2017年9月8日墨西哥MW8.2地震對(duì)后續(xù)地震的觸發(fā)作用

卓瑞祺　張?zhí)K祥　王斌　關(guān)冬曉　朱翔國(guó)　張家聲

摘要：使用coulmb3程序研究在墨西哥地區(qū)板塊間俯沖帶巨震對(duì)后續(xù)余震的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)作用。2017年9月8日墨西哥M_W8.2 地震后，在主震震中所在區(qū)域選取38個(gè)M_W＞4.0 地震作為研究對(duì)象，分別設(shè)定有效摩擦系數(shù)μ′為0.2、0.4、0.6 時(shí)，觸發(fā)比例為39.47%、31.58%和28.95%，觸發(fā)效果不佳，隨著有效摩擦系數(shù)μ′取值的增大，墨西哥M_W8.2地震對(duì)余震的觸發(fā)比例在降低但對(duì)主要余震的觸發(fā)效果在加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：? 墨西哥M_W8.2地震； 庫(kù)侖應(yīng)力變化； 地震觸發(fā)

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.02.006

地震通常是由地球內(nèi)部變動(dòng)引起的地殼震動(dòng)，在部分地震發(fā)生前能觀測(cè)到地形變、地球化學(xué)等［1-3］地震前兆變化，從而起到預(yù)測(cè)地震發(fā)生的作用。據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，北京時(shí)間2017年9月8日12時(shí)49分，在墨西哥沿岸近海（93.90°W，15.05°N）發(fā)生M_W8.2地震，震源深度約20 km。目前，地震研究人員通過應(yīng)力觸發(fā)研究地震間的相互作用關(guān)系。大震可以通過應(yīng)力傳遞的形式觸發(fā)或延遲周圍區(qū)域的地震，例如Deng，Skyes［4］計(jì)算美國(guó)南加州1812—1995年中強(qiáng)地震產(chǎn)生的積累庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化，發(fā)現(xiàn)95%的M≥6.0地震發(fā)生在庫(kù)侖破裂應(yīng)力增加區(qū);對(duì)有儀器記錄的1932—1995年時(shí)段內(nèi)地震發(fā)生和庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化的研究表明，85%的M≥5.0地震發(fā)生在庫(kù)侖破裂應(yīng)力增加區(qū)，基于研究結(jié)果估計(jì)南加州的地震危險(xiǎn)性。Nalbant等［5］研究土耳其西北部和愛琴海地區(qū)的29次地震之間的應(yīng)力觸發(fā)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)16次地震與前面發(fā)生地震的庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化存在正相關(guān)關(guān)系，基于這一結(jié)果，推斷伊茲米特海灣是將來(lái)大地震發(fā)生的可能區(qū)域，最終被1999年發(fā)生的伊茲米特地震所證實(shí)；萬(wàn)永革等［6］根據(jù)前人對(duì)唐山地震破裂分布地殼波速和粘性結(jié)構(gòu)的研究得出唐山地震95%的余震發(fā)生在庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化增加的區(qū)域，如果快速確定主震和較大余震的破裂分布和機(jī)制，則可以預(yù)測(cè)未來(lái)余震的發(fā)震趨勢(shì)；萬(wàn)永革等［7］在研究青藏高原東北部的庫(kù)侖應(yīng)力積累演化對(duì)大地震發(fā)生的影響研究中發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)大地震的觸發(fā)率達(dá)85%；單斌等［8］在2013年蘆山地震導(dǎo)致的周邊斷層應(yīng)力變化及其與2008年汶川地震的關(guān)系中指出汶川地震的發(fā)生提升了彭縣—灌縣斷裂和雅安斷裂上的應(yīng)力積累而2013年的蘆山地震可能的發(fā)震斷層正是彭縣—灌縣斷裂和雅安斷裂；劉桂萍和傅征祥［9］在1979年7月28日唐山MS7.8地震觸發(fā)的區(qū)域地震活動(dòng)和靜應(yīng)力場(chǎng)變化中指出在唐山地震主震后30小時(shí)至7天內(nèi)，在距離震中40～300 km的3個(gè)庫(kù)侖應(yīng)力正值區(qū)域中，地震活動(dòng)速率上升了2 033倍，從而證明了庫(kù)侖應(yīng)力變化可以做為判斷主震發(fā)生鄰近區(qū)域后續(xù)余震活動(dòng)情況的依據(jù)；王瓊等［10］在北天山西段地震應(yīng)力觸發(fā)作用初步研究中表明北天山西段多數(shù)中強(qiáng)震產(chǎn)生的庫(kù)侖應(yīng)力積累有利于其鄰區(qū)后續(xù)中強(qiáng)震的發(fā)生；張琳琳等［11］在研究2016 年11 月25 日阿克陶MS6.7 地震前后庫(kù)侖應(yīng)力變化分析中說(shuō)明此次地震在吉爾吉斯斯坦MS6.7地震和塔吉克斯坦MS7.4 地震的庫(kù)侖應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)內(nèi)，對(duì)此次地震有觸發(fā)作用，并且在研究天山中段2 次MS6.6 地震前后庫(kù)侖應(yīng)力變化分析中得出這2次地震對(duì)周圍區(qū)域中強(qiáng)地震活動(dòng)有促進(jìn)作用的結(jié)論［12］；同時(shí)，王瓊等［13］在2001—2005 年新疆周邊3 次大震對(duì)新疆地震趨勢(shì)影響的分析中說(shuō)明新疆周邊3 次大震在新疆境內(nèi)產(chǎn)生的庫(kù)侖應(yīng)力變化負(fù)區(qū)范圍遠(yuǎn)大于正區(qū)，緩解了新疆區(qū)域中強(qiáng)地震發(fā)生的危險(xiǎn)性。本文中從靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)角度，探討2017 年9 月8 日墨西哥MW8.2 地震后對(duì)該板塊間俯沖帶地區(qū)后續(xù)地震活動(dòng)的影響。

