动态应力触发的余震

通常认为断层永久位移产生的小“静态”应力变化可以改变附近断层上发生地震的可能性或者说可触发地震(Harris,1998)。许多近场的触发地震,特别是触发余震的研究(Dieterich,1994;Toda,et al,1998;King,et al,1994),将这种静态变化视为触发因素,并认为它与断层上负载的变化是等价的(Toda,et al,1998;King,et al,1994;Jaume and sykes,1992;Harris and Simpson,1992)。这里我们报道矩震级Mw=7.3的兰德斯地震的余震图象与应力变化的比较,不仅与静态应力做对比,而且与地震波传递的瞬态、振荡应力变化(即,“动态”应力)做对比。动态应力不会永久地改变加载情况,仅能通过改变断层区的力学状态或性质来触发地震。这些被动态弱化的断层在地震波通过后可能破裂,甚至能导致如果没有动态应力就不会发生的地震。我们发现余震和动态应力图象都具有类似的不对称性,动态应力来自于破裂的传播,而静态应力变化没有这种不对称性。先前的研究表明,动态应力在远距离处可促使破裂(Anderson,et al,1994;Gomberg and Bodin,1994;Gomberg,1996;Gomberg and Davis,1996;Hill,et al,1993,1995),然而本文表明在近处也是如此。

重新评估新马德里地震带

以新马德里地震带(以下简称NMSZ,图1)而知名的美国大陆中部地区,尽管远离板块边界,但却频繁发生特大地震,其发震机制一直是个未解之谜。NMSZ地区并没有大多数活动形变地区构造运动特征的显著地形起伏,但当面对该整个地区地震危险性在某些概率水平上可以与旧金山湾地区相比的证据时,我们多数人感到需要“拧自己一下以看看我们是否在做梦”。尽管在很多方面,评估NMSZ地区的危险性比评价美国西部地区更具挑战性,不确定性更大,但经过细致地科学研究,已经在地震危险性评估的最关键问题上达成了共识。 [这里给出的一致性看法反映了美国地质调查局和美国中部地震中心(一个由国家科学基金会资助的大学协会组织)2000年1月主办的一次讨论会上与会的二十几位科学家在会上及会后在国际互联网和专业会议上公开发表的一些看法。]

阿拉斯加迪纳利M=7．9级地震瞬时变形引起的地震成核

推断导致地震触发的永久和动态(瞬时)应力变化常比地震本身释放的应力数量级小,这意味着触发发生在应力处于临界状态的断层上(Hill et al,1993;Gomberg et al,2000;Huc and Main,2003;Belardinelli et al,2003)。所以,触发的地震活动速率增加可能出现在加载速率最高以及可能由高温流体引起孔隙压力升高,使摩擦力减小促使断层破裂的区域(Cocco and Rice,2002;Streit and Cox,2001;Sturtevant et al,1996)。本文说明2002年阿拉斯加州迪纳利M=7．9级地震在整个不列颠哥伦比亚省和美国西部触发了广泛的地震活动速率增加。地震波引起的动态触发应该沿着辐射能集中的破裂方向增加,我们利用迪纳利主震的地震波和新的高精度GPS记录证实了这个结论。这些观测结果和1992年加利福尼亚州兰德斯M=7．4级地震(Hill et al, 1993)引起的触发仅在震级上具有可比性,并说明兰德斯地震的触发没有反映该地区的特性和地震活动性。可是,由迪纳利地震触发的地震活动速率增加的地区构造活动并不明显,意味着即使在周围应力加载速率低的地区,断层可能仍然处于应力临界状态,动态的触发很可能是普遍存在和无法预测的。

地震失效模型中的失效

简单的启发式模型和数值计算表明,通常所用的地震失效模型不能解释地震活动性是由瞬态的或“动态”的应力变化(即,与地震波相联系的应力变化)所触发的。这类模型具有共同的特性:当断层以恒定速率加载(加应力)时,表征失效的物理量以加速速率增加。例如,经常采用的速率状态摩擦模型或亚临界失效生长模型,它们表征失效的特征量分别为滑动或失效长度。当生长速率加速到超过所谓临界阈值时,失效发生。这些加速的失效模型不能预测动态触发地震序列(如,余震或远距离地震)的有限持续时间。某些这类失效模型被用来解释余震的静态应力触发。这也许暗示动态触发的物理过程是不同的,或者说目前所用的静态触发模型需要修改。若前者是正确的,我们也许要求助于基于诸如饱和断层挤压导致孔隙压力增加或周期疲劳的振荡型变形的物理机制。然而,如果动态和静态触发机制不同,我们仍然要问:为什么忽略动态机制的静态触发模型似乎能解释许多观测现象。如果静态和动态触发机制相同,也许加速失效和(或)触发使一组要发生的地震提前发生的假设是不对的。

由兰德斯和赫克托矿地震的地震波触发的地震

加州1992年兰德斯7.3级地震和1999年赫克托矿7.1级地震的接近和相似允许人们对触发地震的假设进行检验,而这在以前是不可能的。赫克托矿地震证实了对兰德斯地震所提出的推断:瞬时、振荡的“动态”形变以地震波的形式辐射,能触发地震活动速率的增加(Hill,et al,1993;Anderson,et al,1994;Gomberg andBodin,1994;Spudich,et al,1995;Gomberg,1996;Gomberg and Davis,1996)。在本文中,我们对地震活动速率的空间和时间变化(Mmthews and Reasenberg,1988)进行了量化。在兰德斯地震的北部地震活动速率增加,而对赫克托矿地震这种增加主要发生在震中以南。我们认为破裂方向性分别使兰德斯和赫克托矿断层的北方和南方动态形变提高,这可以由地震波速度场的不对称性得到证明。对于触发作用,动态和静态应力变化都很重要,距离较远处动态应力变化起主要作用。峰值波速证明了动态触发阈值的存在,并约束了动态触发阈值的范围。在大多数地区,这个阈值依赖当地的条件,从零点几到几MPa变化,超过静态阈值一个量级以上。在某些地点触发过程直到动态形变平息了之后才开始。这些观测现象的物理机制可能与导致液化和循环疲劳的机理相似。