2022 年9 月17 日中国台湾地震序列的触发机制及其动力学成因

黄少华 ,万永革,2 ,冯 淦 ,李 枭 ,关兆萱

1.防灾科技学院地球科学学院,河北 三河 065201;

2.河北省地震动力学重点实验室,河北 三河 065201

0 引言

中国台湾位于环太平洋地震带,为欧亚板块、太平洋板块和菲律宾海板块三大板块的交汇处,台湾纵谷断裂带走向近南北,纵谷断裂带的西侧属于欧亚板块,东侧属于菲律宾海板块 (吴中海,2019)。菲律宾海板块与欧亚板块发生碰撞且俯冲至琉球岛弧之下,其向北西中国华南大陆运移的相对速率平均为 92～94 mm/a (Sella et al.,2002),推动其前缘的吕宋火山弧与欧亚板块大陆边缘发生碰撞,台湾岛大部分地区在西北—东南向挤压应力的作用下以大约8 cm/a 的速度消减(Yu et al.,1997)。构造位置的特殊导致弧-陆碰撞带成为西太平洋构造域典型的强震多发地带(吴啸龙等,2019)。历史上曾发生1972 年1 月25日的台湾火烧岛东海中MS7.6 地震;1999 年9 月台湾中部发生的MS7.7 集集地震,造成至少2297人死亡,损失估计达140 亿元 (雍琦,2017;张庆云,2019;邓志辉,2021)。

2022 年9 月17—18 日发生的地震序列包括两个MS>6 的强震,分别为17 日台东县的MS6.5 地震和18 日花莲县的MS6.9 地震,并在纵谷断裂带周围发生数个MS>5 的地震。通过对历史上纵谷断裂带周边发生的地震类型进行统计后,发现以往大多数地震为逆断型地震。综合多种震源机制得到此次序列中7 个MS>5 地震的震源机制中心解,发现此次地震序列的震源机制类型有别于该地区的主流震源机制,在此次MS>5 的地震中,有4 个为逆走滑型,2 个为走滑型,均不是该区域的主体逆断型地震。为探究在逆冲型构造应力为主的背景下产生逆走滑型和走滑型地震的原因,使用网格搜索法 (Wan et al.,2016) 反演地震周围的应力场,将应力场反演结果投影到各种断层上,研究其产生走滑和逆走滑型地震的可能性,分析发生逆走滑型地震是否符合当地的构造应力场特征。研究认为两次MS>6 的强震间存在触发关系,通过计算台东县的MS6.5 地震在花莲县的MS6.9 地震断层面上产生的库伦破裂应力,可判断两者间的触发关系。此外,强震发生后的地表破裂可以分析断层的活动行为和区域危险性(韩帅等,2022),文中通过计算机模拟了此次地震序列中两个MS>6 地震共同造成的地表位移场。这些问题的研究有助于明确台湾地区地震的发震机理和地球动力学模型,对台湾地区防震减灾工作具有一定意义。

1 资料和方法

1.1 震源机制中心解

该次地震序列发生后 (地震序列位置及周围地形见图1),众多机构和学者迅速使用各自的资料和方法做出其震源机制解。计算所用的资料和方法的不同会使描述同一地震的震源机制解之间具有一定的差异,尽管都是对震源错动的描述,选择任意一种方法都难以保证是最准确的,因此文章综合多种测量结果给出一个中心解来进行后续研究 (万永革,2019),此方法已在许多研究中广泛使用 (杨彦明等,2021;戴盈磊等,2022;孔华等,2023)。

图1 2022 年9 月17—18 日中国台湾地震序列中MS>5 的7 个地震分布Fig.1 Distribution of seven earthquakes with MS >5 in the Taiwan earthquake sequence on September 17-18,2022

