俯沖帶的應(yīng)力方向和俯沖帶大型逆斷層的強(qiáng)度

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俯沖帶的應(yīng)力方向和俯沖帶大型逆斷層的強(qiáng)度

世界上大部分最大地震是由俯沖帶大型逆斷層引發(fā)的。雖然這些斷層的物理性質(zhì)難以直接觀察，但其摩擦強(qiáng)度卻可以由作用在其上的應(yīng)力方向間接估算。有關(guān)全球俯沖帶應(yīng)力方向的研究發(fā)現(xiàn)，最大主壓應(yīng)力軸趨向于海溝方向傾伏，并且較為一致地與俯沖帶大型逆斷層面呈45°～60°的夾角。這些角度表明，大型逆斷層與其周圍物質(zhì)相比，并沒有弱太多。該證據(jù)與其他幾條證據(jù)表明俯沖帶大型逆斷層是處于低應(yīng)力環(huán)境中的弱斷層。變形的外增生楔可能沿著大型逆斷層，使自由表面的約束與應(yīng)力狀態(tài)解耦。

俯沖帶區(qū)域作為很多特大地震(震級≥8)的主要來源，造成了相當(dāng)大的災(zāi)害。由于俯沖海洋板塊夾帶的沉積物和流體，相對于其他類型的斷層，俯沖帶的大型逆斷層的物理性質(zhì)可能是獨(dú)一無二的(1)。流體的存在，尤其是高壓流體的存在，可以大幅度地削弱斷層強(qiáng)度(2)。有直接證據(jù)表明，地表附近的俯沖帶大型逆斷層滑動(dòng)具有較低摩擦阻力(3)。由于只能間接地進(jìn)行孕震深處的斷層強(qiáng)度的研究，因此，在孕震深處的斷層強(qiáng)度還不太清楚。

斷層相對于應(yīng)力場方向的角度可以作為斷層強(qiáng)度的一個(gè)指標(biāo)。對于摩擦破裂，破裂面的優(yōu)勢取向與最大主壓應(yīng)力σ1軸的夾角約為30°。非優(yōu)勢取向斷層也可以很活躍，但具有典型摩擦強(qiáng)度的斷層不會(huì)與σ1軸成較大夾角(≥60°)滑動(dòng)(4)。與周圍介質(zhì)相比，與σ1軸夾角較大的斷層在相對較低的剪切應(yīng)力下滑動(dòng)必定是較弱的斷層。同樣，與σ1軸的夾角較小(<10°)的斷層也是弱斷層。

地球表面的應(yīng)力為零，此時(shí)為安德森應(yīng)力狀態(tài)，其中一個(gè)主應(yīng)力軸垂直于地面(5)。大部分地殼斷層的應(yīng)力狀態(tài)與安德森應(yīng)力狀態(tài)是一致的(6)。許多俯沖帶大型逆斷層面呈現(xiàn)較低傾角(約10°)(7)，這表明，如果這些斷層的應(yīng)力狀態(tài)是安德森應(yīng)力狀態(tài)，則這些斷層面與一個(gè)主應(yīng)力軸夾角呈高角度(與其他兩個(gè)軸的夾角為低角度)，因而呈現(xiàn)為弱斷層。然而，來自于一些俯沖帶的觀測表明這些俯沖帶的應(yīng)力狀態(tài)不是安德森應(yīng)力狀態(tài)(8～11)。

我系統(tǒng)地研究了世界范圍內(nèi)俯沖帶的應(yīng)力方向，目的是想確定通常情況下的應(yīng)力狀態(tài)是否為非安德森應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)還想確定大型逆斷層是否呈現(xiàn)在破裂的最優(yōu)取向方位上。為了表示大型逆斷層的區(qū)域，我搜集俯沖帶界面(7)20km以內(nèi)地震的矩張量解(12，13)。為了表示大型逆斷層的上盤，我搜集了更多的淺層地震事件。我把每個(gè)俯沖帶的地震事件放在一起反演作為俯沖帶界面深度的一維函數(shù)的應(yīng)力方向(14)。在日本附近幾個(gè)俯沖帶有充足的矩張量解資料，還可以很好地反演二維應(yīng)力場的變化情況。

日本附近俯沖帶的應(yīng)力狀態(tài)通常不是安德森應(yīng)力狀態(tài)。大多數(shù)大型逆沖區(qū)域的σ1軸趨于向海溝方向傾伏(與俯沖帶傾伏方向相反)，普遍傾伏10°～50°(圖1a)。在日本海溝、千島海溝和南海海槽的上盤也發(fā)現(xiàn)了類似的σ1軸傾伏現(xiàn)象(圖1g)，但是，在琉球海溝和伊豆—小笠原海溝，弧后擴(kuò)張(逆沖界面與σ1軸近乎垂直)占主要地位。

