美國南加州Ridgecrest MW6.4-MW7.1地震地表破裂幾何學(xué)及運(yùn)動學(xué)特征

馬振寧， 錢榮毅*， Rufus Catchings， Mark Goldman， 祁生文

1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 100083 2 美國地質(zhì)調(diào)查局地震科學(xué)中心(USGS-ESC)， 莫菲特菲爾德 94035 3 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029

0 引言

2019年7月4日17時33分(UTC時間)，美國南加州城市Ridgecrest東北方向約10 km的沙漠中發(fā)生了MW6.4地震(圖1)(震中坐標(biāo)35.705°N，117.504°W，震源深度10.5 km).在這次地震發(fā)生約34小時后，即2019年7月6日3時19分(UTC時間)，又發(fā)生了一次MW7.1地震(圖1)(震中坐標(biāo)35.770°N，117.599°W，震源深度8 km)(Brandenberg et al.，2019；https:∥www.usgs.gov/natural-hazards/earthquake-hazards/faults-and-earthquake-geology).Ridgecrest地震能量大且波及范圍廣，洛杉磯和拉斯維加斯都有明顯震感.所幸震中區(qū)域人煙稀少，僅有1人因地震喪生.盡管未造成較大規(guī)模人員傷亡，但由于沙漠中有大量的工業(yè)企業(yè)和軍事實(shí)驗(yàn)基地，造成了巨額財(cái)產(chǎn)損失，僅海軍基地報(bào)道的損失就達(dá)到了約50億美元(https:∥apnews.com/578bff4f32144 c52bcbb62fdf8e020af).

這種“雙震”現(xiàn)象較為罕見，更為特殊的是，這一地區(qū)已有大量研究成果，震中周圍許多其他斷層已經(jīng)被調(diào)查清楚，但本次地震并未發(fā)生在已知斷裂上，在震后形成了兩條接近正交的新破裂帶.此外本次地震還產(chǎn)生了大量的余震，截至7月23日，余震次數(shù)已經(jīng)超過了80000次(Brandenberg et al.，2019)，并且仍在持續(xù)發(fā)生.

1 構(gòu)造背景

本次地震所處的南加州橫跨太平洋-北美板塊邊界，位于圣安德列斯斷層的大拐彎處，有超過300個斷層可以產(chǎn)生6級地震，這一系列復(fù)雜的斷層影響著洛杉磯和圣地亞哥市區(qū)的2000多萬居民(Stein et al.，1992；Olsen et al.，1995；Bielak et al.，2010).本次地震震中位于圣安德烈斯斷裂以東加利福尼亞州東部剪切帶(Eastern California Shear Zone，ECSZ)內(nèi)，是一個以走滑斷層為主的區(qū)域，容納了太平洋-北美板塊近四分之一的滑動量(Frankel et al.，2008).這一區(qū)域內(nèi)地震十分活躍，歷史上發(fā)生過多次大于7級的地震，包括1872年的Owens谷7.6級地震(Hough and Hutton，2008；Haddon et al.，2016)，1992年的Landers 7.1級地震(Wald and Heaton,1994；Olsen et al.，1997)，1999年的Hector Mine 7.1級地震(Jónsson et al.，2002；Felzer et al.，2002；Hauksson et al.，2002).

圖1 Ridgecrest地震序列震中分布圖(底圖取自Google Earth，數(shù)據(jù)來自USGS，統(tǒng)計(jì)日期自7月1日至8月19日)星形表示MW6.4和MW7.1震中位置，白色圓圈表示余震事件.Fig.1 Epicentral distribution of the Ridgecrest earthquake sequence (Bottom image taken from Google Earth, data from USGS, statistical date from July 1 to August 19)Stars show the epicenter of the MW6.4 and MW7.1, and the white circles show the aftershock events.

