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强震时空统计分析及InSAR同震形变场空间分布特征

卞畏畏 伍吉仓 张磊 高宇

卞畏畏, 伍吉仓, 张磊, 高宇. 强震时空统计分析及InSAR同震形变场空间分布特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 875-886. doi: 10.13203/j.whugis20220176
引用本文: 卞畏畏, 伍吉仓, 张磊, 高宇. 强震时空统计分析及InSAR同震形变场空间分布特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 875-886. doi: 10.13203/j.whugis20220176
BIAN Weiwei, WU Jicang, ZHANG Lei, GAO Yu. Temporal and Spatial Statistical Analysis of Strong Earthquakes and Spatial Distribution Characteristics of InSAR Coseismic Deformation Field[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 875-886. doi: 10.13203/j.whugis20220176
Citation: BIAN Weiwei, WU Jicang, ZHANG Lei, GAO Yu. Temporal and Spatial Statistical Analysis of Strong Earthquakes and Spatial Distribution Characteristics of InSAR Coseismic Deformation Field[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 875-886. doi: 10.13203/j.whugis20220176

强震时空统计分析及InSAR同震形变场空间分布特征

doi: 10.13203/j.whugis20220176
基金项目: 

国家自然科学基金 42074022

国家自然科学基金 41874004

详细信息
    作者简介:

    卞畏畏,博士生,主要研究方向为测绘与地球动力学。bianww@tongji.edu.cn

    通讯作者: 伍吉仓,博士,教授。jcwu@tongji.edu.cn
  • 中图分类号: P315

Temporal and Spatial Statistical Analysis of Strong Earthquakes and Spatial Distribution Characteristics of InSAR Coseismic Deformation Field

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 42074022

The National Natural Science Foundation of China 41874004

More Information
  • 摘要: 收集整理了全球1976年至2022年初的198个强震(Mw≥7.5)信息,统计分析了强震发生的时空分布、震源深度分布和强震发震类型占比,并结合公开发表的典型强震的合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)同震形变场图,分析了强震同震形变的空间分布特征。研究表明,强震空间分布呈条带状聚集,主要位于环太平洋地震带和喜马拉雅-地中海地震带,强震大多发生在各大板块交界处,与现代大地测量观测到的地壳强应变区域重合;强震时间分布存在活跃期和平静期交替出现的现象,1976―1992年为相对平静期,1992年至今为相对活跃期,强震发生频率有逐年增加趋势;在收集的全球198个强震中,发生在海洋中的强震占大多数,陆地强震仅有44个,且绝大多数强震属于逆冲断层地震,按震源深度统计,浅源强震最多且分布广泛,占比达81.3%;InSAR卫星对地观测新技术可以捕获强震的全域同震形变场,详细呈现强震同震形变的空间范围和分布特征,其中陆地强震同震形变波及的范围主要集中在发震断层两侧附近的条带状区域,离断层越远,形变衰减越快,而且形变关于断层呈不对称性。运用全球覆盖的InSAR和全球导航卫星系统地壳形变监测技术,拼接全球不同位置的活动断层形变信息片段,有可能揭示陆地强震的全周期孕震形变过程。
  • 图  1  1976年以来的全球强震分布

    Figure  1.  Global Distribution of Strong Earthquakes Since 1976

    图  2  全球强震活动与应变率及速度场叠加图

    Figure  2.  Spatial Information of Global Strong Earthquake Activity and Strain Rate, Velocity Field

    图  3  全球强震活动时间统计分析

    Figure  3.  Temporal Information of Global Strong Earthquake Activity

    图  4  陆-陆碰撞强震的InSAR形变图

    Figure  4.  InSAR Deformation Map of Land-Land Collision Strong Earthquakes

    图  5  断层两侧形变弥散范围

    Figure  5.  Deformation Dispersion Range on Both Sides of the Fault

    图  6  海-陆碰撞逆断层强震的InSAR形变图

    Figure  6.  InSAR Deformation Map of Sea-Land Collision Reverse Fault Strong Earthquake

    图  7  走滑断层强震的InSAR形变图

    Figure  7.  InSAR Deformation Map of Strike-Slip Fault Strong Earthquakes

    表  1  强震同震形变范围拟合椭圆长半轴

    Table  1.   Approximate Ellipse Semimajor Axis of Strong Earthquake Deformation

    统计项 智利Mw 7.8 厄瓜多尔Mw 7.8 秘鲁Mw 8.0 智利Mw 8.3 秘鲁Mw 8.5 智利Mw 8.8
    椭圆长半轴/km 110.5 70.9 140.6 162.2 173.4 310.8
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-22
  • 刊出日期:  2022-06-05

