中国地震  2023, Vol. 39 Issue (3): 584-595
引用本文
关兆萱, 万永革, 黄少华, 等. 2023. 2022年墨西哥米却肯州7.6级地震序列的触发关系及发震动力学探讨. 中国地震, 39(3): 584-595.   
Guan Zhaoxuan, Wan Yongge, Huang Shaohua, et al. 2023. Study on the Triggering Mechanism and Earthquake Dynamics of the 2022 Michoacan MW7.6 Earthquake Sequence in Mexico. Earthquake Research in China, 39(3): 584-595.  
2022年墨西哥米却肯州7.6级地震序列的触发关系及发震动力学探讨
关兆萱1, 万永革1,2, 黄少华1, 李枭1, 冯淦1     
1. 防灾科技学院, 河北三河 065201;
2. 河北省地震动力学重点实验室, 河北三河 065201
收稿日期：2022-10-28; 修定日期：2023-02-10
项目类别：国家自然科学基金(42174074、41674055、42364005)、中央高校科研业务费专项(ZY20215117)、河北省地震动力学重点实验室开放基金项目(FZ212105)、河北省高等学校自然科学技术项目(ZD2022160)共同资助
作者简介：关兆萱, 男, 2001年生, 硕士研究生, 主要从事构造应力场、地震应力触发方面的研究工作。E-mail: 15568778655@163.com
通讯作者：万永革, 通讯作者, 男, 1967年生, 研究员, 主要从事构造应力场、地震应力触发等方面的研究。E-mail: wanyg217217@vip.sina.com.cn
摘要：2022年9月19日墨西哥米却肯州发生MW7.6地震, 该地震位于北美板块与科科斯板块交汇处。为进一步研究本次地震对周围断层和后续地震的影响, 剖析该地震的孕震背景和发生条件, 首先使用包括USGS在内的多个国外地震机构得到的墨西哥MW7.6地震以及后续的两次MW＞5.0地震的震源机制解, 分别计算出震源机制中心解, 然后通过计算主震产生库伦破裂应力变化来研究本次地震对后续两次地震的触发作用, 最后收集了1976年1月1日至2022年5月31日发生在本次地震附近的MW≥4.9的29条震源机制解数据, 反演该地区的构造应力场, 并模拟在局部构造及其作用下产生的各种断层形状及相对正应力和剪应力的分布情况。研究结果表明: ①震源机制中心解表明主震和6.8级余震为逆冲型地震, 而5.8级余震的震源机制为正断型地震; ②本次地震对5.8级和6.8级余震的库伦破裂力变化均超过0.01MPa的阈值, 表明这两次强余震可能是在主震的触发下发生的; ③震源区应力场的主压应力轴为NNE-SSW向, 主张应力轴近乎垂直。本地震序列的断层破裂近乎沿应力场的最大剪应力平面发生, 最大限度地释放了构造运动积累的应力。
关键词：墨西哥米却肯MW7.6地震    震源机制中心解    构造应力场    库伦破裂力变化    
Study on the Triggering Mechanism and Earthquake Dynamics of the 2022 Michoacan MW7.6 Earthquake Sequence in Mexico
Guan Zhaoxuan1, Wan Yongge1,2, Huang Shaohua1, Li Xiao1, Feng Gan1     
1. Institute of Disaster Prevention, Sanhe 065201, Hebei, China;
2. Hebei Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Sanhe 065201, Hebei, China
Abstract: On September 19, 2022, an MW7.6 earthquake hit Michoacan, Mexico, where the Cocos plate subduct under the North American plate. To further study of the influence of the earthquake on the surrounding faults and follow-up earthquakes, and to analyze the background of earthquake preparation and occurrence of the earthquake sequence, by using the focal mechanisms of the mainshock and 2 M>5.0 aftershocks provided by USGS, and other foreign organizations, we firstly calculated the central focal mechanisms of the 3 earthquakes. Then, we calculated the Coulomb Failure Stress(CFS)change projecting on the fault plane and slip direction of the two strong aftershocks generated by the mainshock to analyze the triggering effect. In order to study the effect of the mainshock to adjacent area, we also calculated the displacement field and strain field generated by the mainshock. Finally, we estimated the stress field in source region by using 29 MW≥4.9 earthquakes' focal mechanism collected from January 1, 1976 to May 31, 2022, and simulated the relative shear and normal stresses projected on various fault planes geometry under the estimated tectonic stress. The results show that: ① According to the estimated central focal mechanisms, the mainshock and M6.8 aftershock are thrust type and the M5.8 aftershock is normal fault type.② The changes of CFS on the fault plane and slip direction of both M5.8 and M6.8 aftershocks exceeded the threshold of 0.01MPa, indicating that the two aftershock occurrences are triggered by the mainshock. ③ The compressional and extensional stress axes of the estimated stress in source region are NNE-SSW direction and vertical, respectively. The rupture of the earthquake sequence occurred nearly along the plane with maximum shear stress of the stress field, and released the accumulated stress caused by the tectonic movement to the utmost.
Key words: The Michoacan MW7.6 earthquake     Central focal mechanism solution     Tectonic stress field     Coulomb failure stress change    
0 引言

