俯沖帶斷層粘滑運(yùn)動機(jī)制數(shù)值模擬研究
——以日本俯沖帶為例

姜 輝

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

中國地震局地質(zhì)研究所2012屆博士論文摘要（Ⅴ）

俯沖帶斷層粘滑運(yùn)動機(jī)制數(shù)值模擬研究
——以日本俯沖帶為例

姜 輝

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

在新生代，西太平洋島弧和邊緣海地區(qū)已成為強(qiáng)烈的構(gòu)造活動區(qū)。至晚第三紀(jì)以來，在西太平洋島弧帶上還發(fā)生了強(qiáng)烈的火山作用。在西太平洋島弧的外側(cè)發(fā)育著地球表面上最深的地溝帶，即深海溝帶。西太平洋板塊向西俯沖，在日本海形成俯沖帶，稱為日本海俯沖帶。日本俯沖帶構(gòu)成了西太平洋邊緣俯沖帶的重要組成部分。該俯沖帶處于環(huán)太平洋火山地震帶上，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動頻繁，地震發(fā)生數(shù)量占全球20%。日本俯沖帶位于日本島弧東側(cè)，北起千島，南至菲律賓海。沿千島群島和日本本州島的東側(cè)，太平洋板塊正以不同傾角向歐亞板塊俯沖。在本州東部的日本海溝，震源分布顯示的消減板片平均厚度大約80～100 km，傾角29°，下插的最大深度接近600 km。太平洋板塊的北西向運(yùn)動和俯沖，對從北海道到本州的日本東北部產(chǎn)生SEE－NWW向擠壓。地震斷層面解顯示，日本海的東邊緣也同樣是SEE－NWW向擠壓變形，可能是阿穆爾板塊的東向移動產(chǎn)生的。由于日本俯沖帶處于這樣的擠壓環(huán)境下，導(dǎo)致該帶發(fā)生的大部分地震都具有逆斷層性質(zhì)。西太平洋地區(qū)震源分布圖顯示，沿著堪察加半島—千島群島—日本本州島北部，分布有大量淺源逆斷層型地震，而中深源地震多分布在島弧下面的俯沖帶中。這種地震震源機(jī)制也印證了太平洋板塊和歐亞板塊的相聚，意味著該區(qū)域處于壓縮應(yīng)力狀態(tài)。2011年3月11日日本本州東海岸附近海域發(fā)生9.0級特大地震，是日本有歷史記載以來最大的一次地震。震后數(shù)十分鐘內(nèi)日本東海岸又遭受最高浪達(dá)10 m的海嘯襲擊。自1973年以來，日本海溝的俯沖帶已經(jīng)發(fā)生過9次7級以上的地震事件。大多數(shù)近海地震都發(fā)生在日本同一個俯沖帶上。1611年、1896年和1933年的近海地震都在日本東北的太平洋沿岸引起毀滅性的海嘯。日本俯沖帶地震發(fā)生十分頻繁，且有很多震級很大的事件，可為研究逆斷層地震孕育和發(fā)生機(jī)理提供數(shù)據(jù)支持。同時，理解俯沖帶上逆斷層地震發(fā)生過程也可以對以后的地震預(yù)測研究提供理論依據(jù)，已有的研究結(jié)果也表明，日本俯沖帶的地震活動對我國的地震活動有重要的影響。數(shù)值模擬方法近年來發(fā)展迅速，并已大量用于地學(xué)領(lǐng)域。因此，本文結(jié)合地震地質(zhì)資料和地球物理觀測數(shù)據(jù)，使用有限元數(shù)值模擬方法模擬地震粘滑失穩(wěn)過程，并探討俯沖帶地震發(fā)生的粘滑機(jī)制和構(gòu)造變形特征，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

1 研究內(nèi)容與方法

本文根據(jù)目前日本俯沖帶數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和存在的問題，依托各種地質(zhì)研究和地球物理探測成果，多方位全面了解研究區(qū)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造。利用Ansys并行計(jì)算系統(tǒng)，建立日本俯沖帶高分辨率有限元模型。使用高精度的GPS觀測結(jié)果為邊界約束，通過數(shù)值模擬方法研究俯沖帶內(nèi)地震發(fā)生過程，探討地震發(fā)生機(jī)理。

