全球MW≥7.0強震震級與斷層滑動尺度的關系

丁燦陽 馮雅杉 劉成利 熊 熊

1 中國地質大學(武漢)地球物理與空間信息學院,武漢市魯磨路388號,430074

地震震級與破裂尺度之間的關系描述斷層破裂尺度(長度、寬度、面積)、平均滑動量與震級的關系特征,提供了一種將可觀測的地震參數進行轉換和比較的工具。震級-破裂尺度關系可用于推斷地震的震級、破裂面積和破裂展布等,也可以推估古地震震源參數[1-2],對研究歷史地震具有重要的參考價值。

20世紀以來,很多學者研究地震震級與斷層滑動尺度的關系[3],提出若干描述斷層滑動尺度和震級之間關系的經驗公式[4-7]。但這些研究采用的數據來源、破裂參數估算方法和研究區域存在差異,加之地震分類(是否分為大陸地震和俯沖帶或海洋地震)和斷層滑動類型分類等因素,使得給出的經驗關系式存在適用性問題,且不同經驗關系間存在差異。比如,Mai等[4]采用自相關方法來確定斷層破裂的長度和寬度,但僅使用18次地震的31個已公布的破裂模型,總體地震樣本較少;且在擬合過程中,僅將斷層類型分為走滑型和斜滑型進行擬合,未考慮更多的斷層類型。Wells等[5]統計了4.5級以上淺源地震,將斷層分為走滑、逆沖和正斷3種類型進行擬合,給出震級與斷層滑動尺度的關系式。由于逆沖斷層地震的數據量較少,導致逆沖型地震關系式的可靠度較低。Blaser等[6]通過擴展地震樣本數據庫對Wells等[5]的經驗公式進行修正和改進,對于給定震級下的逆沖事件,得到的破裂長度較Wells等[5]的關系小,而破裂寬度則較Wells等[5]的關系大。此外,Blaser等[6]對斷層破裂面積的估算存在較大誤差。Allen等[7]利用USGS提供的99個7級以上地震,分析俯沖界面和海洋環境下的震級-破裂尺度關系,發現海洋環境下的地震平均滑移和最大滑移量比俯沖界面事件的要大,呈現明顯的差異性。總體而言,經驗關系式的可靠性依賴于所統計的樣本數目和擬合過程中所使用破裂參數的準確性、穩定性,此外,歷史地震破裂參數的不確定性較大,也會影響擬合的經驗關系式的可靠性。

近年來,地震破裂參數的研究取得長足進步。隨著觀測技術的快速發展,近場觀測手段不斷豐富,數據種類(如區域寬頻帶數據、強震儀數據、GNSS同震位移數據、高頻GNSS波形數據、InSAR數據、海嘯數據等)和觀測量不斷增多,加之反演理論不斷完善,在大地震發生后,通過聯合反演技術可得到相對穩定的震源破裂模型[8-9],這些進展大大提高了破裂模型的可靠性和時空分辨率。美國地質調查局(USGS)采用以上方法研究全球MW≥7.0以上地震的震源破裂模型,與僅使用遠震寬頻帶地震數據得到的結果相比,聯合反演的模型精度大幅提高[10],確定的斷層破裂參數穩定性和準確性更佳。基于此,本文利用USGS作為統一的數據來源,匯總破裂參數資料,進一步優化強震震級與斷層破裂參數之間的經驗關系式。

1 數據和方法

為了降低由于所用觀測數據、斷層破裂模型反演方法以及斷層破裂參數估算方法不同導致統計結果的不確定性,本文基于USGS公布的有限斷層模型,在以往研究的基礎上[7],采用統一方法估算1990～2023年MW≥7.0且震源深度小于100 km的195次歷史地震事件(圖1)的斷層破裂長度RL(rupture length)、破裂寬度RW(rupture width)以及主破裂面積RA(rupture area)。

TH:逆沖斷層;NO:正斷層;SS:走滑斷層

為了使本研究的新經驗關系與已有成果[4-7]具有可比性,參考以上文獻所使用的經驗關系表達式,采用對數線性化(lgy=kx+b)方法對數據進行擬合分析。其中,自變量x代表矩震級,因變量y表示斷層的RL、RW和RA。

1.1 斷層類型劃分

研究表明,斷層的滑動類型或運動方式將會影響震級與破裂參數之間的相關關系[11]。本文使用USGS提供的震源機制解,根據圖2斷層滑動角的所在范圍,將所有地震事件的發震斷層分為正斷層(NO)、逆沖斷層(TH)以及走滑斷層(SS)3類。最終將195次地震事件的斷層滑移類型分為123個逆沖斷層、47個走滑斷層以及25個正斷層。

圖2 斷層類型判斷準則Fig.2 Criteria for determining fault types

1.2 破裂尺度參數

根據破裂長度與震級的關系估算最大震級是最常用的方式[12]。與Mai等[4]利用斷層滑動量分布的自相關來近似斷層破裂的長度和寬度的方法不同,本文利用USGS提供的所有地震事件的有限斷層模型,將模型沿斷層走向和傾向的最大破裂范圍分別作為斷層破裂的長度和寬度。

