Science：薄且軟弱斷層帶的危險(xiǎn)＊

Kelin WangMasataka Kinoshita

1）Pacific Geoscience Centre，Geological Survey of Canada，British Columbia，V8L4B2Canada

2）Kochi Institute for Core Sample Research，JAMSTEC，Nankoku，Kochi，783-8502Japan

Science：薄且軟弱斷層帶的危險(xiǎn)＊

Kelin Wang1）Masataka Kinoshita2）

1）Pacific Geoscience Centre，Geological Survey of Canada，British Columbia，V8L4B2Canada

2）Kochi Institute for Core Sample Research，JAMSTEC，Nankoku，Kochi，783-8502Japan

中圖分類號(hào)：P315.2；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.04.002

收稿日期：＊2014-06-09。

海洋鉆孔數(shù)據(jù)表明，2011年日本東北地震巨大的切開海溝的破裂是沿著一條薄且軟弱的斷裂帶發(fā)生的。

在2011年3月11日的日本東北地震中，為什么日本海溝板塊邊界斷層滑動(dòng)了數(shù)十米進(jìn)而引發(fā)了毀滅性的海嘯？在斷層的淺部位置發(fā)生巨大錯(cuò)動(dòng)是屬于俯沖帶的一般過程，還是反映了該場(chǎng)地特有的地質(zhì)情況？利用“地球號(hào)”科學(xué)鉆探船和有限的鉆探技術(shù)，日本海溝快速鉆探工程（JFAST）的研究人員已經(jīng)取回了巖石樣本，并通過在發(fā)震斷層區(qū)進(jìn)行測(cè)量尋求答案。他們的發(fā)現(xiàn)經(jīng)由本期的3篇論文予以發(fā)表?；诓煌嵌鹊难芯?，Chester等人在第1208頁[1]，F(xiàn)ulton等人在第1214頁[2]，以及Ujiie等人在第1211頁[3]，都表明發(fā)生巨型錯(cuò)動(dòng)的一個(gè)重要原因是淺層斷裂帶薄且軟弱。

東北地震破裂始于地下約20～30km處，沿著板塊邊界斷裂帶（被稱為巨型逆沖帶）在所有方向上快速傳播，最終演變?yōu)?級(jí)地震（圖1）。根據(jù)多種觀測(cè)，在海溝及其附近的最大滑動(dòng)超過了50m。巨大淺層滑動(dòng)造成了巨型逆沖帶之上傾斜的海底向東部跳躍，從而引發(fā)海水的突然擾動(dòng)而產(chǎn)生巨大的海嘯。

斷層滑動(dòng)的速率變化范圍很大。地震破裂或地震滑動(dòng)是速率最大的斷層滑動(dòng)。傳統(tǒng)看法認(rèn)為，巨型逆沖帶的俯沖塊體的最淺層部分可抵抗地震破裂，因?yàn)殡S著滑動(dòng)速率的增加，其摩擦強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)（速率強(qiáng)化）[4]。地震引起的滑動(dòng)被認(rèn)為開始于一個(gè)較深的區(qū)域（圖1），該區(qū)域隨著滑動(dòng)速率的減弱，其摩擦強(qiáng)度也減?。ㄋ俾嗜趸?，并且當(dāng)它向海溝傳播時(shí)，摩擦強(qiáng)度會(huì)變得更小。這個(gè)模型是由在許多俯沖帶的觀測(cè)所得到的，例如在蘇門答臘島[5]，在這些地震中，地表破裂往往小于深部的滑動(dòng)，這與在許多陸地地震中所見到的類似。在日本東北地震中出現(xiàn)的巨大淺層滑動(dòng)則令人感到意外。

關(guān)于日本海溝淺部的巨型逆沖帶有不同的假設(shè)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，滑動(dòng)速率逐漸減弱的地震帶一路延伸至海溝。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，雖然淺層巨型逆沖帶存在滑動(dòng)速率強(qiáng)化，但不能抵抗來自斷裂帶較深部位的巨大滑動(dòng)[4，6]。第三種觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)滑動(dòng)緩慢時(shí)存在速率強(qiáng)化，但如果滑動(dòng)加速達(dá)到引發(fā)地震的速率（約1 m/s）時(shí)，滑動(dòng)摩擦就會(huì)變?nèi)鮗7]。在最近的實(shí)驗(yàn)室?guī)r石摩擦力實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)不同的巖石進(jìn)行測(cè)試，都出現(xiàn)了這種高速弱化現(xiàn)象，不同的機(jī)理被提出以解釋這種現(xiàn)象[8]。與第三種觀點(diǎn)類似但不涉及高速滑動(dòng)的觀點(diǎn)，是有條件的穩(wěn)定的設(shè)想，它認(rèn)

為一些速率強(qiáng)化的斷層在滑動(dòng)速率發(fā)生小的突然增加時(shí)，會(huì)變?yōu)樗俾嗜趸?。JFAST的發(fā)現(xiàn)使我們更加接近確定哪一種觀點(diǎn)是正確的。

圖1　探索一個(gè)巨大破裂帶。日本東北地震是有記錄以來的單個(gè)地震發(fā)生斷層滑動(dòng)最大的一次（約50 m甚至更大）。為了研究地震發(fā)生的地質(zhì)機(jī)理，JFAST在水深7 km下的巨型逆沖帶上進(jìn)行鉆孔。Chester等人的研究結(jié)果表明，斷裂帶較?。s5 m），比其他觀測(cè)到的俯沖帶薄，且由軟弱的粘土構(gòu)成[1]。Ujiie等人發(fā)現(xiàn)斷層帶的物質(zhì)在地震滑動(dòng)速率下變得更加軟弱[3]。Fulton等人報(bào)告了鉆孔溫度異?，F(xiàn)象表明了非常低的摩擦應(yīng)力[2]。這些研究結(jié)果表明了淺層薄弱斷層促使海溝裂口的巨大滑動(dòng)發(fā)生