Garlock斷層是距離震中最近的大斷裂，它是一條長265 km的左旋走滑斷層，從南加州的圣安德烈斯斷裂向東北方向延伸.該斷裂也是一條重要的地貌邊界，將北部的Nevada山脈與南部的Mojave沙漠地塊分隔開(Davis and Burchfiel，1973).加利福尼亞州東部剪切帶(Savage et al.，2001；Thatcher et al.，2016)在Garlock斷層以北主要由三組張扭性斷裂組成，自東向西依次是Death Valley-Furnace Creek-Fish Lake Valley 斷裂帶，Panamint Valley-Hunter Mountain-Saline Valley 斷裂帶，Owens Valley-Airport Lake 斷裂帶.這三組斷裂帶均有明顯的右旋走滑性質(zhì)(見圖2).

圖2 震中附近斷層及震后破裂分布圖(修改自Dixon and Xie，2018)斷層名: ALFZ—Airport Lake fault zone; BF—Blackwater fault; CF—Calico fault; CRF—Camp Rock fault; Coachella SAF—Coachella section of the San Andreas fault; DVF—Death Valley fault; FCFZ—Furnace Creek fault zone; GF—Garlock fault; HF—Helendale fault; HMF—Hunter Mountain fault; LF—Lenwood fault; LLFZ—Little Lake fault zone; Mojave SAF—Mojave section of the San Andreas fault; WWF—White Wolf fault; OVF—Owens Valley fault; PVF—Panamint Valley fault; PF—Pisgah fault; SJF—San Jacinto fault.Fig.2 Distribution of faults near epicenter and ruptures after earthquake (modified from Dixon and Xie, 2018)

加利福尼亞州東部剪切帶在Garlock斷層以南主要由Mojave沙漠中的剪切帶組成.Mojave沙漠是南加州一個主要的地質(zhì)單元，Ridgecrest地震震中位于Mojave沙漠北部.Mojave沙漠中南部的剪切帶主要由多條南北向接近平行的右旋走滑斷層組成，它們都在以一定的速率滑動，其中滑動速率最大的是位于剪切帶中心的Calico斷層(Dixon and Xie，2018).在加州東部剪切帶和Garlock斷層的共同作用下，本次地震震后產(chǎn)生了兩組近正交分布的交叉地震破裂帶.

2 地表破裂野外調(diào)查

由于震中位于軍事基地內(nèi)，7月7日進(jìn)行的野外調(diào)查僅限于開放公路沿線附近的地表破裂處，主要考察震后形成的兩條新斷裂特征及其產(chǎn)生的地表破裂和位移，用以確定斷裂性質(zhì).

NW方向的破裂帶在MW7.1地震發(fā)生后形成，大量余震也是沿NW方向分布，是本次地震序列產(chǎn)生的主破裂帶.NW方向地表破裂調(diào)查點(diǎn)位于斷裂與178高速公路的交叉點(diǎn)附近，坐標(biāo)(35.6520°，-117.4667°).根據(jù)沙漠公路錯動的指示(圖3b)，該破裂屬于右旋走滑型，破裂長度約為50 km(Brandenberg et al.，2019).在該點(diǎn)附近能勘測到的裂縫最深處0.47 m(圖3c)，最大寬度為0.22 m(圖3d)，最大走滑位錯距離約0.7 m，斷層走向約為332°，傾角約90°，滑動角約-180°.

NE方向地表破裂調(diào)查點(diǎn)位于斷裂和Randsburg Wash公路的交叉點(diǎn)，坐標(biāo)(35.6182°，-117.5730°).NE方向破裂帶的規(guī)模小于NW方向的破裂帶，形成于MW6.4地震發(fā)生之后，具有明顯的左旋走滑特征(圖3g),破裂長度約為10 km(Brandenberg et al.，2019).觀測點(diǎn)附近裂縫的最大寬度為0.04 m(圖3h)，最大走滑位錯距離約0.1 m(圖3g)，斷層走向約為226°，傾角約90°，滑動角約-180°，部分區(qū)域地表出現(xiàn)多條平行裂縫(圖3f).

地表破裂調(diào)查的結(jié)果表明，NW方向的主斷裂和NE方向的次級斷裂均為走滑斷層，這與區(qū)域構(gòu)造活動背景具有一致性.圖4是GEER(Geotechnical Extreme Event Reconnaissance)團(tuán)隊(duì)利用地表調(diào)查結(jié)合衛(wèi)星圖像，無人機(jī)等技術(shù)繪制的震后地表破裂分布圖，地表破裂累積長度超過60 km(Brandenberg et al.，2019).

