2017年9月8日墨西哥MW8.2地震对后续地震的触发作用
2023-04-29卓瑞祺张苏祥王斌关冬晓朱翔国张家声
卓瑞祺 张苏祥 王斌 关冬晓 朱翔国 张家声
摘要：使用coulmb3程序研究在墨西哥地区板块间俯冲带巨震对后续余震的静态库仑应力触发作用。2017年9月8日墨西哥MW8.2 地震后，在主震震中所在区域选取38个MW＞4.0 地震作为研究对象，分别设定有效摩擦系数μ′为0.2、0.4、0.6 时，触发比例为39.47%、31.58%和28.95%，触发效果不佳，随着有效摩擦系数μ′取值的增大，墨西哥MW8.2地震对余震的触发比例在降低但对主要余震的触发效果在加强。
关键词： 墨西哥MW8.2地震； 库仑应力变化； 地震触发
doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.02.006
地震通常是由地球内部变动引起的地壳震动，在部分地震发生前能观测到地形变、地球化学等［1-3］地震前兆变化，从而起到预测地震发生的作用。据中国地震台网测定，北京时间2017年9月8日12时49分，在墨西哥沿岸近海（93.90°W，15.05°N）发生MW8.2地震，震源深度约20 km。目前，地震研究人员通过应力触发研究地震间的相互作用关系。大震可以通过应力传递的形式触发或延迟周围区域的地震，例如Deng，Skyes［4］计算美国南加州1812—1995年中强地震产生的积累库仑破裂应力变化，发现95%的M≥6.0地震发生在库仑破裂应力增加区;对有仪器记录的1932—1995年时段内地震发生和库仑破裂应力变化的研究表明，85%的M≥5.0地震发生在库仑破裂应力增加区，基于研究结果估计南加州的地震危险性。Nalbant等［5］研究土耳其西北部和爱琴海地区的29次地震之间的应力触发关系，发现16次地震与前面发生地震的库仑破裂应力变化存在正相关关系，基于这一结果，推断伊兹米特海湾是将来大地震发生的可能区域，最终被1999年发生的伊兹米特地震所证实；万永革等［6］根据前人对唐山地震破裂分布地壳波速和粘性结构的研究得出唐山地震95%的余震发生在库仑破裂应力变化增加的区域，如果快速确定主震和较大余震的破裂分布和机制，则可以预测未来余震的发震趋势；万永革等［7］在研究青藏高原东北部的库仑应力积累演化对大地震发生的影响研究中发现研究区域内大地震的触发率达85%；单斌等［8］在2013年芦山地震导致的周边断层应力变化及其与2008年汶川地震的关系中指出汶川地震的发生提升了彭县—灌县断裂和雅安断裂上的应力积累而2013年的芦山地震可能的发震断层正是彭县—灌县断裂和雅安断裂；刘桂萍和傅征祥［9］在1979年7月28日唐山MS7.8地震触发的区域地震活动和静应力场变化中指出在唐山地震主震后30小时至7天内，在距离震中40～300 km的3个库仑应力正值区域中，地震活动速率上升了2 033倍，从而证明了库仑应力变化可以做为判断主震发生邻近区域后续余震活动情况的依据；王琼等［10］在北天山西段地震应力触发作用初步研究中表明北天山西段多数中强震产生的库仑应力积累有利于其邻区后续中强震的发生；张琳琳等［11］在研究2016 年11 月25 日阿克陶MS6.7 地震前后库仑应力变化分析中说明此次地震在吉尔吉斯斯坦MS6.7地震和塔吉克斯坦MS7.4 地震的库仑应力增强区内，对此次地震有触发作用，并且在研究天山中段2 次MS6.6 地震前后库仑应力变化分析中得出这2次地震对周围区域中强地震活动有促进作用的结论［12］；同时，王琼等［13］在2001—2005 年新疆周边3 次大震对新疆地震趋势影响的分析中说明新疆周边3 次大震在新疆境内产生的库仑应力变化负区范围远大于正区，缓解了新疆区域中强地震发生的危险性。本文中从静态库仑应力触发角度，探讨2017 年9 月8 日墨西哥MW8.2 地震后对该板块间俯冲带地区后续地震活动的影响。
1研究区域与数据
1.1研究区域构造背景
墨西哥位于北美洲南部，北鄰美国，南接危地马拉和伯利兹，东、西、南三面为马德雷山脉所环绕。从全球构造演化背景上来看墨西哥地处太平洋的科科斯板块与大西洋的加勒比板块之间，科科斯板块向北美板块和加勒比板块下俯冲，属双向俯冲带之间的隆起地块［14］。在加勒比板块的北部边缘，北美板块以大约20 mm/a的速度向西移动，形成南科迪勒拉褶皱带和墨西哥湾沿岸向斜两大构造单元，正是由于这样的区域构造背景，致使墨西哥地区地震频发。下文使用节面Ⅱ参数作为发震断层面参数进行静态库仑应力计算（表1）。
1.2数据收集
主要选取全球GCMT地震目录数据，选取地震震源机制数据在9月8—29日，91°～96°W，14°～17°N的38个地震震源机制数据，其中最大震级为MW6.0 ，最小震级为MW4.7；震源深度最浅为12.0 km，最深为88.8 km，以其中最有可能是断层面的震源机制解截面作为接收断层面，选取依据参考盛书中等［15］选取库仑应力接收断层面的依据：（1） 根据震源机制解周边的断层资料，选取和距离最近断层走向较为一致的节面作为接收断层面。（2） 对于仅根据节面走向难以选取接收断层面，且2个节面的倾角相差较大的情况，如果震源机制解是正断层型，选取2个节面中倾角较大的节面为断层面，因为节面倾角较大有利于正断层型地震的发震。如果震源机制解是逆冲型，则选取节面倾角较小的节面作为断层面，因为节面倾角较小有利于逆冲型地震的发震。（3） 当地震的周围没有明确的断层，或是上述方法也难以区分时，就舍弃掉该震源机制解，以减少结果的不确定性（表2）。