根据美国地质调查局(United States Geological Survey，简称USGS)测定，世界标准时间(Coordinated Universal Time，简称UTC)2022年9月19日18时5分，墨西哥西海岸米却肯州发生MW7.6地震，震中位置为18.483°N，103.000°W，震源深度约为16.2km。9月20日8时17分(UTC)在主震以西约55km处(18.476°N，103.520°W)发生MW5.8地震，9月22日6时16分(UTC)在主震东南约10km处(18.308°N，102.923°W)发生MW6.8地震(图 1)。认识该地震序列的触发关系可以从应力转移角度理解地震发生的机理，此外该地震序列发生与当地应力场的关系也是地球科学所关心的问题。

图 1 2022墨西哥米却肯地震序列周围的震源机制分布 注：震源机制采用下半球施密特投影的海滩球表示，带有颜色的卦限为压缩区，红色为逆断型，蓝色为正断型，青色为正走滑型；图(b)给出了研究区域的位置，其中红色线框表示研究区域的位置，黑色线条表示为板块边界。

墨西哥位于北美板块，其地震活动主要受控于科科斯板块、里维拉板块以及北美板块的碰撞、挤压与俯冲结果，其中主要受科科斯板块俯冲北美板块的作用，该俯冲带形成的海底构造为墨西哥太平洋沿岸近海的中美海沟，因而在墨西哥西海岸线1000km范围内发生一系列强震，这些地震以逆冲型地震为主，震源深度大部分在20km左右，破裂长度一般在120~200km(张洪由，1997)。

本次地震序列发生在北美板块与科科斯板块交界处，为板间型地震(Benz et al，2011)，附近有科科斯板块、太平洋板块、北美板块交汇分布(图 1)，这种特殊的地理位置和复杂的地质构造使得该地区成为世界主要的地震高发区之一(Mikumo et al，2000；孙克虬，1985)，曾发生过多次超过7级的大地震，如1985年9月19日墨西哥西海岸外太平洋底8.1级强震和2017年9月19日墨西哥中部莫雷洛斯州7.1级地震，通常这些地震都发生在墨西哥西海岸的俯冲带上，并具有相似的发震机制(Melgar et al，2018)。前人对科科斯板块俯冲带做了大量的研究，Pardo等(1995)根据地震震源位置和震源机制研究区域的应力分布，从而确定科科斯板块俯冲的形状；Hayes等(2012)提出了一个全新的俯冲带几何模型，根据二维剖面详细描述了科科斯俯冲带三维几何模型的构造；Demets等(2010)对科科斯板块的移动速度进行研究，结果表明板块以69~75mm/a的速度向北美板块俯冲移动；Hanus等(1978)对科科斯板块俯冲速度的不均匀性进行研究，发现这种不均匀性可能与奥罗斯科(Orozco)断裂带和特万特佩克(Tehuan tepec)岭的阻碍作用有关。但前人的研究工作主要针对该地区的俯冲带结构，而在构造应力场方面的研究却很少。