通過分析巖芯樣本，結(jié)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔進(jìn)行地質(zhì)測(cè)量，Chester等人發(fā)現(xiàn)斷層區(qū)不到5m厚，比其他現(xiàn)代或者古代的俯沖帶都薄[9]。發(fā)生剪切的地點(diǎn)正是由于一層沿著斷層發(fā)育的薄弱粘土層所導(dǎo)致。東北地震的真正走滑區(qū)就發(fā)生在這個(gè)粘土斷層帶，且只有幾毫米到幾厘米的厚度[10]。JFAST僅取回了60%的粘土斷層中的巖芯樣本，且可能錯(cuò)過了東北地震的滑動(dòng)帶。然而，通過開展有效樣本的摩擦實(shí)驗(yàn)，Ujiie等人發(fā)現(xiàn)，如果把粘土放到一個(gè)0.8mm厚的區(qū)域中，然后由地震促發(fā)滑動(dòng)，尤其是如果孔隙流體在滑動(dòng)中不易擴(kuò)散時(shí)，這種軟粘土?xí)兊酶沎3]。通過在附近進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，F(xiàn)ulton等人發(fā)現(xiàn)，由東北大斷裂摩擦產(chǎn)生的總熱量是非常少的，毫無疑問，在地震中使淺層巨型逆沖帶變得脆弱[2]。Lin等人以前基于JFAST鉆孔觀測(cè)開展的應(yīng)力分析[11]，也與上述的軟弱板塊研究結(jié)果一致。

板塊邊界斷層存在軟弱現(xiàn)象早已被認(rèn)識(shí)到。日本東北地震導(dǎo)致上盤應(yīng)力由壓縮到拉伸的逆轉(zhuǎn)[12]，這充分證實(shí)了關(guān)于日本海溝

巨型逆沖帶的一個(gè)較早的觀點(diǎn)，即其強(qiáng)度是極低的[13]。JFAST的研究結(jié)果不僅解釋了為什么淺層巨型逆沖帶如此脆弱的地質(zhì)原因，而且表明了它可能在9級(jí)地震中變得更加脆弱。地震破裂沿著極其薄的走滑帶發(fā)生[10]，軟弱的粘土層使得斷裂帶變得非常薄，從而為地震破裂的發(fā)生提供了結(jié)構(gòu)條件。關(guān)于日本海溝淺層巨型逆沖帶的第三種觀點(diǎn)如上所討論，低速?gòu)?qiáng)化但高速弱化，可以解釋為什么巨大淺層滑動(dòng)在日本東北地震中不會(huì)沿著海溝隨處發(fā)生，以及也不是在過去每一次孕震區(qū)破裂中都存在的原因。

JFAST在水深7km深處進(jìn)行鉆孔在技術(shù)上非常有挑戰(zhàn)性，其成果是顯著的。即使有“地球號(hào)”這艘僅有的能在如此水深鉆探的科學(xué)鉆探船，鉆孔深度也僅能達(dá)到巨大破裂帶的最淺層部分（圖1），并且目前為止僅完成了一個(gè)地點(diǎn)。在日本東北地震中，盡管巨大的走滑發(fā)生在海溝地帶，但是，是否滑動(dòng)的最大值就是位于海溝地帶，或者位于海溝向陸地一段距離的位置，且為什么在向海45km的上盤處沒有發(fā)生余震等問題，仍然不得而知[14]。因此需要進(jìn)一步研究，以確定斷層活動(dòng)隨著深度的變化以及沿著海溝橫向變化的情況。

就板塊邊界地球動(dòng)力學(xué)和海嘯災(zāi)害而言，一個(gè)重要的問題是，東北地震類型的大型淺層滑動(dòng)是否具有普遍性。Chester等人認(rèn)為，在日本海溝的淺層巨型逆沖帶具有在其他俯沖帶區(qū)域并不多見的特殊的性質(zhì)[1]。Ujiie等人表示，在日本西南部的南海海槽斷裂帶物質(zhì)中，其所含的粘土含量低，并不會(huì)像日本海溝那樣脆弱[3]。

JFAST的研究數(shù)據(jù)顯示，通過直接鉆孔采樣和監(jiān)測(cè)，可以幫助闡明淺層巨型逆沖帶的滑動(dòng)行為。其他正在進(jìn)行的以及即將開展的巨型逆沖帶鉆孔項(xiàng)目的研究，例如在日本南海和哥斯達(dá)黎加近海的鉆探項(xiàng)目，將開展不同俯沖帶的對(duì)比研究。然而，在研究斷裂帶淺層區(qū)域的同時(shí)，科學(xué)家們必須認(rèn)識(shí)到，即使沒有發(fā)生像東北地震那樣的巨大淺層滑動(dòng)，俯沖帶地震也可能引發(fā)毀滅性的海嘯，如發(fā)生在2004年的蘇門答臘島和2010年智利的海嘯。

文獻(xiàn)來源：Wang K，Kinoshita M.Dangers of being thin and weak.Science，2013，342（6163）：1178-1180.doi：10.1126/science.1246518

（福建省地震局 王林 譯， 黃宏生 校；中國(guó)地震局地球物理研究所 王輝 復(fù)校）

（譯者電子信箱，王林：wl＿0117@163.com）

參考文獻(xiàn)

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