2000年以来南美板缘强震对2014年智利MS 8.2地震触发关系的初步研究

2015-09-03 09:33盛书中万永革黄骥超李祥石砚斌
中国地震 2015年3期
关键词:主震库仑余震

盛书中 万永革 黄骥超 李祥 石砚斌

1)防灾科技学院,河北省三河市燕郊开发区 065201

2)中国地震局地球物理研究所,北京市海淀区民族大学南路5号 100081

3)中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000

0 引言

静态应力触发是研究地震断层面上位错产生的静态应力变化对后续地震的影响(触发或抑制)。目前断层间通过应力转移相互作用的假设已经被大量的地震事件所证实,这些事件包括在短时间尺度内的地震序列及其余震间的相互作用和一个区域里在长时间尺度内发生的大震间的相互作用。一些研究表明,大震后在应力增加区域的余震数目占有绝对优势,即大震触发了其余震的发生(King et al,1994;Hardebeck et al,1998;Pauchet et al,1999;Deng et al,1997a、1997b;刘强等,2007;周龙泉等,2008);也有一些研究结果表明,大震的发生引起周围区域或断层上应力场变化,从而引起震源附近区域地震活动性的变化(Toda et al,1998;Pinar et al,2001;万永革等,2009、2010);一些研究者根据主震震源机制解或破裂模型以及强余震的震源机制解,验证了主震对其强余震存在触发作用(万永革等,2000;刘桂萍等,2002;郝平等,2004;刘强等,2007;周龙泉等,2008);还有一些研究结果表明强震间存在触发作用,即先前发生的大震增加了后续大震的发震风险或使其发震时间被前移(Stein et al,1997;傅征祥等,1999;Papadimitriou et al,2001;万永革,2001;Wan et al,2003、2004)。最近也有研究认为,俯冲带上特大地震静态库仑应力变化对后续余震触发效果不显著(缪淼等,2012)。

日本地质调查局的远田晋次(Shinji Toda)、美国地质调查局的 Ross Stein和 Volkan Sevilgen以及美国Woods Hole海洋学研究所的林间(Jian Lin)等科学家共同编制了用于计算静态库仑应力变化的 Coulomb软件(Toda et al,2005;Lin et al,2004),目前该软件的最新版本为Coulomb3.3。Coulomb 3.3软件可用于计算常见的由地震、火山引起的三维(3D)的地形变、静应力变化及地震触发等问题。除用于研究领域外,该软件也可用来展示由地震、火山引起的应力、应变、地形变矢量、与GPS测量比较、三维网格变化等基本概念。Coulomb软件在国内外均得到了较为广泛的应用(周宇明等,2008;周龙泉等,2008;朱航等,2009;宋金等,2010;钱琦等,2010;盛书中等,2012;Toda et al,2011a、2011b;宋金等,2011;贾若等,2014;宋金等,2014)。

2014年4月1日智利北部发生了MS8.2强震,随后于4月3日又发生了MS7.6强震,该地震序列是由智利海岸附近的浅层逆断层所引发的。智利位于南美大陆西缘,濒临太平洋,纳斯卡板块与南美板块在该国西部海域交汇。在南极板块与太平洋板块联合推挤下,纳斯卡板块俯冲到南美板块下方,沿俯冲带形成强震活动带和强烈火山活动带。纳斯卡板块以80mm/a速度向南美板块之下俯冲,形成世界上最强地震活动带。在该地震带上发生了一系列大地震,如2010年智利中部莫尔发生的8.8级地震,1960年在智利南部发生的9.5级地震(此次地震是全球有记录以来的最大地震)。该地震带上的强震间是否存在应力触发作用,特别是近年来发生的大震对本次地震序列的影响等是本研究拟解决的问题。本文根据Hayes给出的2014年4月1日发生在智利北部的MS8.2主震及2014年4月3日发生的MS7.6余震地震断层破裂分布初步模型(http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqinthenews/)以及全球 CMT目录(http://www.globalcmt.org/)提供的震源机制解资料,应用Coulomb3.3软件对2000年以来南美板缘强震对本次地震触发作用及本次地震对其后续余震的触发作用进行初步研究。

1 原理及计算程序

地震静态应力触发是指先前地震破裂产生的静态应力变化张量投影到后续地震断层面和滑动方向上,考虑到后续地震断层面上正应力、孔隙压力和摩擦系数等的影响,得到的库仑破裂静应力变化(Δσf)可由下式表示

