預(yù)料之外的安第斯地震＊

Nadine McQuarrie

(University of Princeton,Princeton,New Jersey08544-1003,USA)

預(yù)料之外的安第斯地震＊

Nadine McQuarrie

(University of Princeton,Princeton,New Jersey08544-1003,USA)

沿南美安第斯山脈西緣的俯沖帶邊界預(yù)期會發(fā)生大地震。而沿東邊界的地表運(yùn)動測量表明,曾預(yù)期不會發(fā)生大地震的安第斯山脈東緣也具有發(fā)生同等規(guī)模大地震的潛在可能。

安第斯山脈(Andes Mountains)的西緣是活動板塊俯沖帶,因此,MW8.0以上地震時常發(fā)生。相比之下,沿安第斯東緣南美大陸之內(nèi)的地震預(yù)期會小得多,最大估計震級為MW7.5(文獻(xiàn)[1])。然而,Brooks及其同事[2]發(fā)表在《自然-地球科學(xué)》(Nature Geo science)的報告卻稱,隱伏在玻利維亞安第斯山脈(Bolivian Andes)東緣之下的一大段斷層并沒有處于滑動狀態(tài)——雖然在其西側(cè)該斷層處于運(yùn)動狀態(tài),由此,東側(cè)斷層可能會在一次MW8.7～8.9地震中破裂。

地震大小與地震中斷層移動的范圍成正比[3]。與地面夾角較小的斷層在到達(dá)深部之前會穿過較大一部分脆性強(qiáng)地殼,而深部巖石通常溫度較高、更具韌性,因而更不容易儲存能量并突然在地震中釋放能量。因此,由于陡傾斷層與地殼脆性層相交的截面小很多,淺角斷層相比陡傾斷層而言產(chǎn)生大地震的可能性更大。如果斷層處于閉鎖狀態(tài)不能自由滑動,由地殼的兩塊試圖擦肩而過的部分產(chǎn)生的彈性能就會儲存在斷層不能移動的部分。認(rèn)識和防備地震的關(guān)鍵因素就是確定斷層處于閉鎖狀態(tài)的區(qū)域,并搞清此閉鎖區(qū)有多大一段會釋放能量,最終產(chǎn)生地震。

過去約4000萬年間納斯卡(Nazca)大洋板塊和南美大陸之間的會聚使得南美西緣發(fā)生褶皺和斷錯,形成了安第斯山脈。目前這種收斂通過玻利維亞安第斯山脈沿東部山脈下方一條巨大斷層的運(yùn)動(相對于玻利維亞東部和巴西)而得以調(diào)節(jié)(圖1)。具體說來,南部玻利維亞山脈以7～10mm/a的速率向穩(wěn)定的大陸內(nèi)部移動。雖然安第斯山脈沿整個南美大陸延伸,但其最寬的地方位于智利北部和玻利維亞西南部(圖1),因此,此處下方斷層延伸的規(guī)模也可能很大。認(rèn)清斷層的哪一部分在脆性地殼中處于閉鎖狀態(tài)對于評估與此斷層相關(guān)的潛在地震危險性非常關(guān)鍵。

正是由于南玻利維亞安第斯山脈向東朝穩(wěn)定的南美運(yùn)動,Brooks等[2]利用全球定位系統(tǒng)(GPS)數(shù)據(jù)對其地表運(yùn)動進(jìn)行了測量。結(jié)果表明測量的GPS速度可通過一條以角度不超過5°向西傾斜的斷層得到最佳擬合。他們發(fā)現(xiàn)該斷層在西部的滑動速率為9～13 mm/a,但在東部約有85～100km的長度處于閉鎖狀態(tài),并正在儲存彈性能。斷層處于閉鎖狀態(tài)的長度是確定任何潛在地震規(guī)模的必不可少的參數(shù)。相比之下,這個長度大約比在臺灣測得的斷層閉鎖區(qū)段大了1.5倍,那里的地震震級達(dá)到了MW7[文獻(xiàn)4],而這個長度與喜馬拉雅(Himalaya)的估算值相當(dāng),據(jù)推算那里的地震規(guī)模高達(dá)MW8.4[5-6]。

圖1 南玻利維亞安第斯山脈。安第斯山脈西緣為板塊構(gòu)造俯沖帶邊界,因而有可能發(fā)生大地震。相比之下,離穩(wěn)定的大陸內(nèi)部更近的安第斯山脈東緣通常不會被與破壞性地震聯(lián)系在一起。然而,Brooks及其同事[2]證實南玻利維亞安第斯山脈下方長達(dá)85～100km的一段斷層目前處于閉鎖狀態(tài),其儲存的彈性能可能會引發(fā)MW8.7～8.9的大地震。圖片來自文獻(xiàn)[9]并經(jīng)其允許進(jìn)行了修改