为了解该地震序列的地震破裂机制，本研究根据多家机构提供的该地震序列的震源机制解分别计算出主震及两次较大余震的震源机制中心解，然后根据主震同震破裂模型计算在余震断层面和滑动方向上产生的库伦破裂应力变化。为进一步研究本次地震孕育和发生的动力学过程，收集了全球矩心矩张量(Global Centroid Moment Tensor，简称GCMT)提供的历史上29次MW≥4.9地震的震源机制解数据(图 1)，反演该地区的构造应力场。并且，研究了所确定的构造应力场投影到地震断层面上的相对剪应力和正应力，进而讨论该地震序列和应力场之间的关系。

1 震源机制中心解的确定

地震发生后，USGS等国外机构很快获得了MW7.6地震的多个震源机制解。由于使用的方法和数据不同，这些震源机制具有相当大的离散度，这些结果都是震源错动方式的一种测量，因此可以根据这些测量结果给出中心值，用于对未来地震发生背景、地震应力触发、地壳应力场分析以及地震前应力方向改变的地震前兆进行研究。本研究首先搜集多家机构采用不同的方法和数据得到的该地震序列的震源机制解，为避免选择不同震源机制的困难，给出一个相对可靠的震源机制解，采用万永革(2019)提出的“同一地震多个震源机制中心解的确定”算法进行处理，震源机制中心解可以在多个震源机制中找到一个与其他震源机制空间旋转角平方和最小的震源机制，得出“最优解”，为进一步反演应力场提供了可靠的震源机制解。

根据国外USGS、GCMT、GFZ、CPPT、OCA和IPGP六个机构网站发布的主震震源机制结果整理得到表 1。本研究分别以各个震源机制为初始解得到中心震源机制，给出大体一致(在小数点3位后有一定涨落)的标准差(表 1第5列)，表明采用这种方法得到的解是稳定的。尽管如此，本研究将各个机构测定的震源机制分别作为初始解，将得到标准差最小的解作为最终结果，发现将CPPT得到的震源机制作为初始解得到的震源机制的标准差最小，本研究以此作为最终结果(表 2第2行)。得到的中心震源机制和各个机构测定震源机制的最小空间旋转角见表 1第6列并将所得到的中心震源机制及其不确定性绘于图 2。从表和图中可以看出，该地震震源机制解距中心解的空间旋转角最大达29.98°，最小空间旋转角为4.79°。这些数据表明不同机构得到的震源机制解较为集中。

表 1 不同机构给出的墨西哥米却肯州MW7.6地震震源机制及作为初始解得到的震源机制中心解和标准差

表 2 墨西哥米却肯州地震序列震源机制中心解及P、T、B轴走向和倾伏角

图 2 2022墨西哥米却肯州MW7.6地震的中心震源机制解(a)及空间三维辐射花样(b) 注：(a)中的黑色弧线表示中心震源机制的两个节面，绿色弧线覆盖区域为其不确定范围；红色、蓝色和黄色的点表示中心震源机制解的P轴、T轴和B轴，其周围对应颜色的封闭曲线表示其不确定性范围；绿点和黑点表示各个机构得到的震源机制的P轴和T轴的投影；紫色弧线表示各个机构得到的震源机制节面；(b)中的压缩区域和膨胀区域分别用蓝色和红色表示(万永革等，2011)。

本文还收集了USGS和GCMT等机构提供的9月20日MW5.8地震和9月22日MW6.8地震的震源机制解并分别计算其震源机制中心解。采用IPGP、GFZ和GCMT机构的震源机制解，得到9月20日MW5.8地震震源机制中心解见表 2，所得震源机制解距中心解的空间旋转角最大达4.96°，最小空间旋转角为1.22°。采用了USGS、GCMT、GFZ、OCA、IPGP和CPPT机构的震源机制解，得到9月22日MW6.8地震的震源机制中心解(表 2)，所得震源机制解距中心解的空间旋转角最大达26.80°，最小空间旋转角为3.36°。主震和9月22日MW6.8地震均为逆冲型地震，9月20日MW5.8地震为正断型地震。

