2016年11月13日新西蘭南島MW 7.8地震的同震粘滑震相研究

許健生 李 麗 隗永剛 張 旭

（中國北京100081 中國地震局地球物理研究所）

0 引言

根據(jù)全球數(shù)字地震儀臺(tái)網(wǎng)（GSN）的測定結(jié)果，2016 年11 月13 日11 時(shí)02 分56.0 秒（GMT），在新西蘭南島（42.76°S，173.08°E，h=23.0 km）發(fā)生一次MW7.8 地震，震后發(fā)生浪高達(dá)3 m 的海嘯（Hamling et al，2017）。在震中距1.9°—144.5°范圍內(nèi)，GSN 有100 個(gè)臺(tái)的寬頻帶（BH）和甚寬頻帶（VH）數(shù)字地震儀較好記錄到該地震。

李普春等（2013）在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的巖石粘滑錯(cuò)動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明，粘滑錯(cuò)動(dòng)過程一般可分為預(yù)滑、粘滑和止滑3 個(gè)階段，且往往不是一次、單點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)，而是由多次、多點(diǎn)粘滑錯(cuò)動(dòng)組成，表現(xiàn)出在斷層的不同部位、不同時(shí)間、多點(diǎn)、多次粘滑錯(cuò)動(dòng)的特征。在天然地震觀測中，破裂前的預(yù)滑過程激發(fā)出的信號較弱，一般不易被觀測到。但破裂后的同震粘滑和止滑過程激發(fā)出的信號較強(qiáng)，容易被觀測到。分析此次MW7.8 地震數(shù)字波形記錄后發(fā)現(xiàn)：在100個(gè)臺(tái)的長周期（LP）記錄上，在與P 震相同時(shí)到達(dá)的Xs1 震相之后，可進(jìn)一步識別出子粘滑錯(cuò)動(dòng)震相Xs2、Xs3、Xs4 和粘滑錯(cuò)動(dòng)的峰值震相Xsm。在粘滑錯(cuò)動(dòng)達(dá)到峰值后還可識別出止滑過程激發(fā)出的長周期止滑面波震相XsQ（勒夫型）和XsR（瑞雷型）。其中，距震中最近的SNZO 地震臺(tái)（41.31°S，174.70°E，Δ=1.9°）記錄到的XsQ 和XsR 震相，周期長約600 s。對此次新西蘭南島MW7.8 地震的同震粘滑震相進(jìn)行分析，以期在地震記錄圖上識別出Xs、XsQ 和XsR 震相，為認(rèn)識同震粘滑錯(cuò)動(dòng)過程及預(yù)判地震次生災(zāi)害提供幫助。

1 數(shù)據(jù)

本文所用資料來自全球地震臺(tái)網(wǎng)（GSN）100 個(gè)臺(tái)的寬頻帶（BH）和甚寬頻帶（VH）速度型數(shù)字記錄，拾震器型號多為STS-1 或STS-2。在震中距100°以內(nèi)，用CDSN 地震臺(tái)站分析軟件將BH 通道的記錄仿真成短周期（SP）后讀取P 震相數(shù)據(jù)。在震中距100°—144.5°間，仿真成長周期記錄（LP）后讀取Pdif 震相到時(shí)。全部的P+Xs1、Xs2、Xs3 和Xs4 震相數(shù)據(jù)均為仿真成長周期記錄（LP）后讀取，在VH 通道讀取了全部的XsQ 和XsR震相數(shù)據(jù)。

地震參數(shù)取自美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）國家地震信息中心（NEIC）發(fā)布的地震目錄，發(fā)震時(shí)間和地震圖上標(biāo)注的時(shí)間均為世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)（UTC）。震中位置和GSN 臺(tái)站位置見圖1。

圖1 GSN 臺(tái)站位置和震中分布紅圓點(diǎn)為震中，藍(lán)三角為臺(tái)站Fig.1 Distribution of earthquake epicenter and GSN stations

2 Xs、Xsm、XsQ 和XsR 震相的記錄特征

在寬頻帶（BH）長周期（LP）和甚寬頻帶（VH）的數(shù)字波形記錄上，Xs、Xsm、XsQ 和XsR 震相有以下記錄特征。P+Xs1、Xs2、Xs3、Xs4 和Xsm 震相典型記錄（VH）見圖2，XsQ 和XsR 震相典型記錄見圖3。

