超巨大地震發(fā)生前后的重要地震活動

小山順二 都筑基博

論 文

超巨大地震發(fā)生前后的重要地震活動

小山順二 都筑基博

世界地震譯叢

2011年東北近海MW9.0巨大逆沖地震發(fā)生后，在整個日本列島觀測到數(shù)千個內(nèi)陸和火山地震，這些地震并不僅限于發(fā)生在東北地區(qū)太平洋海岸近海的余震區(qū)內(nèi)。這提醒我們評估地震活動時思路要更寬，要去掉前震 主震 余震活動僅限于特定地震有限余震區(qū)內(nèi)的普通想法。在最近的100年中，全球發(fā)生了幾個巨大逆沖斷層地震。根據(jù)我們的地震發(fā)生區(qū)在沿傾向雙段（ADDS）和沿走向單段（ASSS）之間明顯不同的新假設(shè)，我們研究了地震前后的重要地震事件。總體來說，沿傾向雙段巨大逆沖斷層的一些重要余震（大于MW7.5）發(fā)生于板塊外側(cè)隆起區(qū)及其附近（Ⅰ類），其中有些是傾滑正斷層作用，有些是俯沖海洋板塊內(nèi)具有正斷層分量的走滑斷層作用。這些板塊外側(cè)隆起區(qū)的地震被認(rèn)為是受巨大逆沖斷層板塊耦合作用減弱，引起的海洋板塊下降板片的板片拉力控制。此外，有些沿余震區(qū)內(nèi)板塊邊界和類似余震區(qū)擴展到相應(yīng)巨大逆沖斷層的地震也很重要（Ⅱ類）。另一方面，沿走向單段的余震發(fā)生在相同余震區(qū)及其附近，而且重要的或災(zāi)難性的板塊外側(cè)隆起區(qū)地震很稀少。已知沿傾向雙段和沿走向單段的巨大逆沖斷層也有一些大（不重要）的內(nèi)陸地震。所有這些結(jié)果均不取決于俯沖幾何形狀是否是斜向的還是正交的。

巨大逆沖斷層地震 沿傾向雙段 沿走向單段 重要余震 外側(cè)隆起區(qū)地震

0 引言

科學(xué)的進步歸根結(jié)底來說就是驗證假說的過程（ポランヵレ，1959）。將來的地震觀測研究計劃也是這樣。在發(fā)生超巨大地震時，我們一般都會考慮沿傾向雙段（ADDS）和沿走向單段（ASSS）兩種情況（Yomogida etal，2011；Koyamaetal，2012；小山·都筑，2013）。

一直以來，對于大地震活動都是基于包含若干地震斷裂帶及相鄰斷裂帶范疇，以前震—主震—余震活動進行評價（例如，宇津，2001）。并且隨著地震觀測網(wǎng)的升級和地震發(fā)生過程的研究進展，余震被認(rèn)為是為緩和主震斷層破壞引起的集中在局部的應(yīng)力而在斷層面上或斷層周圍產(chǎn)生的活動（例如，Yagietal，2004）。特別是應(yīng)用古登堡—里克特關(guān)聯(lián)式定律與大森定律（宇津，2001）等結(jié)合上述觀點，甚至可以預(yù)測大地震中重要余震的發(fā)生概率（地震調(diào)査研究推進本部，1998）。

圖1 位于日本及其鄰近區(qū)域的地震活動，地震分段引自網(wǎng)站http：// www.jishin.go.jp/main/p-hyoka02-kaiko.htm，由地震調(diào)查研究推進本部給出。圖中黃色符號表示從1950年到2010年發(fā)生的5.9級以上、震源深度小于61km的地震，且這些地震是由日本氣象廳確定的，日本附近的海溝和海槽由紅色曲線表示（原圖為彩色圖——譯注）。下一次估計發(fā)生的大地震的區(qū)域為粉紅色曲線包圍的區(qū)域，2011年日本東北近海發(fā)生的大型逆沖地震，其破裂區(qū)域用實心橢圓表示，這次地震沿傾向雙段很明顯，在南海海槽中可以發(fā)現(xiàn)沿走向單段現(xiàn)象，還可以觀察到最近發(fā)生的小地震活動，這些地區(qū)通常被稱為地震空區(qū)。該圖復(fù)制于Koyama等（2012）中的圖1

但是，2011年3月11日發(fā)生在日本東北近海的超巨大地震，不但破壞范圍幾乎遍及太平洋海域靠近日本島的所有地震斷裂帶，甚至使日本全國內(nèi)陸及火山性地震活動增強（國土地理院，2012）。對于如此大范圍的地震活動，無論在概率層面還是經(jīng)驗層面都無法進行評價。2011年日本東北近海的超巨大地震給我們的啟示是：超巨大地震不能像往常一樣以若干狹長斷裂帶內(nèi)的地震活動來定義前震—主震—余震這種以時間為基準(zhǔn)的地震序列，而是要以超巨大地震的發(fā)生時間為基點，考慮在此基點前和基點后發(fā)生了什么樣的大范圍的重要地震活動。此外，超巨大地震還會在遠離震源區(qū)的較大范圍內(nèi)激發(fā)多起誘發(fā)型地震。

因此，如圖1所示，此次日本東北近海的超巨大地震是由沿太平洋板塊俯沖方向的兩條沿傾向雙段在島弧沿線和海溝沿線之間的雙重帶狀區(qū)域發(fā)生的。與其相比，在沿南海海槽的南海道—東南海道—東海的區(qū)域范圍內(nèi)，地震斷裂帶從海溝到島弧的區(qū)間作為地震空區(qū)段沿俯沖帶呈一系列帶狀相連并排分布。我們所說的超巨大地震發(fā)生時的沿傾向雙段和沿走向單段，指的就是這類地震活動的地域性。