圖1　日本附近俯沖帶最大主壓應(yīng)力軸σ1的方向(原圖為彩色圖——譯注)。(a)大型逆斷層附近σ1軸傾伏角的空間分布，σ1軸向海溝傾伏(即與俯沖帶傾伏方向相反)為正。(b)σ1軸與俯沖帶界面夾角的空間分布，促使逆斷層滑動(dòng)為正。(c)大型逆斷層附近σ1軸的傾伏角隨俯沖帶深度的變化，分別顯示了太平洋板塊(包括千島海溝、日本海溝和伊豆—小笠原海溝)和琉球海溝區(qū)域。(d)南海海槽附近大型逆斷層σ1軸的傾伏角。(e)圖中分別顯示了俯沖的太平洋板塊和琉球海溝的σ1軸與俯沖帶界面的夾角隨俯沖帶深度的變化。虛線表示95%置信區(qū)間。淺色陰影部分表示角度較大或角度較小的區(qū)域；深色陰影部分表示與逆沖滑動(dòng)方向不符合的角度。(f)南海海槽處σ1軸與俯沖帶界面的夾角。陰影部分解釋與(e)相同。(g)上盤σ1軸傾伏角的空間分布，σ1軸向海溝方向傾伏為正

大型逆斷層區(qū)域中σ1軸的傾伏角和俯沖帶界面的傾伏角進(jìn)行對比(7)給出了σ1軸與大型逆斷層面的夾角(圖1b)。對于千島海溝、日本海溝和伊豆—小笠原海溝，σ1軸與斷層面的夾角通常為20°～50°。對于琉球海溝，σ1軸與斷層面夾角較大，為30°～80°。在南海海槽上部的20km，σ1軸與斷層面夾角為10°～30°，而在更深的地方，σ1軸近乎垂直。除了南海海槽(圖1d)外，σ1軸的傾伏角隨深度變化不大(圖1c)，并且俯沖帶的大型逆沖從近地表向下到至少60km的深度上取向?yàn)閮?yōu)勢破裂方向(圖1e)。把千島海溝、日本海溝和伊豆—小笠原海溝(消減的太平洋板塊)放在一起，結(jié)果顯示，在所有的深度上，大型逆斷層面與σ1軸呈約30°的夾角，取向?yàn)閮?yōu)勢破裂方向。在30km深度內(nèi)，琉球海溝的大型逆斷層面與σ1軸的夾角<60°，這與最優(yōu)破裂取向一致，而在30km～60km之間時(shí)，逆斷層面與σ1軸的夾角約為60°。一個(gè)例外是南海海槽(圖1f)，在上部的20km內(nèi)，大型逆斷層與σ1軸的夾角約為20°。而在30km以下，大型逆斷層在誤差范圍內(nèi)沒有按逆沖斷層滑動(dòng)取向。這表明30km是俯沖板塊和上覆板塊耦合的下限。

對于所有研究的全球俯沖帶幾乎所有的深處，σ1軸都趨于向海溝方向傾伏，傾伏角通常為10°～50°(圖2a)。隨著深度的增加，σ1軸的傾伏角趨向減小，而俯沖帶界面的傾角增加(7)，所以隨著深度的增加，σ1軸與俯沖帶界面的夾角變得明顯穩(wěn)定(圖2b)。該角度跨越俯沖帶也非常一致，大部分為45°～60°。

大部分俯沖帶的方向?yàn)?0°～40°，然而日本和南美洲俯沖帶卻不是這樣，這跟南海海槽上部20km的情況是一樣的。與琉球海溝類似，馬里亞納海溝在20～40km深處還是存在一些較大角度，盡管在上述兩種例子中小于60°的角度在誤差范圍內(nèi)。墨西哥海溝在低于40km時(shí)，是唯一明確的σ1軸與俯沖帶界面夾角較大的大型逆斷層，這意味著該大型逆斷層在深處異常弱。這幾個(gè)異常應(yīng)力方向與俯沖板塊的年齡(15)或海溝沉積物厚度(16)不相關(guān)。較低角度的俯沖帶(日本海溝、南海海溝、南美海溝)都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的地震耦合(17)。然而，中高角度的俯沖帶表現(xiàn)出廣泛的地震耦合，因此沒有明顯的相關(guān)性。

大部分最垂直的主應(yīng)力軸σv一定與地球表面垂直。然而，由于σ1軸趨于傾伏意味著σv軸通常不是垂直的。我反演了日本主要島嶼附近地震的應(yīng)力方向，通過震源深度把地震分為大型逆斷層上的地震和上盤區(qū)域的地震(14)，目的是觀察在自由表面附近σv軸是否越來越垂直于自由表面。我將大型逆斷層區(qū)域中包含許多淺部事件的2011年日本東北地震的余震序列也列入在內(nèi)。由于日本東北大地震對當(dāng)?shù)貞?yīng)力場(8，9)和上盤地震分布的影響(18)，這些余震必須單獨(dú)反演。大型逆斷層區(qū)域顯示，無論在日本東北大地震之前還是之后，在海溝附近較淺的深度上σv軸并沒有向垂直方向旋轉(zhuǎn)(圖3a和b)。然而，板塊上盤卻清晰地顯示出，在整個(gè)深度范圍內(nèi)，隨著深度的減小，σv軸向垂直方向旋轉(zhuǎn)(圖3c和d)。在板塊上盤，似乎能看到自由表面的深度，但是在大型逆斷層卻看不到。這種差異可能是由于外增生楔變形造成的(19)。外增生楔受到應(yīng)力的作用發(fā)生永久變形，這些應(yīng)力包括自由表面和楔底部之間的牽引力的差異，這種差異會(huì)沿大型逆沖斷層至較深處的應(yīng)力與由自由表面約束解耦。

