東京大學(xué)地震研究所地震預(yù)測(cè)研究中心當(dāng)前開展的重點(diǎn)研究項(xiàng)目＊

1 日本島弧的變形

該項(xiàng)目旨在通過可控源地震剖面法來確定地殼的精細(xì)結(jié)構(gòu),以及與之相關(guān)的斷層構(gòu)造,并通過整合多方面地質(zhì)與地球物理資料來最終確定日本弧的變形過程。

正如在第七個(gè)地震預(yù)測(cè)五年計(jì)劃中提出的那樣,東京大學(xué)地震研究所地震預(yù)測(cè)研究中心(以下簡(jiǎn)稱EPRC)使用受控源研究了日本列島下方的地殼結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目每年具體的實(shí)驗(yàn)方案由爆炸地震學(xué)研究小組策劃,并由一群遍布全國(guó)各地的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的研究人員實(shí)施,其中EPRC發(fā)揮了主導(dǎo)作用。選定的試驗(yàn)場(chǎng)有:九州東部、日本南部(1994)、1995年神戶地震余震區(qū)(1995)、九州東部(與1994年實(shí)驗(yàn)相同的剖面)(1996)、本州北部(一條橫跨日本弧東北部的剖面線)(1997)、以及本州北部脊梁山脈地區(qū)(1998)。為了得到在有限的預(yù)算下地殼結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像,1994年和1996年的實(shí)驗(yàn)在九州東部的同一剖面線上進(jìn)行。由于1995年神戶地震巨大的社會(huì)影響,1995年實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)區(qū)設(shè)定為其余震區(qū)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅得到了地震預(yù)測(cè)項(xiàng)目支持,也得到了政府補(bǔ)充預(yù)算的資助,這使我們能夠開展密集的地震調(diào)查工作,包括地震反射和折射廣角反射勘測(cè)。

基于地震預(yù)測(cè)國(guó)家項(xiàng)目報(bào)告,1997年和1998年實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)確定為通過多學(xué)科方法解釋?shí)u弧地殼以往的變形過程,這對(duì)認(rèn)識(shí)包括大地震孕育過程的島弧地殼動(dòng)力學(xué)來說尤為重要。1997年的實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诮沂救毡净|北部大尺度的地殼結(jié)構(gòu),而1998年的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)日本弧東北部脊梁山脈的小規(guī)模地殼不均勻性進(jìn)行成像。通過結(jié)合這些相繼的實(shí)驗(yàn),預(yù)計(jì)會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)島弧地殼與上地幔的新圖象。這一系列實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示出了增生雜巖內(nèi)精細(xì)的速度結(jié)構(gòu),并透露出九州島的下地殼結(jié)構(gòu)的不均勻性。特別是在臼杵-八代構(gòu)造線南30～40 km、深20～30 km處還發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)強(qiáng)反射體。還揭示了包括余震區(qū)下邊界的幾乎所有速度模型。最令人印象深刻的發(fā)現(xiàn)是在初始破裂點(diǎn)周圍存在著20%的低速異常。較強(qiáng)的反射體在10～13 km深度以下存在。

對(duì)從1997年和1998年實(shí)驗(yàn)得到的地震數(shù)據(jù)正在進(jìn)行深入的評(píng)估,所得結(jié)果顯示由侏羅紀(jì)增生雜巖形成的本州島弧前側(cè)的上地殼波速相當(dāng)高(6.0～6.1 km/s),且在其下方形成了一個(gè)很好的反射下地殼。本州島弧后端的特點(diǎn)是劇烈的上地殼變形和低的上地殼波速(5.8～5.9 km/s),這些可能會(huì)記錄到日本海中新世開裂過程。本州下部的莫霍面不連續(xù)性并不是很顯著,這可能表明了在上地幔和下地殼間存在一個(gè)過渡帶。

2 活動(dòng)斷層構(gòu)造

EPRC自1997年以來就對(duì)活斷層進(jìn)行了研究。由于破壞性的內(nèi)陸地震往往生成于孕震層底部附近,所以揭示從淺部到孕震層1997至1998年在九州地區(qū)完成。其數(shù)據(jù)和模型分析由EPRC制作完成。底部的整個(gè)斷層結(jié)構(gòu),對(duì)于闡明破壞性地震形成的可能機(jī)制,從而推斷出破壞性地震的損害是至關(guān)重要的。因此,使用非常淺(至地殼尺度)的地震反射剖面法對(duì)活動(dòng)斷層的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。1997年和1998年完成的橫跨本州北部歐脊梁山脈(Ou Backbone Range)由深到淺的地震反射剖面,揭示了整個(gè)活動(dòng)斷層系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)和連通性;Ou山脈的沖起構(gòu)造的特點(diǎn)是,兩邊都被逆斷層包圍約束,中地殼分離,且下地殼呈薄層狀。