此類沿溝槽俯沖帶走向的一重、二重帶狀地震活動帶的存在，并不是日本附近特有的現(xiàn)象。有人指出1952年堪察加地震和1961年阿拉斯加大地震都是沿傾向雙段型，1960年和2010年的智利地震為沿走向單段型（Koyamaetal，2012）。也就是說，在沿走向單段型的超巨大地震中，地震活動區(qū)域從海溝到俯沖帶的寬度很窄，地震斷裂帶為寬度小于長度的細長區(qū)域。同時，俯沖帶的耦合區(qū)域沿這種海溝至俯沖帶的方向整體擴展，使得整個板塊形成地震空區(qū)。地震發(fā)生時代表震源破裂圖像的凹凸體會向包括此類地震空區(qū)的全部耦合區(qū)域傳播（Morenoet al，2010）。另一方面，在沿傾向雙段型超巨大地震活動中，地震活動區(qū)域的寬度與長度比為1:2，真實反映出強耦合的區(qū)域為沿海溝的地震斷裂帶。超巨大地震前的地震活動就是由于島孤和大陸沿線的地震斷裂帶中耦合區(qū)域的破壞被激發(fā)引起的。但是，一旦沿海溝的真正強耦合區(qū)域的地震斷裂帶未激發(fā)，那么整體地震活動就會因缺少沿海溝區(qū)域活動而呈現(xiàn)圓環(huán)狀（Mogi，1969）。所以，代表真正強破壞地震發(fā)生時的震源破裂圖像的凹凸體模型僅局限在沿海溝的地震斷裂帶（RuffandKanamori，1983；Koketsu etal，2011）。這種想法表明：在近期研究的地震活動中存在沿俯沖帶水平方向的變化（Along-strikeVariability）（Freymuelleret al，2008；Haririetal，2013），除此之外，在板塊擠入方向也產(chǎn)生多種變化。同樣的主張，最近由Kopp（2013）從板塊邊界沉積層進化的性質(zhì)角度出發(fā)進行了討論。

本研究以比較的方式對近年來超巨大地震發(fā)生前后的地震（MW＞7.5）和破壞情況進行調(diào)查，針對以沿傾向雙段/沿走向單段假說為表現(xiàn)特征的地震活動性質(zhì)進行闡述。本研究不局限于上述的地震空間性特征，而是對比地震前后的重要地震活動的差異，就差異的成因沿傾向雙段/沿走向單段進行判斷，并以此作為基本思路進行的。此研究指出了未來可能發(fā)生像2011年日本東北近海超巨大地震那樣特大余震的性質(zhì)，解釋了世界超巨大地震發(fā)生的成因，在預(yù)防地震災(zāi)害方面意義重大。

圖2 世界巨大逆沖地震在分段方面的變化（沿走向單段，即ASSS或是沿傾向雙段，即ADDS）。俯沖帶的幾何形狀（垂直或斜交碰撞）以及碰撞類型：與大陸板塊或大陸邊緣（島弧）碰撞，實心圓表示典型大地震和它們發(fā)生的年份，星號表示未來可能發(fā)生在北海道、南海海槽和加拿大喀斯喀特俯沖帶的大型地震。該圖復(fù)制于Koyama等（2012）中的圖7

對于2重構(gòu)造的沿傾向雙段型的地震活動已有不少同類的研究，比如Heki等（1997）明確了日本東北太平洋近海的地震發(fā)生后的半年里，斷層向日本海溝方向滑移加大的事實。此外Tanioka等（1997）發(fā)現(xiàn)，與沿海溝地帶的無震的現(xiàn)象以及海嘯地震相對應(yīng)，內(nèi)陸深層區(qū)域會產(chǎn)生普通地震活動。在數(shù)值計算方面，Wang和Hu（2006）指出，在近海溝外楔（無震）和更深區(qū)域內(nèi)楔（地震）處，應(yīng)力場的表現(xiàn)形式是不同的。但是，日本東北近海的超巨大地震給我們的啟示是：我們向來認(rèn)為沿海溝區(qū)域具有耐震性質(zhì)，且該區(qū)域的非地震性滑動屬于應(yīng)變釋放，但現(xiàn)在看來，這一區(qū)域也可能存在很大的應(yīng)變積累，時機一到，就會成為超巨大地震的導(dǎo)火索（TsuzukiandKoyama，2013）。1964年的阿拉斯加地震就是這種被認(rèn)為是耐震安全閥的近海溝區(qū)域因應(yīng)變大量積累而發(fā)展成的超巨大地震（Yomogidaetal，2011；Koyamaetal，2012）。此外，也有人指出，東北近海的日本海溝和南海溝槽的前弧楔形結(jié)構(gòu)在地質(zhì)學(xué)上存在著差異（岡村，2012）。這恰恰驗證了我們所提出的觀點，即俯沖帶存在沿傾向雙段/沿走向單段的差異，必須以全新視點來關(guān)注地震活動。

這一觀點指出，必須留意圖2中星號標(biāo)示的可能發(fā)生地震活動的北海道（沿傾向雙段）、南海道和加拿大喀斯喀特山脈（沿走向單段）區(qū)域，對俯沖帶的耦合狀態(tài)和地震活動變化也要進行密切觀測。

在這里，僅限于重要地震（MW＞7.5）是為了保證在評價時不落掉任何史上MW約為8以上的超巨大地震。超巨大地震被認(rèn)為是一種復(fù)雜的斷層破壞，即除了單一或相鄰地震斷裂帶內(nèi)產(chǎn)生的破壞，還伴有許多小規(guī)模的非均質(zhì)區(qū)域的破壞（Koyama，1997）。但本文所說的超巨大地震，是指MW在9以上的巨型地震，即在以往MW約為8級非均質(zhì)地震斷裂帶的斷層面上，以復(fù)數(shù)運動產(chǎn)生破壞的超巨大地震。超巨大地震的產(chǎn)生過程揭示了震源所處的非均質(zhì)區(qū)域的規(guī)模及其在分層結(jié)構(gòu)上的不同。超巨大地震不僅發(fā)生在小規(guī)模的斷層面非均質(zhì)構(gòu)造中，還涉及與斷層破壞區(qū)相鄰的為數(shù)眾多的地震斷裂帶，每個地震斷裂帶（MW約為8的地震斷層）都顯示出其自身的斷層破壞，在時間方面也會在地震發(fā)生時伴隨著長周期的破壞過程。（Layetal，2005；SteinandOkal，2007）。

