地震大小由什么因素控制?香港中文大学杨宏峰教授在EPSL发文做出解释

2019-08-21
地球所
Nicoya_hypo_paper2019
地震发生的条件包括力学、结构、环境、介质等方面。断裂带上一个独立活动单元确定后,最大震级如何确定?在地震破裂刚启动后,如何确定能否演变为大地震事件?这些学界所知甚少的领域是实验场【“从地震破裂过程到工程结构响应”全链条风险防范研究、实验和研发。】理念真正得以实现需要解决的关键问题。在中国地震科学实验场专项(2017CESE0103)等项目的联合资助下,香港中文大学杨宏峰助理教授通过地震动力学数值模拟,发现破裂起始点对震级大小起着关键性作用,即从高闭锁区成核的破裂发展为较大规模地震的可能性更大;从深部开始的俯冲带地震引发地表更大变形的可能性更大。该成果名为“尼科亚半岛俯冲带强震破裂对震中位置的依赖性研究”,已在国际知名期刊Earth Plane. Sci. Lett.上公开发表。该成果将为实验场区域断层发震震级等研究提供思路并积累经验,必将为实验场的地震过程分析和预测起到积极作用。
受断层强度非均匀性、地下应力状态未知等因素的影响,预测未来地震震级是全世界面临的科学难题。断层震间闭锁分布是判断未来强震危险性的重要依据,为进一步评估地震和海啸灾害,定量分析地震破裂尺度和最终震级则是更有效的研究手段。我们以尼科亚半岛为例对震级及破裂分布进行了定量研究。中美洲的尼科亚半岛西濒太平洋,位于纳兹卡板块向加勒比板块的俯冲边界,加载速率约82mm/yr,在过去的100多年时间里,尼科亚地区分别发生了1900年和1950年M>7.6,及2012年Mw7.6地震。这里的大地测量数据密集,陆内大地观测网也能对半岛下方的闭锁区进行近场观测,断层闭锁模型的不确定性远小于其他俯冲带。
图1 (a) 尼科亚半岛构造特征和闭锁分布。 该地区的震间闭锁特征(闭锁程度为0.75和0.5)和俯冲界面上地震的震源机制。黑色和绿色(陆内地震)沙滩球表示2012年主震之前的地震(GCMT),蓝色表示主震之后的地震(GCMT和Chaves et al,2017)。蓝色多边形表示累积位移约1m的慢滑移事件区。细虚线分别显示20和40 km的等深线(Kyriakopoulos et al,2015)。EPR:东太平洋海隆; CNS:库科斯和纳兹卡板块的扩张中心。(b)尼科亚半岛西北方和半岛下方(c)的俯冲界面地震震级和发震时间,颜色对应于图(a)震源球的颜色。  
本研究通过地震动力学破裂数值模拟,分析了哥斯达黎加尼科亚半岛区域的地震情景破裂,定量研究了该区域的未来地震震级与破裂分布。首先利用该地区断层闭锁程度分布估算初始应力分布,然后令地震在不同位置成核,进行动力学自发破裂数值模拟,随后分析各情景地震的最终震级和断层面滑移分布。考虑到闭锁模型的不确定性,研究中选取了该区域的两个断层闭锁模型进行模拟,最终结果都显示从高闭锁区成核的破裂发展为较大规模地震的可能性更大,其中约40%的成核最终可形成MW>7.2地震;震中位置较深的地震能引起较大的断层浅部滑动量,这表明深部发震的俯冲带地震引发海啸的风险较大;震级相同且都从高闭锁区(浅部和深部)起始破裂的事件,由于破裂传播方向不同,可能导致强地面运动存在很大差异。此外,模拟事件中没有检测到MW6~7的中等强度地震,与尼科亚地区的实际观测结果一致,这在一定程度上反映了尼科亚半岛应力分布的非均匀程度。
图2. 不同断层震间闭锁模型和初始应力分布,及不同震中位置和断层面破裂特征。(a)(b)(c)第一种断层闭锁模型结果,同一深度的相邻位置成核,最终破裂分布差异较大;(d)(e)(f)第二种断层闭锁模型结果。
图3. (a)(c)分别表示两个闭锁程度(轮廓)和不同成核位置(圆圈)的情景破裂对应的矩震级,分别代表了成核尺寸r=5 km的结果。(b)和(d)表示两个闭锁程度与受成核位置影响的破裂事件的矩震级间的关系,颜色代表不同成核尺寸结果。
本研究结果表明,受应力非均匀分布的影响,破裂起始点对震级大小起着关键性作用,揭示了震级对震中位置的依赖性。因此,对未来震级的预测,基于断层闭锁程度的定性判断远远不够,即便是在应力状态已知的前提下,发震位置不同,最终的地震破裂分布和震级也存在较大差异。这对利用断层震间闭锁模型定性评估地震灾害提出了挑战,而结合破裂动力学数值模拟的定量评估则更为有效。
成果来源
原文发表于地球与行星科学快报,第一与通讯作者为香港中文大学杨宏峰教授。
Yang, H., S. Yao†, B. He†,A. Newman (2019), Earthquake rupture dependence on hypocentral location along the Nicoya Peninsula subduction megathrust, Earth Plane. Sci. Lett., 520, p.10-17, doi:10.1016/j.epsl.2019.05.030.