快速演變的三板塊邊界上的一次大地震破裂*

快速演變的三板塊邊界上的一次大地震破裂*

Kevin P Furlong1)Thorne Lay2)Charles J Ammon1)
1)Department of Geosciences，Pennsylvania State University，State College，PA 16802，USA
2)Department of Earth and Planetary Sciences，University of California，Santa Cruz，CA 95064，USA

2007年4月1日，一次大海嘯地震(MW8.1)使得所羅門群島俯沖帶在一個(gè)三聯(lián)點(diǎn)處破裂。在這個(gè)三聯(lián)點(diǎn)上，澳大利亞板塊、所羅門海-伍德拉克盆地板塊在不同滑動(dòng)方向上同時(shí)向太平洋板塊俯沖。大地震過程中，相關(guān)的滑動(dòng)方向突變使得太平洋板塊上部收斂滯彈性變形，這就產(chǎn)生了Simbo俯沖斷層之上弧前的局部隆起，潛在地放大了局地海嘯振幅。地震周期過程中的彈性形變似乎主要通過上沖的太平洋弧前來(lái)調(diào)節(jié)。這次地震顯示了極其年輕的俯沖大洋巖石圈的孕震潛力和橫貫堅(jiān)實(shí)地質(zhì)邊界的破裂能力，也顯示了引起隆起和海嘯的復(fù)雜同震滑動(dòng)的后果。

典型的大地震涉及到兩個(gè)構(gòu)造板塊之間的突然滑動(dòng)，而且最大的地震發(fā)生在由大洋板塊插入上沖板塊下方的地幔所造成的俯沖帶上。在某些地點(diǎn)，兩個(gè)大洋板塊的邊界沖擊俯沖帶，造成這兩個(gè)大洋板塊以不同的速率和方向降到上沖板塊之下。2007年4月1日所羅門島MW8.1級(jí)大地震(8.47°S，157.04°E，20:39:58.7 UTC)就是這種情況［1］。這次地震造成了太平洋上沖板塊(PaP)與獨(dú)立俯沖的澳大利亞(AuP)和所羅門海-伍德拉克盆地(SWP)板塊之間的大型逆斷層破裂 (圖1)。根據(jù)余震結(jié)果［1］、隆起/沉陷模式［2-4］和初步破裂分析［5-6］，推斷的沿圣克里托巴和新不列顛海溝的破裂區(qū)橫跨將SWP和AuP板塊分開的Simbo轉(zhuǎn)換斷層的下傾延展部分;因此，地震破裂橫穿SWP-AuP板塊邊界。破裂產(chǎn)生了局地大海嘯，造成大約50人死亡、超過9000人無(wú)家可歸。

在2007年地震前，三板塊交匯處的地震活動(dòng)性很低，沒有板間大地震記錄［7］;因此，震前地震活動(dòng)或其他可利用的地質(zhì)或構(gòu)造數(shù)據(jù)只能提供有限的有關(guān)俯沖帶幾何學(xué)方面的資料。Simbo斷層下傾延展部分之上的區(qū)域是全新世快速隆起的區(qū)域［8］。目前沿海溝俯沖的巖石圈年齡大概在0.5～3.5 Ma之間，而且科學(xué)家已經(jīng)推斷如此年輕、熾熱的巖石圈將不會(huì)產(chǎn)生大地震。這里，我們通過描繪2007年地震破裂來(lái)闡明在此次地震之前應(yīng)變是如何在俯沖板塊和上沖板塊之間分布的。

