任俊杰 周 娜

1)中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

2)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

2010年智利大地震及歷史地震活動與地質(zhì)構(gòu)造背景*

任俊杰1)周 娜2)

1)中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

2)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

2010年2月27日(當(dāng)?shù)貢r間)智利發(fā)生了8.8級地震，造成了嚴(yán)重的破壞和損失。該地震是典型的逆沖型地震，處于環(huán)太平洋地震帶，是Nazca板塊以每年8 cm的匯聚速率俯沖于南美洲板塊之下，使得該板塊下部的應(yīng)力積累到一定程度引發(fā)破裂的結(jié)果。歷史地震分析表明，目前該地區(qū)可能開始一個新的大震活躍期，未來3～4年內(nèi)可能還會發(fā)生一次8級以上的地震。

智利地震;Nazca板塊;南美洲板塊;俯沖帶

引言

2010年2月27日，智利西海岸發(fā)生了特大地震，震中距智利首都335 km，地震導(dǎo)致了大量建筑物損毀、橋梁斷裂和道路破壞等，同時還造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。地震還引起了太平洋海嘯，對太平洋周邊國家和地區(qū)造成了很大的影響。本文通過最新智利大地震研究結(jié)果和歷史地震目錄，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造等基本特征，初步分析了智利大地震的成因及區(qū)域歷史地震復(fù)發(fā)特征。

1 2010年智利8.8級地震基本特征

這次地震發(fā)生在當(dāng)?shù)貢r間2月27日3時34分。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的結(jié)果，震中位于智利馬烏萊地區(qū)外海，距智利首都335 km［1］(圖1)。從震后不同機(jī)構(gòu)得到的地震矩張量解的結(jié)果來看，該地震為典型的逆沖型地震，矩震級為8.8級，震源深度24～36 km，屬于潛源地震(表1)。從震后迅速得到的有限斷層模型來看，該地震為雙向破裂，斷層滑動量可達(dá)6～7 m，地震破裂長度達(dá)300～400 m［1］(圖2)。

2 區(qū)域歷史地震特征

圖1 智利及周邊地震活動與構(gòu)造特征(地震目錄來自于文獻(xiàn)［2-3］，其中MS≥7大地震目錄從公元1570年至2009年，中強(qiáng)地震目錄從1968年至2009年，斷層資料來自于文獻(xiàn)［4］)

智利地區(qū)可以稱為大地震的溫床。我們收集了區(qū)域地震目錄，分別來自于USGS和智利當(dāng)?shù)氐卣鹧芯坎块T的網(wǎng)站［2-3］，其中MS≥7大地震目錄從公元1570年至2009年，中強(qiáng)地震目錄從1968年至2009年。從歷史地震來看，智利及其周邊地區(qū)的歷史強(qiáng)震主要集中在Nazca板塊和南美洲板塊之間的俯沖帶上，該區(qū)也是7級以上大震頻發(fā)的地區(qū)(圖1)。歷史記載最早的7級以上地震為1570年的8.3級地震，最近的一次為2007年11月14日7.5級地震。除了2010年地震外，自1570年以來共發(fā)生7.0～7.9級地震89次，8級以上地震29次，其中1960年5月22日，在智利西海岸發(fā)生了世界地震史上罕見的8.9級地震(矩震級MW9.5)。地震過后，從智利首都圣地亞哥到蒙特港沿岸的城鎮(zhèn)、碼頭、公用及民用建筑或沉入海底，或被海浪卷入大海，僅智利境內(nèi)就有5700人遇難。地震后48小時引起普惠火山爆發(fā)。地震形成的海浪以每小時700 km的速度橫掃太平洋，15小時后高達(dá)10 m的海浪呼嘯而至，襲擊了夏威夷群島。海浪繼續(xù)西進(jìn)，8小時后4 m高的海浪沖向日本的海港和碼頭。在巖手縣，海浪把大漁船推上了碼頭，跌落在一個房頂上。這次海嘯還造成日本800人死亡，15萬人無家可歸［5］。總之，Nazca板塊和南美洲板塊之間的俯沖帶是大震頻發(fā)的地帶，也是環(huán)太平洋地震帶的重要組成部分。

表1 不同方法得到的地震矩張量解結(jié)果對比［1］

圖2 滑動分布橫剖面［1］(五角星為震中，等值線顯示破裂的初始時間(單位s)，等高線間距為5 s，采用的節(jié)面為(走向16.13°，傾角14.84°，斷層面上釋放的地震矩為2.0×1022N·m)

