2016年11月13日新西兰南岛MW 7.8地震的同震粘滑震相研究

许健生 李 丽 隗永刚 张 旭

（中国北京100081 中国地震局地球物理研究所）

0 引言

根据全球数字地震仪台网（GSN）的测定结果，2016 年11 月13 日11 时02 分56.0 秒（GMT），在新西兰南岛（42.76°S，173.08°E，h=23.0 km）发生一次MW7.8 地震，震后发生浪高达3 m 的海啸（Hamling et al，2017）。在震中距1.9°—144.5°范围内，GSN 有100 个台的宽频带（BH）和甚宽频带（VH）数字地震仪较好记录到该地震。

李普春等（2013）在实验室进行的岩石粘滑错动实验表明，粘滑错动过程一般可分为预滑、粘滑和止滑3 个阶段，且往往不是一次、单点错动，而是由多次、多点粘滑错动组成，表现出在断层的不同部位、不同时间、多点、多次粘滑错动的特征。在天然地震观测中，破裂前的预滑过程激发出的信号较弱，一般不易被观测到。但破裂后的同震粘滑和止滑过程激发出的信号较强，容易被观测到。分析此次MW7.8 地震数字波形记录后发现：在100个台的长周期（LP）记录上，在与P 震相同时到达的Xs1 震相之后，可进一步识别出子粘滑错动震相Xs2、Xs3、Xs4 和粘滑错动的峰值震相Xsm。在粘滑错动达到峰值后还可识别出止滑过程激发出的长周期止滑面波震相XsQ（勒夫型）和XsR（瑞雷型）。其中，距震中最近的SNZO 地震台（41.31°S，174.70°E，Δ=1.9°）记录到的XsQ 和XsR 震相，周期长约600 s。对此次新西兰南岛MW7.8 地震的同震粘滑震相进行分析，以期在地震记录图上识别出Xs、XsQ 和XsR 震相，为认识同震粘滑错动过程及预判地震次生灾害提供帮助。

1 数据

本文所用资料来自全球地震台网（GSN）100 个台的宽频带（BH）和甚宽频带（VH）速度型数字记录，拾震器型号多为STS-1 或STS-2。在震中距100°以内，用CDSN 地震台站分析软件将BH 通道的记录仿真成短周期（SP）后读取P 震相数据。在震中距100°—144.5°间，仿真成长周期记录（LP）后读取Pdif 震相到时。全部的P+Xs1、Xs2、Xs3 和Xs4 震相数据均为仿真成长周期记录（LP）后读取，在VH 通道读取了全部的XsQ 和XsR震相数据。

地震参数取自美国地质调查局（USGS）国家地震信息中心（NEIC）发布的地震目录，发震时间和地震图上标注的时间均为世界标准时（UTC）。震中位置和GSN 台站位置见图1。

图1 GSN 台站位置和震中分布红圆点为震中，蓝三角为台站Fig.1 Distribution of earthquake epicenter and GSN stations

2 Xs、Xsm、XsQ 和XsR 震相的记录特征

在宽频带（BH）长周期（LP）和甚宽频带（VH）的数字波形记录上，Xs、Xsm、XsQ 和XsR 震相有以下记录特征。P+Xs1、Xs2、Xs3、Xs4 和Xsm 震相典型记录（VH）见图2，XsQ 和XsR 震相典型记录见图3。

图2 P+Xs1、Xs2、Xs3、Xs4 和Xsm 震相典型记录Fig.2 The typical recordings of P+Xs1,Xs2,Xs3,Xs4 and Xsm seismic phases

图3 XsQ 和XsR 震相典型记录Fig.3 The typical recordings of XsQ and XsR seismic phases

（1）由图2 可见，Xs1 震相与P 震相同时到达，Xs2、Xs3 和Xs4 震相是破裂后平均约7.8 s、21.6 s 和 61.1 s 出现的长周期震相。P+Xs1 震相后平均约80.0 s 的Xsm 是Xs 的峰值震相。在长周期记录上，Xsm 周期范围在15.2—34.6 s，Xsm 震相平均周期约25.4 s。虽然P+Xs1、Xs2、Xs3 和Xs4 震相的振幅随震中距增大而逐渐衰减，但此次地震，在Δ＜144.5°时都能很好地观测到P+Xs1、Xs2、Xs3 和Xs4 震相。由图2 可见，Xs2、Xs3和Xs4 震相与P+Xs1 震相之间的到时差是一定值，不随震中距增大而变化。