首先搜集美国地质调查局 (USGS)、德国亥姆霍兹波茨坦中心 (GFZ)、法属波利尼西亚探测与地球物理实验室 (CPPT)、法国巴黎地球物理学院 (IPGP)、法国蔚蓝海岸天文台 (OCA) 和全球矩心矩张量项目 (GCMT;https://www.emsccsem.org/Earthquake/tensors.php) 以及中国地震台网中心 (https://data.earthquake.cn/datashare/report.shtml? PAGEID=earthquake_ dzzyjz)、台湾地震科学资料中心 (https://rmt.earth.sinica.edu.tw/)、台湾研究院实时矩张量监测系统(RMT) 和台湾研究院全球实时矩张量监测系统(GRMT) 等国内外机构给出的此次地震序列的震源机制解。然后计算得出震源机制中心解的具体结果 (表1—表3),并将MS>6 的两次强震中心震源机制解及其不确定性范围绘制成图2。最后根据万永革等 (2022) 对地震震源机制类型的划分原则,判断出此次MS>6 的两次地震类型均为逆走滑型,其余余震的地震类型见表3,文中绘图所用软件为GMT6 及Matlab。

表2 中国台湾花莲县MS6.9 地震震源机制中心解结果和标准差Table 2 Results and standard deviation of the central focal mechanism solution for the MS6.9 earthquake in Hualien County,Taiwan,China

表3 5 次MS<6 的地震震源机制中心解汇总表Table 3 Table of central focal mechanism solution of the five earthquakes with MS<6

图2 2022 年9 月17—18 日中国台湾两次强震的地震震源机制中心解计算结果N、S、W、E 表示地理方位;U、D 表示上、下;红色箭头表示压轴 (P 轴) 方向;蓝色箭头表示张轴 (T 轴) 方向;黑色弧线是震源机制中心解的两个节面;绿色区域为不确定性范围;红点、蓝点、黄点表示中心解的P 轴、T 轴、B 轴 (中间轴);红、黄、蓝3 个圆圈范围是中心解的P 轴、T 轴、B 轴不确定性范围;黑点、绿点是各震源机制解T 轴、P 轴的投影;紫色弧线表示各研究机构和此次的震源机制解节面;蓝色球表示压缩区;红色球表示膨胀区a—台东县MS6.5 地震震源机制中心解的等面积投影和空间三维辐射花样;b—花莲县MS6.9 地震震源机制中心解的等面积投影和空间三维辐射花样Fig.2 The central focal mechanism solutions for two strong earthquakes in Taiwan on September 17-18,2022(a) The equal-area projection and three-dimensional radiation pattern of the central focal mechanism solution for the MS6.5 earthquake in Taitung County;(b) The equal-area projection and three-dimensional radiation pattern of the central focal mechanism solution for the MS6.9 earthquake in Hualien CountyN,S,W,E represent geographical directions;U,D represent up and down;red arrows indicate the principal (P-axis) direction;blue arrows indicate the tensional (T-axis) direction;the black arcs represent the two fault planes of the central focal mechanism solution;the green area represents the uncertainty region;red dots,blue dots,and yellow dots represent the central solution′s P-axis,T-axis,and B-axis (intermediate axis);the red,yellow,and blue circles represent the uncertainty regions of the central solution′s Paxis,T-axis,and B-axis;black dots and green dots are the projections of the T-axis and P-axis for each seismic source mechanism solution;purple arcs represent the fault planes of different research institutions and the current mechanism solution;blue spheres represent compression zones;red spheres represent expansion zones.