圖2 P+Xs1、Xs2、Xs3、Xs4 和Xsm 震相典型記錄Fig.2 The typical recordings of P+Xs1,Xs2,Xs3,Xs4 and Xsm seismic phases

圖3 XsQ 和XsR 震相典型記錄Fig.3 The typical recordings of XsQ and XsR seismic phases

（1）由圖2 可見，Xs1 震相與P 震相同時(shí)到達(dá)，Xs2、Xs3 和Xs4 震相是破裂后平均約7.8 s、21.6 s 和 61.1 s 出現(xiàn)的長周期震相。P+Xs1 震相后平均約80.0 s 的Xsm 是Xs 的峰值震相。在長周期記錄上，Xsm 周期范圍在15.2—34.6 s，Xsm 震相平均周期約25.4 s。雖然P+Xs1、Xs2、Xs3 和Xs4 震相的振幅隨震中距增大而逐漸衰減，但此次地震，在Δ＜144.5°時(shí)都能很好地觀測到P+Xs1、Xs2、Xs3 和Xs4 震相。由圖2 可見，Xs2、Xs3和Xs4 震相與P+Xs1 震相之間的到時(shí)差是一定值，不隨震中距增大而變化。

（2）由圖3 可見，在震中距1.9°—144.5°間，低頻且大振幅的勒夫型面波XsQ 和瑞雷型面波XsR，不僅是整個(gè)地震記錄中周期最長，振幅最大的震相，而且是面波波列中速度較快的震相，其速度明顯大于在地殼中傳播的瑞雷型面波Rm。XsQ震相的周期范圍在36.7—600 s，平均周期約62.5 s，XsR 震相的周期范圍在32.6—600 s，平均周期約55.4 s。

3 Xs、XsQ 和XsR 震相的物理機(jī)制

早在20 世紀(jì)60 至70 年代，美國學(xué)者Brace 和Byerlee 就針對Reid 的“彈性回跳”學(xué)說與觀測事實(shí)相悖的問題，把“粘滑”作為一種地震機(jī)制提了出來，指出彈性回跳的物理機(jī)制可用摩擦滑動(dòng)過程中出現(xiàn)的不平穩(wěn)滑動(dòng)（即粘滑）來解釋（Brace et al，1966；Byerlee et al，1975；吳曉媧等，2016）。并根據(jù)巖石的壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，主破裂過程可由數(shù)次粘滑過程構(gòu)成。

李普春等（2013）在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的巖石粘滑錯(cuò)動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明，粘滑錯(cuò)動(dòng)過程一般可分為預(yù)滑、粘滑和止滑3 個(gè)階段，且錯(cuò)動(dòng)過程往往不是一次、單點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)，而是由多次、多點(diǎn)粘滑錯(cuò)動(dòng)組成，表現(xiàn)出在斷層的不同部位、不同時(shí)間，多點(diǎn)、多次粘滑錯(cuò)動(dòng)的特征。

由GSN 100 個(gè)臺(tái)的寬頻帶（BH）和甚寬頻帶（VH）數(shù)字地震儀的記錄可見，Xs1 震相是與P 震相同時(shí)到達(dá)的震相，其生成機(jī)制可能是斷層面上的凹凸體開始破裂后，斷層由“粘結(jié)”的靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎瑒?dòng)”的動(dòng)態(tài)，在粘滑錯(cuò)動(dòng)時(shí)輻射出的長周期波動(dòng)。粘滑錯(cuò)動(dòng)是一個(gè)在構(gòu)造力作用下不斷克服斷層面上磨擦阻力的過程。在粘滑錯(cuò)動(dòng)過程開始后，粘滑錯(cuò)動(dòng)的速度和位移有一個(gè)由慢到快、由小到大的過程。當(dāng)構(gòu)造力較小時(shí)斷層錯(cuò)動(dòng)速度慢，位移小。而當(dāng)構(gòu)造力可克服較大磨擦阻力時(shí)，斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)速度加快，位移增大。當(dāng)遇到另一凹凸體或磨擦阻力較大時(shí)又停滯或降速。當(dāng)構(gòu)造力再加大到可克服磨擦阻力時(shí)，斷層又向前滑動(dòng)。如此，便形成了多次、多點(diǎn)的子滑動(dòng)事件。Xsm 震相則是整個(gè)粘滑錯(cuò)動(dòng)過程中，粘滑錯(cuò)動(dòng)速度和位移達(dá)到峰值時(shí)的震相。在粘滑錯(cuò)動(dòng)達(dá)到峰值后，斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)開始減速，進(jìn)入止滑階段。李普春等（2013）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，止滑過程可以激發(fā)長周期、大振幅的止滑波動(dòng)震相。這種波動(dòng)輻射出了長周期的勒夫型面波XsQ 和瑞雷型面波XsR。