20世紀(jì)60年代末，美洲大陸已經(jīng)建立了較好的地震監(jiān)測系統(tǒng)，5級以上地震應(yīng)該不會漏記，因而可以判斷1968年以來5級以上地震目錄是完整的。從歷史地震M-T圖可以看出，8級以上地震呈現(xiàn)出明顯的地震活躍期和平靜期，活躍期內(nèi)可能會發(fā)生2～3次，一般持續(xù)2～3年，平靜期長短不一，最短4～5年，最長可達(dá)65年，平均約16年(圖3a)。7級以上地震在20世紀(jì)以前可能會有漏記。從歷史大震應(yīng)變能釋放累計曲線可以看出，每隔約250年就會發(fā)生一次接近9級的巨大地震(圖3b)。從1960年以來5.0級以上地震的M-T圖來看，7級以下的中強(qiáng)地震為該地震帶上的背景地震，發(fā)生頻率較高，但其對地震應(yīng)變能的釋放起的作用很小，而7級以上大震起到了應(yīng)變能釋放的主要作用(圖3c)。2010年智利8.8級地震的發(fā)生說明該區(qū)可能正處于一個新的巨大地震的活動期，而從小周期來看，可能是另外一個小的8級活躍期的開始(圖3d)。根據(jù)區(qū)域8級以上大震復(fù)發(fā)特征分析，區(qū)域上未來3～4年內(nèi)可能還會發(fā)生一次8級以上的地震。

3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征

圖3 智利及其周邊地區(qū)地震M-T圖和應(yīng)變釋放曲線。(a)歷史MS≥7大震M-T圖;(b)歷史MS≥7大震能量釋放曲線;(c)MS≥6地震M-T圖;(d)MS≥6地震能量釋放曲線

2010年智利地震發(fā)生在南美洲西緣俯沖帶上。該俯沖帶是由Nazca板塊下降至南美洲板塊下造成的。俯沖帶上的板塊匯聚主要表現(xiàn)為逆沖帶的板塊接觸面上的滑動和南美洲板塊大陸巖石圈的縮短。俯沖作用造成了安第斯山脈的隆起［6］。安第斯山脈是一個寬100～700 km蜿蜒的山鏈，沿整個南美洲板塊西邊緣延伸超過5000 km(圖1)。它向北穿過中美洲和加勒比海的俯沖帶，向南進(jìn)入斯科舍島弧(Scotia Arc)和南極洲半島的俯沖帶。安第斯山脈一般分為北(10°N～10° S)、中(10°S～35°S)和南(35°S～55°S)三部分，它們之間以大約在55°S的Patagonian馬蹄山、大約18°S的玻利維亞馬蹄山和大約5°S的厄瓜多爾-秘魯馬蹄山為界分割開來［7］(圖4a)。安第斯山脈也可以分為一系列平行于地形走向但卻具有截然不同的地質(zhì)演化歷史的分區(qū)。西部山脈(Principal Cordillera)在西緣形成了一個超過5 km的山脈(通常為火山)，而東部山脈(Cordillera Oriental)在東緣一般海拔3～4.5 km，但具有崎嶇的地形。中部為一個高原區(qū)，具有更平緩的地形。安第斯東部是南美的中心地帶，大多數(shù)主要的安第斯河流發(fā)育在海拔幾百米的地區(qū)。在33°S處的Aconcagua山(海拔6959 m)是安第斯山最高峰。而在12°S～27°S之間的山脈是最高和最廣闊的，形成了近700 km寬的多山帶［4］?？偟目磥?，安第斯山的平均海拔和寬度從中玻利維亞大致對稱分布。

圖4 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征(據(jù)文獻(xiàn)［7］修改)。(a)南美洲板塊西邊界安第斯山主要構(gòu)造特征;海洋巖石圈在海溝處插入南美洲板塊底下，箭頭指示活動板塊相對匯聚速率的大小(cm/a)和方向;(b)通過中安第斯山(16°S)的地形剖面

縮短作用除了導(dǎo)致安第斯山脈的隆升，還導(dǎo)致了地殼加厚。據(jù)估計，新生代Nazca和南美洲板塊間的整個匯聚量的近20%是通過中安第斯大陸縮短來吸收的，使中安第斯的構(gòu)造縮短達(dá)到最大約300～350 km。這同時也導(dǎo)致了從東安第斯大約34 km到Altiplano-Puna下80 km的地殼加厚，在Western Cordillera可達(dá)70 km［4，8-11］。巖石圈厚度也明顯變化，但在中安第斯下面相對較薄。目前大規(guī)模的地形幾乎完全是過去新生代中50 Ma的變形的結(jié)果，隨后高度的增長發(fā)生在過去的10 Ma里［8，12］。

安第斯山脈同時還是一個寬闊的南美洲板塊和Nazca及太平洋的大洋巖石圈板塊間的匯聚板塊變形帶，淺源地震(0～70 km)和深源地震(70～650 km)沿著整個安第斯邊界發(fā)生(圖1)。淺源地震以逆沖作用為主，主要集中在海溝的近海和安第斯東緣(Precordillera)。深源地震限制了安第斯下部傾斜30～50°的類板片帶(Benioff帶)，在中安第斯震源深度超過600 km。Benioff帶屬于正在海溝處俯沖的大洋板塊。