（2）由图3 可见，在震中距1.9°—144.5°间，低频且大振幅的勒夫型面波XsQ 和瑞雷型面波XsR，不仅是整个地震记录中周期最长，振幅最大的震相，而且是面波波列中速度较快的震相，其速度明显大于在地壳中传播的瑞雷型面波Rm。XsQ震相的周期范围在36.7—600 s，平均周期约62.5 s，XsR 震相的周期范围在32.6—600 s，平均周期约55.4 s。

3 Xs、XsQ 和XsR 震相的物理机制

早在20 世纪60 至70 年代，美国学者Brace 和Byerlee 就针对Reid 的“弹性回跳”学说与观测事实相悖的问题，把“粘滑”作为一种地震机制提了出来，指出弹性回跳的物理机制可用摩擦滑动过程中出现的不平稳滑动（即粘滑）来解释（Brace et al，1966；Byerlee et al，1975；吴晓娲等，2016）。并根据岩石的压力实验结果指出，主破裂过程可由数次粘滑过程构成。

李普春等（2013）在实验室进行的岩石粘滑错动实验表明，粘滑错动过程一般可分为预滑、粘滑和止滑3 个阶段，且错动过程往往不是一次、单点错动，而是由多次、多点粘滑错动组成，表现出在断层的不同部位、不同时间，多点、多次粘滑错动的特征。

由GSN 100 个台的宽频带（BH）和甚宽频带（VH）数字地震仪的记录可见，Xs1 震相是与P 震相同时到达的震相，其生成机制可能是断层面上的凹凸体开始破裂后，断层由“粘结”的静态转变为“滑动”的动态，在粘滑错动时辐射出的长周期波动。粘滑错动是一个在构造力作用下不断克服断层面上磨擦阻力的过程。在粘滑错动过程开始后，粘滑错动的速度和位移有一个由慢到快、由小到大的过程。当构造力较小时断层错动速度慢，位移小。而当构造力可克服较大磨擦阻力时，断层粘滑错动速度加快，位移增大。当遇到另一凹凸体或磨擦阻力较大时又停滞或降速。当构造力再加大到可克服磨擦阻力时，断层又向前滑动。如此，便形成了多次、多点的子滑动事件。Xsm 震相则是整个粘滑错动过程中，粘滑错动速度和位移达到峰值时的震相。在粘滑错动达到峰值后，断层粘滑错动开始减速，进入止滑阶段。李普春等（2013）的实验结果表明，止滑过程可以激发长周期、大振幅的止滑波动震相。这种波动辐射出了长周期的勒夫型面波XsQ 和瑞雷型面波XsR。

4 结果讨论

由时差值与震中距的关系[图4(a)]可知，Xs2、Xs3、Xs4 和Xsm 与P+Xs1 震相之间的到时差与震中距无关，基本为一定值。它们的平均差值分别为7.8 s、21.6 s、61.1 s 和80.0 s。可见此次地震的粘滑错动过程主要由4 个子粘滑错动事件构成。此次地震发生后，张勇等（2016）用远场地震波形记录反演了主震的震源破裂过程，得到了主震破裂过程中静态滑动量分布随时间变化的结果，见图4(b)中a、b、c、d 矩形框。将本文给出的4 个子粘滑错动事件的起始时间点与张勇等（2016）给出的静态滑动量随时间变化过程相对照可见，本文给出的粘滑错动幅度随时间的变化与张勇等（2016）给出的静态滑动量分布随时间的变化在幅度和时间点上比较吻合，说明粘滑错动幅度随时间的变化与弹性破裂后的静态滑动量随时间的变化是同步发生的。在0—7.8 s、7.8—21.6 s、21.6—61.1 s 和61.1—80.0 s 四个时段同步变化并逐渐增强，在P+Xs1 震相后约80.0 s 达到峰值。最终，与弹性破裂同步形成4 次同震粘滑错动。可见，弹性破裂不是此次MW7.8 地震能量释放的唯一形式，在弹性破裂释放能量的同时，断层粘滑错动也在释放能量。此次MW7.8 地震在弹性破裂开始后伴随着4 次较大的粘滑错动，是断层粘滑错动和弹性破裂共同作用的结果，是一种“粘滑错动+弹性破裂”的机制。

图4 时差值与震中距的关系（a）和静态滑动量分布（b）Fig.4 The relationship between epicenter distance and different time(a) and the distribution of static slip quantity (b)