2 墨西哥MW7.6地震对后续地震的触发作用

为讨论墨西哥米却肯州9月19日MW7.6地震对9月20日MW5.8和9月22日MW6.8地震是否存在触发关系，本文收集USGS提供的墨西哥MW7.6地震的断层破裂模型①，该模型结果基于矩心矩张量节面(走向295.0°，倾角22.0°)计算，地震矩释放为2.7×1020N ·m(MW7.6)，该破裂面长135km，宽100km，最大破裂量为324.4cm。地震产生的库伦破裂应力变化Δσf表示为

$ \Delta \sigma_f=\Delta \tau+\mu^{\prime} \Delta \sigma_n $ (1)

① https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage

其中，μ′为视摩擦系数，取值范围在0.0~1.0之间，通用值0.4；Δτ为地震产生的剪切应力变化量，Δτ与接收应力的断层滑动方向一致时取正值，当Δτ与接收应力的断层滑动方向相反时取负值；Δσn为法向正应力变化量，拉张为正。这样就可以计算出此断层的库仑应力变化。

选取前文所做的MW5.8和MW6.8地震的中心震源机制解中与俯冲带走向大体平行的节面(节面Ⅰ)作为接收断层面，根据GCMT测定结果设置MW5.8地震的深度为19km，MW6.8地震的深度为24km。同时仿照前人的研究(King et al，1994；Wan et al，2003、2004)，视摩擦系数取0.4，使用Wan等(2010、2017)提出的Δσf计算方法，当Δσf为正值时，说明该次地震对研究区域断层的破裂具有促进作用；当Δσf为负值时，说明该次地震对研究区域断层的破裂具有抑制作用。同时研究(Harris，1998、2000；Freed，2005)表明，库伦应力变化大于0.01MPa(静态应力触发阈值)时会对后续地震的时空分布造成影响。

按此方法计算出9月19日MW7.6地震在20日MW5.8地震断层面的滑动方向上产生的剪切应力变化为0.554MPa，正应力变化0.520MPa，库伦破裂应力变化为0.762MPa，超过0.01MP的阈值(图 3(a))。再计算出22日MW6.8地震断层面(节面Ⅱ)的滑动方向上产生的剪切应力变化0.073MPa，正应力变化-0.119MPa，库伦破裂应力为0.026MPa，超过0.01MPa的阈值(图 3(b))。墨西哥米却肯州MW7.6地震对MW5.8和MW6.8地震可能具有促进作用。

图 3 墨西哥米却肯州MW7.6地震在MW5.8地震(a)和MW6.8地震(b)断层面和滑动方向上的库伦破裂应力变化

主震产生的应力张量在MW5.8余震破裂面的滑动方向上产生的库伦破裂应力变化在主震破裂面附近均为正值，在断层面两端均为负值，而在MW6.8余震破裂面的滑动方向上产生的库伦破裂应力变化在主震破裂面附近均为负值，在破裂面两端均为正值，这是由于MW5.8为正断型地震，与MW6.8地震的破裂面几何形状大体接近，但滑动方向相反所致。这提醒我们，在计算库伦破裂应力变化研究地震之间的相互作用时，不仅要考虑两个地震位置的差异，还要考虑源地震(产生应力张量的地震)和接收断层形状和滑动方向的相互关系。

3 地震序列周围应力场与地震序列的关系 3.1 应力场反演

为进一步研究本次地震的孕震背景和发生条件，搜集了GCMT提供的主震震源区及其邻区(102°W~104°W，17.5N°~19.5°N)范围内，1976年1月1日至2022年5月31日共29次MW≥4.7地震的震源机制解数据(表 3)。根据震源机制类型划分标准(万永革，2022)，逆断型地震有27个，占总体数量的93.10%；正断型地震有2个，占总体数量的6.90%。

表 3 墨西哥MW7.6地震附近1976—2022年的29次震源机制解

本研究采用Wan等(2016)提出的网格搜索法对应力场进行反演，网格搜索法是在应力场参数的模型空间中找到应力模型与实际地震数据间平均残差最小的最佳应力模型。相较于其他应力场反演方法，网格搜索法能够设置更加精细化的应力场格值参数来搜索构造应力场参数的最优解(李枭等，2022)，从而得到更为准确的结果，并给出求解参数在一定置信度下的置信范围。

