Science：薄且軟弱斷層帶的危險＊

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＊

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：P315.2；

文獻標識碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.04.002

收稿日期：＊2014-06-09。

海洋鉆孔數據表明，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了數十米進而引發了毀滅性的海嘯？在斷層的淺部位置發生巨大錯動是屬于俯沖帶的一般過程，還是反映了該場地特有的地質情況？利用“地球號”科學鉆探船和有限的鉆探技術，日本海溝快速鉆探工程（JFAST）的研究人員已經取回了巖石樣本，并通過在發震斷層區進行測量尋求答案。他們的發現經由本期的3篇論文予以發表。基于不同角度的研究，Chester等人在第1208頁[1]，Fulton等人在第1214頁[2]，以及Ujiie等人在第1211頁[3]，都表明發生巨型錯動的一個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，最終演變為9級地震（圖1）。根據多種觀測，在海溝及其附近的最大滑動超過了50m。巨大淺層滑動造成了巨型逆沖帶之上傾斜的海底向東部跳躍，從而引發海水的突然擾動而產生巨大的海嘯。

斷層滑動的速率變化范圍很大。地震破裂或地震滑動是速率最大的斷層滑動。傳統看法認為，巨型逆沖帶的俯沖塊體的最淺層部分可抵抗地震破裂，因為隨著滑動速率的增加，其摩擦強度也隨之增強（速率強化）[4]。地震引起的滑動被認為開始于一個較深的區域（圖1），該區域隨著滑動速率的減弱，其摩擦強度也減小（速率弱化），并且當它向海溝傳播時，摩擦強度會變得更小。這個模型是由在許多俯沖帶的觀測所得到的，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，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的巨大淺層滑動則令人感到意外。

關于日本海溝淺部的巨型逆沖帶有不同的假設。一種觀點認為，滑動速率逐漸減弱的地震帶一路延伸至海溝。另一種觀點認為，雖然淺層巨型逆沖帶存在滑動速率強化，但不能抵抗來自斷裂帶較深部位的巨大滑動[4，6]。第三種觀點認為，當滑動緩慢時存在速率強化，但如果滑動加速達到引發地震的速率（約1 m/s）時，滑動摩擦就會變弱[7]。在最近的實驗室巖石摩擦力實驗中，通過對不同的巖石進行測試，都出現了這種高速弱化現象，不同的機理被提出以解釋這種現象[8]。與第三種觀點類似但不涉及高速滑動的觀點，是有條件的穩定的設想，它認

為一些速率強化的斷層在滑動速率發生小的突然增加時，會變為速率弱化。JFAST的發現使我們更加接近確定哪一種觀點是正確的。

圖1　探索一個巨大破裂帶。日本東北地震是有記錄以來的單個地震發生斷層滑動最大的一次（約50 m甚至更大）。為了研究地震發生的地質機理，JFAST在水深7 km下的巨型逆沖帶上進行鉆孔。Chester等人的研究結果表明，斷裂帶較薄（約5 m），比其他觀測到的俯沖帶薄，且由軟弱的粘土構成[1]。Ujiie等人發現斷層帶的物質在地震滑動速率下變得更加軟弱[3]。Fulton等人報告了鉆孔溫度異常現象表明了非常低的摩擦應力[2]。這些研究結果表明了淺層薄弱斷層促使海溝裂口的巨大滑動發生

通過分析巖芯樣本，結合對現場鉆孔進行地質測量，Chester等人發現斷層區不到5m厚，比其他現代或者古代的俯沖帶都薄[9]。發生剪切的地點正是由于一層沿著斷層發育的薄弱粘土層所導致。東北地震的真正走滑區就發生在這個粘土斷層帶，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，且可能錯過了東北地震的滑動帶。然而，通過開展有效樣本的摩擦實驗，Ujiie等人發現，如果把粘土放到一個0.8mm厚的區域中，然后由地震促發滑動，尤其是如果孔隙流體在滑動中不易擴散時，這種軟粘土會變得更軟[3]。通過在附近進行溫度監測，Fulton等人發現，由東北大斷裂摩擦產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鉆孔觀測開展的應力分析[11]，也與上述的軟弱板塊研究結果一致。

板塊邊界斷層存在軟弱現象早已被認識到。日本東北地震導致上盤應力由壓縮到拉伸的逆轉[12]，這充分證實了關于日本海溝

巨型逆沖帶的一個較早的觀點，即其強度是極低的[13]。JFAST的研究結果不僅解釋了為什么淺層巨型逆沖帶如此脆弱的地質原因，而且表明了它可能在9級地震中變得更加脆弱。地震破裂沿著極其薄的走滑帶發生[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生提供了結構條件。關于日本海溝淺層巨型逆沖帶的第三種觀點如上所討論，低速強化但高速弱化，可以解釋為什么巨大淺層滑動在日本東北地震中不會沿著海溝隨處發生，以及也不是在過去每一次孕震區破裂中都存在的原因。

JFAST在水深7km深處進行鉆孔在技術上非常有挑戰性，其成果是顯著的。即使有“地球號”這艘僅有的能在如此水深鉆探的科學鉆探船，鉆孔深度也僅能達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地點。在日本東北地震中，盡管巨大的走滑發生在海溝地帶，但是，是否滑動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的上盤處沒有發生余震等問題，仍然不得而知[14]。因此需要進一步研究，以確定斷層活動隨著深度的變化以及沿著海溝橫向變化的情況。

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

JFAST的研究數據顯示，通過直接鉆孔采樣和監測，可以幫助闡明淺層巨型逆沖帶的滑動行為。其他正在進行的以及即將開展的巨型逆沖帶鉆孔項目的研究，例如在日本南海和哥斯達黎加近海的鉆探項目，將開展不同俯沖帶的對比研究。然而，在研究斷裂帶淺層區域的同時，科學家們必須認識到，即使沒有發生像東北地震那樣的巨大淺層滑動，俯沖帶地震也可能引發毀滅性的海嘯，如發生在2004年的蘇門答臘島和2010年智利的海嘯。

文獻來源：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；中國地震局地球物理研究所 王輝 復校）

（譯者電子信箱，王林：wl＿0117@163.com）

參考文獻

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學術論文