3 MW6.4與MW7.1地震的關(guān)系討論

Ridgecrest地震序列的MW6.4地震先于MW7.1地震發(fā)生，一前一后僅相差34小時.為了探究這兩次地震的關(guān)系，我們對USGS公開的該地區(qū)>2.5級的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.主要包括對地震序列震源位置，每日地震次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，每日最大震級的統(tǒng)計(jì)和震源深度的統(tǒng)計(jì).統(tǒng)計(jì)邊界北至北緯36.465°，南至北緯34.488°，東至西經(jīng)116.344°，西至西經(jīng)118.663°，統(tǒng)計(jì)時間自2019年7月1日至8月19日，共計(jì)50天.根據(jù)對每日地震次數(shù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，7月6日的單日地震次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他日期，達(dá)到了781次(圖5a)，是地震活動最劇烈的一天，MW7.1地震也是發(fā)生在7月6日.7月6日前兩天的單日地震次數(shù)超過了一百次，7月6日后的兩天單日地震次數(shù)也超過了一百次，這五日是地震最為集中的時間.7月8日后發(fā)生的余震次數(shù)逐漸減少.每日最大震級曲線和每日地震次數(shù)的對數(shù)曲線具有類似的變化關(guān)系(圖5b).通過對震源深度的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)余震發(fā)生在10 km以淺的位置(圖5c).

為了進(jìn)一步研究應(yīng)力釋放過程，我們統(tǒng)計(jì)了Ridgecrest地震序列在7月3日至7月8日每天大于MW2.5地震的震源位置分布(圖6).根據(jù)統(tǒng)計(jì)的震源分布圖，7月3日這一區(qū)域內(nèi)沒有發(fā)生地震(圖6a)；7月4日發(fā)生了MW6.4地震，余震比較集中，整體分布在近NE方向上(圖6b)；7月5日要比7月4日平靜一些，無論是地震的數(shù)量還是震級都低于7月4日，分析其整體活動在減弱，MW6.4地震發(fā)生之后，除了在NE方向上產(chǎn)生了一系列地震，也在NW方向上產(chǎn)生了一些地震，兩個方向近垂直分布，呈“L”型分布(圖6c)，據(jù)此推測MW6.4地震發(fā)生后可能對NW方向斷裂的穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響；7月6日的地震活動變強(qiáng)，發(fā)生了MW7.1的大震，且產(chǎn)生的地震次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于7月4日和7月5日，震源位置具有非常明顯的NW方向的線性分布特征，少數(shù)沿NE方向分布，整體分布呈“T”形(圖5d)；7月7日(圖5e)和7月8日(圖5f)具有和7月6日相同的NW方向的震源分布，但地震次數(shù)有明顯減少的趨勢.通過上述發(fā)震時序關(guān)系和連續(xù)幾日的震源位置分布，推測MW6.4地震發(fā)生后造成的動態(tài)應(yīng)力變化加速了MW7.1的破壞過程.震后形成了兩條接近正交分布的共軛破裂，NW方向的地震數(shù)量和密度具有明顯的分布優(yōu)勢，說明本次地震序列的主要應(yīng)力集中在NW方向.

圖5 Ridgecrest地震序列7月1日至8月19日50天數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖(a) 每日地震發(fā)生次數(shù)柱狀圖； (b) 每日最大震級曲線(藍(lán)色)和每日地震次數(shù)對數(shù)曲線(橘色)； (c) 震源深度分布散點(diǎn)圖.Fig.5 Ridgecrest earthquake sequence 50 days of data from July 1 to August 19(a) Histogram of daily earthquake occurrences; (b) Daily maximum magnitude curve (blue) and logarithm of number of daily earthquakes curve (orange); (c) Scatter plot of source depth distribution.

這樣的地震分布也與區(qū)域構(gòu)造背景相吻合，與板塊邊界方向接近的NW方向右旋走滑斷裂會更快地累積剪切應(yīng)力，更容易失穩(wěn)發(fā)生破裂，而NE方向左旋走滑斷裂可能與Garlock斷層的緩慢蠕變有關(guān).