2库仑应力计算原理
2.1库仑应力计算公式
库仑应力变化是指由于研究断层及周边断层的错动导致研究区域库仑应力场发生的变化，若发生在研究断层上的库仑应力变化为正值，则表示加速此断层的错动；若变化为负值，则表示抑制此断层的错动［16］。沈正康等［17］在华北地区700年来地壳应力场演化与地震的关系研究中指出可用库仑破裂应力变化定量描述应力变化的改变造成断层趋于破裂的程度，
Δσf=Δτ+μ′Δσn.（1）
式中：μ′为视摩擦系数，Δτ为剪切应力变化量，Δσn为法向正应力变化量。其中μ′视当地的地质构造而定，通常摩擦系数μ′在给定区域假定为常数，取值范围在0～1.0，在没有确切地质资料时一般取其通用值0.4；Δτ的取值有正负之分，当Δτ与接收应力的断层滑动方向一致时取正值，当Δτ与接收应力的断层滑动方向相反时取负值；Δσn的取值同样有正负之分，规定使断层的两盘分离为正，使断层的两盘挤压为负。
2.2coulomb程序介绍
coulomb程序可以计算任何深度由断层滑动、岩浆侵入等情况造成的静态位移量及应力改变情况。目前，学者使用coulomb程序分析区域静态库仑应力变化情况，李健等［18］使用该程序分析1990年菲律宾MW7.7强震对马尼拉俯冲带静态应力触发的影响，朱航等［19］在小江—则木河断裂带大地震序列的静应力触发作用的研究中使用该程序研究断裂带之间的力学关系。本文中使用coulomb3 程序对墨西哥MW8.2 地震进行库仑应力分析，得出主震与后续余震间的触发关系。
3结果与分析
3.1静态库仑应力结果
使用coulomb3 软件计算发震区域静态库仑应力的变化。静态库仑应力触发是指地震断层的同震错动造成地壳应力场永久改变后的地震活动性变化［20］，基于各向同性介质弹性半空间模型。计算时摩擦系数μ′取通用值0.4，得出在2017年9月8日墨西哥MW8.2地震后该地区发生38次MW＞4.0的地震，其中震级最大地震（MW6.0）的库仑应力变化值为0.115 MPa，主震加速了这次强余震的发生。图1中应力增加区域与应力减小区域基本上沿断层面呈对称状分布，所选取的地震分布在断层面两侧，发生在应力增加区域的地震数量比发生在应力减小区域的地震数量略少。多数学者认为在地震发生后使所在区域的静态库仑应力场发生改变，当后续发生在同一区域的地震震中位置静态库仑应力值变化量超过0.01 MPa时，先前发生的地震破裂事件加速了后续地震破裂事件的发生［13-15］。通过统计发现，在这些地震中共有12个余震的库仑应力变化超过了0.01 MPa的触发阈值（表3），占总数的31.58%。
3.2选取不同摩擦系数的计算结果
根据式（1）可知，不同的摩擦系数会对静态库仑应力变化的计算结果产生影响，在不同学者的研究中有效摩擦系数的取值会有所差异，通常为0.2～0.8。上文得出的结果是在摩擦系数取0.4的情况下计算的，下面进一步研究断层面上的摩擦关系对地震触发的影响效果，做出摩擦系数分别取0.2和0.6时的静态库仑应力变化图（图2），可以看出对于不同的有效摩擦系数，发生在库仑应力变化正值区的地震数量有一定的差异。
当μ′值取0.2时，15个地震的库仑应力变化达到阈值，占总数的39.47%。当μ′取0.4时，12个地震的库仑应力变化超过了阈值，占总数的31.58%。当μ′取0.6时11个余震的库仑应力变化超过阈值，占总数的28.95%。对于不同的有效摩擦系数，处于静态库仑应力正值区的地震数量存在差异，但都无法超过总地震数量的40%，且当有效摩擦系数μ′取0.6时，达到静态库仑应力触发阈值区域的地震数量仅占28.95%，有触发作用的地震数量明显少于有抑制作用的地震数量，因此改变有效摩擦系数μ′并不能使主震产生的静态库仑应力场对后续余震的触发效果变得更好。
4结论与讨论
使用coulmb3程序研究在墨西哥地区板块间俯冲带巨震对后续余震的静态库仑应力触发作用，结果发现在取有效摩擦系数为通用值0.4 时，触发比例为31.58%，触发效果不佳，但对主要余震（MW6.0）有触发作用，且静态库仑应力变化为0.173 MPa。更改有效摩擦系数取值，排除在不清楚研究区域地质构造的情况下使用错误的有效摩擦系数造成的误差。改变有效摩擦系数后，地震触发的比例没有明显提升，但对主要余震（表2 第34 号MW6.0 地震）均有触发作用，有效摩擦系数为0.2 时，静态库仑应力变化为0.144 MPa；有效摩擦系数为0.6 时，静态库仑应力变化为0.202 MPa。对于俯冲带上发生的特大地震，后续地震的静态库仑应力触发不显著，但对主要余震触发效果较好。得出的触发作用比例较低的可能原因分析如下：
