震惊世界的土耳其双强震(M7.8和M7.5)与区域构造特征

作者:焦利青

2023年2 月6日当地凌晨4:15 左右在土耳其中南部接近土耳其与叙利亚边界发生7.8级强震,震源深度约15公里。大约11分钟后,紧接着又发生了6.7级余震。大约9个小时后,在7.8级强震的震中北部大约95公里处又发生了7.5级强震,震源深度约10公里。强震与余震记录以及地震学家与构造学家分析认为两次强震均发生于东安纳托尼亚断层系统(East Anatolian Fault),两强震均为左旋走滑断层,被称为土耳其双强震。在同一天同一个地区同一个断层系统中发生两次强震(震级7.0以上)是十分罕见的。  由于两次强震均发生于大陆板块,地表人口密集,对当地造成巨大灾难,当地房屋倒塌坍塌(Pancake collapse)无数,公路铁路造成严重损坏,由于当地天气原因,正值寒冷冬季,有的地方震后降雨,造成救援困难,伤亡惨重,截止成稿,已报道伤亡人数超过两万人。虽然土耳其总统认为政府是不可能在这样巨大的灾难到来之前准备好,但是批评的声音依然很大,专家认为此次事件将严重影响政府的下一届选举。中国等世界多国已经陆续派出国际救援队到达现场。 对于此次双强震事件断层破裂的机理与扩展的思考是直接影响了全球构造学家,地震学家,与地球物理学家等整个地球科学团体。 

  • 双强震的地震烈度与地表的影响

此次双强震产生地震烈度由断层位置向两侧分布,美国地质调查局(USGS)分析显示最高地震烈度达到8级以上(图1)。三天来造成的大小余震超过700多个(图2)。对地表造成了大面积房屋倒塌(如图3和4),公路破坏严重(图5和6),乡间小道切割错动(图7),以及铁路脱轨扭曲(图8)。地震波反演计算推测破裂错动位移超过3米,并近地表以及延伸发展到地表(图9)。GPS 数据显示双强震后地表沿断层位移错动量最大约4米(图10和11)。卫星InSAR 观测数据显示此次地震引起的断层位移错动量可能超过4米(图12-14)。尤其此次地震在海湾区,在沿海海港站点观测到地震引起了现观测到的数据约30厘米的海啸(图15)。由于此地多位平原与丘陵地带,海拔高程差距不大,滑坡灾害较小。

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图1. 地震烈度显示震中烈度达到8级以上(https://twitter.com/DaryonoBMKG/status/1623119259055570945

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图2. 双强震与余震分布图(https://twitter.com/gmazet/status/1623594478970830849/photo/1

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图3 房屋倒塌,据设置猜测,可能是座学校。(https://twitter.com/ragipsoylu/status/1622562465493000192

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图4 城中居民房屋倒塌大面积倒塌。(来自新闻截图)

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图6 疑似高速公路被错动拉分凹陷,垂直位移约3米。(https://twitter.com/davepetley/status/1622856540465111040

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图7 乡间小道错动约2米。(https://twitter.com/asalmendez/status/1623465100605640705)  

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图8 铁路脱轨并扭曲错动约3米。(https://twitter.com/CengizZabci/status/1623236454926229504

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图9. 地震波反演计算推测破裂错动位移随破裂面分布图(https://twitter.com/jamalreyhani/status/1623246842266808321

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图10. 震前震后GPS 数据:红色为M7.8 震后GPS 显示水平位移变化;蓝色为M7.5 震后GPS 显示水平位移变化。(https://twitter.com/asalmendez/status/1623462565085908992

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图11. 震前震后GPS 数据,尤其是在断层中间处的记录点显示M7.5 级震后变化约4米的位移量。(https://twitter.com/sedaozarpaci/status/1623615165592662016

