2010年智利馬烏萊地震滑移與安第斯俯沖帶震前閉鎖的相關性＊

Marcos Moreno，Matthias Rosenau，Onno Oncken

（Helmholtz Centre Potsdam，GFZ German Research Centre for Geosciences，Telegrafenberg，Potsdam 14473，Germany）

2010年智利馬烏萊地震滑移與安第斯俯沖帶震前閉鎖的相關性＊

Marcos Moreno，Matthias Rosenau，Onno Oncken

（Helmholtz Centre Potsdam，GFZ German Research Centre for Geosciences，Telegrafenberg，Potsdam 14473，Germany）

2010年2月27日馬烏萊（智利）M 8.8地震使安第斯大逆沖型俯沖帶的一部分區段破裂，該區段被認為具有極高的潛在地震危險性[1－6]。此次地震是使俯沖帶內一個長期地震空區發生破裂的一次最大地震，在此之前，一個密集型空間大地測量臺網對該俯沖帶進行了監測。這就為評估震間閉鎖與同震滑移的空間相關性提供了板塊界面震前閉鎖狀態的前所未有的高分辨率圖像。鑒于閉鎖類似于滑動的基本假設，震前閉鎖可被用于預測許多地震空區的未來破裂[6－12]。然而，沒有第一次“填補空白”的地震的發生，這一假說就無法得以驗證。在此，我們提供的證據表明，2010年馬烏萊地震滑移分布狀況與根據之前10年間全球定位系統（GPS）觀測結果反演得到的震間閉鎖分布密切相關。此次地震成核于一個閉鎖程度很高的區域內，并將1835年大地震以來該區聚集的應力幾乎釋放一空。地震滑動量很大的兩個區域（凸起體）在此次地震之前幾乎處于完全閉鎖狀態。在這兩個凸起體之間，此次破裂形成了一個處于震間蠕動狀態的橋梁地帶，其同震滑動量一貫較小。破裂中止于震前處于高度閉鎖狀態的區域，但其預應力卻因20世紀重復發生的地震事件而大大降低。我們的結果顯示，單個凸起體尺度內同震滑移的不均勻性應該能夠說明未來大地震的潛在危險，由此，可以根據大地測量結果對其進行預測。

雖然我們無法預測下一次地震將在何時何地發生，但我們可以通過對今后數十年可能發生破裂的地帶進行監測，估算出未來地震事件的最大可信規模，關于這一點，根據板塊構造理論以及從前發生的地震事件已經得出過推論。這種易于發生破裂的地區被稱為“地震空區”[2－3，13－17]，因為它們在地震活動的時空分布上呈空白狀態。隨著空間大地測量技術的開展，現在，我們可以根據地震空區應變（應力）積累的近實時測量結果獲取有關地震危險性的更多的約束條件[6－12]。然而，目前尚不清楚震間應力積累究竟在多大程度上可以定量模擬未來地震的同震能量釋放。顯然，同震能量釋放在破裂區內并不是均勻分布的，相反，破裂區是一個拼合而成的區域，其中某些地塊（凸起體）滑動量大，某些地塊（障礙體）滑動量小，甚至沒有滑動[18]。的確，近期沿安第斯[10]和蘇門答臘[11－12]俯沖帶等地區的大地測量觀測結果表明，沿大逆沖型板塊界面可識別出一個由閉合地帶（潛在凸起體）拼合而成的類似區域，這些閉合地帶被蠕變區（潛在障礙體）所包圍。這一拼合區域在震間以滑移缺失的形式積累應力，其空間模式是不均勻的，類似于未來的地震滑移分布，但這一假說還有待證實。

2010年2月27日襲擊智利中南部馬烏萊和比奧比奧地區的MW8.8地震（時間：06：34：14 UTC；震中：35.909°S，72.733°W；深度：35 km；http：∥earthquake.usgs.gov／earthquakes／eqinthenews／2010／us2010tfan／；參考文獻[1]）是現代空間大地測量監測網捕捉到的第一次大地震，而且有可能是填補地震空區的一次大地震。由此，我們能夠對震間應力積累模式與潛在災難性事件期間同震釋放之間的相似性進行空前詳盡的檢測和評估。沿安第斯板塊邊緣，納斯卡（Nazca）海洋板塊向南美大陸板塊下方俯沖（圖1a），此處大型逆沖區地震發生的頻率為每100～200年一次，地點可位于該邊緣的任一特定區段[2－4，19－20]。2010年馬烏萊地震使一個長期地震空區——康塞普西翁（Concepción）空區——破裂，根據歷史事件推測，這一地區被疑為地震的高危險區[2－5]。其高地震危險性最近得到了空間大地測量結果的支持[6]，該結果顯示出震前數十年內積累了大量應力的一個閉鎖板塊界面。