對于認(rèn)識潛在地震規(guī)模而言,另一個至關(guān)重要的尺度就是沿斷層可能破裂的長度。如果一條斷層分為許多區(qū)段,各個部分可能會分別破裂形成許多小地震,而不是產(chǎn)生單一的大地震。Brooks等[2]利用高分辨率地形數(shù)據(jù)來識別閉鎖斷層——Mandeyapecua逆沖斷層——的地表顯示。他們提出地勢高的區(qū)域代表地震期間發(fā)生移動的斷層區(qū)段(各區(qū)段在不同地震期間發(fā)生移動),而地勢低的地區(qū)代表區(qū)段邊界。通過地形分析,Brooks及其同事[2]發(fā)現(xiàn)斷層分為5個明顯的區(qū)段。有了每個斷層區(qū)段的長度和寬度估算值,就可以利用地震比例關(guān)系[7]估算出每個斷層區(qū)段的潛在地震規(guī)模。Brooks等[2]估計安第斯東緣斷層的各個區(qū)段可能在MW7.2～8.3地震中破裂。然而,如果所有斷層區(qū)段的整個閉鎖寬度都發(fā)生破裂,那么斷層上可能發(fā)生的最大地震震級會達(dá)到MW8.7～8.9。

斷層滑動的頻繁程度對于認(rèn)識其地震潛在可能非常關(guān)鍵。如果斷層頻繁滑動,應(yīng)力則會在小地震事件中逐步釋放,而不會形成大的破壞性地震。遺憾的是,沿玻利維亞安第斯山脈東部山前地帶的數(shù)據(jù)還不能提供斷層最后一次滑動的年代。該區(qū)也沒有MW7以上地震的記載[1],因此,至少從公元1700年觀測開始時應(yīng)變就一直在積累。如此之長的應(yīng)變積累期增加了MW7或更大地震的可能性。

按照Brooks及其同事的觀點(diǎn),南玻利維亞安第斯山脈下方閉鎖斷層帶的罕見寬度應(yīng)歸因于兩個重要因素。第一,安第斯山脈源自水平層狀沉積巖,這些沉積巖在安第斯山脈形成時發(fā)生了褶皺和斷錯。這種環(huán)境中,斷層沿水平沉積層發(fā)育,因此,沒有幾條自然邊界(通常是垂直不連續(xù)面)能夠阻止地震期間的滑動。第二,Brooks等認(rèn)為由于斷層不斷生長使安第斯山脈向東移動,有更多的新巖石加入山脈,超過了由于侵蝕而去除的巖石。這種差異使得山脈向外擴(kuò)張、變寬,并在其底部形成一條長長的緩傾斷層。相比之下,在北玻利維亞安第斯山脈,沉淀速率較高,侵蝕更快,這就限制了山脈的寬度[8],有助于降低這里的地震危險性。該地區(qū)進(jìn)一步的GPS數(shù)據(jù)可以測試侵蝕對潛在地震規(guī)模的影響。

Brooks等[2]表示,通常認(rèn)為與高地震風(fēng)險無關(guān)的安第斯山脈的部分地區(qū)有可能在大的、災(zāi)難性事件中破裂。鑒于最近海地和日本都發(fā)生了大地震,這些結(jié)果應(yīng)該促使研究人員對那些地震潛在危險性很大但卻被嚴(yán)重低估的其他地區(qū)進(jìn)行再次評估。

譯自:Nature Geoscience,June2011,Vol.4:357-358

原題:Unexpected Andean earthquakes

(中國地震局地球物理研究所 韓立波 譯;左玉玲 校)

(譯者電子信箱,韓立波:chinakkmm@gmail.com)

[1]Dimate C,Drake L,Yepez H,et al.Seismic hazard assessment in the Northern Andes.Ann.Geofis.,1999,42:1039-1055

[2]Brooks B,Bevis M,Whipple K,et al.Orogenic-wedge deformation and potential for great earthquakes in the central Andean backarc.Nature Geosci.,2001,4:380-383

[3]Hanks T C,Kanamori H.A moment magnitude scale.J.Geophys.Res.,1979,84:2348-2350

[4]Hsu YJ,Avouac J P,Yu SB,et al.Spatio-temporal slip and stress level on the faults within the western foothills of Taiwan:Implications for fault frictional properties.Pure Appl.Geophys.,2009,166:1853-1884

[5]Bilham R,LarsonK ,Freymueller J.GPS measurements of present-day convergence across the Nepal Himalaya.Nature,1997,386:61-64

[6]Kumar S,Wesnousky SG,Rockwell TK,et al.Paleoseismic evidence of great surface rupture earthquakes along the Indian Himalaya.J.Geophys.Res.,2006,111:B03304

[7]Scholz CH.Areappraisal of large earthquake scaling.Bull.Seism.Soc.Am.,1994,84:215-218

[8]McQuarrie N,Ehlers TA,Barnes JB,etal.Temporal variation in climate and tectonic coupling in the central Andes.Geology,2008,36:999-1002

[9]Beck S L,Zandt G.The nature of orogenic crust in the central Andes.J.Geophys.Res.,2002,107:B102230

P315;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.10.003

2011-08-12。