2010年智利Bio-Bío M W8.8地震前震中附近地區(qū)斷層面上的摩擦系數(shù)變化特征＊

陳學忠 郭祥云 李艷娥

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

引言

強震通常發(fā)生在全球級別的板塊交界地帶或板塊內部的次級塊體之間的交界地帶。2010年2月27日在智利發(fā)生了MW8.8地震。根據(jù)USGS地震目錄，此次地震震中（36.122°S，72.898°W）位于Bio-Bío西部近海，震源深度為22.9 km。本次地震的震源機制為逆沖斷層，源于納斯卡板塊以7—9 cm/a的速度向南美洲板塊之下俯沖[1]。這是一次發(fā)生在全球級別板塊交界地帶的大地震，是納斯卡板塊與南美洲板塊在交接面上相互作用的結果。地震發(fā)生時在發(fā)震斷層面上會發(fā)生錯動，產生顯著的位移。一個自然而然的問題是，在斷層錯動發(fā)生前斷層面上的摩擦系數(shù)會發(fā)生怎樣的變化？ 本文將以2010年智利Bio-Bío MW8.8地震為例，對此問題進行一些研究。

1 研究區(qū)域與資料

圖1 1990年1月1日—2010年2月26日5.0≤M W≤6.9地震震中分布（“〇”） 。黑色四邊形為研究區(qū)，紅色五角星“☆”為2010年智利Bio-Bío M W8.8地震震中Fig. 1 Spatial distribution of epicenters for 5.0≤M W≤6.9 earthquakes that occurred from 1 January 1990 to 26 February 2010. The region marked by the black solid line is the study region in this paper. The red star“☆” shows the epicenter of the 2010 Bio-Bío，Chile M W8.8 earthquake

本文參考2010年智利Bio-Bío MW8.8地震余震分布區(qū)，選取震中附近位于39°S—31°S之間的一個北東向（900 km×300 km）四邊形區(qū)域為研究區(qū)（圖1）。選取研究區(qū)內1990年1月1日—2010年2月26日期間發(fā)生的5.0≤MW≤6.9地震，共計100次，它們的震級隨時間的變化如圖2所示。本研究使用的資料是震源機制解結果，來自于哈佛大學發(fā)布的震源參數(shù)目錄（http://www.globalcmt.org/CMTsearch.html），這些地震的震源機制解一并列于表1中。

2 研究方法

利用震源機制解結果，不僅可以反演地殼應力場，同時還可以得到斷層面上的摩擦系數(shù)[2-4]。首先通過震源機制解反演，可以得到主應力方向以及形狀比R，進而得到斷層面法向在主應力坐標系下的方向余弦值n1、n2和n3，最后根據(jù)Vavry?uk提出的斷層失穩(wěn)度I的分析，可以得到斷層摩擦系數(shù)估計值。

圖2 研究區(qū)地震的M-t圖Fig. 2 Magnitude versus time for earthquakes

式中，τ和σ分別為研究斷層面上的剪切應力和正應力，μ為摩擦系數(shù)。

選取不同的μ值，可以得到不同的I，最大的I值所對應的μ值即為所求的摩擦系數(shù)。利用Vavry?uk提供的反演程序，首先將100個地震按時間先后排列（表1），舍去前面4個地震之后，以6個地震為一組，將它們分成16組。每一組計算一個μ值。然后，以6個μ值為一組計算它們的對數(shù)平均值。接著以一個μ值滑動，可以得到μ值隨時間的變化。之所以取對數(shù)平均值，是由于它可以消除個別極端值對計算結果的影響。

表 1 2010年智利Bio-Bío M W8.8地震前發(fā)生在研究區(qū)內地震的震源機制解Table 1 The focal mechanism solutions for earthquakes occurring in the study area before the 2010 Bio-Bío，Chile M W8.8 earthquake

續(xù)表 1

續(xù)表 1

3 結果與分析

圖3 μ值隨時間的變化Fig. 3 μ as a function of time

圖3 為2010年智利Bio-Bío MW8.8地震前μ值隨時間的變化。從圖中可以看出，總體上來講，震中附近地區(qū)斷層面上的摩擦系數(shù)μ在0.4—0.75之間變化，平均值約為0.6，這個變化范圍是合理的，平均值與巖石力學實驗得到的結果一致[5]。2006年以前，摩擦系數(shù)μ呈上升趨勢變化，從0.56上升到約0.73；從2006年初開始轉為下降趨勢變化，從約0.73一直下降到震前的約0.4，下降幅度達45.2%。圖4為Li等[6]給出的智利Bio-Bío Mw8.8地震破裂區(qū)內視應力隨時間變化計算結果。對比圖3和圖4可知，從2006年到地震前摩擦系數(shù)μ與視應力的變化是反向的，摩擦系數(shù)下降，同時視應力上升。由于視應力的上升變化與地殼應力增強有關，因此，摩擦系數(shù)μ的降低可能是地殼應力增強所致。

4 結束語

圖4 視應力隨時間的變化[6]Fig.4 Apparent stress as a function of time[6]

本文利用2010年智利Bio-Bío MW8.8地震前震中附近地區(qū)發(fā)生的地震震源機制解結果，估計了斷層面上的摩擦系數(shù)，給出了摩擦系數(shù)隨時間的變化。得到的結果表明：在震前的4年時間里，斷層面摩擦系數(shù)呈逐漸下降趨勢，到震前幾個月降至最低值，這表明強震發(fā)生前斷層面上摩擦系數(shù)可能會降低，以有利于斷層錯動。由于摩擦系數(shù)μ與視應力呈負相關變化，因此，摩擦系數(shù)μ的降低可能與地殼應力增強有關。即，由于地殼應力增強，使2010年智利Bio-Bío MW8.8地震附近地區(qū)斷層面上的摩擦系數(shù)降低，變得容易錯動。隨著地殼應力的進一步增強，斷層面摩擦系數(shù)進一步降低，最終錯動發(fā)震。盡管這一結果是從智利Bio-Bío MW8.8地震一次震例的分析中得到的，但對其他地震的孕育發(fā)生過程的認識以及地震預測研究仍然具有一定的啟示意義。