圖1 研究區的構造背景、數據、觀測及結果。（a）智利中南部安第斯俯沖帶的暈渲地形圖。沿邊緣的地震分段用橢圓表示，這些橢圓顯示出歷史地震的大概破裂區范圍（更新自文獻[4－6]）。小插圖（矩形）示出了圖a相對于南美大陸的位置。（b）2010年馬烏萊地震前GPS觀測的穩定的南美地表速度匯總（1996—2008）（參考數據見在線補充資料“方法詳述”）。帶箭頭的橢圓代表95%的置信界限。（c）根據GPS＋FEM模擬獲得的2010年馬烏萊地震以前的10年中沿安第斯大逆沖型俯沖帶的界面閉鎖（板塊會聚部分）分布。2010年馬烏萊地震的震中（白色五角星，USGS／NEIC）和震源機制標示于圖a和c中

然而，就地震能量釋放分布而言，現有的模型未能揭示出預測未來地震危險性所需的單一凸起體和障礙體閉鎖分布的詳細狀況。康塞普西翁空區的上次大地震是由達爾文報道的[21]，發生在175年前的1835年，估算震級為M≈8.5（見文獻[19]，圖1a）。自那以來，該空區以北（1906年M 8.4，文獻[4]；1985年M7.8，文獻[22]）和以南（1960年M 9.5，文獻[23－24]）地區共發生了3次“大型逆沖區”地震。康塞普西翁空區內的北部曾于1928年發生過一次“大型逆沖區”地震（M≈8；參考文獻[4]），據推測只釋放了自1835年以來積累的小部分應力。

在此，我們利用2010年馬烏萊地震以前十幾年間（1996—2008）的表面速度GPS觀測結果，得到了震前閉鎖的安第斯大逆沖型俯沖帶的詳細圖像。在利用匯總的研究區GPS觀測資料（圖1b、補充圖1、方法詳述和補充信息）進行反演時，我們使用了安第斯俯沖帶的一個球形的、層狀有限元模型（FEM），該模型與根據近期地球物理大斷面匯編[25]得到的模型一樣，也包含了地形學、測深學和真實的板塊形態等信息（見方法詳述和補充圖2）。通過除去由其他一些源——如1960年M9.5地震之后區域粘彈性震后地幔弛豫、地殼斷裂運動和弧前裂塊運動（圖1b和補充圖1b）——產生的地表形變信號，我們對GPS速度進行了校正，然后，對殘余模式進行解釋（補充圖1c），以單獨反映存在非均勻閉鎖板塊界面的情況下由納斯卡－南美板塊會聚產生的震間彈性應變積累。在此，沿大逆沖型俯沖帶的震前閉鎖在運動學上被定義為地震事件前作為滑移缺失而積累的板塊會聚的部分。

將GPS獲得的震前閉鎖分布與2010年馬烏萊地震的兩個初始同震滑移模型進行比較，這兩個模型一個源自遠震體波反演（文獻[26－27]；圖2a、2b），另一個作為滑移模型約束，是利用圣地亞哥和康塞普西翁附近IGS－GPS臺站的同震GPS速度進行遠震－GPS聯合反演獲得的（文獻[28]；圖2c）。據此，我們檢驗了震間閉鎖與同震滑移之間的相似性假說。最后，我們利用GEOFON擴展虛擬網絡（GEOFON Extended Virtual Network——GEVN）提供的余震分布[29]對震后行為進行詮釋（圖3a、3b）。

雖然這里分析的滑移分布只是初步結果，而且其復雜程度也不盡相同，但它們顯示出震中以南和震中以北兩個滑動量很大的地塊（凸起體）的一級模式，兩個地塊被一個50～100 km寬的滑動量很小的地帶分開（圖2a—c）。敏感性分析[1]表明這一主體模式是此次地震遠震反演的一個穩定特征。因此，滑移成核于從前高度閉鎖（板塊會聚＞0.75的部分）區域外圍破裂區段的中心部位。此處的震前閉鎖程度朝板塊會聚方向呈迅速下傾式降低（圖1c），很可能強加了一個局部剪切應力梯度，使破裂成核。雙邊破裂[1]向南傳播，南邊的凸起體破裂，由此連通了從前的北邊的一個蠕滑帶，而后使北邊的又一個凸起體破裂。該破裂雖然連通了數十公里寬的一個蠕變區段（即潛在的松弛障礙體[10－12，18]），但它卻在馬烏萊地震前（圖2a—c）反直覺地中止于震前閉鎖程度很高的區域（即潛在凸起體），這似乎自相矛盾，關于這一點我們以后再討論。