1.2 反演应力场的资料与方法

震源机制数据来自GCMT 目录,选择纵谷断裂带周围 (120.6—121.6°E,22.8—23.8°N) 为研究区,收集1978—2019 年间72 个MS>4 地震的震源机制解,震源深度最深达69 km。因为地震断层错动会导致地表变形,其中,逆断层会造成总体地表的隆升,此时地震错动的面应变值>0,表示地震造成水平面的膨胀;正断层造成总体地表的沉降,此时地震错动的面应变值<0,表示地震造成水平面的压缩;走滑断层基本不造成地表隆升或沉降,面应变值为0。万永革 (2022) 提出根据相对面应变值 (As) 可对这些震源机制解进行类型划分,该方法中相对面应变值通过地震矩张量求得,计算时不需要考虑地震破裂大小,相对面应变最大值为1 时,对应的震源机制为完全逆断型,最小值为-1 时,对应的震源机制为完全正断型,而当相对面应变值为0 时,表示震源机制为单一走滑型,按照-1≤As<-0.7、-0.7≤As<-0.3、-0.3≤As≤0.3、0.3

图3 研究区1978—2019 年间发生地震的类型分类NS 为正走滑型,采用粉色海滩球表示;SS 为走滑型,用黑色海滩球表示;N 为正断型,用红色海滩球表示;RS 为逆走滑型,用绿色海滩球表示;R 为逆断型,用蓝色海滩球表示a—研究区范围及历史上发生的地震位置;b—历史上发生地震的分类统计Fig.3 Classification of earthquake types occurred in the study area between 1978 and 2019(a) Location of historical earthquakes within the study area;(b) Classification of historical earthquakes NS stands for normal slip,represented by pink beach balls;SS stands for strike-slip,represented by black beach balls;N stands for normal fault,represented by red beach balls;RS stands for reverse slip,represented by green beach balls;R stands for reverse fault,represented by blue beach balls.

使用震源机制数据求解应力场在地震学、地质学等领域具有广泛应用,如许鑫等 (2022) 利用此方法得到的安徽霍山地区应力场来研究断层滑动性质;丰成君等 (2022) 通过震源机制得到南迦巴瓦地区的地应力,并对其进行了构造稳定性的探讨等。此次利用震源机制反演应力场时使用网格搜索法,即在应力场的模型空间中找到与实际地震数据最符合的应力模型作为结果输出。在Wan 的震源机制解反演应力场程序中,因为有4个待求参数,所以需要至少4 个地震事件参与反演。

参考相关研究 (冯淦等,2021;余海琳等,2021;万永革等,2022),在反演过程中将搜索步长设为1°,将应力型因子R值的搜索步长设为0.1,置信度设为90%。地震产生的观测资料其精度往往与震级有关,震级越高的地震震源机制应该越准确,在反演应力场前,根据震级对震源机制解数据赋予对应的权重,将震级最大的地震震源机制解权重设为10,震级最小的地震震源机制解权重设为1。同时考虑到随着震级增大,地震能量呈指数增长,参考已有方法 (Shen et al.,1996;黄骥超,2015),对震源机制数据赋予权重的计算公式如下:

W为地震震源机制所占权重;D为震级衰减系数;e 为自然常数;r为震级相对大小,由地震震级减去统计地震数据中最小的震级求得:

2 区域应力场反演结果

使用61 个历史地震震源机制数据反演的研究区应力场结果显示 (图4),主压应力轴的走向角和倾角分别为293.02°和1.00°,置信范围分别为293.00°～293.05°和0.5°～2.0°。中间轴走向角为203.00°,倾角为1.00°,置信范围分别是202.5°～203.5°和0°～3.0°,主张应力轴走向角为68.00°,倾角为88.59°,置信范围分别为67.50°～68.50°和87.59°～90.59°。该结果与万永革等 (2010) 使用P 波初动得到的台湾地区的应力场结果相近;Wu et al.(2008) 对台湾地区应力场的研究中指出,应力场主压应力轴方向为南东东—北西西向,台湾东部主压应力轴呈扇形向南北散开,其在纵谷断裂附近的研究结果与此次研究区应力场反演结果接近。研究区应力场反演结果中R值为0.7,说明应力场以压应力为主。李锡堤 (1986) 使用断层面上的滑动方向数据反演台湾应力场,其结果表明台湾地区的压应力主要存在于台湾中南部。Rau and Wu (1998) 利用97 个小震震源机制资料(2.7≤ML≤5.7) 得到的台湾全区的主压应力方位角为289°,与此次反演结果极为接近 (主压应力轴走向角为293.02°);Yeh et al.(1991) 通过震源机制也得到了相近的台湾地区应力结果,基本符合菲律宾海板块挤压欧亚板块的构造活动背景。