1 沿傾向雙段型超巨大地震前后的廣泛區(qū)域內(nèi)的重要地震

探究超巨大地震后發(fā)生的重要地震（MW＞7.5）具有什么樣的性質(zhì)，這一最初想法是由Kanamori（1972）提出的。其假說如下：1896年，在日本東北地區(qū)的三陸近海板塊交界處發(fā)生了明治三陸海嘯地震（Mt①M：美國地質(zhì)調(diào)查局/氣象廳發(fā)布的面波震級。MW：美國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的矩震級。Mt：海嘯級。http：//earthquake.usgs.gov/earthquakes/world/historical-country.php8.6）。此次地震減弱了板塊間的耦合，并因日本海溝附近板塊外側(cè)隆起地區(qū)斷層發(fā)生破裂，從而引發(fā)了1933年三陸的正斷層地震（MW8.4）。本研究將此類發(fā)生順序、發(fā)生地點和發(fā)生機制的地震活動統(tǒng)稱為Ⅰ類地震活動。這兩次地震都引起了大型海嘯，給三陸海岸造成了巨大災(zāi)害。2011年東北近海超巨大地震的最大余震恐怕也同樣是因斷層上升引起的正斷層型地震（Layetal，2011）。由于板塊外側(cè)隆起引起的地震很少發(fā)生，目前沒有相關(guān)手段能通過觀測預(yù)兆來預(yù)測東北近海板塊外側(cè)隆起而引發(fā)的地震，所以只能先調(diào)查世界范圍內(nèi)的超巨大地震前后所發(fā)生的大型地震都具有什么樣的性質(zhì)。

圖3 星號代表1964年阿拉斯加MW9.2逆沖型地震和1987年阿拉斯加近海MW7.8地震的震中，空心圓表示2002年迪納利MW7.9地震的震中。1987年地震的全球矩心矩張量解顯示在下半球。該機制解來自網(wǎng)站http：// earthquake.usgs.gov/earthquakes/world/historical-country.php＞。震源機制球上的黑色和白色區(qū)域代表P波運動的拉伸和壓縮區(qū)域。粗的破裂曲線包圍區(qū)域為1964年地震的余震區(qū)。箭頭指示太平洋板塊沿著西經(jīng)150。方向的運動，其中在加拿大西部的夏洛特皇后區(qū)為北北西方向，到阿留申島弧幾乎變?yōu)檎鞣较颍ㄔ瓐D為彩色圖——譯注）

1.1 1964年阿拉斯加地震

1964年3月28日發(fā)生的阿拉斯加MW9.2地震，是由于太平洋板塊在位于阿拉斯加半島處形成幾乎垂直俯沖的地震帶，從而引發(fā)了沿傾向雙段型地震（Yomogidaet al，2011；Koyamaetal，2012）。地震斷層寬達300km，長達500km（Layetal，1982）。像這種板塊沿海溝軸垂向俯沖的說法，是與斜向俯沖相對應(yīng)的，并不意味著板塊相交時的夾角真正達到90度。在1964年阿拉斯加地震的震源區(qū)附近，MW7.0以上的前震活動不僅局限于美國地質(zhì)調(diào)查局所記錄的內(nèi)容，除去后面將要提到的1957年安德烈亞諾夫群島地震和1965年拉特島地震的震源區(qū)域外，阿拉斯加地震發(fā)生后，其周邊地區(qū)又發(fā)生5次大型地震（MW7.0以上）。其中公認(rèn)最大的一次地震發(fā)生在1987年11月30日，震級為MW7.8（圖3）。此次地震是由阿拉斯加海溝處的板塊外側(cè)隆起引起，發(fā)生在離海溝處略遠的海中太平洋板塊內(nèi)部，震源機制解為具有正斷層成分的走滑型地震。2012年11月3日，沿阿拉斯加半島內(nèi)部的迪納利斷層又發(fā)生了MW7.9的迪納利地震。由此可見，這兩次地震都是在1964年阿拉斯加地震后發(fā)生的，而且是發(fā)生在廣擴震源區(qū)周邊的重要大型地震。

從1964年阿拉斯加地震的斷層滑動可知拉張軸（T軸）的方向為N24。W（Kanamori，1970）。由于當(dāng)時的觀測點數(shù)目很少，所以不期望這一結(jié)果能達到現(xiàn)在的觀測精度，但也能看出T軸幾乎趨近垂直于海溝軸。1987年地震機制解（圖3）的T軸為N50。W。與阿拉斯加地震的滑動方向綜合起來分析，可得出具有正斷層成分的走滑型地震這一結(jié)論。

在發(fā)生該地震的太平洋板塊處，呈南北走向的地球磁場線被沿東南、西北方向切斷，形成可見的破碎帶構(gòu)造（Fowler，2005）。美國地質(zhì)調(diào)查局給出的周邊大型地震也呈南北帶狀分布①http：//pubs.usgs.gov/of/2010/1083/b/。這種具有正斷層型成分的走滑型地震可能是板塊交界處因大型地震的發(fā)生使得板塊間耦合減弱，造成了俯沖板塊在拉力的作用下（Kanamori，1972；ChristensenandRuff，1988）外側(cè)隆起，從而引起了海洋地震。但是因板塊外側(cè)隆起引起的正斷層型地震也可認(rèn)為是因俯沖板塊的變型引起的（Stauder，1968）。這一點會在后面重新討論。

