Science：薄且软弱断层带的危险＊

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：薄且软弱断层带的危险＊

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

中图分类号：P315.2；

文献标识码：A；

doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.04.002

收稿日期：＊2014-06-09。

海洋钻孔数据表明，2011年日本东北地震巨大的切开海沟的破裂是沿着一条薄且软弱的断裂带发生的。

在2011年3月11日的日本东北地震中，为什么日本海沟板块边界断层滑动了数十米进而引发了毁灭性的海啸？在断层的浅部位置发生巨大错动是属于俯冲带的一般过程，还是反映了该场地特有的地质情况？利用“地球号”科学钻探船和有限的钻探技术，日本海沟快速钻探工程（JFAST）的研究人员已经取回了岩石样本，并通过在发震断层区进行测量寻求答案。他们的发现经由本期的3篇论文予以发表。基于不同角度的研究，Chester等人在第1208页[1]，Fulton等人在第1214页[2]，以及Ujiie等人在第1211页[3]，都表明发生巨型错动的一个重要原因是浅层断裂带薄且软弱。

东北地震破裂始于地下约20～30km处，沿着板块边界断裂带（被称为巨型逆冲带）在所有方向上快速传播，最终演变为9级地震（图1）。根据多种观测，在海沟及其附近的最大滑动超过了50m。巨大浅层滑动造成了巨型逆冲带之上倾斜的海底向东部跳跃，从而引发海水的突然扰动而产生巨大的海啸。

断层滑动的速率变化范围很大。地震破裂或地震滑动是速率最大的断层滑动。传统看法认为，巨型逆冲带的俯冲块体的最浅层部分可抵抗地震破裂，因为随着滑动速率的增加，其摩擦强度也随之增强（速率强化）[4]。地震引起的滑动被认为开始于一个较深的区域（图1），该区域随着滑动速率的减弱，其摩擦强度也减小（速率弱化），并且当它向海沟传播时，摩擦强度会变得更小。这个模型是由在许多俯冲带的观测所得到的，例如在苏门答腊岛[5]，在这些地震中，地表破裂往往小于深部的滑动，这与在许多陆地地震中所见到的类似。在日本东北地震中出现的巨大浅层滑动则令人感到意外。

关于日本海沟浅部的巨型逆冲带有不同的假设。一种观点认为，滑动速率逐渐减弱的地震带一路延伸至海沟。另一种观点认为，虽然浅层巨型逆冲带存在滑动速率强化，但不能抵抗来自断裂带较深部位的巨大滑动[4，6]。第三种观点认为，当滑动缓慢时存在速率强化，但如果滑动加速达到引发地震的速率（约1 m/s）时，滑动摩擦就会变弱[7]。在最近的实验室岩石摩擦力实验中，通过对不同的岩石进行测试，都出现了这种高速弱化现象，不同的机理被提出以解释这种现象[8]。与第三种观点类似但不涉及高速滑动的观点，是有条件的稳定的设想，它认

为一些速率强化的断层在滑动速率发生小的突然增加时，会变为速率弱化。JFAST的发现使我们更加接近确定哪一种观点是正确的。

图1　探索一个巨大破裂带。日本东北地震是有记录以来的单个地震发生断层滑动最大的一次（约50 m甚至更大）。为了研究地震发生的地质机理，JFAST在水深7 km下的巨型逆冲带上进行钻孔。Chester等人的研究结果表明，断裂带较薄（约5 m），比其他观测到的俯冲带薄，且由软弱的粘土构成[1]。Ujiie等人发现断层带的物质在地震滑动速率下变得更加软弱[3]。Fulton等人报告了钻孔温度异常现象表明了非常低的摩擦应力[2]。这些研究结果表明了浅层薄弱断层促使海沟裂口的巨大滑动发生

通过分析岩芯样本，结合对现场钻孔进行地质测量，Chester等人发现断层区不到5m厚，比其他现代或者古代的俯冲带都薄[9]。发生剪切的地点正是由于一层沿着断层发育的薄弱粘土层所导致。东北地震的真正走滑区就发生在这个粘土断层带，且只有几毫米到几厘米的厚度[10]。JFAST仅取回了60%的粘土断层中的岩芯样本，且可能错过了东北地震的滑动带。然而，通过开展有效样本的摩擦实验，Ujiie等人发现，如果把粘土放到一个0.8mm厚的区域中，然后由地震促发滑动，尤其是如果孔隙流体在滑动中不易扩散时，这种软粘土会变得更软[3]。通过在附近进行温度监测，Fulton等人发现，由东北大断裂摩擦产生的总热量是非常少的，毫无疑问，在地震中使浅层巨型逆冲带变得脆弱[2]。Lin等人以前基于JFAST钻孔观测开展的应力分析[11]，也与上述的软弱板块研究结果一致。