图4 研究区反演应力状态N、S、W、E 表示地理方位;U、D 表示上、下;黑色弧线对应震源机制解的各个节面;红色大箭头表示主压应力轴的最优方向;红色小箭头代表断层理论滑动方向;蓝色小箭头代表观测滑动方向;绿色弧线覆盖区域是90%置信度下应力场的最大剪应力节面;黄色小箭头则为该节面的最大剪应力方向;红黄色球表示挤压,蓝色球表示拉张a—研究区应力场反演结果;b—三维应力图Fig.4 Inferred stress state in the study area(a) Result of stress field inversion in the study area;(b) Chart displaying the three-dimensional stress distribution N,S,W,E represent geographical directions;U,D indicate up and down;black curves represent various fault planes corresponding to earthquake focal mechanism;red large arrows indicate the optimal direction of the principal stress axis;red small arrows represent the theoretical slip direction of faults;blue small arrows indicate the observed slip direction;green curves represent the maximum shear stress planes of the stress field at a 90% confidence level;yellow small arrows represent the maximum shear stress direction on that plane;red and yellow spheres represent compression,while blue spheres represent tension.

综合研究区应力场反演结果和历史地震震源机制分类结果进行分析,发现主压应力轴走向与研究区一系列断层走向近乎垂直,在应力作用下断层破裂容易产生逆断型地震,这符合该地区地震类型以逆断型为主的实际情况。通过统计地震震源深度发现,逆走滑型地震的发震深度较浅,包括此次MS>6 的两次逆走滑型地震,综合各机构给出的震源深度求取平均值,得到MS6.5 地震震源深度为11 km,MS6.9 地震震源深度为15.6 km,均低于逆断型地震震源的平均深度21.42 km。逆走滑型地震与逆断型地震相比,地震断层错动增加了走滑分量,由此推断走滑分量的产生或许与研究区浅部复杂的地质构造有关,该地区浅部应力场与整体应力场存在差异。万永革等 (2011)得到的台湾地区三维应力场证实,台湾地区深部应力场主压应力轴走向和倾角与浅部应力场不同,研究区内由深到浅主压应力轴走向从近东西向转变为西北—东南向,主压应力轴在深部与周围断层走向近乎垂直,在浅部主压应力轴走向与周围断层走向具有一定的角度。在浅部应力场作用下断层上的错动会产生走滑分量,进而发生走滑型地震或逆走滑型地震。

3 应力体系模拟

通过应力体系模拟方法 (万永革,2020),基于研究区应力场反演结果计算震源机制中心解节面上的相对剪应力和相对正应力的大小。因为计算出的应力场结果只有4 个独立参数,即3 个应力主轴方向和表示3 个主应力相对大小的R值,没有主应力值的绝对大小,为方便比较,用最大剪应力对节面上算得的正应力和剪应力进行归一化,由此得到相对正应力和相对剪应力。其中相对正应力在一定程度上能反应节面间摩擦力的大小,相对剪应力能反应剪切作用的强弱。此次计算出的历史上逆断型和走滑型地震的总体震源机制解以及这两个总体震源机制解断层面上的相对剪应力和相对正应力见表4。

表4 应力张量在各类型地震的总体震源机制节面上的相对剪应力和相对正应力统计表Table 4 Relative shear stress and relative normal stress of stress tensor on the focal mechanism nodal plane of each type of earthquake focal mechanism