1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)域構(gòu)造背景

墨西哥位于北美洲南部，北鄰美國(guó)，南接危地馬拉和伯利茲，東、西、南三面為馬德雷山脈所環(huán)繞。從全球構(gòu)造演化背景上來(lái)看墨西哥地處太平洋的科科斯板塊與大西洋的加勒比板塊之間，科科斯板塊向北美板塊和加勒比板塊下俯沖，屬雙向俯沖帶之間的隆起地塊［14］。在加勒比板塊的北部邊緣，北美板塊以大約20 mm/a的速度向西移動(dòng)，形成南科迪勒拉褶皺帶和墨西哥灣沿岸向斜兩大構(gòu)造單元，正是由于這樣的區(qū)域構(gòu)造背景，致使墨西哥地區(qū)地震頻發(fā)。下文使用節(jié)面Ⅱ參數(shù)作為發(fā)震斷層面參數(shù)進(jìn)行靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算（表1）。

1.2數(shù)據(jù)收集

主要選取全球GCMT地震目錄數(shù)據(jù)，選取地震震源機(jī)制數(shù)據(jù)在9月8—29日，91°～96°W，14°～17°N的38個(gè)地震震源機(jī)制數(shù)據(jù)，其中最大震級(jí)為MW6.0 ，最小震級(jí)為MW4.7；震源深度最淺為12.0 km，最深為88.8 km，以其中最有可能是斷層面的震源機(jī)制解截面作為接收斷層面，選取依據(jù)參考盛書中等［15］選取庫(kù)侖應(yīng)力接收斷層面的依據(jù)：（1） 根據(jù)震源機(jī)制解周邊的斷層資料，選取和距離最近斷層走向較為一致的節(jié)面作為接收斷層面。（2） 對(duì)于僅根據(jù)節(jié)面走向難以選取接收斷層面，且2個(gè)節(jié)面的傾角相差較大的情況，如果震源機(jī)制解是正斷層型，選取2個(gè)節(jié)面中傾角較大的節(jié)面為斷層面，因?yàn)楣?jié)面傾角較大有利于正斷層型地震的發(fā)震。如果震源機(jī)制解是逆沖型，則選取節(jié)面傾角較小的節(jié)面作為斷層面，因?yàn)楣?jié)面傾角較小有利于逆沖型地震的發(fā)震。（3） 當(dāng)?shù)卣鸬闹車鷽]有明確的斷層，或是上述方法也難以區(qū)分時(shí)，就舍棄掉該震源機(jī)制解，以減少結(jié)果的不確定性（表2）。

2庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算原理

2.1庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算公式

庫(kù)侖應(yīng)力變化是指由于研究斷層及周邊斷層的錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致研究區(qū)域庫(kù)侖應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生的變化，若發(fā)生在研究斷層上的庫(kù)侖應(yīng)力變化為正值，則表示加速此斷層的錯(cuò)動(dòng)；若變化為負(fù)值，則表示抑制此斷層的錯(cuò)動(dòng)［16］。沈正康等［17］在華北地區(qū)700年來(lái)地殼應(yīng)力場(chǎng)演化與地震的關(guān)系研究中指出可用庫(kù)侖破裂應(yīng)力變化定量描述應(yīng)力變化的改變?cè)斐蓴鄬于呌谄屏训某潭龋?/p>

Δσ_f=Δ^_τ+μ′Δσ_n.（1）

式中：μ′為視摩擦系數(shù)，Δτ為剪切應(yīng)力變化量，Δσ_n為法向正應(yīng)力變化量。其中μ′視當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造而定，通常摩擦系數(shù)μ′在給定區(qū)域假定為常數(shù)，取值范圍在0～1.0，在沒有確切地質(zhì)資料時(shí)一般取其通用值0.4；Δτ的取值有正負(fù)之分，當(dāng)Δτ與接收應(yīng)力的斷層滑動(dòng)方向一致時(shí)取正值，當(dāng)Δτ與接收應(yīng)力的斷層滑動(dòng)方向相反時(shí)取負(fù)值；Δσ_n的取值同樣有正負(fù)之分，規(guī)定使斷層的兩盤分離為正，使斷層的兩盤擠壓為負(fù)。

2.2coulomb程序介紹

coulomb程序可以計(jì)算任何深度由斷層滑動(dòng)、巖漿侵入等情況造成的靜態(tài)位移量及應(yīng)力改變情況。目前，學(xué)者使用coulomb程序分析區(qū)域靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化情況，李健等［18］使用該程序分析1990年菲律賓M_W7.7強(qiáng)震對(duì)馬尼拉俯沖帶靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)的影響，朱航等［19］在小江—?jiǎng)t木河斷裂帶大地震序列的靜應(yīng)力觸發(fā)作用的研究中使用該程序研究斷裂帶之間的力學(xué)關(guān)系。本文中使用coulomb3 程序?qū)δ鞲鏜_W8.2 地震進(jìn)行庫(kù)侖應(yīng)力分析，得出主震與后續(xù)余震間的觸發(fā)關(guān)系。

3結(jié)果與分析

3.1靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力結(jié)果

使用coulomb3 軟件計(jì)算發(fā)震區(qū)域靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力的變化。靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)是指地震斷層的同震錯(cuò)動(dòng)造成地殼應(yīng)力場(chǎng)永久改變后的地震活動(dòng)性變化［20］，基于各向同性介質(zhì)彈性半空間模型。計(jì)算時(shí)摩擦系數(shù)μ′取通用值0.4，得出在2017年9月8日墨西哥M_W8.2地震后該地區(qū)發(fā)生38次M_W＞4.0的地震，其中震級(jí)最大地震（M_W6.0）的庫(kù)侖應(yīng)力變化值為0.115 MPa，主震加速了這次強(qiáng)余震的發(fā)生。圖1中應(yīng)力增加區(qū)域與應(yīng)力減小區(qū)域基本上沿?cái)鄬用娉蕦?duì)稱狀分布，所選取的地震分布在斷層面兩側(cè)，發(fā)生在應(yīng)力增加區(qū)域的地震數(shù)量比發(fā)生在應(yīng)力減小區(qū)域的地震數(shù)量略少。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為在地震發(fā)生后使所在區(qū)域的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，當(dāng)后續(xù)發(fā)生在同一區(qū)域的地震震中位置靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力值變化量超過0.01 MPa時(shí)，先前發(fā)生的地震破裂事件加速了后續(xù)地震破裂事件的發(fā)生［13-15］。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在這些地震中共有12個(gè)余震的庫(kù)侖應(yīng)力變化超過了0.01 MPa的觸發(fā)閾值（表3），占總數(shù)的31.58%。