强震时空统计分析及InSAR同震形变场空间分布特征

doi: 10.13203/j.whugis20220176
    基金项目:

    国家自然科学基金 42074022

    国家自然科学基金 41874004

    作者简介:

    卞畏畏,博士生,主要研究方向为测绘与地球动力学。bianww@tongji.edu.cn

    通讯作者: 伍吉仓,博士,教授。jcwu@tongji.edu.cn
  • 中图分类号: P315

摘要: 收集整理了全球1976年至2022年初的198个强震(Mw≥7.5)信息,统计分析了强震发生的时空分布、震源深度分布和强震发震类型占比,并结合公开发表的典型强震的合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)同震形变场图,分析了强震同震形变的空间分布特征。研究表明,强震空间分布呈条带状聚集,主要位于环太平洋地震带和喜马拉雅-地中海地震带,强震大多发生在各大板块交界处,与现代大地测量观测到的地壳强应变区域重合;强震时间分布存在活跃期和平静期交替出现的现象,1976―1992年为相对平静期,1992年至今为相对活跃期,强震发生频率有逐年增加趋势;在收集的全球198个强震中,发生在海洋中的强震占大多数,陆地强震仅有44个,且绝大多数强震属于逆冲断层地震,按震源深度统计,浅源强震最多且分布广泛,占比达81.3%;InSAR卫星对地观测新技术可以捕获强震的全域同震形变场,详细呈现强震同震形变的空间范围和分布特征,其中陆地强震同震形变波及的范围主要集中在发震断层两侧附近的条带状区域,离断层越远,形变衰减越快,而且形变关于断层呈不对称性。运用全球覆盖的InSAR和全球导航卫星系统地壳形变监测技术,拼接全球不同位置的活动断层形变信息片段,有可能揭示陆地强震的全周期孕震形变过程。

English Abstract

卞畏畏, 伍吉仓, 张磊, 高宇. 强震时空统计分析及InSAR同震形变场空间分布特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 875-886. doi: 10.13203/j.whugis20220176
引用本文: 卞畏畏, 伍吉仓, 张磊, 高宇. 强震时空统计分析及InSAR同震形变场空间分布特征[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(6): 875-886. doi: 10.13203/j.whugis20220176
BIAN Weiwei, WU Jicang, ZHANG Lei, GAO Yu. Temporal and Spatial Statistical Analysis of Strong Earthquakes and Spatial Distribution Characteristics of InSAR Coseismic Deformation Field[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 875-886. doi: 10.13203/j.whugis20220176
Citation: BIAN Weiwei, WU Jicang, ZHANG Lei, GAO Yu. Temporal and Spatial Statistical Analysis of Strong Earthquakes and Spatial Distribution Characteristics of InSAR Coseismic Deformation Field[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2022, 47(6): 875-886. doi: 10.13203/j.whugis20220176
  • 地震给人类的生存环境造成了极大的威胁,尤其是强震,造成了大量人员伤亡与建筑物倒塌。1976-02-04,危地马拉发生了一次7.5级的强震,持续时间约35 min[1]。同年7月26日,中国唐山发生7.6级大地震,整个城市瞬间被毁坏,伤亡人数达40.6万人。21世纪以来,据不完全统计,2008年中国四川汶川Mw 7.9强震造成了6.9万人遇难和37万人受伤;2014年印度尼西亚苏门答腊Mw 9.0强震促发海啸,遇难人数高达30万人;2015-04-25尼泊尔发生Mw 7.9强震,09-17智利发生Mw 7.8强震,10-26兴都库什发生Mw 7.5强震,这3次大型强震席卷陆地,造成了近百万人的死亡与失踪和大量财产损失[2-4]。强震引发的次生灾害也极为严重,崩塌、滑坡、海啸极大破坏了人类的生态建设,阻碍了人类社会的可持续发展[5]