（1）建立日本俯沖帶動力學(xué)模型?；诓⑿蠥nsys數(shù)值模擬軟件平臺，結(jié)合各種地質(zhì)、地球物理資料的研究成果，建立日本俯沖帶二維數(shù)值模型，確定模型地質(zhì)分層及各層介質(zhì)屬性。西太平板塊以平均83 mm／a的速率向歐亞板塊俯沖，且可能存在俯沖傾角的變化。俯沖斷層活動不但與動力邊界和巖層介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，也受到俯沖帶幾何形態(tài)很大的影響，因此，本文在模擬日本俯沖帶上粘滑事件發(fā)生的動力學(xué)過程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了俯沖帶幾何形態(tài)變化對事件發(fā)生的影響。本文共建立了4個模型模擬了日本俯沖帶地震粘滑失穩(wěn)過程：①俯沖帶在巖石圈內(nèi)部彎折模型；②俯沖帶在巖石圈底部彎折模型；③俯沖帶無彎折，傾角23°模型；④俯沖帶無彎折，傾角30°模型。4個模型研究對象都是同一剖面，因此，雖然模型有變化，但相同巖層（如上地殼等）使用的介質(zhì)參數(shù)相同。根據(jù)俯沖帶深部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模型俯沖板片包含上下兩層和深淺兩部分，而兩側(cè)板塊則分為4層。為了使模型與實(shí)際地質(zhì)體更加接近，增加結(jié)果的真實(shí)程度，本文的模型中下地殼以下使用的是粘彈性介質(zhì)單元，介質(zhì)參數(shù)主要包括楊氏模量、泊松比、粘滯系數(shù)、地層厚度、密度等。在模型建立過程中，引入了有限元法中的接觸對的概念，在各個巖層與俯沖帶的接觸邊界設(shè)置接觸對，模擬上覆板塊與俯沖帶的摩擦過程。4個模型采用相同的網(wǎng)格劃分方法，由于本文主要研究俯沖帶上粘滑事件的發(fā)生過程，因此，對俯沖帶地區(qū)（接觸邊界）的單元進(jìn)行了加密處理。這樣就增加了重點(diǎn)部位的單元密度，提高了計(jì)算結(jié)果的精度，同時只對局部加密也可以節(jié)約模型計(jì)算時間成本。4個模型施加的邊界約束也相同。主要包括兩方面，位移邊界約束和壓力邊界約束。根據(jù)GPS觀測速度及模型模擬的時間尺度計(jì)算施加的位移大小，壓力邊界則主要為深部巖石圍壓和大洋海水壓力。計(jì)算過程中，模型還考慮了重力作用。由于采用粘彈性介質(zhì)，且計(jì)算時間尺度很大（十萬年），因此，初始應(yīng)力場也是需要考慮的因素。本文先還原初始應(yīng)力場之后，再加載上述邊界約束，模擬日本俯沖帶上粘滑運(yùn)動的動力學(xué)過程。

（2）創(chuàng)建日本俯沖帶粘滑事件目錄。根據(jù)上述建立的日本俯沖帶數(shù)值模型，綜合考慮塊體相互作用、板塊碰撞、俯沖帶推擠、重力加載、粘彈性變形和深部介質(zhì)等因素，模擬日本俯沖帶地塊構(gòu)造變形和粘滑失穩(wěn)規(guī)律，分析粘滑事件參數(shù)，建立日本俯沖帶粘滑事件目錄。粘滑事件目錄的建立是在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上經(jīng)過復(fù)雜的后處理分析而得到的（每個模型方法相似）：通過模擬結(jié)果文件的解碼，提取接觸面上所有節(jié)點(diǎn)的滑移量信息及坐標(biāo)。由于深部地幔地震發(fā)生機(jī)理十分復(fù)雜，是否存在粘滑機(jī)制仍有疑問，因此，本文只討論300 km以上深度范圍的事件。模型計(jì)算時長為十萬年，共計(jì)算20 000步。根據(jù)斷層面滑動狀態(tài)，判別各子步是否發(fā)生突然錯動，從提取的節(jié)點(diǎn)滑移量數(shù)據(jù)中篩選出各個子步中的最大滑移量作為該時刻的目標(biāo)事件，并將具有最大滑移量的節(jié)點(diǎn)的深度作為目標(biāo)事件的發(fā)生深度。由此得到不同模型的粘滑事件目錄及事件發(fā)生深度分布。根據(jù)得到的粘滑事件滑移量和深度分布，分別創(chuàng)建不同模型粘滑事件目錄，并對每個模型分別繪制滑移量及深度隨時間變化分布圖，分析每個模型粘滑事件發(fā)生大小及發(fā)生深度的規(guī)律。繪制不同滑移量分檔和深度分檔內(nèi)粘滑事件數(shù)量統(tǒng)計(jì)分布圖，對比不同模型在各個滑移量和深度分檔里粘滑事件統(tǒng)計(jì)數(shù)量分布，分析各個模型模擬結(jié)果的異同和俯沖帶形態(tài)變化對計(jì)算結(jié)果的影響。并結(jié)合實(shí)際觀測到的歷史大震記錄，進(jìn)行比較研究，分析模擬結(jié)果與實(shí)際觀測結(jié)果之間的異同。

（3）研究逆斷層地震構(gòu)造變形特征和能量轉(zhuǎn)移過程。通過變化邊界條件及模型，進(jìn)行反復(fù)模擬計(jì)算，反演研究區(qū)內(nèi)板塊運(yùn)動及地震發(fā)生過程，研究主要結(jié)構(gòu)類型、物理參量和邊界條件等的變化對日本俯沖帶構(gòu)造變形的影響。并將模擬結(jié)果與地質(zhì)調(diào)查、地球物理探測、GPS觀測和地震活動研究成果進(jìn)行對比，優(yōu)選最合理的物理模型和邊界條件，模擬日本俯沖帶粘滑失穩(wěn)過程，分析應(yīng)變、能量在不同地塊之間的分配和轉(zhuǎn)移及其影響因素，并研究該區(qū)域內(nèi)地震發(fā)震機(jī)理。