（1） 初始应力场的影响。在使用库仑应力作用触发地震依据的研究中，判断一个地震是否是由主震触发的依据为ΔCFS是否超过阈值，当ΔCFS超过阈值时此次地震处在主震的静态库仑应力增加区，促进此次地震的发生，反之则延缓此次破裂事件的发生。但是，这是基于研究区域的初始静态库仑应力场为零的情况下，本次研究区域位于板块间俯冲带强震多发区，初始静态库仑应力场较复杂，若不考虑初始库仑应力场，则会对结论造成影响。
（2） 本次研究区域地质构造的特殊性。研究区域地处太平洋的科科斯板块与北美板块交汇处，属双向俯冲带之间的隆起地块，对于俯冲带特大地震而言，俯冲机理与版内地震具有一定差別，由于特殊的地理位置、孕震环境、受力状态和地质构造背景等都是无法得知的，这些俯冲带本身所带来的特殊性可能导致了该模型在此不适用，并且缪森等［21］在俯冲带上特大地震静态库仑应力变化对后续余震的触发效果研究中列举2011 年日本东北部特大地震、2010 年智利地震和2004 年苏门答腊地震对后续余震的触发作用，发现3次地震对后续余震的触发比例分别为47%、47.6%和49.8%，触发比例不佳。李健［18］在1990 年菲律宾MW7.7 强震对马尼拉俯冲带静态应力触发影响中得出在主震发生后后续余震处于应力加载区的数量占所有余震数量的51%，表明此次主震对其后续余震的触发效率并不高。黄骥超等［22］使用MSATSI程序反演墨西哥地震发生区域不同深度的应力场特征，得出在0～70 km深度范围内，该区域主要受到垂直于海沟的挤压作用，这种挤压作用是由于科科斯板块向下俯冲与上覆板块相互作用而产生，应力轴的方位变化与俯冲边界走向有关。所以造成后续地震触发比例较低的原因可能是板块间挤压作用产生的应力影响大于此次MW8.2地震产生的库仑应力造成的影响。
（3） 使用的震源机制解精确度不高。在计算静态库仑应力时需要精确的断层参数，对选用震源机制解2个不同节面作为发震面和接收面的问题也具有重要的意义。虽然墨西哥地区地震频发，但缺乏对详细发震模型的研究，在选用发震断层时，只能依据前人研究的一般规律来判断发震节面，会使库仑应力计算结果有所偏差，最终对余震的触发比例产生影响。
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TRIGGERING EFFECT OF MEXICO MW8.2 EARTHQUAKE ON
SEPTEMBER 8， 2017 ON SUBSEQUENT EARTHQUAKES
ZHUO Rui-qi ZHANG Su-xiang WANG Bin GUAN Dong-xiao
ZHU Xiang-guo ZHANG Jia-sheng
（1.Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China;
2.School of Geophysics and Measurement-control Technology，East China University of Technology，
Nanchang 330013，Jiangxi ，China;
3.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration， Chinese Academy of Geological Sciences，
Langfang 065000，Hebei，China）
Abstract： Coulmb3 program was used to study the static Coulomb stress triggering effect of strong earthquakes on subsequent aftershocks in inter-plate subduction zone in Mexico. After the MW8.2 earthquake in Mexico on September 8， 2017， 38 MW>4.0 earthquakes were selected as research objects in the area where the main shock epicenter was located. When the effective friction coefficients were set to 0.2， 0.4， and 0.6， the triggering ratios were 39.47%， 31.58%， and 28.95%， with poor triggering effects. As the value of the effective friction coefficient increased， the triggering ratio of MW8.2 earthquake in Mexico to aftershocks decreased， but the triggering effect on the main aftershocks increased.
Key words： Mexico MW8.2 earthquake; Coulomb stress changes; Earthquake triggering