從破裂過程上看，我國2014年8月3日發(fā)生的魯?shù)榈卣鸬幕顒有砸灿蓄愃频男≌鸹顒雍推屏烟卣?魯?shù)榈卣鸢l(fā)生時先在NE方向上破裂，而后在NW方向上破裂，與本次地震的差異是魯?shù)榈卣鹬皼]有記錄到比較大的地震，但破裂過程分析指出了類似的破裂特征，余震序列主要呈“L”型優(yōu)勢分布(王未來等，2014；張勇等，2014；Cai et al.，2017).張勇等(2015)通過近震和遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演，得到了魯?shù)榈卣鸬钠屏堰^程，認(rèn)為魯?shù)榈卣鹗荖W主壓應(yīng)力與NE主張應(yīng)力的同一應(yīng)力場下發(fā)生的兩條共軛斷層先后破裂的一次復(fù)雜地震事件.Ridgecrest地震和魯?shù)榈卣鸲及l(fā)生在斷裂交匯地帶，均屬于走滑型地震，同時受兩個斷裂走向的控制，余震序列都呈現(xiàn)出接近垂直的兩個不同優(yōu)勢方向分布.在斷層交匯區(qū)域，一個斷層的破裂會影響其他斷層上的應(yīng)力，也意味著無論哪一個斷層先破裂，都可能控制整個地震事件或序列.

從地震序列上來看，Ridgecrest地震在主震發(fā)生約兩天之前有一次強(qiáng)烈前震，這與2010年發(fā)生在我國青海玉樹的地震又有相似之處.玉樹地震也屬于走滑型地震，在MW7.1主震發(fā)生前約兩個小時也發(fā)生了一次MW4.7的強(qiáng)烈前震(倪四道等，2010；馬寅生等，2010；石學(xué)錄等，2017).玉樹地震在震后主要形成了兩條接近平行的地表破裂帶——玉樹地表破裂帶和隆寶灘地表破裂帶，均呈NW向延伸，二者之間相距22 km.余震偏離玉樹—甘孜斷裂分布，在SW向也有分布，推測可能與南西向次級斷裂有關(guān)(王長在等，2013).這種走滑型地震的強(qiáng)烈前震現(xiàn)象是否能夠成為大地震預(yù)報(bào)前兆值得進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論

RidgecrestMW6.4-MW7.1地震震后在地表形成了MW7.1地震產(chǎn)生的NW走向破裂帶，長度約50 km和MW6.4地震產(chǎn)生的NE走向破裂帶，長度約10 km，兩條破裂帶近正交分布.根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查， NW方向破裂帶具有右旋走滑特征，NE方向破裂帶具有左旋走滑特征，構(gòu)成了一組共軛破裂.通過統(tǒng)計(jì)分析地震序列震源分布，每日地震次數(shù)，每日最大震級數(shù)據(jù)，推斷MW6.4地震為一次強(qiáng)烈前震，誘發(fā)了更強(qiáng)的MW7.1主震.本次地震序列的震源深度集中分布在10 km以淺.

Ridgecrest地震NW走向破裂主要受到加利福尼亞東部剪切帶的影響，NE方向主要受到Garlock斷裂的影響，在二者的共同作用下產(chǎn)生了本次共軛地震序列.Ridgecrest地震與2014年魯?shù)榈卣鹪谄屏堰^程上具有相似之處，都屬于走滑型地震，二者也同處于構(gòu)造交匯地區(qū)，都在震后形成了近正交分布的破裂帶.Ridgecrest地震與2010年玉樹地震在主震發(fā)生之前均有一次較強(qiáng)的前震，強(qiáng)烈前震現(xiàn)象是否能夠成為大地震預(yù)報(bào)前兆值得進(jìn)一步研究.

致謝感謝美國地質(zhì)調(diào)查局地震科學(xué)中心Rufus Catchings博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)提供的野外調(diào)查機(jī)會和對本文研究寫作的支持.感謝中國地震臺網(wǎng)中心張瑩瑩、安艷茹和防災(zāi)科技學(xué)院耿更共同參與地質(zhì)調(diào)查工作.感謝審稿專家提出的寶貴修改意見.