Shinzaburo Ozawa,Takuya Nishimura,Hisashi Suito,Tomokazu Kobayashi,Mikio Tobita,Tetsuro Imakiire

(Geospatial Info rmation Autho rity of Japan,Tsukuba,Ibaraki 305-0811,Japan)

日本東北部曾多次遭受沿日本海溝發(fā)生的7級(jí)(MW=7)板間地震襲擊,此處,太平洋板塊以73～78 mm/a的速率向鄂霍次克海板塊俯沖(文獻(xiàn)[7-8];圖 1a)。然而,自1923年以來(lái),并沒(méi)有儀器記錄到面波震級(jí)M超過(guò)7.5的沿日本海溝發(fā)生的板間地震,只有日本海溝最北部發(fā)生過(guò)M=7.9和M=7.6地震(圖1b)。自17世紀(jì)以來(lái),日本海溝也沒(méi)有發(fā)生 MW＞8.5地震的歷史記載。因此,盡管一些地質(zhì)學(xué)證據(jù)表明過(guò)去有毀滅性海嘯復(fù)發(fā)的情況——尤其是公元869年[1],而且也有證據(jù)表明沿海溝彈性應(yīng)變?cè)谘杆俜e累,但此次東日本巨大(MW=9)地震的發(fā)生依然出乎預(yù)料。

基于數(shù)十年來(lái)的地震目錄[9],沿日本海溝的地震耦合系數(shù),即一次板間地震釋放的滑移速率與板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率之比,估計(jì)為10%～20%[2-3]。然而,1994年建成的連續(xù)GPS網(wǎng)絡(luò)獲得的地面位移數(shù)據(jù)表明,沿日本海溝存在強(qiáng)板塊耦合作用[4-6](圖1b)。根據(jù)現(xiàn)今形變估算的應(yīng)變累積速率大大超過(guò)了歷史地震平均釋放的應(yīng)變速率。有研究表明,偶爾發(fā)生的無(wú)震滑移——包括震后余滑——是巨大彈性應(yīng)變釋放的可能機(jī)制[4,15]。

圖1 東日本大地震的構(gòu)造背景。(a)日本列島板塊分布[10]。東日本大地震震源機(jī)制解來(lái)自全球矩心矩張量項(xiàng)目(Global CMT Project)[11]。紅色箭頭代表板塊邊界處兩個(gè)板塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[7-8]。(b)震前耦合分布和近來(lái)沿日本海溝的地震活動(dòng)。彩色陰影和輪廓線代表利用2000年4月到2001年3月記錄到的 GPS數(shù)據(jù)估算出的太平洋俯沖板塊和鄂霍次克海上馱板塊間的耦合程度[4]。耦合程度用反向滑動(dòng)速率表示[12],即源自相對(duì)板塊速度的滑移缺失。五角星表示1923年以來(lái)發(fā)生的大地震(M≥6.8)震中。此次地震的主震、一次前震和M≥7.4的地震震中用黃色五角星表示,并標(biāo)有震級(jí)和發(fā)震時(shí)刻。橙色區(qū)域是1994年 M=7.6震源區(qū)[13]。虛線代表菲律賓海俯沖板塊(PHS)的東北邊界[14]。此邊界以北鄂霍次克海板塊覆在太平洋板塊之上,而邊界以南菲律賓海板塊覆在太平洋板塊之上?；疑匦未碛脕?lái)估計(jì)反向滑動(dòng)速率的斷層段

本文中,我們首先描述了由日本國(guó)土地理院(Geospatial Information Authority of Japan)運(yùn)作的 GPS地球觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(GPS Earth Observation Network)檢測(cè)到的與東日本大地震相關(guān)的同震和震后形變[16],并利用所選 GPS測(cè)站記錄到的地面位移進(jìn)行大地測(cè)量學(xué)反演[17],估算出板塊邊界處同震滑移分布和隨后的震后余滑分布。然后,我們討論了同震和震后滑移模型之間的關(guān)系以及它們與震前耦合和應(yīng)變積累失衡的關(guān)系。

