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三聯點處破裂。在這個三聯點上，澳大利亞板塊、所羅門海-伍德拉克盆地板塊在不同滑動方向上同時向太平洋板塊俯沖。大地震過程中，相關的滑動方向突變使得太平洋板塊上部收斂滯彈性變形，這就產生了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調節。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實地質邊界的破裂能力，也顯示了引起隆起和海嘯的復雜同震滑動的后果。

典型的大地震涉及到兩個構造板塊之間的突然滑動，而且最大的地震發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，兩個大洋板塊的邊界沖擊俯沖帶，造成這兩個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)。根據余震結果［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橫跨將SWP和AuP板塊分開的Simbo轉換斷層的下傾延展部分;因此，地震破裂橫穿SWP-AuP板塊邊界。破裂產生了局地大海嘯，造成大約50人死亡、超過9000人無家可歸。

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

約0.5 Ma前，伍德拉克盆地擴張脊的最東部向所羅門島西部邊緣之下俯沖(圖1)，洋脊-海溝三聯點以每年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張［8-9］，同時形成了Simbo右旋走滑轉換斷層，導致Ghizo巖石圈碎片(圖1)從SWP遷移到AuP。Simbo轉換斷層將SWP和AuP之間的板塊運動調整到每年約60 mm，由Simbo轉換斷層和海溝形成的新的三聯點以每年～110 mm的速度向東南遷移。

圖1 2007年4月1日MW8．1級地震(星號表示震中位置)破裂區的板塊構造背景和最近的構造演變。灰線表示0．5 Ma前的板塊邊界結構，包括初期的Simbo轉換斷層和由擴張活躍的伍德拉克擴張脊俯沖產生的板片窗。黑線表示現在的板塊邊界結構。三角陰影區(Ghizo碎片)代表0．5 Ma前從SWP遷移至AuP的伴隨Simbo轉換斷層形成的俯沖大洋巖石圈的范圍。根據Tregoning等［10］，我們認為伍德拉克盆地和所羅門海組成了一個單一的構造單元，即所羅門海-伍德拉克盆地板塊(SWP)。箭頭顯示了SWP和AuP相對于PaP的板塊運動。插圖示出地震破裂區用三角形表示的板塊運動速度。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Г的函數繪制的Rayleigh波R1有效震源時間函數(STF)。沿破裂方向(正Г)的STF持續時間很短，表明在305°方向主要為單側破裂。沿STF端點擬合一條直線，將其投影至Г的極限值(±0．25 s/km)，我們便會得到STF的持續時間(最小52 s、最大182 s、平均117 s);由于STF的離散性，每個值約有±10 s的不確定性。直線顯示了STF的起始、平均以及終止時間。STF顯示主震7 min后明顯有一次大余震

遠震體波和短弧Rayleigh波(R1)被用來描繪主震破裂特征。R1震源時間函數(STF)的方位角變化［11］對平均破裂長度和破裂傳播速度形成約束。圖2顯示R1震源時間函數在破裂方向上很窄(～50 s)，而在相反方向上則較寬(～180 s)。系統性持續時間變化與平行于海溝軸的單側破裂一致，平均破裂速度為2.5±0.4 km/s。震源時間函數得出的地震矩為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］。震源時間函數顯示主震之后約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、次生斷層可變滑動角和震源時間函數，我們計算了遠震P波和SH波在方位角分布相對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帶的延長。就斷層傾角、走向和數據子集的變化而言，基本解是穩定的。

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

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

主滑動區同震滑動的不同方向界定了震間應變積累的不同區域。如果Simbo斷層在0.5 Ma前發育，那么板片界面上這個轉變位置(圖4)與預期的Simbo斷層的下傾范圍一致。淺震滑動方向與兩對板塊目前的相對板塊運動的一致性界定了從 SWP遷移到AuP的Ghizo俯沖碎片區。Simbo俯沖斷層下傾方向上AuP-PaP和SWP-PaP相對運動方向之間斷層滑動的緩慢轉變顯示俯沖板片與該區至少局部相連，導致了應變積累和同震釋放的復雜性。

東南主破裂區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較小的同震滑動令人難以理解，尤其是考慮到與該區的這次地震相關的明顯隆起［2-4］以及類似模式的俯沖轉換斷層之上的全新世隆起［8］。

圖4 地震滑動模型與該區板塊構造背景的比較。(a)破裂模型概圖，其范圍從伍德拉克俯沖(已消逝)擴張中心一直到Simbo轉換斷層三聯點的初始位置(0．5 Ma)。插圖顯示了沿兩個主要矩釋放區滑動之間的運動學關系，矩釋放導致了觀測到的最大隆起區內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表明該區與澳大利亞板塊完全相連。較淺的西北部矩釋放處內部的滑動表明SWP緊密相連。圖中還顯示了太平洋板塊內同震滑動期間預期的板內縮短位置

對于俯沖帶震間和同震彈性應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生在俯沖板片內，即剛性上部板塊沒有變形。基于這種假設，所有同震恢復都會涉及到板片的位移。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生在上部板塊。與前者相比，后者會產生更多的表面隆起，也更有可能引發海嘯。俯沖帶的情況可能介于這兩種情況之間，而且地震觀測通常無法辨別出一個特殊俯沖板塊邊界究竟位于哪個區域。如果所羅門俯沖體處于該區域的板片變形一端，那么同震滑動則要求在地震過程中和/或Simbo斷層加載過程中出現同步或觸發滑動。然而這兩種情況似乎都沒有出現。

實際情況是，所羅門俯沖體的地震周期與上部板塊變形模型預期的一致。在地震之前，全球衛星定位系統測得的AuP位移(破裂區正南)顯示出澳大利亞相對于太平洋的無阻礙運動［12］，意味著澳大利亞俯沖板塊沒有(即使有也很少)應變積累。與地震相關的上隆模式［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上部板塊的同震縮短量一致(圖4)。在島弧-海溝區的群島上觀測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俯沖轉換斷層和Simbo洋脊之上。以前，這個近海溝隆起被認為源于一個狹窄矩形斷層上方5 m的均勻滑動［2］，但圖3顯示的更復雜的斷層破裂模式，尤其是Simbo俯沖轉換斷層附近的斷層滑動相對極小值，表明要對此隆起模式作出解釋，除了沿Simbo斷層測深學的俯沖解釋外還可能有另外一種機制。

觀測得到的同震滑動模式給出的隆起模型顯示該區局部隆起的增加超過了30%。同樣，該區最大海嘯的局部位置［3-4］可能體現了局部隆起(如果是同震的)的放大效應和/或反映出兩處性質不同的矩釋放所產生的波的相長干涉。別處沿邊緣近海溝島嶼的數量有限，使得我們無法判斷在Ranongga島觀測到的隆起和海嘯是否是沿破裂帶的典型特征。Ranongga(和相關島嶼)的存在以及附近島嶼長期的快速隆起模式(在全新世大于每年3 mm)［8］意味著這個區域代表著近海溝隆起的相對最大值。如圖4所示，假設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快速隆起代表著覆在東南破裂區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一個局部的沿島弧匯聚區。這一復雜破裂模式，外加上部板塊為主導的變形狀態，增加了類似區域的地震風險。

(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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