此外，也有人認(rèn)為此類地震并不是超巨大地震的余震或誘發(fā)地震，而是俯沖板塊內(nèi)部分裂的結(jié)果。這一觀點，在之后的2004年蘇門答臘地震的研究項目中再一次被提出并討論。本文中，板塊外側(cè)隆起周邊區(qū)域的地震機制解是以俯沖拉力為主要因素的走滑型（Strike-slip）地震，還是正斷層型（Dipslip）地震，要根據(jù)俯沖的海洋板塊的構(gòu)造性質(zhì)來判斷。因此，由地震規(guī)模來判斷所列舉的阿拉斯加地震后的最大余震中，1987年因板塊外側(cè)隆起引起的海洋地震（Ⅰ類）是具有正斷層成分的走滑型地震。2002年的迪納利地震與其規(guī)模相同，是沿阿拉斯加半島內(nèi)陸的迪納利大斷層發(fā)生的右旋走滑型地震。迪納利斷層從加拿大西端一直延伸到阿拉斯加半島內(nèi)部，呈西北—西—西南走向的巨大弧形。這個斷層的產(chǎn)生，被認(rèn)為是以加拿大西海岸的夏洛特皇后群島右旋走滑斷層為輪廓的太平洋板塊東部區(qū)域的偏西角部分俯沖進阿拉斯拉半島造成的②http：//www.aeic.alaska.edu/html-docs/faq.html。迪納利地震到底是1964年阿拉斯加地震的誘發(fā)地震，還是周邊應(yīng)變蓄積所造成的呢？由于此次地震與1964年的阿拉斯拉地震相距久遠，位于內(nèi)陸，周圍的地殼構(gòu)造錯綜復(fù)雜，所以無法做出判斷。

1.2 2004年蘇門答臘地震

2004年12月26日，沿蘇門答臘海槽，從蘇門答臘半島近海至尼科巴—安達曼群島發(fā)生了MW9.3的超巨大地震。該地震的破壞區(qū)覆蓋了震中附近的蘇門達臘半島近海的地震活動帶，斷層長達420km，寬達240km，破壞波及范圍遠至尼科巴—安達曼群島附近的地震活動帶，造成長達570km、寬達160km的破壞，整個地震造成的斷層破壞長達1300km（Layetal，2005）。2012年4月11日，在蘇門答臘島近海的板塊外側(cè)隆起區(qū)域又發(fā)生了MW8.6的大地震。該地震同1987年的阿拉斯加近海地震一樣，也具有正斷層性質(zhì)，是因板塊外側(cè)隆起而造成較遠的印度—澳大利亞板塊內(nèi)部發(fā)生走滑型地震。目前，該地震連同2005年3月28日尼亞斯島附近的MW8.6地震（在2004年震源區(qū)東南部造成與主震破壞方向相反的震源區(qū)擴大）一起，成為2004年蘇門答臘—安達曼地震后，震源區(qū)周圍發(fā)生的最大規(guī)模的地震（圖4）。

在2004年蘇門答臘—安達曼地震震源區(qū)附近的前震活動中，震級M1）達7.0以上的僅有1941年MW7.5和2002年MW7.3這兩次地震。從主震前所包含小型地震活動來看，在產(chǎn)生初期破壞的蘇門答臘島近海的主震震源區(qū)附近，地震活動頻繁；當(dāng)斷層破壞繼續(xù)延伸形成極為細長的形狀并終止于尼科巴—安達曼群島周圍，這里在主震發(fā)生前幾乎沒有地震活動（Layetal，2005）。前面已經(jīng)提到過，主震震源區(qū)斷層的長寬比為2: 1，當(dāng)斷層延伸到尼科巴—安達曼群島附近時，其長寬比為3.5:1。后者顯示出沿走向單段型地震活動的特征。此外，在主震震源區(qū)東南側(cè)發(fā)生了2005年尼亞斯島附近的最大余震，震級達MW8.6，但引發(fā)的海嘯較小。這一現(xiàn)象通過觀察同一地震的余震活動區(qū)域便可解釋：該地震的斷層破壞向俯沖帶深處延伸，所引起的海底地殼變動不大，所以引發(fā)的海嘯也較小。從谷岡·Gusman（2012）的圖5來看，1907年的蘇門答臘地震（Kanamorietal，2010）發(fā)生在2005年尼亞斯島附近地震的靠海槽一側(cè)，屬于海嘯地震。此外，在其東南方于2007年9月12日發(fā)生了明古魯?shù)卣穑∕W8.4），之后又在附近沿海槽區(qū)于2010年10月25日發(fā)生了明打威海嘯地震（MW7.8），這兩次地震沿俯沖的傾角方向并行。這些現(xiàn)象表明，此區(qū)域的所有地震活動都是雙重地震活動帶作用下的沿傾向雙段型地震活動。因此，2004年蘇門答臘地震的震源附近的蘇門答臘島近海的地震活動帶，被認(rèn)為具有沿傾向雙段型地震活動的特征，而當(dāng)斷層破壞延伸到尼科巴—安達曼群島附近時，則被認(rèn)作是沿走向單段型地震活動。在尼科巴—安達曼群島周圍，2004年蘇門答臘地震的大型余震僅有兩次，發(fā)生的時間分別是2009年8月10日和2010年6月12日（都為MW7.5），震級在MW7.6以上的重要地震沒有發(fā)生過。

圖4 實心圓表示1976年1月1日到2012年4月12日沿蘇門答臘海溝發(fā)生的大型地震，這些地震的矩震級MW在6.9以上，深度小于61km。其中，重要地震如：2004年蘇門答臘MW9.3地震、2005年MW8.6尼亞斯地震、2007年明古魯MW8.5地震和最新的2012年4月11日蘇門答臘近海MW8.6地震等，均用顏色來表示。全球矩心矩張量解與圖3類似（原圖為彩色圖——譯注）

在印度—澳大利亞板塊傾斜俯沖的這一區(qū)域，以及在斜向俯沖的島弧帶，發(fā)生了與海溝軸幾乎垂直的低角度位移的逆斷層型地震（Layetal，2005；SteinandOkal，2007；小山·他，2012）。2012年4月地震的機制解為T軸朝向2004年蘇門答臘地震滑移方向（西北方向）的具有正斷層成分的走滑型。在這周圍的印度—澳大利亞板塊內(nèi)，分布著為數(shù)眾多幾乎呈南北走向的古代海嶺，與1987年阿拉斯加近海地震一樣，其機制解被認(rèn)為是先因2004年的超巨大地震造成板塊間的耦合減弱，后因俯沖基巖張裂而形成了地震。也就是說，因2004年蘇門答臘地震引起周圍板塊外側(cè)隆起進而引發(fā)的2012年大型地震與1987年阿拉斯加近海的地震一樣屬于Ⅰ類地震活動，是具有正斷層成分的走滑型地震。