在主要破裂區（～34°S—37°S），從視覺上觀察震前閉鎖與同震滑移分布之間的相似性（圖2a—c），可以發現高度的一致性。滑動量＞5～10 m的兩個凸起體與高度閉鎖（＞0.75）互相關聯，其間滑動量小的地帶（＜5～10 m）與相對較低程度（＜0.75）的震前閉鎖區域吻合。我們得出了震后滑移缺失殘余圖（圖2d—f），力求對震間與同震滑移模式的相似性進行定量分析。為此，我們對每一子斷層段中的同震滑移（180個來自USGS[26]模型的子斷層段，220個來自UCSB[27]模型的子斷層段，276個來自Caltech／JPL[28]模型的子斷層段）和1835年最后一次大地震以來理論上積累的滑移缺失進行抗衡分析，并假定此次地震事件以前的10年間觀測到的閉鎖模式代表著先前的整個震間時期。結果（圖2d—f）表明，2010年馬烏萊地震的主要破裂區的殘差很低（USGS[26]和UCSB[27]滑移模型中＜2 m，Caltech／JPL[28]滑移模型中～5 m）。這一定量關系說明，在平行于海溝的＞200～300 km距離范圍內（圖3c），震前滑移缺失幾乎完全被釋放，同時，馬烏萊地震可能意味著康塞普西翁地震空區已完全破裂。兩個閉鎖地塊的破裂導致了完全破裂，而且還有一個蠕變區被連通，這一觀點也得到了較大（M≥5）余震模式的支持（圖3a、3b）。較早的（最初48小時）和晚些時候的（最初3個月）余震呈雙峰分布模式，其特點是在從前的閉鎖區密度非常高，它們在地震期間起到了凸起體的作用。相比之下，從前的蠕變區余震活動性不強，說明那里震后滑移較小并（或）呈現出無震狀態。

圖2 同震滑移與震間閉鎖的相似性。（a—c）疊加于2010年馬烏萊地震初步同震滑移分布上的研究區震前閉鎖分布（等值線）。（a）USGS遠震模型（文獻[26]）；（b）UCSB遠震模型（文獻[27]）；（c）Caltech／JPL遠震＋GPS模型（文獻[28]）；（d—f）震后滑移缺失圖，顯示出2010年馬烏萊地震后存在于主要破裂區的殘差很低。通過計算震后滑移缺失，得出了2010年同震滑移與滑移缺失（即自1835年最后一次大地震以來同震滑移分布的每一子斷裂段假定積累的滑移缺失）之間的殘差。圖中的白色五角星和海濱球分別代表震中（據USGS／NEIC資料）和震源機制（據GCMT資料），紅色三角形代表火山。d—f中的殘差分別源自a—c中的滑移模型

圖3 震前、同震和震后形變圖像的關系。（a）疊加于震前閉鎖區域圖像（紅色陰影部分≥0.75）之上的2010年（藍色等值線；USGS滑移模型[26]）和1960年（綠色等值線；據文獻[30]）地震期間的同震滑移分布，以及早期的（震后最初48小時）M≥5余震地點（震級用大小不等的灰色圓圈表示；GEOFON數據[29]）。（b）沿北—南剖面早期的（最初48小時；共80個地震事件）和晚期的（最初3個月；共168個地震事件）余震密度柱狀圖（GEOFON數據[29]，M≥5）。（c）2010年馬烏萊地震后沿北—南剖面觀測的1835年以來的剩余滑移缺失（左欄，據USGS滑移模型[26]）。中欄和右欄示出重疊的20世紀地震對滑移缺失的影響（黑線是由多項式擬合數據得到的）。彩色數據點及日期示出按年表示的地震