觀測(cè)到的同震位移顯示出沿東北地區(qū)的海岸線相對(duì)福江測(cè)站向東移動(dòng)達(dá)5.3 m,沉降達(dá)1.2 m(圖 1、2a)。這些數(shù)值比從前GEONET建立以來(lái)發(fā)生在東北地區(qū)的 M7～M8級(jí)板間地震時(shí)記錄到的要大一個(gè)數(shù)量級(jí)。在東日本大地震之后,發(fā)生了較大的震后形變(圖2b)。盡管震后形變與同震位移場(chǎng)類似,但位移看起來(lái)分布得更為廣泛。特別是,太平洋海岸區(qū)域的向東位移與西海岸區(qū)域的位移差別不大,然而,在同震場(chǎng)中太平洋海岸地區(qū)的向東位移卻比西海岸地區(qū)位移大得多。此外,靠近震源區(qū)的太平洋海岸區(qū)域在震后出現(xiàn)了抬升。

圖2 同震和震后位移及估算的滑移量。(a)2011年3月10—11日相對(duì)于福江測(cè)站的同震位移。黑色箭頭代表 GPS測(cè)站的水平同震移動(dòng)。彩色陰影代表垂直位移。五角星代表震中位置。虛線代表板塊邊界20 km間隔的等深線[18]。實(shí)線輪廓代表同震滑移量分布(單位m)。(b)2011年3月12—25日相對(duì)福江測(cè)站的震后位移分布。紅色輪廓線代表震后余滑分布(單位m)。其他標(biāo)記與(a)中含義相同

基于同震位移估算出的滑移分布顯示震中附近區(qū)域滑移量高達(dá)27 m,滑移沿日本海溝延伸了約400 km,深達(dá)近60 km,而在該區(qū)這已經(jīng)是沿俯沖板塊孕震區(qū)的下限[19](圖1b、2a)。假定均勻剛度為40 GPa,則矩估計(jì)值為3.43×1022N·m,相當(dāng)于一次MW=9.0事件的地震矩。根據(jù)地震數(shù)據(jù),40 GPa的均勻剛度是日本東北地區(qū)上地殼、下地殼和上地幔典型剛度29 GPa、41 GPa和50 GPa的粗略平均值[20]。我們的大地測(cè)量模型得到的矩量與文獻(xiàn)[11]根據(jù)地震波形分析推斷出的矩震級(jí)9.1比較一致。該模型的均方根差是0.011 m(補(bǔ)充圖1、2),而估算滑移量誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了1σ(補(bǔ)充圖3)。檢測(cè)板和敏感性測(cè)試表明同震區(qū)滑移量的空間變化分辨率達(dá)到幾十公里尺度,其主要模式表現(xiàn)出穩(wěn)定的特征。

基于震后形變估算出的震后余滑發(fā)生在同震滑移區(qū)及其鄰近區(qū)域,并向北、南方向及傾斜方向擴(kuò)展(圖2b、3)。震后余滑區(qū)有兩個(gè)模態(tài)中心:同震滑移中心的西北和關(guān)東(Kanto)地區(qū)以東。這些中心反映出沿太平洋海岸發(fā)生了較大的震后位移,而且與同震位移不同,震后位移向南、北延伸(圖2)。該模型的均方根差為0.007 m(補(bǔ)充圖3、4)。3月2 5日震后余滑的矩估計(jì)值為3.35×1021N·m,相當(dāng)于一次 MW=8.3事件的地震矩(圖2b、3)。這一矩量大約為主震矩量的10%。我們假定震后形變的瞬變值僅僅緣于震后余滑,盡管它們還受到軟流圈粘彈性弛豫和孔隙彈性回跳的影響[21]。通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算,我們估計(jì)了這些影響因素的量值。當(dāng)軟流圈的粘性為1019Pa時(shí),預(yù)計(jì)粘彈性馳豫模型中[22]兩周的表面位移在1 cm以內(nèi)。盡管孔隙彈性影響最大可達(dá)震后觀測(cè)形變的20%,但它們的水平和垂直模式與實(shí)際觀測(cè)卻非常不同。因此,作為一級(jí)近似,我們假定這些影響此處可以忽略不計(jì)。