圖3　日本主要島嶼上最垂直主應(yīng)力軸σv隨震源深度的變化。誤差線指出95%的置信區(qū)間。用顏色來顯示哪個(gè)應(yīng)力軸是最垂直的。深度相對于海平面標(biāo)度(原圖為彩色圖——譯注)。(a)2011年9級日本東北大地震之前日本海溝大型逆斷層區(qū)域σv軸的傾伏角；(b)日本東北大地震之前日本主要島嶼上盤σv軸的傾伏角；(c)日本東北大地震之后3個(gè)月日本海溝大型逆斷層區(qū)域σv軸的傾伏角；(d)日本東北大地震之后3個(gè)月日本主要島嶼上盤σv軸傾伏角

俯沖帶界面與σ1軸的夾角指示了大型逆斷層的摩擦強(qiáng)度。觀察到最優(yōu)的中等角度表明大型逆斷層的摩擦強(qiáng)度與周圍環(huán)境的摩擦強(qiáng)度基本一致。這些角度與在堅(jiān)硬地殼中存在軟弱大型逆斷層的模型不一致(20)。觀察到的俯沖帶界面與σ1夾角的穩(wěn)定性表明：大型逆斷層的摩擦系數(shù)在世界上大部分俯沖帶是相似的，并且在自由表面附近到至少60km的深度上沒有太大變化。如果給出周圍環(huán)境物質(zhì)的強(qiáng)度假定，斷層的強(qiáng)度就可以使用構(gòu)建莫爾圓(21)的方法，根據(jù)σ1軸與斷層面夾角估算出來。如果假設(shè)大型逆斷層附近區(qū)域較強(qiáng)且加載到臨界狀態(tài)(所有其他斷層的摩擦系數(shù)經(jīng)典值為μ=0.6，孔隙壓是流體靜壓力狀態(tài))，那么大型逆斷層的摩擦系數(shù)μ應(yīng)該在0.35～0.6之間。如果孔隙壓力只在大型逆斷層區(qū)域提高，那么大型逆斷層孔隙壓力應(yīng)是靜巖壓力的0.3～0.6倍。

一些證據(jù)表明大型逆斷層強(qiáng)度比上面假設(shè)的還要弱。在2011年日本東北大地震之后，通過對淺層熱流觀測估計(jì)出的摩擦系數(shù)為μ=0.08(3)，從世界范圍俯沖帶的熱流推斷出的摩擦系數(shù)通常為μ<0.1(22)。俯沖帶區(qū)域流體的地震學(xué)成像表明，在更深的深度上具有靜巖的孔隙壓力(23，24)。俯沖帶大地震導(dǎo)致的應(yīng)力場旋轉(zhuǎn)表明了較低的偏應(yīng)力水平(8，9)。因此，更適合的模型是整個(gè)地區(qū)具有較低的偏應(yīng)力。在這個(gè)模型中，包含大型逆斷層在內(nèi)的所有斷層都比較弱，僅僅支撐較低的剪應(yīng)力。盡管地質(zhì)構(gòu)造具有很大差異，但對圣安德烈斯大陸轉(zhuǎn)換板塊邊界也提出了類似的模型(25)。

如果整個(gè)俯沖帶區(qū)域的強(qiáng)度不高，這就意味著高流體壓力或低摩擦系數(shù)是普遍存在的。我們排除廣泛區(qū)域內(nèi)具有高流體壓力的模型，這是因?yàn)榈卣鹩^測研究把流體限制在狹窄的板塊邊界面(26)。因此，狹窄區(qū)域的高流體壓力或低摩擦系數(shù)一定導(dǎo)致俯沖帶的其他活動(dòng)斷層弱化。盡管溫度和壓力有很大程度的變化，但觀測到的應(yīng)力方向隨深度的穩(wěn)定性意味著大型逆斷層與其他斷層之間的相對強(qiáng)度沒有較大降低的改變。這預(yù)示著俯沖帶區(qū)域中的所有斷層都有相似的物理機(jī)制來控制它們的強(qiáng)度。

補(bǔ)充材料

補(bǔ)充材料詳見：www.sliencemag.org/content/349/6253/12131suppl/DC1

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Jeanne L.Hardebeck

譯 者 簡 介

Jeanne L.Hardebeck.2015.Stress orientations in subduction zones and the strength of subduction megathrust faults.Science.349：1213-1216.doi：10.1126/science.aac5625

靳志同 譯.2016.俯沖帶的應(yīng)力方向和俯沖帶大型逆斷層的強(qiáng)度.世界地震譯叢.47(3)：255-260.doi：10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201603007

防災(zāi)科技學(xué)院靳志同譯；萬永革校

中國地震局地球物理研究所李一瓊復(fù)校