    大地震的同震形变场范围广,很可能波及一个或几个活动地壳断层[6-7]。对于所有Mw > 8.6俯冲-逆冲地震,近场几乎都触发了Mw > 5.5地震,余震可能会延伸数百千米[8-10]。面对21世纪以来全球日益频繁的地震灾害,强震的发震机制研究与预测是全人类需要共同攻克的生存难题,对强震的发震序列、地质构造背景、形变时空分布特征的研究已经势在必行。根据动力学理论可知,强震的发生需要孕育巨大的能量,经历长期应变能累积的过程。20世纪50年代初,众多学者对全世界8级及以上强震进行了研究,发现大震活动不是纯粹的偶然事件,而是具有一定的规律性。通过对全球强震活动进行统计分析,很多学者认为全球主要强震活动存在彼此交替的现象[11-16];强震的发生需要特定的地质构造背景、深部地球物理环境与构造运动驱动[17-24]。但是到目前为止,强震的发震活动性仍然没有一个统一的定量指标,也没有可从一般地震活动背景中识别潜在强震的方法。目前对强震的发震活动性仍然处于探索认识阶段,研究过程中遇到的主要问题包括历史强震目录资料缺失,强震时间周期过长而观测时间相对较短,强震的震源过程、发生机制尚未明确等。在全球强震频发的大环境下,集合现代卫星大地测量新技术和空间对地观测数据的全球覆盖、高精度、高时空分辨率特点,研究强震形变的时空分布特征与孕震过程,探求强震全周期地壳形变规律,对了解强震机理、评估全球强震活动性具有重要的科学意义。

    本文收集整理了全球1976年至2022年初的强震(Mw≥7.5)目录,对全球强震时空分布、震源深度和发震类型等进行统计分析,并结合合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)同震形变观测成果,分析不同类型强震的同震形变空间分布特征,为活动断层强震周期性孕震形变监测提供合理化建议。

    • 在强震的各项研究中,原始强震目录资料的准确度和完整性极其重要,对强震理论完善与发展起重要作用。强震目录资料主要包括强震的断层类型、震级大小、破裂尺度、震中位置、震源深度等。本文地震记录数据来源于全球矩心矩张量(global centroid moment tensor,GCMT)目录,该目录包括1976年至2022年2月全球主要中、强地震信息,并对其进行了参数再处理,其中最小震级可达Mw 4.5,还提供了它们的震源机制解参数[25]。GCMT目录中共收录了Mw 7.5及以上的强震198次,震中分布如图 1所示,其中震源机制解的颜色代表了震源深度。

      图  1  1976年以来的全球强震分布

      Figure 1.  Global Distribution of Strong Earthquakes Since 1976

      地震的空间分布遵循多重分形规律,这种规律已被用来描述地震发生的频率、空间或时间尺度等[26]。研究发现,强震在空间上有重复发生的现象,例如1996年秘鲁Mw 7.7地震重新破坏了1942年秘鲁Mw 8.1地震的部分破裂区域[27];1997年中国玛尼Mw 7.5地震是先前地震地表破裂带再次破裂的结果[28];1894年和1999年的土耳其地震都位于安纳托利亚断裂带,且两个地震的震中区域重叠[29];2007年秘鲁皮斯科地震群和2010年智利莫勒地震群可能都与南美洲的大型逆冲断层相互作用有关[30]

      将上述198个强震信息绘制在全球应变分布背景图上,如图 2所示,其中底图颜色代表了应变率的大小,单位为1×10-9/a,蓝色矢量为速度场数据(数据来自https://gsrm.unavco.org/data/[31]。由图 2可以看出,强震出现的位置往往处于高应变区,且在空间上出现聚集成带的现象。强震群主要位于环太平洋强震带和喜马拉雅-地中海强震带,198个强震中的大多数都发生在环太平洋板块的边界附近,占总数的80%,其余发生在喜马拉雅-地中海强震带上。在太平洋板块东部,强震群出现在墨西哥、哥伦比亚、秘鲁、智利的海岸附近,该强震群所聚集的位置正处于太平洋板块和美洲板块的交界处;在北部,强震群出现在太平洋板块与美洲板块的交界处;在西部,强震群主要位于喜马拉雅-地中海强震带,且全部位于太平洋板块、印度洋板块与亚欧板块这三大板块的交界处,分布于菲律宾、印度尼西亚、尼泊尔、中国青藏高原等地区;在西南部,强震群的聚集位置与太平洋板块和印度洋板块的交界处完美重合,主要分布于汤加、新西兰等地区,表明强震往往位于各大板块交界处。