圖3 同震滑移、震后滑移和余震分布。東日本大地震的同震滑移(黑色輪廓線,4 m間隔)和震后滑移(紅色輪廓,0.2 m間隔)時(shí)間段與圖2中所示時(shí)間段相同。綠色虛線代表菲律賓海板塊的東北邊界。藍(lán)色虛線代表1994年M=7.6地震的破裂區(qū)[13]。灰色圓表示2011年3月11—25日東日本大地震的余震震中。其他標(biāo)記與圖2中含義相同

震后余滑量較大區(qū)域位于同震位移區(qū)的外圍。此外,余震似乎也發(fā)生在震后余滑區(qū),遠(yuǎn)離同震滑移大的區(qū)域(圖3)。這與很多實(shí)例中所觀測(cè)到的結(jié)果一致,即余震和較大震后余滑都發(fā)生在同震位移不是很大的區(qū)域[23-24]。震后形變期間,逆沖型余震的地震矩總和為1.5×1019N·m。這表明兩周時(shí)間震后余滑模型的地震矩中余震貢獻(xiàn)不足1%。盡管估算出的小的震后余滑與同震滑移有部分重疊,但我們不能排除這是緣于余滑估算中過(guò)渡平滑的可能性,因?yàn)槠交s束的敏感性測(cè)試表明,在未充分平滑的模型中震后余滑區(qū)遠(yuǎn)離了同震滑移大的區(qū)域。震后余滑區(qū)在傾角方向上的延伸深度達(dá)80～100 km,這是該區(qū)板塊耦合的下限。

1994年三陸遙沖(Sanriku-Haruka-Oki)地震[13](M=7.6)和2003年十勝?zèng)_(Tokachi-Oki)地震[23](M=8.0)均觀測(cè)到震后余滑延伸至比同震滑移區(qū)更深的區(qū)域,說(shuō)明沿日本海溝和千島海溝普遍存在傾斜方向的延伸。由于在超過(guò)100 km的深度上板間耦合速率幾乎為零,所以我們認(rèn)為震后余滑區(qū)終止于這一界限。

震后余滑區(qū)向北延伸至靠近1968年(M=7.9)和1994年(M=7.6)地震的破裂區(qū)(圖3),并可能終止于此處,因?yàn)?994年地震的震源區(qū)現(xiàn)今處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài)。其南向延伸到達(dá)關(guān)東地區(qū)(圖1b、2b、3)。關(guān)東地區(qū)位于菲律賓海板塊的東北邊界以南,此處的菲律賓海板塊覆在太平洋板塊之上;而此邊界以北,鄂霍次克海板塊覆在太平洋板塊之上[14](圖1、3)。有可能是這種上馱板塊的變化阻止了關(guān)東地區(qū)菲律賓海板塊邊界處震后余滑向南擴(kuò)展。我們的模型按照1天間隔估算了震后余滑分布,在這一時(shí)間尺度上震后余滑區(qū)的兩個(gè)模態(tài)中心似乎移動(dòng)不大,而滑移量值卻迅速增大。

東日本大地震的破裂區(qū)與估計(jì)的震前一直處于強(qiáng)耦合的區(qū)域非常吻合[4](圖1b),但同震滑移區(qū)的中心比閉鎖區(qū)的中心要淺。正如其他俯沖帶所觀測(cè)到的那樣[15],這一結(jié)果說(shuō)明 GPS觀測(cè)對(duì)于俯沖地震發(fā)生的潛在可能性的評(píng)估極為重要。閉鎖區(qū)域的更深部位可能會(huì)通過(guò)隨后的震后余滑釋放剩余的應(yīng)變能。

