陳學(xué)忠 郭祥云 李艷娥

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）

引言

強(qiáng)震通常發(fā)生在全球級(jí)別的板塊交界地帶或板塊內(nèi)部的次級(jí)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(jī)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(jí)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(jié)果。地震發(fā)生時(shí)在發(fā)震斷層面上會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生顯著的位移。一個(gè)自然而然的問(wèn)題是，在斷層錯(cuò)動(dòng)發(fā)生前斷層面上的摩擦系數(shù)會(huì)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(duì)此問(wèn)題進(jìn)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(gè)北東向（900 km×300 km）四邊形區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)（圖1）。選取研究區(qū)內(nèi)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(jì)100次，它們的震級(jí)隨時(shí)間的變化如圖2所示。本研究使用的資料是震源機(jī)制解結(jié)果，來(lái)自于哈佛大學(xué)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(jī)制解一并列于表1中。

2 研究方法

利用震源機(jī)制解結(jié)果，不僅可以反演地殼應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)還可以得到斷層面上的摩擦系數(shù)[2-4]。首先通過(guò)震源機(jī)制解反演，可以得到主應(yīng)力方向以及形狀比R，進(jìn)而得到斷層面法向在主應(yīng)力坐標(biāo)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(jì)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(yīng)力和正應(yīng)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(duì)應(yīng)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(gè)地震按時(shí)間先后排列（表1），舍去前面4個(gè)地震之后，以6個(gè)地震為一組，將它們分成16組。每一組計(jì)算一個(gè)μ值。然后，以6個(gè)μ值為一組計(jì)算它們的對(duì)數(shù)平均值。接著以一個(gè)μ值滑動(dòng)，可以得到μ值隨時(shí)間的變化。之所以取對(duì)數(shù)平均值，是由于它可以消除個(gè)別極端值對(duì)計(jì)算結(jié)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(nèi)地震的震源機(jī)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(jié)果與分析

圖3 μ值隨時(shí)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(shí)間的變化。從圖中可以看出，總體上來(lái)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(gè)變化范圍是合理的，平均值與巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果一致[5]。2006年以前，摩擦系數(shù)μ呈上升趨勢(shì)變化，從0.56上升到約0.73；從2006年初開(kāi)始轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)變化，從約0.73一直下降到震前的約0.4，下降幅度達(dá)45.2%。圖4為L(zhǎng)i等[6]給出的智利Bio-Bío Mw8.8地震破裂區(qū)內(nèi)視應(yīng)力隨時(shí)間變化計(jì)算結(jié)果。對(duì)比圖3和圖4可知，從2006年到地震前摩擦系數(shù)μ與視應(yīng)力的變化是反向的，摩擦系數(shù)下降，同時(shí)視應(yīng)力上升。由于視應(yīng)力的上升變化與地殼應(yīng)力增強(qiáng)有關(guān)，因此，摩擦系數(shù)μ的降低可能是地殼應(yīng)力增強(qiáng)所致。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖4 視應(yīng)力隨時(shí)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(jī)制解結(jié)果，估計(jì)了斷層面上的摩擦系數(shù)，給出了摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化。得到的結(jié)果表明：在震前的4年時(shí)間里，斷層面摩擦系數(shù)呈逐漸下降趨勢(shì)，到震前幾個(gè)月降至最低值，這表明強(qiáng)震發(fā)生前斷層面上摩擦系數(shù)可能會(huì)降低，以有利于斷層錯(cuò)動(dòng)。由于摩擦系數(shù)μ與視應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)變化，因此，摩擦系數(shù)μ的降低可能與地殼應(yīng)力增強(qiáng)有關(guān)。即，由于地殼應(yīng)力增強(qiáng)，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(cuò)動(dòng)。隨著地殼應(yīng)力的進(jìn)一步增強(qiáng)，斷層面摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低，最終錯(cuò)動(dòng)發(fā)震。盡管這一結(jié)果是從智利Bio-Bío MW8.8地震一次震例的分析中得到的，但對(duì)其他地震的孕育發(fā)生過(guò)程的認(rèn)識(shí)以及地震預(yù)測(cè)研究仍然具有一定的啟示意義。