作為與幾個(gè)大學(xué)的聯(lián)合研究項(xiàng)目,淺層地震反射剖面繪制橫跨了多個(gè)活動(dòng)斷層:新莊盆地東部活動(dòng)斷裂體系,Yufutsu隱伏逆沖斷層(1997),Negor斷層和Gofukuji斷層(1998)。新莊盆地東部剖面揭示了隱藏在活動(dòng)褶皺下近水平的主斷層,表明這些活動(dòng)褶皺是作為斷層擴(kuò)展褶皺產(chǎn)生的。最新發(fā)現(xiàn)的Yufuts隱伏逆沖斷層地震剖面清楚地顯示出由隱伏逆沖斷層運(yùn)動(dòng)形成的斷層彎曲褶皺的活躍增長(zhǎng)。EPRC也進(jìn)行了地表活動(dòng)斷層研究,例如,對(duì)與1998年雫石(Iwate-ken Nairiku Hokubu)地震相關(guān)的地表破裂進(jìn)行了調(diào)查,以描述地表位移和形變。

3 電阻率結(jié)構(gòu)與電磁觀測(cè)

為了確定日本列島之下電性的三維結(jié)構(gòu),并觀察短周期地震電磁前兆,EPRC一直積極參與到電阻率測(cè)量和電磁觀測(cè)的研究項(xiàng)目中。大部分野外觀測(cè)是在與國(guó)立大學(xué)合作下完成的。其中項(xiàng)目之一是通過網(wǎng)絡(luò)M T法使用較長(zhǎng)的電話電纜進(jìn)行電阻率勘察,這被用于確定日本列島下的電性三維結(jié)構(gòu)(第七屆地震預(yù)測(cè)計(jì)劃)。這些調(diào)查分別于1994至1996年在東北、四國(guó)和關(guān)西地區(qū)完成,

EPRC參與的另一項(xiàng)合作項(xiàng)目是關(guān)于1995年阪神地震(M 7.2)斷裂帶區(qū)域附近的電磁觀測(cè)。地震發(fā)生后,我們立即測(cè)量了總場(chǎng)強(qiáng)度和自然電位,并利用一個(gè)向下穿透Nozima地震斷層的鉆孔做了電阻率測(cè)深。在1994年,對(duì)1968年Ebino群發(fā)性地震(最大震級(jí)6.1級(jí))的地震活躍地區(qū)或震源區(qū)域,在1996和1997年,對(duì)1984年長(zhǎng)野西部地震(M 6.8)活動(dòng)斷層附近,在1998年橫穿San-ya斷層(1986年Riku-u 7.2級(jí)地震的地表斷裂之一),分別做了電阻率測(cè)量或?qū)掝l帶M T測(cè)深。

1995年阪神大地震伴隨有一些顯著的電磁現(xiàn)象,在此之后,作為持續(xù)進(jìn)行的地震預(yù)報(bào)計(jì)劃的一部分,開始了一個(gè)以破解短期電磁前兆的產(chǎn)生機(jī)制為目的的研究項(xiàng)目。作為該項(xiàng)目的一部分,在北海道的東部和南部地區(qū),我們進(jìn)行了連續(xù)的電磁場(chǎng)測(cè)量,并使用M T法進(jìn)行電阻率測(cè)深,這些區(qū)域幾乎不受人工噪聲干擾。

在伊豆半島東部,我們也運(yùn)行著一個(gè)質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的密集臺(tái)網(wǎng),并做著長(zhǎng)基線SP測(cè)量。自19世紀(jì)70年代開始,那里就一直有異常地殼活動(dòng),包括群發(fā)性地震、地殼抬升,甚至是小型海底火山噴發(fā)。在伊豆小笠原島弧上最活躍的玄武巖火山之一——M iyake-jima火山,使用AM T法做了電磁觀測(cè)和電阻率測(cè)深。

4 海洋地震學(xué)

大地震常發(fā)生在匯聚板塊邊界,因此揭示匯聚型板塊邊界結(jié)構(gòu)不均勻性是很重要的。關(guān)于地殼結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)在Nankai海槽、日本海溝、日本海東部和伊豆小笠原海溝進(jìn)行,這些研究是在第七次地震預(yù)報(bào)計(jì)劃的框架內(nèi),與其他大學(xué)合作完成的。在Nankai海槽有明顯的地震活動(dòng)分段現(xiàn)象,其中有一個(gè)地震段的邊界位于Shiono Misaki峽谷,在峽谷下方,地殼結(jié)構(gòu)是不均勻的。這個(gè)位置也正好是Tonankai-Nankai地震段邊界。在日本海溝觀測(cè)到反射波至的波形中有一個(gè)明顯差異,這些地震波看上去是在俯沖板塊邊界處反射的,反射強(qiáng)度與地震非活動(dòng)-活動(dòng)區(qū)域相聯(lián)系。這暗示出地震非活動(dòng)層沿著板塊邊界連續(xù)滑動(dòng)的可能性。在俯沖板塊邊界下的低速區(qū)也被識(shí)別了出來。