逆断型和走滑型地震的总体震源机制解节面和此次MS>6 地震中心解节面上的相对剪应力和相对正应力结果如图5 所示,此次MS>6 地震的推测断层与应力场的关系如图6 所示。此次台湾MS6.5地震节面上的相对剪应力和相对正应力值分别为0.911 和-0.544;MS6.9 地震节面上的相对剪应力和相对正应力值分别为0.898 和-0.572,两次地震节面上的相对剪应力都比较大,同时相对正应力都为负值,说明这两次地震是研究区震前应力场直接作用在节面上产生的错动,北西西走向的压应力挤压纵谷断裂带,导致其发生逆冲兼走滑的错动,是当地应力积累后的正常释放。对于逆断型地震和走滑型地震的总体震源机制解,其两个节面上都有相对剪应力较大而相对正应力较小的特点,因为节面Ⅰ与纵谷断裂带走向较为接近,选择其节面Ⅰ上的结果进行分析,其中,走滑型及逆断型地震的相对剪应力值都在0.7 以上,位于红色背景区域 (图5a);相对正应力值都为负值,位于浅蓝色区域 (图5b),这表明在研究区应力状态下逆断型地震和走滑型地震都较易发生,并且逆断型地震更容易发生,这与统计的历史上发生的地震类型占比是符合的,随着震源深度由深到浅,地震类型由逆断型为主转变为以走滑型为主,逆走滑型地震处于二者的中间状态,伴随着走滑型地震和逆断型地震发生,逆走滑型地震的发生同样符合研究区的构造应力背景。

图5 研究区应力场在各种节面上的相对应力黑色沙滩球表示逆断型地震;粉色沙滩球表示逆走滑型地震;紫色沙滩球表示走滑型地震;SS 标记走滑型总体震源机制解位置;R 标记逆断型总体震源机制解位置;红色沙滩球标记此次MS>6 地震位置a—节面上的相对剪应力;b—节面上的相对正应力Fig.5 Relative stress on each plane in the Study Area(a) Relative shear stress on each plane;(b) Relative normal stress on each planeBlack beach balls represent reverse fault earthquakes;pink beach balls represent reverse slip earthquakes;purple beach balls represent strike-slip earthquakes;SS marks the location of overall strike-slip focal mechanism solutions;R marks the location of overall reverse fault focal mechanism solutions;red beach balls mark the locations of earthquakes with MS>6.

图6 2022 年9 月17—18 日中国台湾两次MS>6地震的推测断层状态a—台湾MS6.5 地震断层运动方式;b—台湾MS6.5 地震断层与应力场关系;c—台湾MS6.9 地震断层运动方式;d—台湾MS6.9 地震断层与应力场关系Fig.6 Inferred fault status of two earthquakes with MS>6 in Taiwan on September 17-18,2022(a) Fault movement type of the Taiwan MS6.5 earthquake;(b)Relationship between the Taiwan MS6.5 earthquake fault and the stress field;(c) Fault movement type of the Taiwan MS6.9 earthquake;(d) Relationship between the Taiwan MS6.9 earthquake fault and the stress field

4 地震间触发作用与地震产生的地表位移

4.1 台东县MS6.5 地震对花莲县MS6.9 地震的触发作用

此次计算台东县MS6.5 地震对花莲县MS6.9地震节面上的库伦破裂应力时,将花莲县MS6.9地震的中心震源机制解作为接收断层面,根据台湾地震科学资料中心提供的结果将震源深度设置为7 km,参考以往研究 (Stein et al.,1992;King et al.,1994;Wu et al.,2008) 取视摩擦系数为0.4,结果如图7。花莲县MS6.9 地震在该位置接收断层面上的剪应力为0.042 MPa,正应力为0.004 MPa,库伦破裂应力为0.02 MPa,一般认为库伦破裂应力的触发阈值为0.01 MPa (万永革等,2017),由此推断台东县MS6.5 地震对花莲县MS6.9 地震具有明显的促进作用。