      图  2  全球强震活动与应变率及速度场叠加图

      Figure 2.  Spatial Information of Global Strong Earthquake Activity and Strain Rate, Velocity Field

      强震发生的时间分布一直是许多学者研究的热门问题。以秘鲁大地震为例,地震重现时间比预估的周期要短,历史上1604年与1868年秘鲁大地震规模相似,两者间隔时间为264年,但2001年秘鲁大地震与上次强震的时间间隔为133年,比264年要提前131年。此外,每次大地震边缘都会紧接着爆发许多小震级地震,地震重现时间更短[32]。简单地利用历史地震重复时间间隔来预测地震发生周期是不现实的,有必要利用大地形变观测数据研究地震周期形变,进而预测地震的复发周期。通常强震的周期为几百年乃至上万年,而现有大地形变观测只有短短的几十年或十几年。因此,如果要利用某个区域的大地形变观测资料来研究该区域的强震,观测时间显得太短,很难揭示强震孕育和发生的规律。但是如果换个角度考虑问题,假定强震发生的机理是类似的,那么从全球观测的角度来看,不同潜在震源区有可能处在不同的强震孕育阶段[33]。如果把全球的大地形变测量数据拼接为一体分析,就有可能揭示强震孕育的全周期地壳形变过程,可以认为这是一种以空间来换取时间的研究模式。

      为了进一步分析强震时间序列,本文绘制了全球Mw 7.5以上强震活动震级-时间图、每年强震发震频度图和每年累积Benioff应变图,如图 3所示。地震频度和能量可用于描述地震活动的不同特征,但确定地震活动处于活跃或平静状态需要综合考虑这两个参数,累积Benioff应变就是这两个参数的综合体现。因为累积Benioff应变与应变积累率成正比,而由构造作用产生的应变累积率在较长时间尺度上是基本不变的,因此,地震的活跃与平静可通过比较地震的应变释放来划分。本文采用经验关系式M0=10(1.5Mw+16.05)计算出地震矩M0,单位为N·m。根据经验关系可知,累积Benioff应变为(5×10-5M01/2[34-35]

      图  3  全球强震活动时间统计分析

      Figure 3.  Temporal Information of Global Strong Earthquake Activity

      图 3(a)可以看出,自1976年以来,全球Mw 7.5以上强震存在活跃-平静的交替性现象,1976—1979年呈现强震活跃期,1980—1985年呈现强震平静期,1986—1989年呈现强震活跃期,1990—1994年呈现强震平静期,1995—2004年呈现震级较为快速的起伏变化,变化周期更短,且震级起伏较大,2004年11月出现了苏门答腊特大强震,2005—2012年,震级随时间发生很大的起伏,表明强震处于明显的活跃期,而2012年之后,震级随时间发生的起伏变化趋势相对减小,强震活跃状态相对减弱。总体来看,1976年至今,全球Mw 7.5以上强震活动的震级-时间曲线整体呈上升趋势。

      图 3(b)可以看出,每年强震发震频度随时间变化起伏很大。1976—1991年,发震频度整体呈逐年下降趋势,1992—2006年,整体呈逐年显著上升趋势,2007—2021年,发震频度除了2007年和2011年到达两个峰值外,每年发震频度呈缓慢下降趋势,但2007—2021年这15年的总发震频度与前两个15年(1977—1991年和1992—2006年)相比为最高值。1976年至今,全球Mw 7.5以上强震活动的年强震发生频度-时间曲线整体呈上升趋势。

      图 3(c)可以看出,每年累积Benioff应变图与每年发震频度图的走势较为相似,但每年累积Benioff应变图的变化特征更为显著。1976—1991年,每年累积Benioff应变整体呈下降趋势;1992年之后,呈显著上升趋势,显示强震在自1992年后进入相对活跃期。

      综上所述,强震存在活跃期和平静期交替出现的周期性现象。1976年至今,全球Mw 7.5以上强震活动整体呈上升趋势,1976—1991年,强震处于相对平静期,1992—2022年,强震处于相对活跃期。地震在空间和时间上的聚集分布表明现今强震活动频率正在增加。

    • 强震类型的分类方式多种多样,可以按震源发生位置将强震分为海洋强震和陆地强震。根据GCMT目录收录的1976年至今的198个强震震中以及全球海岸线位置,将其分为海洋地震与陆地地震,其中海洋地震占大多数,有154个,陆地地震只有44个。