據(jù)估計(jì),沿日本海溝36°N和39.5°N之間太平洋板塊俯沖造成的矩累積速率在震前大約為1.6×1020N·m/a[4]。如果不考慮震后余滑,MW＜8板間地震的重復(fù)發(fā)生促成了10%～20%的板塊運(yùn)動(dòng)[2-3]?，F(xiàn)在還不清楚東日本大地震震后余滑會(huì)釋放多少能量。在1994年三陸遙沖地震中,1年期間震后余滑釋放的矩量相當(dāng)于主震釋放的矩量(文獻(xiàn)[15])。其他一些實(shí)例中,有報(bào)道稱8級(jí)地震震后滑移幾周之內(nèi)就釋放了相當(dāng)于主震30%的地震矩[26]。據(jù)估計(jì),2004年蘇門答臘(Sumatra)地震震后余滑40天內(nèi)釋放的矩量約為主震的30%(文獻(xiàn)[27])。如果假定東日本大地震震后余滑最終釋放的能量為主震的30%～100%,并且把大地測(cè)量觀測(cè)獲得的板塊耦合進(jìn)行插值,那么我們會(huì)發(fā)現(xiàn)沿日本海溝需要近350～700年的時(shí)間才能積累與此次地震相當(dāng)?shù)哪芰俊?/p>

最近有地質(zhì)學(xué)研究表明類似東日本大地震之后的海嘯曾重復(fù)襲擊日本東北太平洋海岸,其復(fù)發(fā)間隔為約800～1 100年(文獻(xiàn)[1]),這說(shuō)明大型逆沖區(qū)地震也沿日本海溝重復(fù)發(fā)生。這次東日本巨大地震支持這一假說(shuō),也可能部分消除了應(yīng)變積累失衡,但粗略估計(jì)的復(fù)發(fā)間隔比海嘯回歸周期要短。

震后太平洋海岸地區(qū)沉降達(dá)1.2 m。此外,由測(cè)潮儀[28]、水準(zhǔn)測(cè)量和 GPS數(shù)據(jù)估算出的過(guò)去100年間太平洋海岸的沉降速率為5～10 mm/a。盡管大地測(cè)量觀測(cè)證實(shí)了同震和震間沉降,但地貌學(xué)研究卻發(fā)現(xiàn)第四紀(jì)晚期沿太平洋海岸存在長(zhǎng)期的隆起[29]。這種矛盾說(shuō)明有另外一種機(jī)制促成了階段性的隆起,如震后形變[30]。事實(shí)上,通過(guò)兩周的觀測(cè)發(fā)現(xiàn),太平洋海岸靠近震中的地區(qū)在東日本大地震之后開(kāi)始抬升,其抬升量為1～4 cm(圖2)。從如此短時(shí)間的觀測(cè)去預(yù)測(cè)將來(lái)抬升隨時(shí)間的演化是非常困難的。如果抬升持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng),則沉降與抬升之間的分歧就會(huì)消除。為了認(rèn)識(shí)抬升機(jī)制,繼續(xù)開(kāi)展大地測(cè)量監(jiān)測(cè)非常重要。

方法概述

同震和震后位移是基于收集到的6 h的GPS數(shù)據(jù)并利用BERNESE GPS軟件分析獲得的。我們利用覆蓋日本東北部的近400個(gè) GPS測(cè)站的東-西、南-北和上-下分量相對(duì)于福江測(cè)站進(jìn)行測(cè)量。我們使用 Yabuki-Matsu’ura方法[17]估計(jì)板塊邊界上的滑移量分布,并且用寬約500 km、長(zhǎng)約800 km的斷層段代表該區(qū)域內(nèi)的板塊邊界[18]。使用參數(shù)樣條曲面代表斷層段。計(jì)算格林函數(shù)[17]時(shí)假定為均勻半空間模型。關(guān)于 GPS反演方法細(xì)節(jié)描述,包括分辨率和敏感性分析,可以參見(jiàn)“方法詳述”和補(bǔ)充圖5—9。數(shù)據(jù)和反演結(jié)果見(jiàn)補(bǔ)充表1—4。

方法詳述和相關(guān)補(bǔ)充資料均可通過(guò)www.nature.com/nature本文在線版獲取。

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