圖5 2011年日本東北近海特大逆沖地震之后發(fā)生的大型地震，以及迄今為止發(fā)生的兩次最大的余震。其余部分與圖3一致（原圖為彩色圖——譯注）

最近Yue等（2012）和Royer（2012）認(rèn)為：2012年4月的蘇門答臘半島近海的地震活動是由于印度板塊和澳大利亞板塊各自的傳播速度不同所導(dǎo)致，也許并不是印度—澳大利亞板塊已經(jīng)開始分裂的證據(jù)。但是，不論1964年阿拉斯加地震的余震還是此次地震，兩者都屬于海嶺或破碎帶造成的復(fù)雜海洋板塊內(nèi)部的地震活動。這種復(fù)雜的板塊構(gòu)造代表著板塊的分裂？還是復(fù)雜構(gòu)造的脆弱性導(dǎo)致地震在此部位發(fā)生？這將在以后進行分析討論。無論如何，由超巨大地震造成的板片拉張導(dǎo)致了與俯沖海洋板塊內(nèi)部構(gòu)造關(guān)系密切的走滑型地震。

2005年的尼亞斯島地震是2004年蘇門答臘地震震源區(qū)直接向南擴展所造成的最大余震。這類因震源區(qū)域擴張而產(chǎn)生的余震活動，我們?nèi)匀话凑諔T例將其稱作Ⅱ型地震活動。

1.3 2011年日本東北近海地震

2011年3月11日，在太平洋板塊與相鄰俯沖帶接近垂直相交處，發(fā)生了震級達MW9.0的日本東北近海地震。該地震對幾乎所有位于日本東北地區(qū)的太平洋近海的地震活動帶都產(chǎn)生了連動破壞，形成了200km×500km的震源區(qū)。如圖1所示，該地震為典型的沿傾向雙段型地震活動。截止目前（2012年11月13日），大型的余震有兩次，一次是在主震當(dāng)日3月11日茨城縣近海震級為MW7.7的余震，另一次是在宮城縣近海的板塊外側(cè)隆起處發(fā)生的震級為MW7.5的余震。茨城縣近海的余震是使余震震源區(qū)擴大的Ⅱ類地震活動。MW7.5的余震機制解為正斷層型（圖5）。后者的地震機制解和震源位置都與1933年的三陸海嘯地震和地震發(fā)生時的模式非常相似，雖然說地震的規(guī)模相對要小得多，但也屬于Ⅰ類地震活動。當(dāng)然，1896年明治三陸海嘯地震屬于時間常數(shù)較長的慢地震（Kanamori，1972）。此次的2011年日本東北近海地震雖說也可能伴有緩慢斷層破壞（參見Koperet al，2012），但最主要的還是發(fā)生在沿海溝槽的大型凹凸體的破壞（參見Koketsuetal，2011）。由此可見，2011年日本東北近海地震與1896年明治三陸海嘯地震相比，發(fā)生的性質(zhì)不同，規(guī)模也更大，但不能否定未來會因板塊拉升而引發(fā)更大規(guī)模的正斷層型的余震。若Kanamori（1972）所提出的觀點是正確的，參考1964年阿拉斯加地震后的1987年阿拉斯加近海地震，那么至少在今后三十多年的時間里都要防備大型余震的發(fā)生。

三陸近海不僅僅發(fā)生了1896年的海嘯地震，還發(fā)生了1793年的寬政地震（M8.0～8.4）、1611年慶長的海嘯地震（M8.1）、869年貞觀地震（M8.3）（圖6），海嘯造成的災(zāi)害極其嚴(yán)重。但是，在這些地震發(fā)生之后，迄今為止還未發(fā)現(xiàn)帶來重大災(zāi)害的大型余震、板塊外側(cè)隆起導(dǎo)致的余震、以及因余震而引起的海嘯。規(guī)模較小的地震和附近小規(guī)模的海嘯在歷史上都有記錄，那么若發(fā)生大型災(zāi)害性地震或海嘯，也一定會被記錄下來。也就是說，1896年明治三陸地震后的1933年昭和三陸地震很可能是這一區(qū)域發(fā)生的具有特異性的板塊外側(cè)隆起地震，而2011年日本東北近海超巨大地震比以往的任何地震都要劇烈（圖6），所以它的最大余震規(guī)模也應(yīng)該非常大（Layetal，2011）。板塊外側(cè)隆起的詳細地震活動調(diào)查和地殼變動觀測方面的數(shù)據(jù)是我們非常需要的，但非常遺憾，無論是2011年震后余震觀測裝置還是震后開始籌劃的常規(guī)性近海觀測網(wǎng)的配備中，都不包含對板塊外側(cè)隆起的觀測（日野，2012），其重要性還未被認(rèn)知。最近新的觀測計劃（防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所，2013）才將此點納入其中。

圖6 利用海底測深法得到的日本東北近海地區(qū)的海嘯源區(qū)草圖。其中還給出了2011年日本東北近海巨大逆沖斷層地震（hayashietal，2011）、1869年M8.3貞觀海嘯地震（Namegayaetal，2010）、1611年M8.1慶長地震（Hatori，2000）、1793年M8.0～8.4汗西地震（Hatori，2000）、1896年M8.6明治三陸海嘯地震（Hatori，2000）和1933年M8.4昭和三陸地震（Hatori，2000）