3.2選取不同摩擦系數(shù)的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式（1）可知，不同的摩擦系數(shù)會(huì)對(duì)靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，在不同學(xué)者的研究中有效摩擦系數(shù)的取值會(huì)有所差異，通常為0.2～0.8。上文得出的結(jié)果是在摩擦系數(shù)取0.4的情況下計(jì)算的，下面進(jìn)一步研究斷層面上的摩擦關(guān)系對(duì)地震觸發(fā)的影響效果，做出摩擦系數(shù)分別取0.2和0.6時(shí)的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化圖（圖2），可以看出對(duì)于不同的有效摩擦系數(shù)，發(fā)生在庫(kù)侖應(yīng)力變化正值區(qū)的地震數(shù)量有一定的差異。

當(dāng)μ′值取0.2時(shí)，15個(gè)地震的庫(kù)侖應(yīng)力變化達(dá)到閾值，占總數(shù)的39.47%。當(dāng)μ′取0.4時(shí)，12個(gè)地震的庫(kù)侖應(yīng)力變化超過了閾值，占總數(shù)的31.58%。當(dāng)μ′取0.6時(shí)11個(gè)余震的庫(kù)侖應(yīng)力變化超過閾值，占總數(shù)的28.95%。對(duì)于不同的有效摩擦系數(shù)，處于靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力正值區(qū)的地震數(shù)量存在差異，但都無(wú)法超過總地震數(shù)量的40%，且當(dāng)有效摩擦系數(shù)μ′取0.6時(shí)，達(dá)到靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)閾值區(qū)域的地震數(shù)量?jī)H占28.95%，有觸發(fā)作用的地震數(shù)量明顯少于有抑制作用的地震數(shù)量，因此改變有效摩擦系數(shù)μ′并不能使主震產(chǎn)生的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力場(chǎng)對(duì)后續(xù)余震的觸發(fā)效果變得更好。

4結(jié)論與討論

使用coulmb3程序研究在墨西哥地區(qū)板塊間俯沖帶巨震對(duì)后續(xù)余震的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在取有效摩擦系數(shù)為通用值0.4 時(shí)，觸發(fā)比例為31.58%，觸發(fā)效果不佳，但對(duì)主要余震（M_W6.0）有觸發(fā)作用，且靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化為0.173 MPa。更改有效摩擦系數(shù)取值，排除在不清楚研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的情況下使用錯(cuò)誤的有效摩擦系數(shù)造成的誤差。改變有效摩擦系數(shù)后，地震觸發(fā)的比例沒有明顯提升，但對(duì)主要余震（表2 第34 號(hào)M_W6.0 地震）均有觸發(fā)作用，有效摩擦系數(shù)為0.2 時(shí)，靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化為0.144 MPa；有效摩擦系數(shù)為0.6 時(shí)，靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化為0.202 MPa。對(duì)于俯沖帶上發(fā)生的特大地震，后續(xù)地震的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力觸發(fā)不顯著，但對(duì)主要余震觸發(fā)效果較好。得出的觸發(fā)作用比例較低的可能原因分析如下：

（1） 初始應(yīng)力場(chǎng)的影響。在使用庫(kù)侖應(yīng)力作用觸發(fā)地震依據(jù)的研究中，判斷一個(gè)地震是否是由主震觸發(fā)的依據(jù)為ΔCFS是否超過閾值，當(dāng)ΔCFS超過閾值時(shí)此次地震處在主震的靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力增加區(qū)，促進(jìn)此次地震的發(fā)生，反之則延緩此次破裂事件的發(fā)生。但是，這是基于研究區(qū)域的初始靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力場(chǎng)為零的情況下，本次研究區(qū)域位于板塊間俯沖帶強(qiáng)震多發(fā)區(qū)，初始靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力場(chǎng)較復(fù)雜，若不考慮初始庫(kù)侖應(yīng)力場(chǎng)，則會(huì)對(duì)結(jié)論造成影響。