4 結(jié)果討論

由時(shí)差值與震中距的關(guān)系[圖4(a)]可知，Xs2、Xs3、Xs4 和Xsm 與P+Xs1 震相之間的到時(shí)差與震中距無關(guān)，基本為一定值。它們的平均差值分別為7.8 s、21.6 s、61.1 s 和80.0 s。可見此次地震的粘滑錯(cuò)動(dòng)過程主要由4 個(gè)子粘滑錯(cuò)動(dòng)事件構(gòu)成。此次地震發(fā)生后，張勇等（2016）用遠(yuǎn)場地震波形記錄反演了主震的震源破裂過程，得到了主震破裂過程中靜態(tài)滑動(dòng)量分布隨時(shí)間變化的結(jié)果，見圖4(b)中a、b、c、d 矩形框。將本文給出的4 個(gè)子粘滑錯(cuò)動(dòng)事件的起始時(shí)間點(diǎn)與張勇等（2016）給出的靜態(tài)滑動(dòng)量隨時(shí)間變化過程相對照可見，本文給出的粘滑錯(cuò)動(dòng)幅度隨時(shí)間的變化與張勇等（2016）給出的靜態(tài)滑動(dòng)量分布隨時(shí)間的變化在幅度和時(shí)間點(diǎn)上比較吻合，說明粘滑錯(cuò)動(dòng)幅度隨時(shí)間的變化與彈性破裂后的靜態(tài)滑動(dòng)量隨時(shí)間的變化是同步發(fā)生的。在0—7.8 s、7.8—21.6 s、21.6—61.1 s 和61.1—80.0 s 四個(gè)時(shí)段同步變化并逐漸增強(qiáng)，在P+Xs1 震相后約80.0 s 達(dá)到峰值。最終，與彈性破裂同步形成4 次同震粘滑錯(cuò)動(dòng)。可見，彈性破裂不是此次MW7.8 地震能量釋放的唯一形式，在彈性破裂釋放能量的同時(shí)，斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)也在釋放能量。此次MW7.8 地震在彈性破裂開始后伴隨著4 次較大的粘滑錯(cuò)動(dòng)，是斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)和彈性破裂共同作用的結(jié)果，是一種“粘滑錯(cuò)動(dòng)+彈性破裂”的機(jī)制。

圖4 時(shí)差值與震中距的關(guān)系（a）和靜態(tài)滑動(dòng)量分布（b）Fig.4 The relationship between epicenter distance and different time(a) and the distribution of static slip quantity (b)

圖5 給出當(dāng)震中距范圍為1.9°—144.5°時(shí)，（Pdif）+Xs1、X s 2、X s 3、X s 4、X s m和PP 震相的走時(shí)關(guān)系。P、PP 震相的走時(shí)由《IASEP1991 地震走時(shí)表 》（h＜35 km）（肯尼特，1993）給出，Pdif 震相走時(shí)由《Pdif 震相走時(shí)表》給出（許健生等，2013）。Xs1、Xs2、Xs3 和Xsm 震相的走時(shí)曲線基本平行，其走時(shí)與P 震相走時(shí)差是一定值，不隨震中距變化而變化，僅與粘滑錯(cuò)動(dòng)持續(xù)時(shí)間有關(guān)。

圖5 P(Pdif)+Xs1、Xs2、Xs3、Xs4、Xsm、和PP 震相的走時(shí)關(guān)系Fig.5 The relationship between the travel times of P(Pdif)+Xs1,Xs2,Xs3,Xs4,Xsm,and PP seismic phases

圖6 給出震中距1.9°—144.5°，P（Pdif）、PP、XsQ、XsR 和Rm 震相的走時(shí)關(guān)系。Rm震相走時(shí)由《JB 地震走時(shí)表》（Jeffreys et al，1958）給出，XsQ、XsR 是本文用全球地震臺(tái)網(wǎng)（GSN）100 個(gè)臺(tái)的甚寬頻帶（VH）數(shù)字波形記錄得出的結(jié)果。XsQ、XsR 的走時(shí)與震中距的擬合關(guān)系為