式中,Δτ为断层面滑动方向上的剪切应力变化(当Δτ和接收断层的滑动方向一致时为正);Δσ为断层面上正应力变化(使接收断层面上正应力减小(或接收断层两盘松开)为正,增大为负);当Δσf为正时促进断层的破裂,Δσf为负时抑制断层的破裂。μ′为等效摩擦系数,包含了孔隙流体和断层面上的介质特性,一般取 0.2~0.8(Harris,1998;Cotton et al,1997)。

依上述静态库仑应力触发原理,本文采用远田晋次(Shinji Toda)等开发的Coulomb3.3软件计算库仑应力的变化,其量值和正负号取决于发震断层的几何特征(断层的走向、倾角、滑动角)和断层面上位错分布以及接收断层的几何特征及等效摩擦系数μ′。

2 震源破裂模型和余震资料的选取

本研究的目标为:给出2000年以来发生在纳斯卡板块与南美板块交界处且矩震级≥7.5的地震对本次地震序列的静态应力触发情况。由全球CMT目录搜索到符合条件的地震6次,具体参数见表1。我们利用Coulomb3.3软件提供的根据震源机制解建立震源破裂模型的方法,建立前5次地震的破裂模型并将模型沿走向和倾向分为4×2共8个子断层。2010年2月27日智利8.8级地震、2014年4月1日在智利北部沿岸近海发生的MS8.2地震和同年4月3日发生的MS7.6地震,上述3次地震破裂模型均从美国地质调查局(USGS)网站上获取(http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqinthenews/2014/),模型均由美国国家地震中心Hayes博士根据全球地震台网宽频带波形数据反演所得(图1)。2010年智利8.8级地震反演出的断层面最佳模型走向为17.5°,倾角为18°,释放的地震矩为2.39×1022N·m,2014年4月1日智利8.2级地震走向358°,倾角15°,释放地震矩为 2.35×1021N·m,2014年智利 7.6级地震走向375.5°,倾角 19.5°,释放的地震矩为 6.73×1020N·m,后 2次地震破裂模型为Hayes博士给出的快速反演结果(即版本1),故本研究也因此只能作为对智利地震静态应力触发的初步研究,进一步研究需更精确的地震破裂模型。

为了研究本次主震对其余震的触发作用,选定经度范围为:-73°~-68°,纬度范围为:-22°~-17°,在上述经纬度范围内,我们从全球CMT目录中搜索到了8次强余震(具体参数见表1)。研究中所用到的地震震源机制解空间分布情况见图2。

图1 2010年2月 27日8.8级地震(a)、2014年4月 1日8.2级地震(b)和2014年4月3日7.6级地震(c)的主震断层面上位错分布

图2 震源机制解及破裂模型空间分布

3 库仑应力计算结果及分析

以下计算中,我们均假定剪切模量为3.2×104MPa,泊松比为0.25。在没有特别说明的情况下,等效摩擦系数取0.4。根据上文由Coulomb3.3软件所建立的震源破裂模型以及搜集到的震源破裂模型,我们首先计算了2000年以来南美板缘强震在2014年4月1日智利8.2级地震断层破裂面上产生的库仑应力变化,即表1中所列的前6次强震对本次8.2级地震的影响,所得结果见图3(a)。由图3(a)可见,先前地震在本次主震破裂面上产生的库仑破裂应力变化基本上为正,五角星所示的震中位于库仑破裂应力增加区,可见先前地震的发生有利于本次主震初始破裂的发生。由表2可见,当取不同的μ′时,主震断层面上的库仑应力变化分布的统计结果存在一定差异,若取触发阈值为0.01MPa时,被触发的破裂子元比例最低为22.2%,最高为24.3%,触发效果不显著;但若统计库仑应力变化为正的破裂子元时,库仑应力变化为正的破裂子元所占比最低为74.3%,最高达95.5%,则先前地震产生的库仑破裂应力变化有利于本次主震的发生。当μ′为0.4时,上述地震在主震震源机制解的第Ⅰ节面上产生的库仑应力变化为0.0065MPa,在第Ⅱ节面上的库仑应力变化为0.0008MPa。综合上述情况,我们认为先前地震产生的库仑破裂应力变化有利于本次主震的发生。