板块边界断层存在软弱现象早已被认识到。日本东北地震导致上盘应力由压缩到拉伸的逆转[12]，这充分证实了关于日本海沟

巨型逆冲带的一个较早的观点，即其强度是极低的[13]。JFAST的研究结果不仅解释了为什么浅层巨型逆冲带如此脆弱的地质原因，而且表明了它可能在9级地震中变得更加脆弱。地震破裂沿着极其薄的走滑带发生[10]，软弱的粘土层使得断裂带变得非常薄，从而为地震破裂的发生提供了结构条件。关于日本海沟浅层巨型逆冲带的第三种观点如上所讨论，低速强化但高速弱化，可以解释为什么巨大浅层滑动在日本东北地震中不会沿着海沟随处发生，以及也不是在过去每一次孕震区破裂中都存在的原因。

JFAST在水深7km深处进行钻孔在技术上非常有挑战性，其成果是显著的。即使有“地球号”这艘仅有的能在如此水深钻探的科学钻探船，钻孔深度也仅能达到巨大破裂带的最浅层部分（图1），并且目前为止仅完成了一个地点。在日本东北地震中，尽管巨大的走滑发生在海沟地带，但是，是否滑动的最大值就是位于海沟地带，或者位于海沟向陆地一段距离的位置，且为什么在向海45km的上盘处没有发生余震等问题，仍然不得而知[14]。因此需要进一步研究，以确定断层活动随着深度的变化以及沿着海沟横向变化的情况。

就板块边界地球动力学和海啸灾害而言，一个重要的问题是，东北地震类型的大型浅层滑动是否具有普遍性。Chester等人认为，在日本海沟的浅层巨型逆冲带具有在其他俯冲带区域并不多见的特殊的性质[1]。Ujiie等人表示，在日本西南部的南海海槽断裂带物质中，其所含的粘土含量低，并不会像日本海沟那样脆弱[3]。

JFAST的研究数据显示，通过直接钻孔采样和监测，可以帮助阐明浅层巨型逆冲带的滑动行为。其他正在进行的以及即将开展的巨型逆冲带钻孔项目的研究，例如在日本南海和哥斯达黎加近海的钻探项目，将开展不同俯冲带的对比研究。然而，在研究断裂带浅层区域的同时，科学家们必须认识到，即使没有发生像东北地震那样的巨大浅层滑动，俯冲带地震也可能引发毁灭性的海啸，如发生在2004年的苏门答腊岛和2010年智利的海啸。

文献来源：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 译， 黄宏生 校；中国地震局地球物理研究所 王辉 复校）

（译者电子信箱，王林：wl＿0117@163.com）

参考文献

[1]Chester M F，Rowe C，Ujiie K，et al.Structure and composition of the plate-boundary slip zone for the 2011Tohoku-Oki earthquake.Science，2013，342：1208-1211

[2]Fulton P M，Brodsky E E，Kano Y，et al.Low coseismic friction on the Tohoku-Oki fault determined from temperature measurements.Science，2013，342：1214-1217

[3]Ujiie K，Tanaka H，Saito T，et al.Low coseismic shear stress on the Tohoku-Oki megathrust determined from laboratory experiments.Science，2013，342：1211-1214

[4]Hu Y，Wang K.Coseismic strengthening of the shallow portion of the subduction fault and its effects on wedge taper.J.Geophys.Res.，2008，113，B12411.doi：10.1029/2008JB005724

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[7]Noda H，Lapusta N.Stable creeping fault segments can become destructive as a result of dynamic weakening.Nature，2013，493：518-521

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[9]Rowe C D，Moore J C，Remitti F，et al.The thickness of subduction plate boundary faults from the seafloor into the seismogenic zone.Geology，2013，41：991-994

[10]Shipton Z K，Evans J P，Abercrombie R E，et al.Earthquakes：Radiated Energy and the Physics of Faulting∥Abercrombie R，ed.Geophysical Monograph Series 170.American Geophysical Union，Washington，DC，2006：217-222

[11]Lin W，Conin M，Moore J C，et al.Stress state in the largest displacement area of the 2011Tohoku-Oki earthquake.Science，2013，339：687-690

[12]A Hasegawa A，Yoshida K，Asano Y，et al.Change in stress field after the 2011great Tohoku-oki earthquake.Earth Planet.Sci.Lett.，2012，355-356：231-243

[13]Wang K，Suyehiro K.How does plate coupling affect crustal stresses in northeast and southwest Japan？Geophys.Res.Lett.，1999，26（15）：2307-2310

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学术论文