然而，破裂為什么會側向中止于閉鎖程度很高而且沒有明顯的幾何障礙（如北邊的Juan Fernández洋脊）可以阻止其傳播的區域（圖1a、3a）？兩種似乎合理的障礙機制是[18]：破裂中止是由于——至少在此次事件期間——局部強界面的存在（強度障礙體），也可能由于從前的地震降低了2010年破裂外圍的預應力（低應力障礙體）。第一種假說無從驗證，但對低應力障礙體假說可通過下述方式做進一步研究，即在計算1835年以來積累的震后滑移缺失時將20世紀中重疊的大型逆沖區地震記錄考慮在內。

1960年M9.5地震使南部鄰近的大逆沖型安第斯區段破裂，在此期間，阿勞科半島（Arauco Peninsula）下方的滑移逐漸停止[30]（37°S—38°S；圖3a）。相應地，它也抵消了2010年破裂區南部邊緣多達10 m的視滑移缺失，從而實際上降低了此高度閉鎖區積累的應力（圖3c，中欄）。因此，2010年地震似乎向南傳播到了一個預應力很低的環境，這種環境足以有效地阻止破裂。北部可能也存在一個類似的低應力障礙體。那里，1985年M＝7.8地震期間的平均滑移約為1.6 m（文獻[22]以及其中的參考文獻），由震源尺度規律關系估算[31]的1906年M＝8.4和1928年M≈8地震事件的滑移分別約為3 m和1.5 m，這些滑移使2010年馬烏萊地震北端的視滑移缺失有效地降低至0±5 m（圖3c，右欄）。現在，沿安第斯俯沖帶整個研究區段的震后滑移缺失似乎很低，在37°S緯度附近的最大值約為5 m（圖3c）。后者可能歸因于遠震反演未發現的同震滑動分量（或由于網絡配置[1]，或由于滑動速度低），也可能引發沿阿勞科半島下方大逆沖型斷層的震后余滑。

我們得出的結論是，2010年馬烏萊地震定量性地彌合了康塞普西翁地震空白，這與震前觀測是一致的——因此，通過震前觀測，它在某種程度上是可以預測的。然而，地震往往很復雜，它們（如2010年馬烏萊地震）連通的蠕變區在其他時候[32]或其他地點[10－12]可能起到障礙體作用，地震也可能以小震序列的形式僅釋放出閉鎖地塊聚集的部分滑移缺失[9，11－12]。將來，通過對震間閉鎖和大震期間的同震滑移進行進一步觀測，我們可以更加詳細地監測沿大逆沖型斷層的應力聚集與釋放，從而對俯沖帶的地震危險性做出更加可靠的評估。

方法概述

本文使用的GPS數據集包含1996—2008年間觀測的232個已發表的速度數據（見補充圖1a和方法詳述）。利用文獻[30]中詳細描述的FEM技術對GPS速度進行反演。該FEM是三維的、球形的、層狀的（彈性巖石圈、粘彈性軟流圈），它包括地形學、測深學以及真實的板片資料，也包括莫霍界面（Moho）幾何學資料（見文獻[25]；補充圖2）。現時觀測到的智利中南部地表形變場模擬結果源自不同的地震構造過程[30，33]（圖1b，補充圖1）：（1）1960年瓦爾迪維亞（Valdivia）地震后，本研究區以南持續很久的震后地幔弛豫，（2）阿勞科半島地區和沿Liqui?e－Ofqui斷裂帶的局部地殼形變，（3）由于震間閉鎖的大逆沖型俯沖帶的存在而產生的震間應變積累。我們在此所介紹的模型框架中，有閉鎖界面存在情況下的會聚（每年66 mm，取向N077°E；文獻[34]）是通過一個后滑模型進行運動學描述的。“方法詳述”和補充圖1－6中對于GPS反演方法有更詳盡的描述，包括分辨率測試和敏感性分析等。研究區內（32°～40°S，71°～75°W，0～100 km深）2010年馬烏萊地震的余震資料是通過GEVN服務器下載的（文獻[29]）。經統計檢驗后，我們為該數據集指定了一個M≈5的完整震級，并僅利用這一閾值以上的數據進行進一步分析。

（注：①原圖均為彩圖；②方法詳述、相關參考文獻及補充圖可通過此文的在線版獲取，網址：http：∥www.nature.com／nature／journal／v467／n7312／full／nature09349.html。）

譯自：Nature，9 September 2010，Vol.467，198－202

原題：2010 Maule earthquake slip correlates with pre－seismic locking of Andean subduction zone

（四川機電職業技術學院 徐寶學 譯；鄭需要 校）

（譯者電子信箱，徐寶學：xbx0505＠163.com）

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