      海洋强震的震级较高,震源位置较深,经常引发剧烈的海啸甚至火山爆发。1976年至今,全球仅有的两次Mw 9.0及以上的强震均为海洋强震。2004-12-26苏门答腊海域发生Mw 9.0强震,是1960年智利强震以来的最大强震,也是现代宽频带强震仪与全球定位系统(global positioning system,GPS)建成后首次观测到的板块俯冲带大强震。2011-03-11日本本州东海岸附近海域发生Mw 9.1强震,产生了巨大位错和海啸,上盘地壳朝向海沟方向水平位移量高达约50 m,垂直隆升约7~10 m。

      众所周知,陆地强震震源深度较浅,破坏力大,比同样震级的海底地震破坏性更强,危害性更严重[36]。1976年以来,陆地强震主要分布在两个条带,一个是太平洋板块的东北缘,位于墨西哥、秘鲁、智利和美国阿拉斯加等区域的沿海地区;另一个是太平洋板块的西南边缘和亚欧板块的南缘,即亚欧板块与印度洋板块的交界处,位于中国、尼泊尔、印度尼西亚等区域;其余零星分布在新西兰、土耳其等区域,这些陆地强震给所在国家或地区造成了重大人员伤亡和财产损失。

      本文收集了全球1976以来Mw 7.5及以上的44个陆地强震的震中位置、震源深度、断层走向、倾角、滑动角和发震断层运动类型等特征参数信息[14-925-2937-60](详细信息附录表见本文资源附件:http://ch.whu.edu.cn/cn/article/doi/10.13203/j.whugis20220176),并对这些强震特征参数进行了统计分析。根据强震震中位置统计,发现强震主要发生在太平洋板块与周边板块的交界处以及印度板块与亚欧板块的挤压边界。板块运动导致的相邻板块边界构造活动强烈,周期性累积和释放地壳应变能,板块运动的俯冲和挤压是陆地强震的主要驱动力源。根据地震断层的破裂运动方式,将地震分为正断层地震、逆断层地震和走滑断层地震。统计发现44个陆地强震中,逆断层地震21次,正断层地震10次,走滑断层地震13次,近一半的陆地强震以逆断层运动为主。

      进一步分析发现,板块俯冲型陆地强震活动沿俯冲板块逐渐向下迁移,随着板块俯冲发生下倾挤压型深源地震。此外,板块深部在俯冲方向缩短导致浅部板块转折处累积拉张应力,导致正断层强震发生[4159]。不同震源深度地应力环境有着明显的不同,相应的地震破裂方式和地震应力降也不一样。一般将震源深度小于70 km的地震称为浅源地震,震源深度为70~300 km的地震称为中源地震,震源深度大于300 km的地震称为深源地震[55]。深源地震以高应力降、缓慢破裂传播和弱余震为特征,通常比浅源地震具有更低的余震发生率[4256]。本文收集的198个强震中包含浅源地震160个,其中深度小于30 km的地震数目为105个,占比65.6%,深度为[30,50)km的地震数目为43个,深度为[50,70)km的地震数目为12个;中源地震数目为22个;深源地震数目为16个,最大震源深度达到699 km。在44个陆地强震中,震源深度小于30 km的浅源地震有26个,表明陆地强震主要为浅源地震,破坏性极强。

      图 1可以看出,深源地震大多数发生在海洋区域,主要发生在日本海沟、裴济海沟、菲律宾海沟等,只有两个深源地震发生在陆地区域(南美的玻利维亚);中源地震也主要发生在海洋区域,极少数发生在陆地区域;浅源地震数目最为庞大且分布广泛,海洋和陆地区域都存在数目众多的浅源地震。

    • 星载雷达干涉测量(synthetic aperture radar,SAR)技术具有全天候、高时空分辨率和自动化处理等优势,尤其是周期性全球复测为开展地震形变监测与地震机理反演研究提供了前所未有的机遇[61-63]。由于InSAR技术在早年尚未兴起,本文仅收集了2000年以后公开发表的部分典型强震的InSAR形变场信息,主要包括陆-陆碰撞逆断层地震、海-陆碰撞逆断层地震和走滑断层地震等3种不同类型的地震同震形变场,对这些典型强震的同震形变场的波及范围和空间分布特征分析如下:

      1)陆-陆碰撞逆断层强震主要位于印度板块与亚欧板块的碰撞边界,本文选择的两个代表性强震分别是2008-05-12中国四川汶川Mw 7.9地震和2015-04-02尼泊尔Mw 7.9地震。2008年汶川地震发生在龙门山断裂带的中央断裂,形成了一条长达230 km的大断裂,破裂断层呈NE-SW走向、以逆冲运动为主,有一定右旋分量,破裂最大位移达到十余米[50]。2015年尼泊尔地震发生在喜马拉雅主逆冲断裂带上,破裂断层长约150 km,呈NW-SE走向,以逆冲运动为主,破裂最大滑移量为3~5 m[53]图 4是采用InSAR技术获得的两次强震的视线向(line of sight,LOS)同震形变场。

      图  4  陆-陆碰撞强震的InSAR形变图

      Figure 4.  InSAR Deformation Map of Land-Land Collision Strong Earthquakes

      根据图 4中两次强震的同震InSAR形变干涉条纹,绘制了发震断层中部垂直断层走向的剖面上离断层不同距离处的同震形变量(InSAR形变条纹周数),如图 5所示。汶川地震与尼泊尔地震的InSAR同震形变场在发震断层两侧均呈不对称分布。汶川地震(图 5(a))断层两侧视线向形变量的绝对值几乎相等,但南盘与北盘的形变空间分布完全不对称。南盘的形变较为多样,在前3个形变条纹周期,形变空间变化剧烈且集中在断层邻近区域,然后呈现缓慢的1~2个形变条纹周数;北盘的形变变化相比南盘较为均匀,同震形变波及的范围局限在160 km以内。尼泊尔地震(图 5(b))北盘视线向形变量较大,几乎为南盘的2倍,且波及范围更广,同震形变范围局限在60 km以内。尽管InSAR同震形变场条纹形状和周数与断层倾角、SAR卫星视线方向、雷达波长等有关,但仍然可以从中判定同震形变主要集中在发震断层附近,波及范围局限在以断层为对角线的菱形区域。按照地震弹性回跳理论,同震形变范围对应孕震累积应变范围。InSAR同震形变场所揭示的形变空间分布局域性和相对断层的两盘的不对称性为断层形变监测方案设计提供了新的参考依据。

      图  5  断层两侧形变弥散范围

      Figure 5.  Deformation Dispersion Range on Both Sides of the Fault

      2)对海-陆碰撞逆断层强震,本文选取了6个公开发表的强震InSAR同震形变场图进行分析,如图 6所示,分别为2007-11-14智利托克皮拉Mw 7.8地震[64]、2010-02-27智利莫莱Mw 8.8地震[65]、2015-09-26智利Mw 8.3地震[66]、2001-06-23秘鲁南部俯冲带Mw 8.5地震[67]、2007-08-15秘鲁南部皮斯科Mw 8.0地震[68]和2016-04-16厄瓜多尔Mw 7.8地震[69]。这6次强震发生在厄瓜多尔、秘鲁、智利海岸带附近,位于纳兹卡板块和南美洲板块之间的俯冲带内。按现今板块运动模型,纳兹卡板块以73~80 mm/a的速率俯冲到南美洲板块之下,造成了纳兹卡板块的俯冲消减和南美洲板块的持续向上推覆,火山和强震活动频发。

      图  6  海-陆碰撞逆断层强震的InSAR形变图

      Figure 6.  InSAR Deformation Map of Sea-Land Collision Reverse Fault Strong Earthquake

      图 6可以看出,海-陆碰撞逆断层强震的InSAR形变场都有相似的特征,形状呈半椭圆型或半圆型,多为单个破裂中心,形变空间分布较为规则,离断层越远,形变近似线性减弱(形变条纹变得稀疏)。同震形变场局限在发震断层的带状区域,越靠近断层,形变量越大。

      表 1为这6次强震形变范围拟合椭圆的长半轴,由表 1可以看出,震级越大,椭圆长半轴也越大;震级相同,椭圆长半轴不尽相同。

      表 1  强震同震形变范围拟合椭圆长半轴

      Table 1.  Approximate Ellipse Semimajor Axis of Strong Earthquake Deformation

      统计项 智利Mw 7.8 厄瓜多尔Mw 7.8 秘鲁Mw 8.0 智利Mw 8.3 秘鲁Mw 8.5 智利Mw 8.8
      椭圆长半轴/km 110.5 70.9 140.6 162.2 173.4 310.8

