2011年日本東北地區(qū)近海大地震最大位移區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)＊

Weiren Lin，Marianne Conin，J Casey Moore，F(xiàn)rederick M Chester，Yasuyuki Nakamura，James J Mori，Louise Anderson，Emily E Brodsky，Nobuhisa Eguchi，343勘查隊(duì)科技人員

2011年日本東北地區(qū)近海大地震最大位移區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)＊

Weiren Lin，Marianne Conin，J Casey Moore，F(xiàn)rederick M Chester，
Yasuyuki Nakamura，James J Mori，Louise Anderson，Emily E Brodsky，Nobuhisa Eguchi，343勘查隊(duì)科技人員

2011年MW9.0的日本東北地區(qū)近海大地震在日本海溝附近產(chǎn)生了最大超過50m的同震滑動(dòng)，這可能導(dǎo)致該區(qū)域進(jìn)入了應(yīng)力近乎完全卸載的狀態(tài)。為檢驗(yàn)上述假設(shè)，我們利用綜合大洋鉆探計(jì)劃在震后1年左右時(shí)間得到的鉆孔資料，以及對(duì)震前應(yīng)力狀態(tài)的推斷結(jié)果，確定了陸楔前緣的原地應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)孔壁崩落法對(duì)水平應(yīng)力方向與應(yīng)力大小的估算結(jié)果，以及在破裂向海溝軸方向傳播過程中同震位移增大的現(xiàn)象，可推斷原地水平應(yīng)力在地震過程中變小了。這種應(yīng)力變化顯示出板塊界面的前緣發(fā)生了相對(duì)自由的滑動(dòng)，該結(jié)論與地震引起了斷層弱化和發(fā)生了近乎全部的應(yīng)力降等觀測(cè)結(jié)果是吻合的。

由2011年日本東北地區(qū)近海大地震MW9.0引起的巨大海嘯是由日本海溝附近俯沖帶淺部非常大的同震位移造成的［1-5］。除了有空前的超過50m的同震滑動(dòng)外，該地震另一令人驚訝的特征是，發(fā)生在板塊界面前緣的滑動(dòng)達(dá)到了海溝軸部的海床［6］。板塊界面前緣上的應(yīng)力狀態(tài)和摩擦特性是控制同震位移的重要因素。已有學(xué)者應(yīng)用遙感觀測(cè)資料，間接研究了2011年日本東北地區(qū)近海大地震引起的應(yīng)力狀態(tài)的變化和應(yīng)力降等問題［7-12］。

為了研究2011年日本東北地區(qū)近海大地震引起的應(yīng)力變化，本文分析了由綜合海洋鉆探計(jì)劃（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）343勘查隊(duì)［13-14］和日本海溝快速鉆井項(xiàng)目（Japan Trench Fast Drilling Project，JFAST）在C0019鉆點(diǎn)（圖1a和圖1b）采集的地球物理測(cè)井資料。該測(cè)點(diǎn)在主震震中朝向海溝的一側(cè)，距離震中約93km，離海溝約6km。在這個(gè)位置上，3個(gè)鉆孔成功穿透了俯沖的太平洋板塊與上覆的北美板塊的接觸面。這些鉆孔能夠用來進(jìn)行地球物理測(cè)井、采集巖芯和作長期的溫度測(cè)量［15］。

日本海溝快速鉆井項(xiàng)目的C0019B鉆孔達(dá)到海底以下大約850m深度，該點(diǎn)海床的海水深度達(dá)6 890m。該測(cè)點(diǎn)主要用于采集測(cè)井資料。由孔壁的電阻率成像結(jié)果，我們觀測(cè)到了在海底以下大約44～813m深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了清晰的孔壁崩落（圖2c）［16］。這些由鉆孔引起的壓性破裂給出了現(xiàn)在的最大和最小水平應(yīng)力（SHmax和Shmin）的可靠信息，可以用來約束應(yīng)力大小［17］。C0019B鉆孔貫穿了海底以下820m深處的板塊接觸面，那里可能是2011年地震的主要滑動(dòng)區(qū)；在斷層面以下沒有觀測(cè)到孔壁崩落［15］。在板塊接觸面以上的區(qū)域，更新世增生楔包含了在反射地震剖面上結(jié)構(gòu)特征顯示不清晰的近海沉積物（圖1b）［18-20］；而在增生楔的底部，板塊界面的前緣轉(zhuǎn)變?yōu)橐赃h(yuǎn)洋沉積為主。