图3 破裂面上的库仑应力变化分布

表2 在地震破裂面子元上产生的库仑应力变化统计

其次,我们以表1中前6次强震和本次主震作为发震断层,计算了它们在2014年4月3日MS7.6地震震源断层面上产生的库仑应力变化分布,所得结果见图3(b)。由图3(b)可见,先前地震在本次强余震破裂面上产生的库仑破裂应力变化基本为正,五角星所示的震中的库仑破裂应力也为正,可见先前地震的发生有利于本次MS7.6地震起始破裂的发生。由表2可见,当取不同的μ′时,主震断层面上库仑应力变化分布的统计结果存在一定差异,若取触发阈值为0.01MPa时,被触发的破裂子元最低为58.2%,最高为62.3%;但若统计库仑应力变化为正的破裂子元时,库仑应力变化为正的破裂子元所占比例最低为64.0%,最高达68.1%。当μ′为0.4时,上述地震在本次MS7.6地震震源机制解第Ⅰ节面上产生的库仑应力变化为0.232MPa,在第Ⅱ节面上产生的库仑应力变化为0.247MPa。综合上述情况,我们认为表1中前7次地震对本次强余震存在触发作用。

由表1可见,在本次8.2级强震后,在主震震源区附近又发生了8次强余震,为分析本次主震对后续强余震的影响,我们分别计算了本次主震在余震震源机制解节面上产生的库仑应力变化,计算结果见表3。由表3可见,不论考虑节面Ⅰ还是节面Ⅱ上的库仑破裂应力变化,最多仅有50%的余震节面上的库仑破裂应力变化大于触发阈值,故主震对本次余震序列的触发作用不明显。

表3 余震震源机制解节面上静态库仑应力变化统计

4 讨论和结论

本研究利用全球CMT目录和美国地质调查局(USGS)网站上提供的地震破裂模型资料,计算了2000年以来发生在纳斯卡板块与南美板块交界处且MW≥7.5的地震对本次地震序列的静态应力触发情况。有关先前强震对本次主震的触发作用,若以0.01MPa为静态库仑破裂应力触发的阈值(Harris,1998;Kilb et al,2000)来看,在等效摩擦系数为 0.8时,触发率最高为24.3%;但本次主震破裂面落在库仑应力增加区的子元占有明显优势,在取不同的等效摩擦系数时,最低为74.3%,最高达95.5%。且当μ′为0.4时,主震震源机制解2个节面上的库仑应力变化也均为正,且震中位于库仑应力变化为正区域,因此我们认为先前地震的发生有利于本次主震的发生。在取不同的等效摩擦系数时,4月3日发生的MS7.6地震破裂面有近6成以上落在应力触发区或应力增加区;若考虑震中位置的库仑应力变化或是震源机制解节面上的库仑应力变化时,库仑应力变化也均为正,故先前地震和本次主震有利于本次强余震的发生。

由表3可见,本次主震对强余震触发效果不明显。此前有关俯冲带上特大地震静态库仑应力变化对后续余震触发效果的研究结果也存在差异,缪淼等(2012)就2011年日本东北地震对其后续余震的触发研究的计算结果表明,仅有47%的后续余震发生在库仑应力增加区域,但他们是取最优破裂面为库仑应力变化投影面,而不是考虑库仑应力变化在余震震源机制解节面上的变化。Toda等(2011a、2011b)和盛书中等(2012)利用日本F-net目录给出的震源机制解和不同的主震破裂模型,计算2011年日本东北地震在后续余震震源机制解节面上的库仑应力变化时,所得触发结果均为60%左右。缪淼等(2012)的研究结果表明,2010年智利地震和2004年苏门答腊地震的静态应力触发效果均不显著。周龙泉等(2008)通过对2007年苏门达腊8.5级地震的研究,给出了该地震的后续强震都发生在库仑应力显著增加区的结果。上述研究结果表明,在研究余震触发问题时,余震触发率受余震断层面参数及滑动角的影响较大,故研究中应尽可能根据可靠的余震参数计算余震触发问题。有关俯冲带上大地震对后续余震的触发问题值得深入研究,本次主震对余震的触发问题计算中,仅使用了几个具有确切震源机制解的余震资料,由于所使用余震资料的局限性,使得本次主震对余震的触发作用的研究还有待深化。

通过上述计算及分析,我们得到以下的初步结论:2000年以来发生在纳斯卡板块与南美板块交界处且MW≥7.5地震产生的库仑应力变化,总体上是有利于本次主震发生的;先前地震及本次主震对2014年4月3日发生的MS7.6地震触发效果显著;2014年4月1日智利8.2级地震对其后续强余震的触发效果不显著。

致谢:本研究用于计算静态库仑应力变化的Coulomb3.3软件取自USGS网站,特此致谢。

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