      3)对走滑断层强震,本文选择的两个代表性强震分别为2016-11-13新西兰凯库拉Mw 7.8地震和2018-09-28中苏拉威西岛帕卢Mw 7.6地震,其InSAR同震形变场如图 7所示。凯库拉地震位于太平洋板块和澳大利亚板块的交界位置,处于大洋俯冲带过渡为大陆俯冲碰撞带的中间区域,此次地震主震持续约2 min,从Hope断层南部首先破裂,进而向北东方向传递并引发一系列其他断层上的地震及地表破裂,涉及至少21个断层破裂,从西南向东北传播约180 km,最大地表位移约为10 m[5763]。帕卢地震位于太平洋-菲律宾海、印度-澳大利亚板块和亚欧板块的三重交界处,历史上有频繁的地震和火山活动。帕卢地震发生在中苏拉威西岛的帕卢-科罗断层带上,以左旋走滑运动为主,陆地最大滑移达8.4 m,海底最大滑移达4.2 m,主震后造成了毁灭性的海啸和山体滑坡[58]

      图  7  走滑断层强震的InSAR形变图

      Figure 7.  InSAR Deformation Map of Strike-Slip Fault Strong Earthquakes

      图 7(a)可以看出,因受地形限制,凯库拉地震的InSAR同震形变图无法观测到完整的同震形变;地震形变波及范围呈半椭圆状,破裂程度较为规律,随着离断层带越远,形变大小呈现近似线性减弱的趋势。从图 7(b)可以看出,帕卢地震的InSAR同震形变图呈多个椭圆状分布,显示有多个地震破裂中心,且不同破裂中心的同震形变条纹有明显的差异,东西盘形变空间分布多不对称。

      上述强震的InSAR同震形变场分析表明,InSAR技术能较好地展示强震同震形变的空间分布。强震同震形变场主要局限在平行于断层的条带区域,且越靠近断层形变量越大,分布也越复杂。这预示着在强震孕育过程中,其空间应变的累积也遵循类似的特点,即应变累积率在沿断层两侧的条带区域最大,随离开断层的距离增大而逐步减弱。

    • 本文收集整理了全球1976年至今的198个Mw≥7.5的强震目录和相关公开发表论文,统计分析了强震类型、发震频次、震源深度和发震机理等强震时空分布特性,结合典型强震InSAR同震形变场,分析了强震同震形变场的空间分布特征。从强震震中的空间分布可以看出,198个强震在空间上出现聚集成带的现象,主要位于环太平洋强震带和喜马拉雅-地中海强震带;强震往往位于各大板块交界处,与强应变区域重合;板块俯冲、碰撞挤压是强震发生的主要动力源。从强震时间分布可以看出,强震有活跃期和平静期交替出现的周期性现象。1976年至今,全球Mw 7.5以上强震活动整体呈上升趋势,1976—1992年,强震处于相对平静期,1992年至今,强震处于相对活跃期。在198个强震中,浅源地震数目最为庞大且分布广泛,占比81.3%,中源地震和深源地震发生的次数相对较低,且多数发生在海洋区域。在44个陆地强震中,逆断层地震数目几乎占1/2,有21次,正断层地震数目和走滑断层地震数目各约占1/4。

      InSAR同震形变图表明,陆-陆碰撞强震的同震形变在断层两侧呈现不对称性,越靠近断层,形变空间分布变化越剧烈;海-陆碰撞逆断层强震的InSAR同震形变场整体呈半椭圆型或半圆型,多为单个破裂中心,形变空间分布较规则。走滑断层强震的InSAR同震形变场空间分布也较规则,干涉条纹呈椭圆形或多中心椭圆形条带,同震形变在断层两侧同样呈现不对称性,而且离断层越远,同震形变越小,空间分布越规则。上述强震同震形变空间分布特征为开展地震动力学研究提供了定量的位移约束,同时也为开展孕震形变监测的全球导航卫星系统台站位置和密度选择提供了重要参考依据。通过发挥InSAR全球覆盖、高精度和高时空分辨率的形变监测优势,挑选构造环境类似的活动断层(带)开展震间形变监测,有可能拼接出强震的全周期形变过程,为探索强震形变异常乃至预测强震发生提供数据支撑。

参考文献 (69)
补充材料:
20220176_卞畏畏_附录表.pdf

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