圖7 堪察加半島附近的大型地震活動。圖中標(biāo)出了面波震級M和矩震級MW。據(jù)Johnson和Satake（1999）的圖1修改結(jié)果

補充一下，1896年明治三陸地震兩個月后，在內(nèi)陸發(fā)生了震級為M7.2的陸羽地震。此外，1897年8月5日在釜石近海發(fā)生了震級為M7.7的地震，屬于Ⅱ類的余震活動。我們來看2011年日本東北近海超巨大地震的一系列地震活動，在其震源區(qū)附近的內(nèi)陸地區(qū)發(fā)生了2008年巖手—宮城內(nèi)陸地震，震級為MW7.2。但是，在圖6中所列舉的重要地震發(fā)生前后，除了類似1804年象潟地震（M7.0）這種規(guī)模不大的災(zāi)害性地震外，并沒有重要的內(nèi)陸地區(qū)地震活動記錄。

1.4 1952年堪察加地震

1952年11月4日堪察加地震的震級為MW8.8，從周圍發(fā)生大型地震的余震區(qū)和海嘯波及范圍達630km×200km的波源區(qū)（JohnsonandSatake，1999）判斷，該地震被認(rèn)為是垂直于俯沖地震帶的沿傾向雙段型地震。1959年5月4日發(fā)生的震級為MW8.2的地震是主震震源區(qū)向東北方向延伸的Ⅱ類最大余震（圖7）。板塊外側(cè)隆起的正斷層型地震（較小型地震除外）只在1989年4月11日發(fā)生過一次，震級為MW6.7，此后再沒有發(fā)生過重要的板塊外側(cè)隆起地震（MW＞7.5）。另外，堪察加半島內(nèi)也沒有發(fā)生重要地震。只是1904年在主震震源區(qū)靠近內(nèi)陸的一側(cè)發(fā)生了兩次震級分別為M8.3和8.1的地震。

按照Stauder（1968）的觀點，假設(shè)板塊外側(cè)隆起的正斷層型地震是俯沖板塊變形導(dǎo)致，那么就會得出這樣的結(jié)論：堪察加地震與阿拉斯加近海和日本東北近海的地震一樣，也是因板塊外側(cè)隆起引起的大型正斷層型地震。但是，1952年地震之后，該區(qū)域附近并沒未觀測到重要的正斷層型地震。況且，阿拉斯加地震和蘇門答臘—安達曼地震的最大余震都是具有正斷層成分的走滑型地震，在海洋板塊變形的地方并沒有發(fā)生具有此類機制解的地震。因此，除小型地震外，Stauder（1968）提出的觀點不能對板塊外側(cè)隆起的正斷層型地震的所有觀測事實進行說明。

2 沿走向單段型超巨大地震前后較長時間尺度的重要地震

2.1 1960年和2010年智利地震

2004年蘇門答臘地震向尼科巴—安曼達群島的延伸地震和1960年5月22日—2010年2月27日的智利地震（震級分別為MW9.3和MW8.8）的區(qū)別是前者俯沖帶呈斜向俯沖，后者則是在板塊垂直俯沖的地震帶上發(fā)生的地震。1960年智利地震的斷層破壞約為200km×800km（KanamoriandCiper，1974），2010年地震的斷層破壞約為200km×500km（Hayers，2010）。尼科巴—安達曼群島周圍和智利近海的共同點是俯沖帶狹長，海溝槽到陸地的距離不足100km。如圖8所示，兩次智利地震發(fā)生前都呈地震空區(qū)狀態(tài)，未見重要地震活動（Kanamori，1981；Morenoetal，2010）。這些都被認(rèn)為是沿走向單段型的地震活動的特征（Koyama etal，2012）。

1960年智利地震的余震中，1967年震級為M7.3的地震（從該地震的震源位置和機制解推斷其為板塊外側(cè)隆起正斷層型地震）被標(biāo)示出來。該震級的數(shù)值由Engdahl和Villasenor（2001）給出，但出處卻無從考證。Christensen和Ruff（1988）給出該地震的震級為Mb5.9。不管哪個數(shù)值是正確的，該余震都不屬于震級超過MW7.5的重要地震。1975年5月10日震級為MW7.7的地震為1960年震源附近發(fā)生的Ⅱ類余震。2010年馬烏萊地震中，在主震發(fā)生的當(dāng)日即2月27日，又發(fā)生了震級為MW7.4的地震。該地震為板塊外側(cè)隆起的正斷層型地震，屬于Ⅰ類余震。但是，該地震是否就是最大余震呢？由于地震發(fā)生后經(jīng)過的時間太短，所以現(xiàn)在還無法判斷。強度第二大的余震發(fā)生在同年3月11日，震級為MW7.0，也為板塊外側(cè)隆起的正斷層型地震（USGS，2012）。

無論如何，在尼科巴—安達曼群島、智利海溝沿線的沿走向單段型大型地震中，甚至在被譽為地震觀測史上最大規(guī)模的1960年智利地震中，除了1975年5月10日MW7.7（Ⅱ類）地震外，即使在震源區(qū)附近，也沒有發(fā)生過MW7.5以上的因板塊外側(cè)隆起引起的重要余震。這證明，在沿走向單段型俯沖帶所發(fā)生的超巨大地震的最大余震中，不會有震級在MW8以上的大型地震發(fā)生。

2.2 阿留申群島的地震

圖8 沿安第斯俯沖帶的地震活動（原圖為彩色圖——譯注）。從圖上可以發(fā)現(xiàn)1960年前的稀疏地震活動、2010年大地震的空區(qū)和沿智利海溝的狹窄俯沖帶，這些特征都是根據(jù)沿走向單段的地震活動得出的。震中是由Engdahl等（1998）使用1900年到1972年的數(shù)據(jù)進行重新定位的，并對1973年到2011年7月美國地質(zhì)調(diào)查局國家地震信息中心的數(shù)據(jù)庫進行了分析。數(shù)據(jù)來源于http：//earthquake.usgs.gov/ earthquakes/eqarchives/epic/epic-global