通常情況下,斷層破裂的分布存在較強的不均勻性,并不是所有斷層的破裂區域都可以近似為矩形或者圓形,因此,使用RL×RW估算面積有時是不合理的。考慮到有限斷層模型反演的分辨率,本文參考Ye等[13]以及Allen等[7]的處理方式,采用表1的計算準則,使用斷層中滑動量較高的子斷層面積之和評估主破裂面積。需要說明的是,雖然不同地震事件的破裂模型子斷層面積可能不盡相同,但對于本文統計的地震事件,其單個破裂模型中的每個子斷層面積是相同的,因此該方法能夠對每個破裂模型的主破裂面積進行合理的評估。

表1 破裂面積計算準則

以2021-05-21中國青海瑪多MW7.4地震(以下簡稱瑪多地震)、2020-10-30希臘MW7.0地震(以下簡稱希臘地震)、2021-07-29美國阿拉斯加MW8.2地震(以下簡稱阿拉斯加地震)3種不同斷層類型的地震事件為例,展示斷層的破裂長度、寬度以及斷層主破裂區域的計算方法(圖3)。通過以上方法評估斷層破裂長度、寬度以及主破裂面積,在此基礎上擬合出斷層參數與震級的關系。

白色虛線矩形框為斷層的最大破裂長度和寬度;紅色實線框選范圍為主破裂面積區域;白色箭頭標示破裂滑移方向和大小

2 結 果

利用對數線性關系式得到震級與斷層破裂長度、寬度及面積之間新的經驗關系式,結果如圖4和表2所示。

表2 利用最小二乘擬合得到的破裂尺度參數

藍色、紅色、綠色實線為本次研究得到的對于正斷層、走滑斷層和逆沖斷層的震級與破裂參數經驗關系結果;褐色、紫色和橙色虛線分別為Mai等[4]、Wells等[5]和Blaser等[6]的經驗關系結果

相比于Wells等[5]的統計結果,本研究在地震數量方面有顯著提升,尤其是逆沖斷層的數據量幾乎增加了1倍。這不僅極大豐富了逆沖斷層統計的結果,也提升了其可信度。Mai等[4]僅將地震事件簡化為走滑和斜滑2種類型進行回歸分析,而本研究利用統一的數據來源將地震事件細分為走滑、逆沖和正斷3種類型,這也使得經驗關系式能夠更加靈活地適用于不同類型的斷層。

從擬合結果來看,隨著震級的增加,不同斷裂類型的RL、RW和RA的增長呈現不同的系統性偏差。特別是正斷型和走滑型,由于地震數目較少,且在某一特定震級時,斷層破裂長度和寬度在95%的置信區間內存在較大程度的離散(尤其是RW),因此正斷型和走滑型的經驗關系擬合參數R2僅為0.39和0.14。但在震級增長的同時,RA的增長系統性偏差較低,擬合參數R2分別為0.87、0.83和0.78,可信度較高。本次研究中逆沖類型的數據量為122個,較Wells等[5](破裂長度50個,寬度43個)、Mai等[4](8個)和Blaser等[6](破裂長度96個,寬度83個)有不同程度的增加。從圖4可以看出,逆沖型的破裂長度和寬度隨著震級的增加呈現出較好的相關性。

3 討 論

3.1 RL-MW與RW-MW經驗關系式

對于破裂長度,在正斷層離散點7.01～8.16的震級范圍內,Wells等[5]與本文結果沒有明顯差異。本文所得正斷層RL-MW關系式中的斜率較大,震級越大,本文結果與Blaser等[6]之間的差異越小。Blaser等[6]與Wells等[5]得到的走滑斷層RL-MW關系式接近,本文得到的結果介于兩者與Mai等[4]結果之間。

正斷層的破裂寬度與Wells等[5]和Blaser等[6]的結果較為吻合。走滑斷層的RW-MW關系式與其他經驗關系式在不同震級范圍內具有不同程度的偏離。震級在8.1以下時,走滑斷層寬度均大于其余結果;震級大于8.1時,走滑斷層寬度與Wells等[5]和Mai等[4]的結果接近,但偏離Blaser等[6]的關系式。

對于逆沖斷層,Wells等[5]所使用的數據庫中逆沖斷層事件數量少,且絕大多數逆沖事件震級較本文所使用地震事件震級低;同時,在統計方法上,Wells等[5]使用斷層上地震活動的深度范圍、體波及面波反演和地表形變的幾何模型等多種方法對斷層破裂長度和寬度進行估算,因此Wells等[5]最終經驗關系與本文結果(尤其是RW-MW)具有較為明顯的差異。