約0.5 Ma前，伍德拉克盆地?cái)U(kuò)張脊的最東部向所羅門島西部邊緣之下俯沖(圖1)，洋脊-海溝三聯(lián)點(diǎn)以每年110～120 mm的速率向西北遷移。板塊俯沖速率和方向上的差異形成了目前位于新喬治亞島南部下方的板片窗。SWP以每年135 mm(N45°E)的速度俯沖，而AuP則以每年97 mm(N70°E)的速度俯沖［8-9］。約0.5 Ma前伍德拉克盆地脊面向海溝方向的部分幾乎完全停止擴(kuò)張［8-9］，同時(shí)形成了Simbo右旋走滑轉(zhuǎn)換斷層，導(dǎo)致Ghizo巖石圈碎片(圖1)從SWP遷移到AuP。Simbo轉(zhuǎn)換斷層將SWP和AuP之間的板塊運(yùn)動(dòng)調(diào)整到每年約60 mm，由Simbo轉(zhuǎn)換斷層和海溝形成的新的三聯(lián)點(diǎn)以每年～110 mm的速度向東南遷移。

圖1 2007年4月1日MW8．1級(jí)地震(星號(hào)表示震中位置)破裂區(qū)的板塊構(gòu)造背景和最近的構(gòu)造演變?；揖€表示0．5 Ma前的板塊邊界結(jié)構(gòu)，包括初期的Simbo轉(zhuǎn)換斷層和由擴(kuò)張活躍的伍德拉克擴(kuò)張脊俯沖產(chǎn)生的板片窗。黑線表示現(xiàn)在的板塊邊界結(jié)構(gòu)。三角陰影區(qū)(Ghizo碎片)代表0．5 Ma前從SWP遷移至AuP的伴隨Simbo轉(zhuǎn)換斷層形成的俯沖大洋巖石圈的范圍。根據(jù)Tregoning等［10］，我們認(rèn)為伍德拉克盆地和所羅門海組成了一個(gè)單一的構(gòu)造單元，即所羅門海-伍德拉克盆地板塊(SWP)。箭頭顯示了SWP和AuP相對(duì)于PaP的板塊運(yùn)動(dòng)。插圖示出地震破裂區(qū)用三角形表示的板塊運(yùn)動(dòng)速度。SCT:圣克里托巴海溝;NBT:新不列顛海溝;B: Bougainville;M:Mbava;V:Vella Lavella;R:Ranongga;G:Ghizo

圖2 破裂傳播方位角為305°情況下作為方向參數(shù)Г的函數(shù)繪制的Rayleigh波R1有效震源時(shí)間函數(shù)(STF)。沿破裂方向(正Г)的STF持續(xù)時(shí)間很短，表明在305°方向主要為單側(cè)破裂。沿STF端點(diǎn)擬合一條直線，將其投影至Г的極限值(±0．25 s/km)，我們便會(huì)得到STF的持續(xù)時(shí)間(最小52 s、最大182 s、平均117 s);由于STF的離散性，每個(gè)值約有±10 s的不確定性。直線顯示了STF的起始、平均以及終止時(shí)間。STF顯示主震7 min后明顯有一次大余震

遠(yuǎn)震體波和短弧Rayleigh波(R1)被用來(lái)描繪主震破裂特征。R1震源時(shí)間函數(shù)(STF)的方位角變化［11］對(duì)平均破裂長(zhǎng)度和破裂傳播速度形成約束。圖2顯示R1震源時(shí)間函數(shù)在破裂方向上很窄(～50 s)，而在相反方向上則較寬(～180 s)。系統(tǒng)性持續(xù)時(shí)間變化與平行于海溝軸的單側(cè)破裂一致，平均破裂速度為2.5±0.4 km/s。震源時(shí)間函數(shù)得出的地震矩為2.5×1021N·m(M= 8.2)，比全球矩心矩張量(GCMT)估算的稍大，GCMT給出的傾角非常大(37°)［5］。震源時(shí)間函數(shù)顯示主震之后約7 min后有一次明顯的大余震。這次MW=6.6地震起始于主震震源西北約200 km處(7.17°S，155.78°E，20:47:31.3 UTC)。

采用規(guī)定了斷層取向的最小二乘反演，指定破裂速度Vr、次生斷層可變滑動(dòng)角和震源時(shí)間函數(shù)，我們計(jì)算了遠(yuǎn)震P波和SH波在方位角分布相對(duì)均勻情況下的有限斷層模型，所獲得的解為斷層走向305°±5°、傾角25°±5°、Vr=2.5±0.4 km/s(圖3)。破裂速度變化的主要影響就是造成了滑動(dòng)帶的延長(zhǎng)。就斷層傾角、走向和數(shù)據(jù)子集的變化而言，基本解是穩(wěn)定的。