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图12. InSar 观测显示沿南部的断层第一次地震M7.8的最大错动位移量超过5米,沿北部断层第二次地震M7.5的最大错动位移量约8米
来源:https://twitter.com/Geo_GIF/status/1624099723878731776 (2.12更新)
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图13. InSar 观测显示估算两次破裂的最大错动位移量都有可能超过4米。(https://twitter.com/DLindsay_EQ/status/1623562956113072130)

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图14. InSar 观测与地表勘测结合来了解此次地震的错动量分布。(https://twitter.com/USGS_Quakes/status/1623511094563069952)  

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图15. 在Erdemli 观测到地震引起的海啸高度约30厘米。(https://twitter.com/Mo_Heidarzadeh/status/1622510316327256064)  

  • 双强震发生的构造设置

土耳其双强震位于东安纳托尼亚断层碰撞带上。此碰撞带为四个板块板块交接处,连接欧亚板块,阿拉伯板块,非洲板块与安纳托利亚板块,在碰撞带南部,是阿拉伯板块西部连接非洲板块(图16);北部是安纳托利亚板块,东部连接欧亚板块。此次双强震破裂形式也是四个板块长期运动共同作用的结果(图17 GPS 数据显示),并得到数值模拟结果支持(图18)。尤其是在阿拉伯板块与欧亚板块碰撞挤压与非洲板块南部俯冲的共同作用下,通过北与东安纳托利亚断层(North and East Anatolian Fault)两条大型走滑断层形成并挤出了安纳托利亚板块。北与东安纳托利亚断层(约1600与700公里)是已知的规模大型以及活动性较强的断层(图19与图20)。这次双强震后对东安纳托尼亚断层系统周围造成了很大的库伦应力场调整(图21),对周围断层活动性有一定的影响,应多被关注。虽然在19世纪沿着东安纳托利亚发生过系列地震,较大的是1114年的M7.8,1822年的M7.5,1872年的M7.2级地震(图22),但是在20世纪沿着北安纳托利亚连续发生大震,周期甚至是几年时间(图23),因此在过去的几十年里把土耳其以及世界地震学家的目光过多地吸引到了北安纳托利亚断层上,而或多或少地忽略了东安纳托利亚断层,这次双强震给了我们尤其是地学界一个巨大的惊醒与警醒。  

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图16. 东安纳托尼亚断层周围的构造断层分布

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图17. GPS 速度场显示安纳托尼亚板块以及周围断层活动性(Flerit et al., 2004)

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图18. 离散元数值模拟显示了阿拉伯板块挤压欧亚板块,在非洲板块俯冲表现的弱边界作用下,产生并发展了北与东安纳托利亚断层系统,挤出了安纳托利亚板块。  

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图19. 已知地震灾害分布图,此次双震位于已知灾害分布Region 3 区域内(Coban and Sayil, 2020)
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图20. 地震灾害概率分布图显示东安纳托尼亚断层具有大地震概率较大。(https://twitter.com/Harold_Tobin/status/1622987487990906880

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图21. 双强震后对周围库伦应力场的影响(https://twitter.com/temblor/status/1623529437252964353)    

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图22. 沿东安纳托利亚断层地震活动性(https://twitter.com/faulty_data/status/1622452911233196033

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图23. 沿北安纳托利亚断层地震活动性(https://www.jpl.nasa.gov/images/pia22412-turkish-fault-reveals-seismic-steadiness)  
  • 由双强震事件对中国地区地震概率的思考

中国所在的亚洲东部大陆构造背景与此双震位于的安纳托利亚板块构造类似。从构造背景上看,似乎是镜像对称着。东亚大陆变形自新生代以来(约55百万年),由于印度板块持续碰撞以来,在东亚大陆形成了许多走滑,逆冲,正断断层系统,尤其是大型的走滑断层实皆断层系统,红河哀牢山断层系统,阿尔金断层系统。这些大型走滑断层不管从形成机理还是长度规模上以及活动强度上都类比于北安纳托利亚与东安纳托利亚走滑断层系统。因此这次土耳其双强震对研究中国地区地震研究具有很大的参考与警示作用。 

