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【前沿报道】Nature Geoscience:2018 Mw7.5级帕卢地震——快速与持续超剪切破裂事件
2019-05-20 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  与先前的超剪切地震不同,2018年MW7.5帕卢地震快速达到超剪切速度,并以约4.1 km/s的速度持续稳定破裂,这可能与震中区的断层特征有关。  

 

  地震时断层的破裂速度是研究震源物理和地震灾害的重要参数,通常破裂速度小于剪切波的传播速度(Vs),如果破裂速度超过Vs,则被称为超剪切破裂。破超剪切破裂导致地震波在马赫锥上同时到达,类似于超音速飞行的飞机产生的压力波,因此放大了地震的破坏力,相关研究对地震灾害评估有重要意义。

  数值模拟以及大量实验都证实,超剪切破裂地震是存在的,它发生在II型破裂上,II型破裂是指扩展方向与断层滑动方向一致的破裂,目前所有报道的超剪切破裂地震全部为走滑地震,包括1979年美国Imperial Valley Ms6.9级地震(Archuleta, 1984),1999年土耳其Izmit Mw7.4级地震和Düzce Mw7.2级地震(Bouchon et al., 2001),2001年中国昆仑山Mw7.8级地震(Vallée and Dunham, 2012)等,其数量非常稀少。

  2018928日,印尼帕卢发生了一次Mw7.5级走滑地震,地震引发的滑坡、液化和海啸造成了非常严重的人员伤亡。帕卢地震是不是超剪切地震,其破裂特征如何?加州大学洛杉矶分校的Bao et al.2019)在Nature Geoscience上。澳大利亚台站的反投影结果(图1c-1e)显示,不同于其他超剪切破裂事件,这次地震的初始阶段没有长时间的亚剪切破裂,破裂速度快速超越了剪切波速度,且自始自终都是持续的超剪切破裂,平均破裂速度约为4.1 ± 0.15 km/s,介于VsEshelby速度,称为Eshelby速度)之间,通常认为均匀介质条件下,断层不能以亚Eshelby速度持续破裂。

   

帕卢地震的地表破裂轨迹和超剪切破裂速度(Bao et al., 2019)。(cBeam Power随时间的变化。(d)反投影获得的能量源沿走向的时间与位置。时间表示相对于起始破裂的时间,距离是相对于震中的水平位置沿走向(174°)的投影。(e)所用到的澳大利亚台站分布

  利用瑞利波马赫锥可以确定地震是否存在超剪切。当破裂速度低于瑞利波波速时,断层不同破裂位置的瑞利波到达远场台站的时间不同,但对于超剪切破裂,断层不同破裂位置的瑞利波将同时到达远场台站,使得主震波形与具有类似震源机制的较小地震事件的波形相似,只有振幅存在差异,振幅的比值等于主震与小震地震矩的比值(图2,图3)。Vallée and Dunham2012)曾在研究2001年昆仑山地震中,首次观测到了远场瑞利面波的马赫锥。帕卢地震同样观测到了远场瑞利面波的马赫锥,从而确认超剪切破裂存在。

  震源动力学研究通常认为,在均匀介质中,断层不能以亚Eshelby速度持续地破裂,但Huang et al.2016)认为存在断层破裂区时,与地震波的相互作用可以使破裂以亚Eshelby速度持续稳定地传播,帕卢地震印证了这一观点。同时,帕卢地震的破裂速度之所以能快速达到超剪切速度,意味着较高的初始应力状态,这可能与震中附近断层较为粗糙有关。

 

2 远场瑞利波马赫锥的证据(Bao et al., 2019)。绿线内的彩色区域是马赫锥,马赫锥根据观测的破裂速度(4.1 km/s),并考虑到瑞利波相速度的不确定性,以最大可能的马赫角扫描获得

   

3 瑞利马赫波的证据(Bao et al., 2019)。(a)主震15-25s瑞利波与其M 6.1前震波形的相关系数随相对于破裂走向的方位角变化图,两个绿色条带表示估计的马赫锥方位角的可能范围。(b15-25s周期的主震(蓝色)和前震(红色)的瑞利波垂直位移记录。前震信号通过主震/前震地震矩比(大小为125)进行缩放

  破裂速度与地震灾害严重程度直接相关,提前建立地震破裂速度与断层结构性质之间的关系,对于预测地震的影响非常重要。为什么只有部分走滑地震是超剪切地震,控制超剪切破裂的断层有什么特性?这些问题还有待深入研究。

    

  主要参考文献 

  Archuleta R J. A faulting model for the 1979 Imperial Valley earthquake[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1984, 89(B6): 4559-4585.  

  Bao H, Ampuero J P, Meng L, et al. Early and persistent supershear rupture of the 2018 magnitude 7.5 Palu earthquake[J]. Nature Geoscience, 2019, 12:200-205. 

  Bouchon M, Bouin M P, Karabulut H, et al. How fast is rupture during an earthquake? New insights from the 1999 Turkey earthquakes[J]. Geophysical Research Letters, 2001, 28(14): 2723-2726.  

  Huang Y, Ampuero J P, Helmberger D V. The potential for supershear earthquakes in damaged fault zones–theory and observations[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2016, 433: 109-115. 

  Rosakis A J, Samudrala O, Coker D. Cracks faster than the shear wave speed[J]. Science, 1999, 284(5418): 1337-1340. 

  Vallée M, Dunham E M. Observation of farfield Mach waves generated by the 2001 Kokoxili supershear earthquake[J]. Geophysical Research Letters, 2012, 39(5).     

  (撰稿:/地星室)

 
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