图7 台东县MS6.5 地震在花莲县MS6.9 地震节面上产生的库伦破裂应力变化Fig.7 Coulomb failure stress changes generated on the fault plane of the Taitung MS6.5 earthquake by the Hualien MS6.9 Earthquake

4.2 地表位移场

基于弹性半空间模型 (Okada,1992) 和Wells and Coppersmith (1994) 给出的统计公式,估算台东县MS6.5 地震断层面的大小和滑动量,得到断层面长度为28.84 km,宽度为9.89 km,滑动量为73.68 cm。同时结合张勇提供的中国台湾花莲县MS6.9 地震的破裂模型,计算地表同震位移场 (图8)。结果可以看出,地表位移基本呈四象限分布,最大水平位移方向与纵谷断裂带走向一致,地表水平位移整体大于垂直位移,属于逆走滑型地震位移场的特征,符合纵谷断裂带上发生逆走滑型错动的实际情况。

图8 2022 年9 月17—18 日中国台湾两次MS>6地震共同产生的同震位移场Fig.8 The coseismic displacement field generated by two earthquakes with MS6 in Taiwan,China on September 17 -18,2022

5 结论

基于台湾纵谷断裂带周围地区历史地震震源机制数据的统计与分类,使用网格搜索法反演纵谷断裂带周围的应力场并进行应力体系的模拟,同时计算台东县MS6.5 地震对花莲县MS6.9 地震的库伦破裂应力以及两次地震造成的地表位移,得出以下结论:

(1) 2022 年9 月17 日中国台湾地震序列中两次MS>6 地震震源机制中心解表明其为逆走滑型地震,其中台东县MS6.5 地震的走滑分量较大;其他MS>5 的余震类型中包含2 个逆走滑型,2 个走滑型和1 个逆断型。而统计研究区历史上72 次地震震源机制解发现,研究区地震以逆断型地震为主。两次MS>6 逆走滑型地震的震源深度较浅,分别为11 km 和15.6 km;历史地震统计中逆走滑型地震的震源深度也较浅,6 个逆走滑型地震中有4次地震震源深度小于18 km,由此判断逆走滑型地震的发生与研究区浅部复杂的地质构造有关。

(2) 台湾纵谷断裂带及其周围地区的应力场结果显示,主压应力轴走向角为293.02°,倾角为1.00°;中间轴走向角203.00°,倾角为1.00°;主张应力轴的走向角为68.00°,倾角88.59°;R值为0.7,属于低倾角的主压应力场。北西西走向的主压应力轴与纵谷断裂带等周围一系列南南东走向的断层近乎垂直,符合该地区地震类型以逆断型为主的情况;而研究区的走滑型地震及逆走滑型地震所产生的走滑分量是浅部应力场作用的结果,其主压应力轴走向与周围断层走向不再垂直,因而容易产生走滑分量。地震动力来源于菲律宾海板块相对于欧亚板块向西北方向与欧亚板块俯冲碰撞时造成的整体北西西向的压应力;由于研究区浅部地质构造复杂,因此其应力场存在一些差异。

(3) 应力体系模拟的结果显示,台湾两次MS>6 地震是在当前应力作用下应力积累后的正常释放。研究区在当前应力场下走滑型、逆走滑型及逆断型地震都易于发生,主要的应力作用触发逆断型地震,局部浅部的应力作用触发走滑型地震和逆走滑型地震,作为中间类型的逆走滑型地震发生频次少,但符合研究区的应力背景。

(4) 台东县MS6.5 地震的库伦破裂应力在花莲县MS6.9 地震的断层节面上产生超过阈值的变化,由此认为台东县MS6.5 地震对2022 年9 月18日的花莲县MS6.9 地震具有触发作用。同时计算得出的地表位移场符合逆走滑型地震产生的位移场特征。

致谢:文中使用的地震破裂模型由中国地震局地球物理研究所张勇教授提供;论文的撰写得到了黄骥超、许鑫的帮助,在此一并表示感谢!