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图24. 亚洲板块碰撞与断层系统,由于印度板块(粉色)碰撞欧亚大陆,在形成青藏高原的同时,在东亚大陆形成了大型走滑断层并挤出分割的地块:橙色为印支地块,黄色为南中国地块。从南到北蓝色虚线所示实皆,红河哀牢山,阿尔金大型走滑断层(Jiao et al., 2023)。  

  • 两次大震次级事件模型

双强震破裂过程描述2023年2月12日更新,根据双强震地震波形分析,M7.8 级地震的破裂顺序为东安纳托尼亚断层分支首先破裂然后向北延伸到主断层上,并沿着主断层向北东方向破裂,随着能量耗散,然后破裂方向调整反向,沿着主断层向南西方向断裂,并随着断层转向转弯,最终破裂了断层南部的南南西向分段(图25),此次破裂为非常复杂的双向破裂模式。M7.5级地震的破裂顺序为断层中间先破裂,然后沿着断层同时向两侧发展延伸(图26)。走滑断层的复杂分段破裂形式已被数值模拟分析支持(图27)。根据地震波传播速度分析得出破裂传播速度较慢,都为非超剪切破裂(图28)。在双强震震后四天内的余震重定位后分布(图29)显示主震与余震几乎位于已知断层上。地质学家根据东安纳托尼亚断层系统分析,并根据连接的四个板块运动学与向南延伸断层上的活动周期性分析,在不久的未来,可能几年内,东安纳托尼亚断层向南破裂并发生大地震的可能性不容忽视(图30),可能类似于北安纳托尼亚断层在20世纪发生的地震序列类似(图23)。  

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图25 地震波形分析第一次强震(M7.8)得出破裂顺序为分支E1 破裂然后向北延伸到主断裂,并沿着主断裂破裂,然后沿着主断裂向南破裂,显示非常复杂的双向破裂模式(https://twitter.com/jiazhe868/status/1624161428822425602

 

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图26 地震波形分析第二次强震(M7.5)得出破裂顺序为中间E1 段破裂,然后沿着断层向两侧同时扩展破裂(https://twitter.com/jiazhe868/status/1624161428822425602)  

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图27 破裂分段模式离散元数值模拟(Jiao et al., 2021)

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图28 地震波传播速度记录分析为非超剪切破裂

   

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图29 双强震震后余震重定位后分布显示大小地震均位于已知断层上(https://twitter.com/xonurtan/status/1623590069591220225)    

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图30 地质学家根据东安纳托尼亚断层向南延伸断层上的活动周期分析担忧,在未来的几年内东安纳托尼亚断层向南破裂并发生大地震的可能性不容忽视,如北安纳托尼亚断层在20世纪发生的地震序列类似(https://twitter.com/Paleosismolog/status/1583076471735996417

References:  

  • Coban, K.H., Sayil, N., 2020. Different probabilistic models for earthquake occurrences along the North and East Anatolian fault zones. Arabian Journal of Geosciences 13, 1-16.
  • Flerit, F., Armijo, R., King, G., Meyer, B., 2004. The mechanical interaction between the propagating North Anatolian Fault and the back-arc extension in the Aegean. Earth Planet. Sci. Lett. 224, 347-362.
  • Jiao, L., Klinger, Y., Scholtes, L., 2021. Fault segmentation pattern controlled by thickness of brittle crust. Geophysical Research Letters 48, e2021GL093390.
  • Jiao, L., Tapponnier, P., Donzé, F.-V., Scholtès, L., Gaudemer, Y., Xu, X., 2023. Discrete Element Modeling of Southeast Asia’s 3D Lithospheric Deformation During the Indian Collision. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 128, e2022JB025578. https://doi.org/025510.021029/022022JB025578.  

更新:2023.2.12

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