采用上述方法进行求解得到应力场的最优解参数为主压应力轴S1的走向为200.43°，倾伏角为17.19°，不确定范围分别为199.43°~201.43°和16.24°~18.14°；中间轴S2的走向为105.00°，倾伏角为17.00°，不确定范围分别104.00°~106.00°和14.00°~20.00°；主张力轴的走向为333.02°，倾伏角为65.44°，不确定范围为332.02°~334.02°和62.44°~68.44°。应力比R=0.9，表明该区域主要以挤压应力为主，中间轴与张应力轴表现为拉张作用，张应力轴表现为接近垂直的状态(图 4)。反演的构造应力场结果表明，在科科斯板块EN向俯冲作用下，该地呈现较强的EN-WS向挤压应力，俯冲过程导致了墨西哥沿岸附近区域隆升，造就了山脉隆起。

图 4 2022墨西哥米却肯地震周围应力场反演结果(a)及三维示意图(b) 注：(a)应力场反演结果及数据拟合情况的下半球施密特投影图，图中蓝色大箭头表示主张力轴的水平最佳方向，红色大箭头表示为主压力轴的水平最优方向；蓝色小箭头表示为“可能断层面”的观测滑动方向，红色小箭头表示为“可能断层面”的理论滑动方向；绿色断层面表示置信水平为95%的应力场最大剪应力平面；黄色箭头表示该平面的滑动方向；黑色弧线表示为“可能断层面”的施密特投影；(b)2022墨西哥地震地区应力状态三维示意图，红色为压缩区，蓝色为膨胀区。
3.2 应力场与地震序列的关系

万永革(2020)对挤压应力体系和拉张应力体系下所产生震源机制及其剪应力和正应力的表现进行了模拟。为分析本文反演的应力场与本次地震序列的关系，基于该方法，得到墨西哥西海岸地区构造应力场在不同几何形态的断层上产生的相对剪应力、正应力(采用最大剪应力(最大主应力与最小主应力之差的一半)进行归一化)和震源机制类型，并将其作用于墨西哥MW7.6地震及两次余震的震源机制中心解的断层面上产生的相对剪应力与正应力，如图 5所示。

图 5 墨西哥米却肯州西海岸构造应力场作用下不同几何形态断层面上的相对剪应力(a)和相对正应力(b)

墨西哥米却肯MW7.6地震震源机制中心解节面I相对剪应力和相对正应力分别为0.974(最大为1)和-0.088，剪应力滑动角为92.6°，与观测滑动角相差5.56°；节面Ⅱ相对剪应力和相对正应力分别为0.969和-0.465，剪应力滑动角为92.1°，与观测滑动角相差5.06°。墨西哥MW5.8地震震源机制中心解节面I相对剪应力和相对正应力分别为0.947和0.025，剪应力滑动角为98.6°，与观测滑动角相差200.06°；节面Ⅱ相对剪应力和相对正应力分别为0.938和-0.490，剪应力滑动角为112.3°，与观测滑动角相差213.76°。墨西哥MW6.8地震震源机制中心解节面I相对剪应力和相对正应力分别为0.963和-0.064，剪应力滑动角为102.4°，与观测滑动角相差9.55°；节面Ⅱ相对剪应力和相对正应力分别为0.965和-0.471，剪应力滑动角为95°，与观测滑动角相差2.15°。

很明显，这三次地震的震源机制中心解的节面基本都处于剪应力较大区域，MW7.6地震和MW6.8地震的剪应力滑动角与对应节面的观测滑动角比较接近，但MW5.8地震的剪应力滑动角与对应节面的观测滑动角相差很大(几乎呈反方向滑动)，而这三个地震的断层面几何形态基本相似(MW7.6地震断层面与MW6.8地震断层面的法向夹角为3.2°、MW7.6地震断层面与MW5.8地震断层面的法向夹角为3.7°，图 5中这三个地震相距很近也说明了这一问题)，这表明MW5.8地震不同于MW7.6和MW6.8地震。

