎完全被释放，同时，马乌莱地震可能意味着康塞普西翁地震空区已完全破裂。两个闭锁地块的破裂导致了完全破裂，而且还有一个蠕变区被连通，这一观点也得到了较大（M≥5）余震模式的支持（图3a、3b）。较早的（最初48小时）和晚些时候的（最初3个月）余震呈双峰分布模式，其特点是在从前的闭锁区密度非常高，它们在地震期间起到了凸起体的作用。相比之下，从前的蠕变区余震活动性不强，说明那里震后滑移较小并（或）呈现出无震状态。

图2 同震滑移与震间闭锁的相似性。（a—c）叠加于2010年马乌莱地震初步同震滑移分布上的研究区震前闭锁分布（等值线）。（a）USGS远震模型（文献[26]）；（b）UCSB远震模型（文献[27]）；（c）Caltech／JPL远震＋GPS模型（文献[28]）；（d—f）震后滑移缺失图，显示出2010年马乌莱地震后存在于主要破裂区的残差很低。通过计算震后滑移缺失，得出了2010年同震滑移与滑移缺失（即自1835年最后一次大地震以来同震滑移分布的每一子断裂段假定积累的滑移缺失）之间的残差。图中的白色五角星和海滨球分别代表震中（据USGS／NEIC资料）和震源机制（据GCMT资料），红色三角形代表火山。d—f中的残差分别源自a—c中的滑移模型

图3 震前、同震和震后形变图像的关系。（a）叠加于震前闭锁区域图像（红色阴影部分≥0.75）之上的2010年（蓝色等值线；USGS滑移模型[26]）和1960年（绿色等值线；据文献[30]）地震期间的同震滑移分布，以及早期的（震后最初48小时）M≥5余震地点（震级用大小不等的灰色圆圈表示；GEOFON数据[29]）。（b）沿北—南剖面早期的（最初48小时；共80个地震事件）和晚期的（最初3个月；共168个地震事件）余震密度柱状图（GEOFON数据[29]，M≥5）。（c）2010年马乌莱地震后沿北—南剖面观测的1835年以来的剩余滑移缺失（左栏，据USGS滑移模型[26]）。中栏和右栏示出重叠的20世纪地震对滑移缺失的影响（黑线是由多项式拟合数据得到的）。彩色数据点及日期示出按年表示的地震

然而，破裂为什么会侧向中止于闭锁程度很高而且没有明显的几何障碍（如北边的Juan Fernández洋脊）可以阻止其传播的区域（图1a、3a）？两种似乎合理的障碍机制是[18]：破裂中止是由于——至少在此次事件期间——局部强界面的存在（强度障碍体），也可能由于从前的地震降低了2010年破裂外围的预应力（低应力障碍体）。第一种假说无从验证，但对低应力障碍体假说可通过下述方式做进一步研究，即在计算1835年以来积累的震后滑移缺失时将20世纪中重叠的大型逆冲区地震记录考虑在内。

1960年M9.5地震使南部邻近的大逆冲型安第斯区段破裂，在此期间，阿劳科半岛（Arauco Peninsula）下方的滑移逐渐停止[30]（37°S—38°S；图3a）。相应地，它也抵消了2010年破裂区南部边缘多达10 m的视滑移缺失，从而实际上降低了此高度闭锁区积累的应力（图3c，中栏）。因此，2010年地震似乎向南传播到了一个预应力很低的环境，这种环境足以有效地阻止破裂。北部可能也存在一个类似的低应力障碍体。那里，1985年M＝7.8地震期间的平均滑移约为1.6 m（文献[22]以及其中的参考文献），由震源尺度规律关系估算[31]的1906年M＝8.4和1928年M≈8地震事件的滑移分别约为3 m和1.5 m，这些滑移使2010年马乌莱地震北端的视滑移缺失有效地降低至0±5 m（图3c，右栏）。现在，沿安第斯俯冲带整个研究区段的震后滑移缺失似乎很低，在37°S纬度附近的最大值约为5 m（图3c）。后者可能归因于远震反演未发现的同震滑动分量（或由于网络配置[1]，或由于滑动速度低），也可能引发沿阿劳科半岛下方大逆冲型断层的震后余滑。

我们得出的结论是，2010年马乌莱地震定量性地弥合了康塞普西翁地震空白，这与震前观测是一致的——因此，通过震前观测，它在某种程度上是可以预测的。然而，地震往往很复杂，它们（如2010年马乌莱地震）连通的蠕变区在其他时候[32]或其他地点[10－12]可能起到障碍体作用，地震也可能以小震序列的形式仅释放出闭锁地块聚集的部分滑移缺失[9，11－12]。将来，通过对震间闭锁和大震期间的同震滑移进行进一步观测，我们可以更加详细地监测沿大逆冲型断层的应力聚集与释放，从而对俯冲带的地震危险性做出更加可靠的评估。

方法概述

本文使用的GPS数据集包含1996—2008年间观测的232个已发表的速度数据（见补充图1a和方法详述）。利用文献[30]中详细描述的FEM技术对GPS速度进行反演。该FEM是三维的、球形的、层状的（弹性岩石圈、粘弹性软流圈），它包括地形学、测深学以及真实的板片资料，也包括莫霍界面（Moho）几何学资料（见文献[25]；补充图2）。现时观测到的智利中南部地表形变场模拟结果源自不同的地震构造过程[30，33]（图1b，补充图1）：（1）1960年瓦尔迪维亚（Valdivia）地震后，本研究区以南持续很久的震后地幔弛豫，（2）阿劳科半岛地区和沿Liquiñe－Ofqui断裂带的局部地壳形变，（3）由于震间闭锁的大逆冲型俯冲带的存在而产生的震间应变积累。我们在此所介绍的模型框架中，有闭锁界面存在情况下的会聚（每年66 mm，取向N077°E；文献[34]）是通过一个后滑模型进行运动学描述的。“方法详述”和补充图1－6中对于GPS反演方法有更详尽的描述，包括分辨率测试和敏感性分析等。研究区内（32°～40°S，71°～75°W，0～100 km深）2010年马乌莱地震的余震资料是通过GEVN服务器下载的（文献[29]）。经统计检验后，我们为该数据集指定了一个M≈5的完整震级，并仅利用这一阈值以上的数据进行进一步分析。

（注：①原图均为彩图；②方法详述、相关参考文献及补充图可通过此文的在线版获取，网址：http：∥www.nature.com／nature／journal／v467／n7312／full／nature09349.html。）

译自：Nature，9 September 2010，Vol.467，198－202

原题：2010 Maule earthquake slip correlates with pre－seismic locking of Andean subduction zone

（四川机电职业技术学院 徐宝学 译；郑需要 校）

（译者电子信箱，徐宝学：xbx0505＠163.com）

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