海溝沿著安第斯山展布，距海岸約75 km，到智利北部海岸深達(dá) 7km。Khazaradze等利用南美洲大陸動力學(xué)計劃中的29個GPS臺站1994年至1996年的資料獲得的GPS速度結(jié)果表明，在過去3 Ma板塊相對匯聚以NEE方向每年8 cm的速率進(jìn)行著［4，12，13］。但是，在47°S，靠近智利南部的Taitao半島，活動的智利脊(Chile Ridge)橫穿海溝。這個地方南邊，太平洋板塊正以大約每年2 cm近東方向俯沖到安第斯下方(圖4)。安第斯的北端以加勒比海板塊和北哥倫比亞和委內(nèi)瑞拉板塊之間的東西向右旋走滑運(yùn)動為主。同時，由于Nazca板塊俯沖作用，在安第斯地區(qū)形成了很強(qiáng)的火山活動［4］。

從震源機(jī)制解來看，智利地區(qū)的地震主要都是以逆沖作用為主。這與其所處的南美洲板塊西緣的俯沖帶密切相關(guān)。在Nazca板塊和南美洲板塊的邊界上，這兩個板塊正以每年8 cm的速率匯聚。納斯卡板塊向下和向南美洲板塊陸地方向運(yùn)動，納斯卡的大洋板塊向下沉入南美洲板塊之下，南美洲板塊會受到擠壓，從而在安第斯山脈地區(qū)積聚能量。當(dāng)能量達(dá)到極限時，板塊的邊緣就會破裂，發(fā)生巨大地震，能量也由此釋放，從而產(chǎn)生了2010年8.8級地震(圖5)。因為Nazca板塊相對南美洲板塊的匯聚速率非常大，使得該地區(qū)具有幾十年的大震復(fù)發(fā)間隔。

圖5 智利8.8級地震成因模式圖(據(jù)文獻(xiàn)［14］修改)

4 初步結(jié)論

智利2010年大地震發(fā)生在Nazca板塊向南美洲板塊的俯沖帶上，屬典型的逆沖型地震。該地震正是俯沖帶上每年8 cm的匯聚在南美洲板塊下積累的巨大能量釋放的結(jié)果。歷史上該地區(qū)大震頻發(fā)，8級地震具有活躍期和平靜期，活躍期多為2～3次8級以上地震組成，一般會持續(xù)2～3年，平靜期平均長約16年。目前該地區(qū)可能開始一個新的大震活躍期，未來3～4年內(nèi)可能還會發(fā)生一次8級以上的地震。Nazca板塊的俯沖作用引起安第斯山的隆升和地殼加厚，造就了今天的安第斯山的地質(zhì)地貌特征。

審稿專家對本文的修改提出了寶貴的意見，在此表示感謝。

(作者電子信箱，任俊杰:renjunjie@gmail.com)

［1］http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqinthenews/2010/us2010tfan/#details

［2］http:∥ssn.dgf.uchile.cl/home/terrem.html

［3］http:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqarchives/epic/

［4］Oncken O，Chong G，F(xiàn)ranz G，et al.The Andes:Active Subduction Orogeny.Berlin:Springer，2006

［5］Ruegg J，Campos J，Armijo R，et al.The MW=8.1 Antofagasta(North Chile)earthquake of July 30，1995: First results from teleseismic and geodetic data.Geophysical Research Letters，1996，23(9):917-920

［6］http:∥en.wikipedia.org/wiki/Nazca_Plate

［7］http:∥science.jrank.org/pages/47308/Andes-South-America.html

［8］Ranero C，von Huene R，Weinrebe W，et al.Tectonic processes along the Chile convergent margin.The Andes—Active Subduction Orogeny，2006，1:91-121

［9］Ruegg J，Rudloff A，Vigny C，et al.Post-seismic deformation of the 1960 Chile earthquake or a silent-slip.6th International Symposium on Andean Geodynamics，2005，Barcelona，428-431

［10］Beck S，Zandt G.The nature of orogenic crust in the central Andes.J.Geophys.Res，2002，107(B10): 22-30

［11］Beck S，Zandt G，Myers S，et al.Crustal-thickness variations in the central Andes.Geology—Paper Edition，1996，24(5):407-410

［12］Giese P，Scheuber E，Schilling F，et al.Crustal thickening processes in the Central Andes and the different natures of the Moho-discontinuity.Journal of South American Earth Sciences，1999，12(2):201-220

［13］Khazaradze G，Klotz J，Wang K，et al.Lithospheric and upper mantle structure of central Chile and Argentina.Geophysical Journal International，2006，165(1):383-398

［14］http:∥www.geo.arizona.edu/geo5xx/geo527/Andes/home.html

The 2010(M8.8)Chile Earthquake，the Historic Earthquakes and the Tectonic Setting

Ren Junjie1)and Zhou Na2)
1)Institute of Crustal Dynamics，CEA，Beijing 100085
2)China Earthquake Networks Center，Beijing 100045

The 2010 Chile earthquake(MW8.8)，a typical thrust earthquake on the circum Pacific seismic zone，caused severe damage and huge losses.It is the result of huge energy release as the Nazca plate underthrusts the South American plate at a rate of 8 cm per year.The study of historic earthquakes indicates that the present day may mark the beginning of a seismically active period in this area，and another earthquake with magnitude larger than 8.0 may occur in the coming three or four years.

Chile earthquake;Nazca plate;South American plate;subduction zone

P315;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.03.001

2010-03-02;

2010-03-08。

中國地震局地殼應(yīng)力研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(ZDJ2009-16)。