俯冲带发生正断型地震的可能原因一直处于探索之中，如Manea等(2006)提出墨西哥中部之下的俯冲科科斯板片导致的热应力是一种可能的原因，然而如果按照这种解释，正断型地震应该在一个较大区域是集中的。墨西哥俯冲带是地震多发区域，但没有看到统计学意义的正断型地震较为集中区域。根据MW7.6和MW5.8地震的断层面和发震时间的相近性及断层滑动几乎完全相反的情况，推测该正断型地震的发震原因可能是：科科斯板块向北美板块俯冲，因而北美板块边界形成了巨大的压力导致了断层突然滑动，引发MW7.6逆冲型地震，但由于突然释放的逆冲分量过大，因此需要一定程度上的正断分量来缓解过多的逆冲分量。另外根据地震的发生时间，主震发生12h后发生了MW5.8地震，而又间隔了46h才发生了MW6.8地震，这就表明主震发生很短时间就对应力状态进行了调整，而后续间隔了较长时间才发生同种性质的地震。此外，MW5.8地震距主震破裂非常近，或者就发生在破裂面上，且断层面的几何形状非常接近，根据这些情况推测，MW5.8地震的正断层震源机制可能是由于主震逆冲过度造成的。

本次地震对该区域的整体地球动力学研究没有影响，只是短暂时间、非常局部、震级较小的一次扰动事件。在墨西哥米却肯州西海岸地区构造应力条件下，三个地震的震源机制中心解的节面震前基本都处于最大剪应力加载状态，但MW5.8地震的滑动方向与加载应力方向完全相反。由此可见，MW7.6和MW6.8地震都是在科科斯板块NE向俯冲产生逆断型构造应力背景作用下，基本沿应力场的剪应力最大的断层面进行能量释放(冯淦等，2021)，而MW5.8地震是一次与背景构造应力场差别较大的地震事件。

4 结论

本文结合不同国外机构给出的墨西哥米却肯地震序列的震源机制数据结果，得到MW7.6主震及MW5.8和MW6.8余震的震源机制中心解，计算主震产生的库伦破裂力对两次较大余震的触发作用。通过反演墨西哥米却肯地区的构造应力场并研究本次地震发生的地球动力学背景，主要得出以下结论：

(1) MW7.6地震震源机制中心解的结果为：节面I走向290.39°，倾角22.35°，滑动角87.04°；节面Ⅱ走向113.59°，倾角67.68°，滑动角91.22°。MW5.8地震震源机制中心解的结果为：节面I走向295.50°，倾角19.13°，滑动角-101.46°；节面Ⅱ走向127.61°，倾角71.26°，滑动角-86.06°。MW6.8地震震源机制中心解的结果为：节面I走向298.78°，倾角22.04°，滑动角92.85°；节面Ⅱ走向115.71°，倾角67.99°，滑动角88.85°。结果表明MW7.6和MW6.8地震为逆冲型地震，MW5.8地震为正断型地震。

(2) 利用USGS提供的破裂模型探讨这三次地震的关系，发现MW7.6地震对MW5.8和MW6.8地震可能具有促进作用，库伦破裂应力分别为0.762MPa和0.026MPa，均超过0.01MPa的阈值，该结果为研究本次地震对震源周围的影响及以后地震活动趋势提供了基础资料。

(3) 应力场反演结果显示墨西哥米却肯地震序列震源区总体上受到EN向和WS向的挤压力、垂直向的拉张力，整体表现为逆冲型应力类型，与在科科斯板块EN向的俯冲作用下墨西哥西海岸沿岸发生了一系列逆冲型地震的地震活动背景相符合。在墨西哥米却肯州西海岸地区构造应力条件下，三次地震中，每个地震的两个节面震前基本都处于最大剪应力加载状态，由此可见，此次墨西哥米却肯地震序列是在科科斯板块NE向俯冲产生逆冲型构造应力场作用下，经过一定时间的应力积累，沿应力场最大剪应力平面进行的正常能量释放。

墨西哥地震活动基本上由于科科斯板块俯冲导致，这与中国台湾受到太平洋板块和菲律宾板块的俯冲有相似特点，本研究可为中国台湾地震活动分析提供借鉴。

致谢: 本研究所用的破裂模型来自USGS，绘图采用GMT软件(Wessel et al，1995)和Matlab软件绘制，特此致谢。
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