2 主要研究結(jié)果

由于西太平板塊在向日本海俯沖過程中可能存在角度變化，因此，本文在構(gòu)建模型時考慮了俯沖帶不同幾何形態(tài)情況建立了4個不同的模型，以便在分析俯沖帶上地震粘滑失穩(wěn)過程的同時，也兼顧考慮太平洋板塊俯沖過程中幾何形態(tài)的差異對模擬結(jié)果的影響。由于深部地幔地震發(fā)生機(jī)制比較復(fù)雜，是否存在粘滑現(xiàn)象仍存疑慮，因此，本文中只討論300 km以上區(qū)域。根據(jù)上述模型十萬年時間尺度的模擬分析，得到以下初步認(rèn)識。

（1）分析粘滑事件發(fā)生時應(yīng)力變化曲線，可見粘滑事件發(fā)生前后及發(fā)生滑動的過程中，應(yīng)力經(jīng)歷了積累、釋放到再積累的過程。說明事件的發(fā)生經(jīng)歷了斷層閉鎖、解鎖到閉鎖的一個粘滑失穩(wěn)過程，因此，可以通過斷層摩擦運(yùn)動數(shù)值模擬地震發(fā)生的過程。

（2）模擬俯沖帶粘滑事件的斷層滑移量與地震斷層錯動量相當(dāng)，隨著滑移量的增加，粘滑事件數(shù)量越來越少。5～10 m滑移量事件較多；滑移量超過20 m的事件數(shù)量大大減少。絕大多數(shù)事件滑移量都在30 m以下。

（3）4種模型模擬得到的結(jié)果顯示，粘滑事件大多發(fā)生在100 km以內(nèi)的深度區(qū)域。巖石力學(xué)性質(zhì)變化和斷層幾何形態(tài)變化的深度是粘滑事件多發(fā)的區(qū)域，主要表現(xiàn)為存在兩個明顯的條帶狀事件密集區(qū)，分別為20～30 km范圍和100 km附近深度。其中深度為20～30 km范圍內(nèi)地震數(shù)量最多，且事件量級也較大；100 km附近深度雖然也有大量事件發(fā)生，但總體數(shù)量較前者少，且以相對小事件為主，較大量級事件比較少。通過與收集到的研究區(qū)內(nèi)歷史地震進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)此結(jié)論與實(shí)際地震深度分布較一致。

（4）俯沖帶角度變化及發(fā)生變化的深度不同對模型模擬結(jié)果有影響。俯沖帶在巖石圈底部彎折模型，得到的粘滑事件數(shù)量最多。俯沖帶無彎折，傾角30°模型模擬得到的粘滑事件數(shù)量最少。但值得注意的是，前者多為滑移量5 m以下的相對小事件。而后者滑移量較大事件的數(shù)量是最多的。

（5）俯沖帶角度大小及深度變化對事件發(fā)生深度也有一定的影響。俯沖帶在巖石圈內(nèi)部彎折模型和俯沖帶無彎折，傾角30°模型粘滑事件發(fā)生深度分布比較相似，且20～30 km區(qū)域事件數(shù)量最多，與歷史地震數(shù)據(jù)較一致。俯沖帶在巖石圈底部彎折模型在200 km附近有大量事件，但都是較小事件。俯沖帶無彎折，傾角23°模型在100 km處事件數(shù)量要高于20～30 km范圍，但也都是以較小事件為主。

（6）粘滑事件的大小、時間間隔、發(fā)生深度是隨機(jī)性和有序性的統(tǒng)一，宏觀上有序（準(zhǔn)周期性、特征震級和多震層密集），微觀上隨機(jī)（時間、深度、滑動量等都不能完全相同）。

3 創(chuàng)新點(diǎn)和存在的問題

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要表現(xiàn)在如下幾方面：

（1）使用斷層接觸模型和粘彈性介質(zhì)載體模擬了俯沖帶粘滑運(yùn)動的動力學(xué)過程；

（2）創(chuàng)建了日本俯沖帶粘滑事件目錄，分析了粘滑事件時空分布規(guī)律；

（3）研究了俯沖帶幾何形態(tài)差異對俯沖帶斷層粘滑活動的影響。

由于此類研究可參照的事例很少，同時受軟、硬條件限制，加上時間倉促，文中仍然存在不少問題。例如，分析模型進(jìn)行了較大簡化，對比分析模型較少，時間步長不夠短，初始應(yīng)力場無法精確評估，地幔深部狀態(tài)和活動狀態(tài)不清楚等，這些有待于將來進(jìn)一步深入研究。

日本俯沖帶；粘滑機(jī)制；數(shù)值模擬；滑移量；震源深度

（作者電子信箱，姜輝：sophy＿pp＠126.com）

P315；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2013.11.004