（2） 本次研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的特殊性。研究區(qū)域地處太平洋的科科斯板塊與北美板塊交匯處，屬雙向俯沖帶之間的隆起地塊，對(duì)于俯沖帶特大地震而言，俯沖機(jī)理與版內(nèi)地震具有一定差別，由于特殊的地理位置、孕震環(huán)境、受力狀態(tài)和地質(zhì)構(gòu)造背景等都是無(wú)法得知的，這些俯沖帶本身所帶來(lái)的特殊性可能導(dǎo)致了該模型在此不適用，并且繆森等［21］在俯沖帶上特大地震靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力變化對(duì)后續(xù)余震的觸發(fā)效果研究中列舉2011 年日本東北部特大地震、2010 年智利地震和2004 年蘇門答臘地震對(duì)后續(xù)余震的觸發(fā)作用，發(fā)現(xiàn)3次地震對(duì)后續(xù)余震的觸發(fā)比例分別為47%、47.6%和49.8%，觸發(fā)比例不佳。李?。?8］在1990 年菲律賓M_W7.7 強(qiáng)震對(duì)馬尼拉俯沖帶靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)影響中得出在主震發(fā)生后后續(xù)余震處于應(yīng)力加載區(qū)的數(shù)量占所有余震數(shù)量的51%，表明此次主震對(duì)其后續(xù)余震的觸發(fā)效率并不高。黃驥超等［22］使用MSATSI程序反演墨西哥地震發(fā)生區(qū)域不同深度的應(yīng)力場(chǎng)特征，得出在0～70 km深度范圍內(nèi)，該區(qū)域主要受到垂直于海溝的擠壓作用，這種擠壓作用是由于科科斯板塊向下俯沖與上覆板塊相互作用而產(chǎn)生，應(yīng)力軸的方位變化與俯沖邊界走向有關(guān)。所以造成后續(xù)地震觸發(fā)比例較低的原因可能是板塊間擠壓作用產(chǎn)生的應(yīng)力影響大于此次M_W8.2地震產(chǎn)生的庫(kù)侖應(yīng)力造成的影響。

（3） 使用的震源機(jī)制解精確度不高。在計(jì)算靜態(tài)庫(kù)侖應(yīng)力時(shí)需要精確的斷層參數(shù)，對(duì)選用震源機(jī)制解2個(gè)不同節(jié)面作為發(fā)震面和接收面的問題也具有重要的意義。雖然墨西哥地區(qū)地震頻發(fā)，但缺乏對(duì)詳細(xì)發(fā)震模型的研究，在選用發(fā)震斷層時(shí)，只能依據(jù)前人研究的一般規(guī)律來(lái)判斷發(fā)震節(jié)面，會(huì)使庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果有所偏差，最終對(duì)余震的觸發(fā)比例產(chǎn)生影響。

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TRIGGERING EFFECT OF MEXICO M_W8.2 EARTHQUAKE ON

SEPTEMBER 8， 2017 ON SUBSEQUENT EARTHQUAKES

ZHUO Rui-qi ZHANG Su-xiang WANG Bin GUAN Dong-xiao

ZHU Xiang-guo ZHANG Jia-sheng

（1.Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China;

2.School of Geophysics and Measurement-control Technology，East China University of Technology，

Nanchang 330013，Jiangxi ，China;

3.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration， Chinese Academy of Geological Sciences，

Langfang 065000，Hebei，China）

Abstract： Coulmb3 program was used to study the static Coulomb stress triggering effect of strong earthquakes on subsequent aftershocks in inter-plate subduction zone in Mexico. After the M_W8.2 earthquake in Mexico on September 8， 2017， 38 M_W>4.0 earthquakes were selected as research objects in the area where the main shock epicenter was located. When the effective friction coefficients were set to 0.2， 0.4， and 0.6， the triggering ratios were 39.47%， 31.58%， and 28.95%， with poor triggering effects. As the value of the effective friction coefficient increased， the triggering ratio of M_W8.2 earthquake in Mexico to aftershocks decreased， but the triggering effect on the main aftershocks increased.

Key words： Mexico M_W8.2 earthquake; Coulomb stress changes; Earthquake triggering