阿留申群島與尼科巴—安達曼群島一樣，處在因大洋板塊俯沖部位發(fā)生變化而形成的斜向俯沖地震帶上。關(guān)于1957年3月9日安德里亞諾夫島地震MW8.6（舊數(shù)據(jù)為MW9.1）余震區(qū)的延伸范圍，不確定因素很多，但Lay等（1982）認(rèn)為其斷層破壞可達100km×900km。不論以哪個數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，可以肯定的是該地震斷層為狹長形狀。阿留申群島的俯沖帶也是從海溝槽至島孤的距離為100km左右，呈狹長形狀。Koyama等（2012）將1957年和1965年阿留申群島拉特島的地震活動歸類為沿走向單段型地震。1957年地震中受到關(guān)注的地震活動有3次，震級在M7.0～M7.1之間，發(fā)生于1964年阿拉斯加地震之前。這些地震都發(fā)生在主震的余震區(qū)范圍內(nèi)。沒有因板塊外側(cè)隆起而引發(fā)重要地震。只是這一區(qū)域在1986年5月7日發(fā)生了震級為MW7.9、1996年6月10日發(fā)生了震級為MW7.9的地震。這兩次地震都是低角度逆斷層型地震（USGS，2012）。這些地震被認(rèn)為與1957年地震的機制解相同，屬于1957年地震余震區(qū)域內(nèi)發(fā)生在部分?jǐn)鄬用嫔系闹貜?fù)性地震，即Ⅱ類地震活動。

這樣看來，沿走向單段型的阿留申群島超巨大地震中，MW8左右的大型余震即使在震源區(qū)擴大的范圍內(nèi)以及在板塊外側(cè)隆起的區(qū)域附近都沒有發(fā)生過。這種情況在智利周圍的俯沖帶也同樣存在，但是沿走向單段型地震活動中，從海溝槽到陸地俯沖帶上的板塊邊界耦合區(qū)域與沿傾向雙段型是一樣的，在地震發(fā)生時，耦合區(qū)作為障礙體全部會產(chǎn)生破壞（Hayes，2010；Morenoetal，2010）。沿走向單段型地震活動中，因板塊外側(cè)隆起而引起的重要的正斷層地震之所以很少，可能是因為板塊俯沖時間短，即使板塊邊界的耦合區(qū)全部斷裂而引發(fā)大地震，俯沖拉力產(chǎn)生的破壞也是有限的。當(dāng)然，這一區(qū)域會有小規(guī)模的正斷層地震發(fā)生，其原因可能是板塊變形所致（Stauter，1968；ChristensenandRuff，1988）。

3 其他板塊外側(cè)隆起地震前后的地震活動

若將視點只放在板塊外側(cè)隆起的正斷層型地震（M8以上），那么眾所周知的有1929年阿留申群島MW7.8地震、1933年三陸近海MW8.4地震、1977年松巴島（印度尼西亞）MW8.3海嘯地震、2007年千島群島東部近海MW8.1地震以及2009年薩摩亞島近海MW8.1地震。有關(guān)這些地震的詳細情況，可另擇機會討論，本文已對1896～1933年Ⅰ類地震活動進行過討論了（Kanamori，1972）。2007年千島群島東部的海嘯地震被認(rèn)為是2006年11月15日千島群島地震（屬于俯沖帶逆斷層地震，震級為MW8.3）的余震，這些地震都被歸為Ⅰ類地震活動。但1929年阿留申地震、1977年松巴島近海地震以及2009年薩摩亞島地震，與Ⅰ類地震活動存在不同之處。

Kanamori（1972）指出：1929年板塊外側(cè)隆起正斷層地震與1896～1933年的Ⅰ類地震活動不同，它與1946年俯沖帶的海嘯地震是相關(guān)的。為了方便，本文將與Ⅰ類地震發(fā)生順序相反的地震活動稱為Ⅲ類地震活動。由此可見，2009年薩摩亞正斷層型地震也是該地震的延續(xù)，是發(fā)生于板塊交界處的一系列活動，屬于Ⅲ類地震活動（Layet al，2010）。1977年的松巴島地震是孤立的板塊外側(cè)隆起的正斷層型地震（Spence，1986；Gusmanetal，2010）。這次地震也發(fā)生在板塊邊交界處，可能與1929年地震一樣，以后會成為Ⅲ類地震活動。但是，松巴島海溝槽沿線與澳大利亞板塊交界處的板塊耦合很弱，俯沖帶特有的板塊間地震很少發(fā)生。因此，可以說板塊拉力是此次板塊外側(cè)隆起正斷層地震的原動力，也可以認(rèn)為正是在板塊拉力的作用下，使得板塊耦合較弱的俯沖帶發(fā)生了嚴(yán)重變形（Spence，1986）。

4 總結(jié)與討論

本文所討論的超巨大地震前后的地震活動，并非是指各個地震活動帶和相鄰的地震動帶內(nèi)的前震—主震—余震，以及震源區(qū)的應(yīng)力集中緩沖等狹義上的理解，而是指在跨越了一定時間—空間的情況下，所引發(fā)的地震活動。這種觀點并不是突發(fā)奇想。例如，Linde等（1994）報告稱1992年蘭德斯地震誘發(fā)了400km外的巖漿活動。此外，Mogi（1973）指出日本附近的大型地震發(fā)生時都先發(fā)生重要的深層地震。本文中羅列了眾多地震活動，我們的目的并不是判斷哪個余震是最大的，而是為了知道什么樣的地震活動在發(fā)生時具備沿傾向雙段/沿走向單段型的特征。此類知識的積累對于分析超巨大地震的機制解和了解這些地震活動是非常重要的。

在這里，我們將超巨大地震前后的重要地震按照沿傾向雙段/沿走向單段進行分類，見表1。首先要注意的是，雖然有的地震造成了巨大災(zāi)害，但在超巨大地震之前，并沒有重要大地震（MW＞7.5）發(fā)生。也就是說，沿走向單段型的超巨大地震中，無論在震源區(qū)還是在板塊外側(cè)隆起的情況下，都不會發(fā)生超過MW8的巨大余震。由此引申，沿傾向雙段型的地震中，超過MW8的巨大余震會在震源域及其周邊地區(qū)發(fā)生。若僅限于具有板塊外側(cè)隆起正斷層成分的地震類型，則沿傾向雙段型超巨大地震包括1933年型的俯沖板塊斷裂造成的斷層破壞和2012年型的俯沖板塊內(nèi)部的走滑型斷層破壞，其發(fā)生規(guī)模都遠遠超過MW8。只是，沿傾向雙段地震類型中，也類似于1952年堪察加地震那樣不存在重要板塊外側(cè)隆起的地震。若單純地討論沿傾向雙段型地震活動的特征，那么就只剩下 “俯沖拉力的作用”這一點了。這也是從沿傾向雙段/沿走向單段地震活動的本質(zhì)出發(fā)揭示了問題的所在。所以我在這里再次重申，這將是我們以后研究的重點課題。