圖6 XsQ 和XsR 震相與P 震相的走時(shí)關(guān)系Fig.6 The relationship between the travel time of XsQ,XsR,and P seismic phases

式中，T的單位為s，Δ的單位為（°）。XsQ 和XsR 不僅是整個(gè)地震記錄中周期最長，振幅最大的震相，而且是面波波列中速度較快的震相，其速度明顯大于在地殼中傳播的面波Rm。

圖7 給出了震中距1.9°—144.5°，Xsm 與XsQ 和XsR 震相的走時(shí)差關(guān)系。Xsm 與XsQ 和XsR 震相的走時(shí)差在震中距為0 時(shí)，趨近于0。說明長周期的勒夫型面波XsQ 和瑞雷型面波XsR 應(yīng)是粘滑錯(cuò)動(dòng)達(dá)到峰值時(shí)激發(fā)的面波。

圖7 Xsm 與XsQ、XsR 震相的走時(shí)差關(guān)系Fig.7 The relationship between the travel time differences of Xsm,XsQ,and XsR seismic phases

已有觀測結(jié)果表明，在2008 年5 月12 日中國汶川MW7.9 地震時(shí)，同震粘滑錯(cuò)動(dòng)在震中附近的ENH 地震臺(tái)（Δ=5.3°）激發(fā)出了周期約115.3 s 的XsQ 波動(dòng)和周期約328.6 s 的XsR 波動(dòng)；在2011 年3 月11 日日本MW9.1 地震時(shí)，同震粘滑錯(cuò)動(dòng)在震中附近的ERM 地震臺(tái)（Δ=3.8°）激發(fā)出周期約553.8 s 的XsQ 波動(dòng)，在MAJO 地震臺(tái)（Δ=3.8°）激發(fā)出周期約448.8 s 的XsR 波動(dòng)（許健生等，2019）。發(fā)生在內(nèi)陸的中國汶川MW7.9 地震引發(fā)了大面積山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害；發(fā)生在海里的日本MW9.1 地震引發(fā)了罕見的海嘯等次生災(zāi)害；同樣，在本次新西蘭南島近海岸MW7.8 地震時(shí)，同震粘滑錯(cuò)動(dòng)在震中附近的SNZO 地震臺(tái)（Δ=1.9°）激發(fā)出周期約600 s 的XsQ 和XsR 波動(dòng)，引發(fā)浪高達(dá)3 m 的海嘯等次生災(zāi)害。據(jù)此推測，這種周期長達(dá)數(shù)百秒的同震粘滑錯(cuò)動(dòng)容易引發(fā)山體滑坡、泥石流和海嘯等次生災(zāi)害。該新發(fā)現(xiàn)和初步推測尚需更多震例加以驗(yàn)證。若證實(shí)這種規(guī)律的存在，則有助于在震后短時(shí)間內(nèi)預(yù)判地震次生災(zāi)害。

5 結(jié)論

根據(jù)上述理論研究、實(shí)驗(yàn)和觀測結(jié)果，得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識：①P+Xs1、Xs2、Xs3 和Xs4 震相是彈性破裂開始后的同震粘滑錯(cuò)動(dòng)震相，Xsm 是粘滑錯(cuò)動(dòng)的峰值震相，標(biāo)志著粘滑錯(cuò)動(dòng)過程中能量釋放的峰值點(diǎn)；②XsQ 和XsR 震相是粘滑錯(cuò)動(dòng)達(dá)到峰值后，止滑過程激發(fā)的長周期面波震相；③彈性破裂不是MW7.8 地震能量釋放的唯一形式，彈性破裂開始后有4 次粘滑錯(cuò)動(dòng)，MW7.8 地震是粘滑錯(cuò)動(dòng)和彈性破裂共同作用的結(jié)果，是一種“粘滑錯(cuò)動(dòng)+彈性破裂”的機(jī)制。

從地震記錄圖上識別出Xs 震相有助于認(rèn)識同震粘滑錯(cuò)動(dòng)過程，識別出XsQ 和XsR 震相有助于預(yù)判地震次生災(zāi)害。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和震相標(biāo)注均由黑龍江省地震局和躍時(shí)高級工程師提供的CDSN 臺(tái)站分析軟件完成，在此表示感謝。