滑動(dòng)模型顯示在淺部主要有兩處沿走向的滑動(dòng)，兩處滑動(dòng)角的系統(tǒng)差為36°(近震中處的平均滑動(dòng)角為49±11°，西北部的滑動(dòng)角為85±15°)。另一處更深些的滑動(dòng)位于距震中約100 km處，其滑動(dòng)角范圍處于以上兩處滑動(dòng)角之間。體波也顯示主要為單側(cè)破裂，總持續(xù)時(shí)間約為100 s，地震矩M0= 1.87×1021N·m(MW=8.1)?；净瑒?dòng)屬性與其他研究結(jié)果［5-6］一致。

圖3 由P波和SH波反演得到的主震有限滑動(dòng)模型概況。該模型給出的震源機(jī)制涉及平均斷層取向、有滑動(dòng)矢量的破裂面(表明PaP相對(duì)于SWP和AuP的運(yùn)動(dòng)指向，等值線間距1 m)以及矩率函數(shù)(表明作為時(shí)間函數(shù)的地震能量釋放)。地震矩(M0)給出的震級(jí)為MW=8．1。反演中假定破裂速度Vr為2．5 km/s

主滑動(dòng)區(qū)同震滑動(dòng)的不同方向界定了震間應(yīng)變積累的不同區(qū)域。如果Simbo斷層在0.5 Ma前發(fā)育，那么板片界面上這個(gè)轉(zhuǎn)變位置(圖4)與預(yù)期的Simbo斷層的下傾范圍一致。淺震滑動(dòng)方向與兩對(duì)板塊目前的相對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)的一致性界定了從 SWP遷移到AuP的Ghizo俯沖碎片區(qū)。Simbo俯沖斷層下傾方向上AuP-PaP和SWP-PaP相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向之間斷層滑動(dòng)的緩慢轉(zhuǎn)變顯示俯沖板片與該區(qū)至少局部相連，導(dǎo)致了應(yīng)變積累和同震釋放的復(fù)雜性。

東南主破裂區(qū)破裂的有限深度范圍(AuP-PaP相互作用)與極其年輕的俯沖板塊以及0.5 Ma前洋脊俯沖過程中發(fā)育的板片窗的范圍和位置一致(圖1)。沿Simbo斷層附近大型逆斷層相對(duì)較小的同震滑動(dòng)令人難以理解，尤其是考慮到與該區(qū)的這次地震相關(guān)的明顯隆起［2-4］以及類似模式的俯沖轉(zhuǎn)換斷層之上的全新世隆起［8］。

圖4 地震滑動(dòng)模型與該區(qū)板塊構(gòu)造背景的比較。(a)破裂模型概圖，其范圍從伍德拉克俯沖(已消逝)擴(kuò)張中心一直到Simbo轉(zhuǎn)換斷層三聯(lián)點(diǎn)的初始位置(0．5 Ma)。插圖顯示了沿兩個(gè)主要矩釋放區(qū)滑動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，矩釋放導(dǎo)致了觀測(cè)到的最大隆起區(qū)內(nèi)太平洋上沖板塊縮短約2．5～3．0 m。(b)沿俯沖界面破裂的三維圖。南部矩釋放處的同震滑動(dòng)表明該區(qū)與澳大利亞板塊完全相連。較淺的西北部矩釋放處內(nèi)部的滑動(dòng)表明SWP緊密相連。圖中還顯示了太平洋板塊內(nèi)同震滑動(dòng)期間預(yù)期的板內(nèi)縮短位置