表1 巨大逆沖斷層地震和伴隨發(fā)生的重要地震（7.5級以上）及震級

板塊交界處發(fā)生的大地震的最大余震一直被認(rèn)為是在余震區(qū)或余震擴展的區(qū)域內(nèi)發(fā)生的（宇津，2001）。但是，本文中所說的超巨大地震是指沿板塊交界處發(fā)生大型地震的情況（Ⅱ類），以及在俯沖板塊外側(cè)隆起過程中誘發(fā)正斷層型地震（Ⅰ類）的情況。至于俯沖帶是斜向俯沖還是幾近垂直俯沖，都無所謂。

歷史上，在日本附近發(fā)生的最大地震是1707年的寶永地震，地震前周圍的區(qū)域地震活動頻發(fā)，但沒有造成重大的地震災(zāi)害。記錄到的余震情況僅有主震后第二天的強烈震感和1708年2月13日海嘯級m=1程度的地震。在歷史記錄中，記錄有1710年9月15日磐城周邊發(fā)生M6.5、m=0程度的地震（渡辺，1998），由此可以推斷，沒有發(fā)生超過以上規(guī)模的大余震。這正如圖1中所示，南海海溝槽為沿走向單段型地震活動的地區(qū)，與目前闡述的結(jié)論一致。若僅局限于內(nèi)陸的地震活動，那么M7左右的三河地震發(fā)生過兩次（1686年M7±1/4和1945年M6.8），且造成了一定的災(zāi)害，但能稱為重要內(nèi)陸地震的，只有1891年的濃尾地震，震級為M8.0。不管其是否發(fā)生在超巨大地震前后，從歷史上看，只有這次濃尾地震和2002年迪納利地震屬于在俯沖帶附近的上層陸地板塊內(nèi)發(fā)生的達到M≈8的地震。

我們通過地震活動的情況可以認(rèn)為，在沿傾向雙段/沿走向單段型地震活動帶上的不同類型的板塊間會發(fā)生超巨大地震。按照這一思路，若要觀察超巨大地震發(fā)生前后的重要地震、災(zāi)害性地震，對下次可能發(fā)生的地震規(guī)模進行推測，就要通過地震空區(qū)、環(huán)狀圖、全球定位系統(tǒng)觀測等手段對板塊間的耦合區(qū)域、歷史上的地震活動區(qū)域等進行廣義的判斷。但是，對于超巨大地震的發(fā)生過程，我們必須要了解大地震的規(guī)模以及地震活動帶產(chǎn)生的一系列破壞情況，但可以不必了解破壞區(qū)域連動作用下的地震機制解。此外，日本東北近海板塊外側(cè)隆起很可能導(dǎo)致今后發(fā)生大規(guī)模的正斷層型地震，但現(xiàn)在還沒有有效的觀測手段。對于板塊間的巨大地震，在一般情況下可通過全球定位系統(tǒng)觀測等手段發(fā)現(xiàn)板塊間的強力耦合，但對于板塊外側(cè)隆起的正斷層型地震來說，其板塊間的耦合很弱，地震是在俯沖拉力的作用下產(chǎn)生的，因此可以設(shè)想到，在普通板塊間發(fā)生巨大地震的周邊區(qū)域，應(yīng)該觀測到完全相反的現(xiàn)象。

當(dāng)然，這里所說的超巨大地震的發(fā)生場并非唯一的思考切入點。此外還有Tanioka等（1997）所指出的，三陸近海海溝軸沿線俯沖帶的多樣性。這種多樣性也被指出存在于阿拉斯加—阿留申地震活動帶（Freymueller etal，2008）。這也許是俯沖帶的普遍特點（Kopp，2013）。

關(guān)于超巨大地震—連動型的斷層破壞的發(fā)生機制解，目前還沒有明確的答案。有研究指出可以從日本東北近海板塊交界處長達1000年應(yīng)變積累導(dǎo)致同一地域反復(fù)發(fā)生海嘯地震的事實中得到一些啟示（Tsuzukiand Koyama，2013）。但是，即使無法說明其成因，超巨大地震還是在這個世界上客觀地發(fā)生了。目前，我們只是強調(diào)按照板塊的俯沖方向?qū)⒌卣鸹顒臃殖裳貎A向雙段/沿走向單段類型，但不能僅限于這種簡單的二元理論，對于富于橫向變化的俯沖帶的理解（Haririetal，2013），也是我們同樣要尋求的答案。若僅探討日本東北近海的板塊外側(cè)隆起地震，由于俯沖拉張是其原動力，那么通過陸地上或海底的全球定位系統(tǒng)對板塊間的耦合和非耦合進行監(jiān)視是非重要的。如果關(guān)注北海道近海的沿傾向雙段型或南海海溝槽的沿走向單段型地震的話，那么加強聯(lián)合監(jiān)測是很有必要的。這是因為無論是從假說驗證要有明確的視點方面考慮，還是從地震和海嘯防災(zāi)方面出發(fā)，我們都要對地震學(xué)進行充分的考量。

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譯自：地震.2014.66（4）：83-95

賈東旭，女，漢族，1979年生，遼寧本溪人，吉林大學(xué)研究生。研究方向為地球物理應(yīng)用，主要從事地震監(jiān)測工作。E-mail：jiaru-0521@163.com。

10.4294/zisin.66.83

原題：超巨大地震発生前後の顕著な地震活動（遼寧省地震局本溪地震臺賈東旭譯；白玲校）