2010年智利Bio-Bío M W8.8地震前震中附近地区断层面上的摩擦系数变化特征＊

陈学忠 郭祥云 李艳娥

（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

引言

强震通常发生在全球级别的板块交界地带或板块内部的次级块体之间的交界地带。2010年2月27日在智利发生了MW8.8地震。根据USGS地震目录，此次地震震中（36.122°S，72.898°W）位于Bio-Bío西部近海，震源深度为22.9 km。本次地震的震源机制为逆冲断层，源于纳斯卡板块以7—9 cm/a的速度向南美洲板块之下俯冲[1]。这是一次发生在全球级别板块交界地带的大地震，是纳斯卡板块与南美洲板块在交接面上相互作用的结果。地震发生时在发震断层面上会发生错动，产生显著的位移。一个自然而然的问题是，在断层错动发生前断层面上的摩擦系数会发生怎样的变化？ 本文将以2010年智利Bio-Bío MW8.8地震为例，对此问题进行一些研究。

1 研究区域与资料

图1 1990年1月1日—2010年2月26日5.0≤M W≤6.9地震震中分布（“〇”） 。黑色四边形为研究区，红色五角星“☆”为2010年智利Bio-Bío M W8.8地震震中Fig. 1 Spatial distribution of epicenters for 5.0≤M W≤6.9 earthquakes that occurred from 1 January 1990 to 26 February 2010. The region marked by the black solid line is the study region in this paper. The red star“☆” shows the epicenter of the 2010 Bio-Bío，Chile M W8.8 earthquake

本文参考2010年智利Bio-Bío MW8.8地震余震分布区，选取震中附近位于39°S—31°S之间的一个北东向（900 km×300 km）四边形区域为研究区（图1）。选取研究区内1990年1月1日—2010年2月26日期间发生的5.0≤MW≤6.9地震，共计100次，它们的震级随时间的变化如图2所示。本研究使用的资料是震源机制解结果，来自于哈佛大学发布的震源参数目录（http://www.globalcmt.org/CMTsearch.html），这些地震的震源机制解一并列于表1中。

2 研究方法

利用震源机制解结果，不仅可以反演地壳应力场，同时还可以得到断层面上的摩擦系数[2-4]。首先通过震源机制解反演，可以得到主应力方向以及形状比R，进而得到断层面法向在主应力坐标系下的方向余弦值n1、n2和n3，最后根据Vavryčuk提出的断层失稳度I的分析，可以得到断层摩擦系数估计值。

图2 研究区地震的M-t图Fig. 2 Magnitude versus time for earthquakes

式中，τ和σ分别为研究断层面上的剪切应力和正应力，μ为摩擦系数。

选取不同的μ值，可以得到不同的I，最大的I值所对应的μ值即为所求的摩擦系数。利用Vavryčuk提供的反演程序，首先将100个地震按时间先后排列（表1），舍去前面4个地震之后，以6个地震为一组，将它们分成16组。每一组计算一个μ值。然后，以6个μ值为一组计算它们的对数平均值。接着以一个μ值滑动，可以得到μ值随时间的变化。之所以取对数平均值，是由于它可以消除个别极端值对计算结果的影响。

表 1 2010年智利Bio-Bío M W8.8地震前发生在研究区内地震的震源机制解Table 1 The focal mechanism solutions for earthquakes occurring in the study area before the 2010 Bio-Bío，Chile M W8.8 earthquake

续表 1

续表 1

3 结果与分析

图3 μ值随时间的变化Fig. 3 μ as a function of time

图3 为2010年智利Bio-Bío MW8.8地震前μ值随时间的变化。从图中可以看出，总体上来讲，震中附近地区断层面上的摩擦系数μ在0.4—0.75之间变化，平均值约为0.6，这个变化范围是合理的，平均值与岩石力学实验得到的结果一致[5]。2006年以前，摩擦系数μ呈上升趋势变化，从0.56上升到约0.73；从2006年初开始转为下降趋势变化，从约0.73一直下降到震前的约0.4，下降幅度达45.2%。图4为Li等[6]给出的智利Bio-Bío Mw8.8地震破裂区内视应力随时间变化计算结果。对比图3和图4可知，从2006年到地震前摩擦系数μ与视应力的变化是反向的，摩擦系数下降，同时视应力上升。由于视应力的上升变化与地壳应力增强有关，因此，摩擦系数μ的降低可能是地壳应力增强所致。

4 结束语

图4 视应力随时间的变化[6]Fig.4 Apparent stress as a function of time[6]

本文利用2010年智利Bio-Bío MW8.8地震前震中附近地区发生的地震震源机制解结果，估计了断层面上的摩擦系数，给出了摩擦系数随时间的变化。得到的结果表明：在震前的4年时间里，断层面摩擦系数呈逐渐下降趋势，到震前几个月降至最低值，这表明强震发生前断层面上摩擦系数可能会降低，以有利于断层错动。由于摩擦系数μ与视应力呈负相关变化，因此，摩擦系数μ的降低可能与地壳应力增强有关。即，由于地壳应力增强，使2010年智利Bio-Bío MW8.8地震附近地区断层面上的摩擦系数降低，变得容易错动。随着地壳应力的进一步增强，断层面摩擦系数进一步降低，最终错动发震。尽管这一结果是从智利Bio-Bío MW8.8地震一次震例的分析中得到的，但对其他地震的孕育发生过程的认识以及地震预测研究仍然具有一定的启示意义。