2010年智利大地震及历史地震活动与地质构造背景*

任俊杰 周 娜

1)中国地震局地壳应力研究所，北京 100085

2)中国地震台网中心，北京 100045

2010年智利大地震及历史地震活动与地质构造背景*

任俊杰1)周 娜2)

1)中国地震局地壳应力研究所，北京 100085

2)中国地震台网中心，北京 100045

2010年2月27日(当地时间)智利发生了8.8级地震，造成了严重的破坏和损失。该地震是典型的逆冲型地震，处于环太平洋地震带，是Nazca板块以每年8 cm的汇聚速率俯冲于南美洲板块之下，使得该板块下部的应力积累到一定程度引发破裂的结果。历史地震分析表明，目前该地区可能开始一个新的大震活跃期，未来3～4年内可能还会发生一次8级以上的地震。

智利地震;Nazca板块;南美洲板块;俯冲带

引言

2010年2月27日，智利西海岸发生了特大地震，震中距智利首都335 km，地震导致了大量建筑物损毁、桥梁断裂和道路破坏等，同时还造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失。地震还引起了太平洋海啸，对太平洋周边国家和地区造成了很大的影响。本文通过最新智利大地震研究结果和历史地震目录，结合区域地质构造等基本特征，初步分析了智利大地震的成因及区域历史地震复发特征。

1 2010年智利8.8级地震基本特征

这次地震发生在当地时间2月27日3时34分。根据美国地质调查局的结果，震中位于智利马乌莱地区外海，距智利首都335 km［1］(图1)。从震后不同机构得到的地震矩张量解的结果来看，该地震为典型的逆冲型地震，矩震级为8.8级，震源深度24～36 km，属于潜源地震(表1)。从震后迅速得到的有限断层模型来看，该地震为双向破裂，断层滑动量可达6～7 m，地震破裂长度达300～400 m［1］(图2)。

2 区域历史地震特征

图1 智利及周边地震活动与构造特征(地震目录来自于文献［2-3］，其中MS≥7大地震目录从公元1570年至2009年，中强地震目录从1968年至2009年，断层资料来自于文献［4］)

智利地区可以称为大地震的温床。我们收集了区域地震目录，分别来自于USGS和智利当地地震研究部门的网站［2-3］，其中MS≥7大地震目录从公元1570年至2009年，中强地震目录从1968年至2009年。从历史地震来看，智利及其周边地区的历史强震主要集中在Nazca板块和南美洲板块之间的俯冲带上，该区也是7级以上大震频发的地区(图1)。历史记载最早的7级以上地震为1570年的8.3级地震，最近的一次为2007年11月14日7.5级地震。除了2010年地震外，自1570年以来共发生7.0～7.9级地震89次，8级以上地震29次，其中1960年5月22日，在智利西海岸发生了世界地震史上罕见的8.9级地震(矩震级MW9.5)。地震过后，从智利首都圣地亚哥到蒙特港沿岸的城镇、码头、公用及民用建筑或沉入海底，或被海浪卷入大海，仅智利境内就有5700人遇难。地震后48小时引起普惠火山爆发。地震形成的海浪以每小时700 km的速度横扫太平洋，15小时后高达10 m的海浪呼啸而至，袭击了夏威夷群岛。海浪继续西进，8小时后4 m高的海浪冲向日本的海港和码头。在岩手县，海浪把大渔船推上了码头，跌落在一个房顶上。这次海啸还造成日本800人死亡，15万人无家可归［5］。总之，Nazca板块和南美洲板块之间的俯冲带是大震频发的地带，也是环太平洋地震带的重要组成部分。

表1 不同方法得到的地震矩张量解结果对比［1］

图2 滑动分布横剖面［1］(五角星为震中，等值线显示破裂的初始时间(单位s)，等高线间距为5 s，采用的节面为(走向16.13°，倾角14.84°，断层面上释放的地震矩为2.0×1022N·m)

20世纪60年代末，美洲大陆已经建立了较好的地震监测系统，5级以上地震应该不会漏记，因而可以判断1968年以来5级以上地震目录是完整的。从历史地震M-T图可以看出，8级以上地震呈现出明显的地震活跃期和平静期，活跃期内可能会发生2～3次，一般持续2～3年，平静期长短不一，最短4～5年，最长可达65年，平均约16年(图3a)。7级以上地震在20世纪以前可能会有漏记。从历史大震应变能释放累计曲线可以看出，每隔约250年就会发生一次接近9级的巨大地震(图3b)。从1960年以来5.0级以上地震的M-T图来看，7级以下的中强地震为该地震带上的背景地震，发生频率较高，但其对地震应变能的释放起的作用很小，而7级以上大震起到了应变能释放的主要作用(图3c)。2010年智利8.8级地震的发生说明该区可能正处于一个新的巨大地震的活动期，而从小周期来看，可能是另外一个小的8级活跃期的开始(图3d)。根据区域8级以上大震复发特征分析，区域上未来3～4年内可能还会发生一次8级以上的地震。

3 区域地质构造特征

图3 智利及其周边地区地震M-T图和应变释放曲线。(a)历史MS≥7大震M-T图;(b)历史MS≥7大震能量释放曲线;(c)MS≥6地震M-T图;(d)MS≥6地震能量释放曲线