在鉆孔的淺部和深部，最大水平應(yīng)力SHmax的方位及其變化情況的差異非常明顯（圖2c）。在海底面以下約44～197m的陸坡淺層范圍內(nèi)（單元I，由隨鉆電阻率測(cè)井得到的平均孔隙度及其標(biāo)準(zhǔn)偏差約為62±6%［15］），SHmax從近似平行于洋-陸會(huì)聚方向變化到約100m深度處的與其垂直的方向，在140m深度附近又變化回平行的方向（圖2c）。這意味著存在斷層一類的間斷面，這點(diǎn)同時(shí)得到了層面傾角變化和電阻率測(cè)井曲線中有電導(dǎo)峰值的支持（圖2b）。在陸楔沉積物的上半部分，在海底下197m到537m的范圍內(nèi)（單元II，孔隙度約為51±3%［15］），SHmax方位變化較為劇烈，孔壁崩落方位如此多變的情況在俯沖帶和逆斷層帶地區(qū)還未見過，例如，在南海海槽［25-28］、2011年地震前的日本海溝邊緣［21］、哥斯達(dá)黎加［29］和臺(tái)灣車籠埔斷層［30-31］等地區(qū)，均未發(fā)現(xiàn)過。我們的數(shù)據(jù)顯示，最大水平應(yīng)力SHmax和最小水平應(yīng)力Shmin的大小比較接近，于是，斷層對(duì)應(yīng)力的局部擾動(dòng)或者地形應(yīng)力的影響等因素，就可能會(huì)引起水平應(yīng)力方位的變化。由SHmax方位分布確定的深度范圍與主要由自然伽瑪射線強(qiáng)度確定的井段范圍顯示出相關(guān)性，這說明巖性可能會(huì)對(duì)SHmax方位分布有一定的影響（圖2）。

在海底下537m到813m的更深的一層內(nèi)（單元IIb，孔隙度約為45±3%［15］），位于板塊邊界以上的增生陸楔內(nèi)，SHmax方位有一個(gè)明顯的北西-南東的優(yōu)勢(shì)方向（319± 23°）（圖2c），這個(gè)應(yīng)力方向與292°的板塊匯聚方向［24］是一致的，并與1150和1151兩個(gè)測(cè)點(diǎn)確定的應(yīng)力方向（測(cè)于2011地震前的1999年）大體一致［21］（圖1a）。在1999年MW7.6臺(tái)灣集集逆斷層地震中破裂了的車籠埔斷層上也開展了類似研究，在集集地震發(fā)生5年之后鉆了2個(gè)貫穿該發(fā)震斷層的鉆孔，其孔壁崩落觀測(cè)結(jié)果表明，地震引起了斷層附近的SHmax方向變化了90°［30-31］。盡管在地震前后JFAST孔并沒有發(fā)現(xiàn)在通過海底下約820m深度的板塊界面時(shí)，應(yīng)力方向發(fā)生了類似的變化，但是下面的分析結(jié)果仍然顯示，在地震前后應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了較大的變化。而在約820m以下，孔壁崩落的缺失也許預(yù)示著應(yīng)力狀態(tài)在穿越板塊界面后的一種變化（圖2）。

最大SHmax和最小Shmin水平應(yīng)力的大小是根據(jù)觀測(cè)到的崩落寬度和測(cè)定的巖石單軸壓縮抗壓強(qiáng)度推斷出來的。在海底下約720m和812m的兩個(gè)孔段處，可測(cè)定出上述兩個(gè)量［16］。假定地下處于安德森應(yīng)力狀態(tài)，垂直應(yīng)力SV已由測(cè)井得到的沉積層密度剖面計(jì)算得到［15］，于是可作如下推斷：在海底下720m處，SV、SHmax和Shmin分別近似等于最大、中等和最小主應(yīng)力（σ1，σ2，σ3）；在812m深度處，如果SHmax要小于垂直應(yīng)力SV的話，那么就會(huì)有些不確定性，即應(yīng)力狀態(tài)接近處于正斷層型和走滑斷層型的邊界上?？傮w上看，這些結(jié)果顯示，在陸楔前緣，震后的應(yīng)力狀態(tài)處于、或者接近處于正斷層型應(yīng)力狀態(tài)（圖2e）。