图5 给出当震中距范围为1.9°—144.5°时，（Pdif）+Xs1、X s 2、X s 3、X s 4、X s m和PP 震相的走时关系。P、PP 震相的走时由《IASEP1991 地震走时表 》（h＜35 km）（肯尼特，1993）给出，Pdif 震相走时由《Pdif 震相走时表》给出（许健生等，2013）。Xs1、Xs2、Xs3 和Xsm 震相的走时曲线基本平行，其走时与P 震相走时差是一定值，不随震中距变化而变化，仅与粘滑错动持续时间有关。

图5 P(Pdif)+Xs1、Xs2、Xs3、Xs4、Xsm、和PP 震相的走时关系Fig.5 The relationship between the travel times of P(Pdif)+Xs1,Xs2,Xs3,Xs4,Xsm,and PP seismic phases

图6 给出震中距1.9°—144.5°，P（Pdif）、PP、XsQ、XsR 和Rm 震相的走时关系。Rm震相走时由《JB 地震走时表》（Jeffreys et al，1958）给出，XsQ、XsR 是本文用全球地震台网（GSN）100 个台的甚宽频带（VH）数字波形记录得出的结果。XsQ、XsR 的走时与震中距的拟合关系为

图6 XsQ 和XsR 震相与P 震相的走时关系Fig.6 The relationship between the travel time of XsQ,XsR,and P seismic phases

式中，T的单位为s，Δ的单位为（°）。XsQ 和XsR 不仅是整个地震记录中周期最长，振幅最大的震相，而且是面波波列中速度较快的震相，其速度明显大于在地壳中传播的面波Rm。

图7 给出了震中距1.9°—144.5°，Xsm 与XsQ 和XsR 震相的走时差关系。Xsm 与XsQ 和XsR 震相的走时差在震中距为0 时，趋近于0。说明长周期的勒夫型面波XsQ 和瑞雷型面波XsR 应是粘滑错动达到峰值时激发的面波。

图7 Xsm 与XsQ、XsR 震相的走时差关系Fig.7 The relationship between the travel time differences of Xsm,XsQ,and XsR seismic phases

已有观测结果表明，在2008 年5 月12 日中国汶川MW7.9 地震时，同震粘滑错动在震中附近的ENH 地震台（Δ=5.3°）激发出了周期约115.3 s 的XsQ 波动和周期约328.6 s 的XsR 波动；在2011 年3 月11 日日本MW9.1 地震时，同震粘滑错动在震中附近的ERM 地震台（Δ=3.8°）激发出周期约553.8 s 的XsQ 波动，在MAJO 地震台（Δ=3.8°）激发出周期约448.8 s 的XsR 波动（许健生等，2019）。发生在内陆的中国汶川MW7.9 地震引发了大面积山体滑坡、泥石流等次生灾害；发生在海里的日本MW9.1 地震引发了罕见的海啸等次生灾害；同样，在本次新西兰南岛近海岸MW7.8 地震时，同震粘滑错动在震中附近的SNZO 地震台（Δ=1.9°）激发出周期约600 s 的XsQ 和XsR 波动，引发浪高达3 m 的海啸等次生灾害。据此推测，这种周期长达数百秒的同震粘滑错动容易引发山体滑坡、泥石流和海啸等次生灾害。该新发现和初步推测尚需更多震例加以验证。若证实这种规律的存在，则有助于在震后短时间内预判地震次生灾害。

5 结论

根据上述理论研究、实验和观测结果，得出以下几点认识：①P+Xs1、Xs2、Xs3 和Xs4 震相是弹性破裂开始后的同震粘滑错动震相，Xsm 是粘滑错动的峰值震相，标志着粘滑错动过程中能量释放的峰值点；②XsQ 和XsR 震相是粘滑错动达到峰值后，止滑过程激发的长周期面波震相；③弹性破裂不是MW7.8 地震能量释放的唯一形式，弹性破裂开始后有4 次粘滑错动，MW7.8 地震是粘滑错动和弹性破裂共同作用的结果，是一种“粘滑错动+弹性破裂”的机制。

从地震记录图上识别出Xs 震相有助于认识同震粘滑错动过程，识别出XsQ 和XsR 震相有助于预判地震次生灾害。

数据转换和震相标注均由黑龙江省地震局和跃时高级工程师提供的CDSN 台站分析软件完成，在此表示感谢。