2010年智利地震发生在南美洲西缘俯冲带上。该俯冲带是由Nazca板块下降至南美洲板块下造成的。俯冲带上的板块汇聚主要表现为逆冲带的板块接触面上的滑动和南美洲板块大陆岩石圈的缩短。俯冲作用造成了安第斯山脉的隆起［6］。安第斯山脉是一个宽100～700 km蜿蜒的山链，沿整个南美洲板块西边缘延伸超过5000 km(图1)。它向北穿过中美洲和加勒比海的俯冲带，向南进入斯科舍岛弧(Scotia Arc)和南极洲半岛的俯冲带。安第斯山脉一般分为北(10°N～10° S)、中(10°S～35°S)和南(35°S～55°S)三部分，它们之间以大约在55°S的Patagonian马蹄山、大约18°S的玻利维亚马蹄山和大约5°S的厄瓜多尔-秘鲁马蹄山为界分割开来［7］(图4a)。安第斯山脉也可以分为一系列平行于地形走向但却具有截然不同的地质演化历史的分区。西部山脉(Principal Cordillera)在西缘形成了一个超过5 km的山脉(通常为火山)，而东部山脉(Cordillera Oriental)在东缘一般海拔3～4.5 km，但具有崎岖的地形。中部为一个高原区，具有更平缓的地形。安第斯东部是南美的中心地带，大多数主要的安第斯河流发育在海拔几百米的地区。在33°S处的Aconcagua山(海拔6959 m)是安第斯山最高峰。而在12°S～27°S之间的山脉是最高和最广阔的，形成了近700 km宽的多山带［4］。总的看来，安第斯山的平均海拔和宽度从中玻利维亚大致对称分布。

图4 区域地质构造特征(据文献［7］修改)。(a)南美洲板块西边界安第斯山主要构造特征;海洋岩石圈在海沟处插入南美洲板块底下，箭头指示活动板块相对汇聚速率的大小(cm/a)和方向;(b)通过中安第斯山(16°S)的地形剖面

缩短作用除了导致安第斯山脉的隆升，还导致了地壳加厚。据估计，新生代Nazca和南美洲板块间的整个汇聚量的近20%是通过中安第斯大陆缩短来吸收的，使中安第斯的构造缩短达到最大约300～350 km。这同时也导致了从东安第斯大约34 km到Altiplano-Puna下80 km的地壳加厚，在Western Cordillera可达70 km［4，8-11］。岩石圈厚度也明显变化，但在中安第斯下面相对较薄。目前大规模的地形几乎完全是过去新生代中50 Ma的变形的结果，随后高度的增长发生在过去的10 Ma里［8，12］。

安第斯山脉同时还是一个宽阔的南美洲板块和Nazca及太平洋的大洋岩石圈板块间的汇聚板块变形带，浅源地震(0～70 km)和深源地震(70～650 km)沿着整个安第斯边界发生(图1)。浅源地震以逆冲作用为主，主要集中在海沟的近海和安第斯东缘(Precordillera)。深源地震限制了安第斯下部倾斜30～50°的类板片带(Benioff带)，在中安第斯震源深度超过600 km。Benioff带属于正在海沟处俯冲的大洋板块。

海沟沿着安第斯山展布，距海岸约75 km，到智利北部海岸深达 7km。Khazaradze等利用南美洲大陆动力学计划中的29个GPS台站1994年至1996年的资料获得的GPS速度结果表明，在过去3 Ma板块相对汇聚以NEE方向每年8 cm的速率进行着［4，12，13］。但是，在47°S，靠近智利南部的Taitao半岛，活动的智利脊(Chile Ridge)横穿海沟。这个地方南边，太平洋板块正以大约每年2 cm近东方向俯冲到安第斯下方(图4)。安第斯的北端以加勒比海板块和北哥伦比亚和委内瑞拉板块之间的东西向右旋走滑运动为主。同时，由于Nazca板块俯冲作用，在安第斯地区形成了很强的火山活动［4］。

从震源机制解来看，智利地区的地震主要都是以逆冲作用为主。这与其所处的南美洲板块西缘的俯冲带密切相关。在Nazca板块和南美洲板块的边界上，这两个板块正以每年8 cm的速率汇聚。纳斯卡板块向下和向南美洲板块陆地方向运动，纳斯卡的大洋板块向下沉入南美洲板块之下，南美洲板块会受到挤压，从而在安第斯山脉地区积聚能量。当能量达到极限时，板块的边缘就会破裂，发生巨大地震，能量也由此释放，从而产生了2010年8.8级地震(图5)。因为Nazca板块相对南美洲板块的汇聚速率非常大，使得该地区具有几十年的大震复发间隔。

图5 智利8.8级地震成因模式图(据文献［14］修改)

4 初步结论

智利2010年大地震发生在Nazca板块向南美洲板块的俯冲带上，属典型的逆冲型地震。该地震正是俯冲带上每年8 cm的汇聚在南美洲板块下积累的巨大能量释放的结果。历史上该地区大震频发，8级地震具有活跃期和平静期，活跃期多为2～3次8级以上地震组成，一般会持续2～3年，平静期平均长约16年。目前该地区可能开始一个新的大震活跃期，未来3～4年内可能还会发生一次8级以上的地震。Nazca板块的俯冲作用引起安第斯山的隆升和地壳加厚，造就了今天的安第斯山的地质地貌特征。

审稿专家对本文的修改提出了宝贵的意见，在此表示感谢。

(作者电子信箱，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，Franz 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。

中国地震局地壳应力研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项(ZDJ2009-16)。