對(duì)于俯沖帶震間和同震彈性應(yīng)變的積累和釋放有兩種描述。在“板片變形”模型中，所有震間彈性形變都發(fā)生在俯沖板片內(nèi)，即剛性上部板塊沒有變形?；谶@種假設(shè)，所有同震恢復(fù)都會(huì)涉及到板片的位移。在“上部板塊變形”模型中，上沖板塊積累了所有的震間形變，因此所有的同震位移都發(fā)生在上部板塊。與前者相比，后者會(huì)產(chǎn)生更多的表面隆起，也更有可能引發(fā)海嘯。俯沖帶的情況可能介于這兩種情況之間，而且地震觀測(cè)通常無(wú)法辨別出一個(gè)特殊俯沖板塊邊界究竟位于哪個(gè)區(qū)域。如果所羅門俯沖體處于該區(qū)域的板片變形一端，那么同震滑動(dòng)則要求在地震過程中和/或Simbo斷層加載過程中出現(xiàn)同步或觸發(fā)滑動(dòng)。然而這兩種情況似乎都沒有出現(xiàn)。

實(shí)際情況是，所羅門俯沖體的地震周期與上部板塊變形模型預(yù)期的一致。在地震之前，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)測(cè)得的AuP位移(破裂區(qū)正南)顯示出澳大利亞相對(duì)于太平洋的無(wú)阻礙運(yùn)動(dòng)［12］，意味著澳大利亞俯沖板塊沒有(即使有也很少)應(yīng)變積累。與地震相關(guān)的上隆模式［2-3］以及最大的局部海嘯的位置［3-4］與兩處板間位移之間過渡帶內(nèi)上部板塊的同震縮短量一致(圖4)。在島弧-海溝區(qū)的群島上觀測(cè)到的隆起可能源于同震形變或震后快速形變［2-4］，這些島嶼包括Ranongga、Mbava和Vella Lavella，它們都位于Simbo俯沖轉(zhuǎn)換斷層和Simbo洋脊之上。以前，這個(gè)近海溝隆起被認(rèn)為源于一個(gè)狹窄矩形斷層上方5 m的均勻滑動(dòng)［2］，但圖3顯示的更復(fù)雜的斷層破裂模式，尤其是Simbo俯沖轉(zhuǎn)換斷層附近的斷層滑動(dòng)相對(duì)極小值，表明要對(duì)此隆起模式作出解釋，除了沿Simbo斷層測(cè)深學(xué)的俯沖解釋外還可能有另外一種機(jī)制。

觀測(cè)得到的同震滑動(dòng)模式給出的隆起模型顯示該區(qū)局部隆起的增加超過了30%。同樣，該區(qū)最大海嘯的局部位置［3-4］可能體現(xiàn)了局部隆起(如果是同震的)的放大效應(yīng)和/或反映出兩處性質(zhì)不同的矩釋放所產(chǎn)生的波的相長(zhǎng)干涉。別處沿邊緣近海溝島嶼的數(shù)量有限，使得我們無(wú)法判斷在Ranongga島觀測(cè)到的隆起和海嘯是否是沿破裂帶的典型特征。Ranongga(和相關(guān)島嶼)的存在以及附近島嶼長(zhǎng)期的快速隆起模式(在全新世大于每年3 mm)［8］意味著這個(gè)區(qū)域代表著近海溝隆起的相對(duì)最大值。如圖4所示，假設(shè)此次事件代表了上部板塊形變，那么我們得到的2007年地震的破裂模型便意味著這個(gè)快速隆起代表著覆在東南破裂區(qū)之上的弧前和覆在西北破裂帶之上的弧前之間的太平洋弧前內(nèi)一個(gè)局部的沿島弧匯聚區(qū)。這一復(fù)雜破裂模式，外加上部板塊為主導(dǎo)的變形狀態(tài)，增加了類似區(qū)域的地震風(fēng)險(xiǎn)。

(注:原文中圖件均為彩圖)

譯自:Science，10 April，2009，Vol.324:226-229

原題:A great earthquake rupture across a rapidly evolving three-plate boundary

(中國(guó)地震局地球物理研究所研究生 吳 清譯;左玉玲 校)

(譯者電子信箱，吳 清:qingqing4259@ yahoo.com.cn)

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