3.2 RA-MW經驗關系式

從圖4可以看出,正斷層RA-MW經驗關系式與已有經驗關系式之間存在較明顯差異。當震級大于7.0時,對于走滑型和逆沖型地震的主破裂面積,在不同的震級范圍內本文結果與其他學者的結果接近。

3.3 實用性分析

在以往的歷史地震研究中,由于缺少可靠的震源破裂模型,大都采用經驗公式來確定歷史地震的斷層參數和破裂尺度[14-15]。本研究采用了分辨率更高的地震破裂模型,以獲取更可靠的斷層破裂參數。相對于文獻[4-6]的方法,本文采用了更合理的估算方式來評估破裂面積的大小(表1)。Chinnery[3]指出,大地震產生的破裂與小地震產生的破裂并不相匹配,因此本文僅針對MW≥7.0的強震進行統計分析,得出更適用于強震事件的經驗關系式。

為了分析不同經驗關系式得到的強震事件破裂參數的差異性,采用粘彈分層介質PSGRN/PSCMP模擬軟件[16]分別計算瑪多地震、希臘地震和阿拉斯加地震3種不同斷層類型下產生的同震庫侖應力變化ΔCFS,并與利用Wells等[5]、Mai等[4]的經驗破裂尺度的結果以及實際有限斷層反演獲得的震源破裂模型[17-19]計算得到的ΔCFS分布進行對比分析,計算結果如圖5～7所示。

紅色五角星為震中位置,灰色圓圈為余震位置[20],黑色線條為斷層靠近地表的一側,下同

GF、SF和TF分別為Gülbah?e、Seferihisar、Tuzla and Samos斷層[18]

圖7 阿拉斯加地震在不同破裂尺度下得到的同震庫侖應力變化Fig.7 Coseismic Coulomb stress changes obtained by different rupture scales of Alaska earthquake

從計算結果來看,雖然根據不同經驗關系式預測的斷層長度和寬度結果不同,但這并沒有明顯影響到對斷層周邊地區觸發關系和應力增強以及減弱區域分布的判定,特別是從余震分布來看,所有經驗模型都可以很好地預測余震的分布,這也證明了經驗關系式的差異并不會影響遠場同震庫侖應力的計算結果。

但需要強調的是,以上通過經驗公式得到的結果均是估計值或預期值,并不代表真實情況下的斷層破裂尺度或真實且準確的地震震級大小。比如當震級為MW=7.0時,通過經驗公式得到的走滑斷層沿傾向的最大破裂寬度約為20 km。而實際上,由于走滑型地震的破裂斷層往往具有復雜性,經常呈現多斷層同時破裂,如2021年瑪多MW7.4地震[17]和2023年土耳其MW7.8地震[21]。對于破裂比較復雜的走滑型地震,采用經驗關系式預測往往會低估斷層破裂尺度(圖4)。

由于MW9.0以上地震在歷史上很少出現[5],因此研究中的樣本震例較少。除此之外,特大地震斷層破裂的差異性也比較大,如2004年蘇門答臘MW9.1地震的同震破裂長度約1 000 km[22],而2011年日本MW9.0地震的同震有效破裂長度僅約350 km[23](圖4)。因此,利用經驗關系估算特大地震的斷層破裂參數時也應慎重。總之,不建議對所有不同類型的地震使用一種標度關系,最好根據實際情況分別使用不同滑移類型的標度關系。

4 結 語

基于USGS公布的有限斷層模型,采用對斷層破裂尺度統一的評判方法,系統收集和整理了1990～2023年全球范圍內195次MW≥7.0強震的破裂參數資料,得到不同斷層類型下震級與破裂參數之間新的經驗關系式。

為驗證不同經驗關系式的差異性,通過利用新經驗關系式得到的破裂參數計算瑪多地震、希臘地震以及阿拉斯加地震的同震ΔCFS,并與使用已有經驗關系式以及真實震源破裂模型計算出的結果進行對比。結果顯示,雖然使用不同經驗公式計算出的斷層長度和寬度不同,但計算出的同震ΔCFS分布幾乎一致,并不影響斷層對周邊地區觸發關系的判定,這也進一步說明遠場同震ΔCFS的計算對所使用的斷層滑動的經驗關系式并不敏感。

本研究利用更多的破裂模型提高了逆沖型斷層滑動經驗關系式的可信度,但由于所使用地震事件以及對斷層破裂參數的判定方法不同,本研究得出的經驗關系式與其他學者的結果存在一定的差異,特別是走滑型和正斷型。盡管如此,本研究給出的新的經驗關系式可為以后震級-破裂尺度關系的進一步研究提供重要參考。尤其是大地震發生以后,可以與以往的經驗關系式[4-7]相結合,快速生成經驗斷層破裂模型,更好地確定強震產生和滑動的區域,為震后的快速災害評估、應急響應以及古地震研究提供可靠的參數。值得注意的是,對于破裂較為復雜的地震和特大地震(MW> 9.0),經驗關系式所給出的斷層破裂參數可能存在較大的估算誤差,在使用時需要謹慎對待。