假設(shè)SV、SHmax和Shmin是3個(gè)主應(yīng)力，則在812m深處的、與820m深處的板塊界面平行的一個(gè)平面上的當(dāng)前剪切應(yīng)力（對(duì)沿板塊會(huì)聚方向的逆斷層運(yùn)動(dòng)）可以應(yīng)用SV、SHmax和接觸面的傾角（約5°）計(jì)算出來。采用SHmax的最大估計(jì)值87MPa，則812m平面上的剪切力在地震之后已經(jīng)非常小了，不足0.3MPa。對(duì)附近板塊界面上的剪應(yīng)力也可推斷出相似的結(jié)果。此外，基于地震前后的安德森應(yīng)力狀態(tài)的假定，根據(jù)近海溝的同震滑動(dòng)分布以及地震期間陸楔前緣的彈性拉長的觀測(cè)結(jié)果［16］，我們推斷，在海底820m塊體接觸面以上SHmax、Shmin和3個(gè)主應(yīng)力平均值的降低量應(yīng)該分別為2MPa、1MPa和1MPa。

在約800～820m深度范圍內(nèi)（單元Ⅱb的底部），巖石的單軸壓縮抗壓強(qiáng)度比821～836m深度范圍內(nèi)（單元Ⅲ，受剪的褐色粘土巖）的巖石相應(yīng)強(qiáng)度要高［16］。然而，在板塊界面以上巖石較強(qiáng)的孔段內(nèi)（而非界面以下較弱的孔段）出現(xiàn)了孔壁崩落，這是很值得關(guān)注的觀測(cè)結(jié)果。通常來講，在大小相似的水平應(yīng)力作用下，在較弱的巖石中更容易發(fā)生崩落，或崩落寬度會(huì)更大些。因此，我們相信，板塊界面以下（單元Ⅲ）的水平應(yīng)力（尤其是SHmax）要比界面以上（單元Ⅱb底部）的水平應(yīng)力小。換言之，水平應(yīng)力的大小在穿過820m深處的斷層時(shí)，可能有比較突然的變化。

基于測(cè)井和巖心中觀測(cè)到的小斷層和層理的方向，增生陸楔前緣部分被認(rèn)為是震前一直處于垂直于海溝方向的壓縮作用之下。斷層和層理的傾角大小是變化的，但是，在690m以下區(qū)域則表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)的逆沖剪切變形特征。陸楔內(nèi)部在所有深度上的層理都具有優(yōu)勢(shì)的北東走向，這反映了沿平行于板塊會(huì)聚方向上的水平收縮和淺層的局部伸展［15］。這些觀測(cè)顯示出在板塊前緣界面的上盤總體結(jié)構(gòu)具有褶皺和逆斷層的特征。日本東北地區(qū)近海大地震前和地震后在JFAST鉆孔點(diǎn)（圖1a中橘色小矩形）以北15km處都布設(shè)過地震反射測(cè)深剖面，兩次剖面資料的對(duì)比分析結(jié)果，也揭示了海溝軸處的形變是板塊界面上的同震滑動(dòng)使淺部受到擠壓而形成的［6］。因此，我們得到如下結(jié)論：陸楔前緣的應(yīng)力已經(jīng)從大震前的逆斷層型應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的正斷層型的、或近正斷層型的應(yīng)力狀態(tài)，現(xiàn)在的SHmax方向近似地平行于板塊會(huì)聚方向。由于地震產(chǎn)生了幾乎完全的剪應(yīng)力降，可以推斷SHmax已經(jīng)從最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)變成了中間主應(yīng)力（圖1c）。一般認(rèn)為，多數(shù)地震的應(yīng)力降是部分應(yīng)力降，但是，本文研究結(jié)果和其他間接測(cè)量或模擬結(jié)果［2，7-8，32］都說明，在這一地區(qū)內(nèi)發(fā)生的非常大的同震滑動(dòng)導(dǎo)致了應(yīng)力狀態(tài)的變化，這表明日本東北地區(qū)近海大地震造成了同震斷層的弱化，并在地震斷層上產(chǎn)生了近乎完全的應(yīng)力降。根據(jù)海洋的水深變化觀測(cè)結(jié)果和反演地震、大地測(cè)量和海嘯數(shù)據(jù)［1，3，5，22-23，32］（圖1a）得到的破裂模型可以推斷，海底同震位移向海溝軸方向是不斷增加的。本文有關(guān)應(yīng)力狀態(tài)變化的發(fā)現(xiàn)與海底同震位移向東不斷增加的研究結(jié)果是一致的。

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2013-07-30。

原題：Stress state in the largest displacement area of the 2011Tohoku-Oki earthquake

（中國地震局地球物理研究所 馮萬鵬 譯，許忠淮 校）

（譯者電子信箱，馮萬鵬：wanpeng.feng＠hotmail.com）