與海洋地震學(xué)相關(guān)的其他課題包括:海底電纜的科技利用、洋底傾斜儀的研發(fā)、折射層析成像、地震活動(dòng)性研究,以及熱液區(qū)的地震屬性。利用GeO-TOC退役的海底電纜,第一臺(tái)洋底電纜地震儀測(cè)點(diǎn)被安裝在Izu-Bonine海溝的弧前斜坡2800 m深處。將這些數(shù)據(jù)和大學(xué)地震臺(tái)網(wǎng)的數(shù)據(jù)相結(jié)合、并為IRIS做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工作已經(jīng)開展。

對(duì)于發(fā)生在臺(tái)站下方80 km處的MW6.4地震事件,觀測(cè)到加速度計(jì)在同震和震后的改變。在同震階段接近8 gals,在震后幾個(gè)小時(shí)內(nèi)的變化約為0.2 gal/hour,這種變化可能是由地震儀本身或者地面的傾斜運(yùn)動(dòng)引起的。這一觀測(cè)表明,如果大于1微弧的前兆變化存在的話,就很可能探測(cè)到與大震相關(guān)的地殼變形前兆。

一種采用氣泡傳感器的新型洋底傾斜儀已被研制了出來,并在A buratsubo的land bolt得到了測(cè)試,結(jié)果顯示出使用該儀器觀測(cè)洋底傾斜的良好潛能。在折射層析成像中,需要計(jì)算二維或三維不均勻結(jié)構(gòu)的射線路徑和走時(shí)。我們發(fā)展了偽彎曲射線法和波前法來計(jì)算不均勻結(jié)構(gòu)中的射線路徑和走時(shí),并將他們應(yīng)用于地殼研究中的折射層析成像中。該方法還被應(yīng)用于反射波至。在對(duì)Nankai海槽應(yīng)用此層析成像方法時(shí),使用有限差分法得到的理論波形與觀測(cè)相當(dāng)吻合。

通過與日本氣象廳合作研究,我們分別在Akita附近、Kozu-Zenisu、Sanriku和Kikai島附近開展了地震活動(dòng)性觀測(cè),獲得了這些地區(qū)的精確震源分布。對(duì)于Sanriku附近的地震,地震活動(dòng)圖像顯示出在海溝軸線上存在著一個(gè)清晰的地震空區(qū)。在Kikai島附近,余震活動(dòng)性與一個(gè)俯沖海山相聯(lián)系。對(duì)于提出的Akita東部地震空區(qū),觀測(cè)到小于3級(jí)的地震活動(dòng)性與先前地震活動(dòng)呈現(xiàn)出相類似的模式。在地震空區(qū)的海洋測(cè)深顯示出梯形結(jié)構(gòu)。這些表明在整個(gè)地震空區(qū)發(fā)生大地震的可能性較小。在Mariana海槽、TAG地區(qū)和Okinawa海槽等熱液區(qū)的觀測(cè)顯示出在一個(gè)12小時(shí)的活動(dòng)周期中較低的地震活動(dòng)性和長(zhǎng)周期(1—2分)壓力變化。這一觀測(cè)表明在火山口存在由潮汐引起的熱液循環(huán)。

5 利用GPS的地殼動(dòng)力學(xué)

大地震總是沿著大型斷裂重復(fù)發(fā)生,復(fù)發(fā)過程包括隨構(gòu)造應(yīng)力增強(qiáng)的彈性應(yīng)變能累積、破裂成核、動(dòng)態(tài)破裂傳播和停止以及斷層愈合。儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能中一大部分有可能產(chǎn)生一個(gè)大地震,并且只有當(dāng)斷層周圍的介質(zhì)中有大量的應(yīng)變能積累時(shí),大地震才會(huì)發(fā)生。從這個(gè)意義上講,隨構(gòu)造應(yīng)力增強(qiáng)的彈性應(yīng)變能積累過程可看作是繼發(fā)地震破裂的一個(gè)預(yù)備過程,因此,監(jiān)測(cè)這一過程對(duì)于大地震的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)將是非常有益的。

GPS是監(jiān)測(cè)各種尺度地殼形變的一個(gè)強(qiáng)大工具。在建設(shè)GPS西太平洋聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)(Western Pacific Integrated Network of GPS)(超過十個(gè)臺(tái)站)用以描述影響日本列島及周圍地區(qū)應(yīng)變積累的板塊運(yùn)動(dòng)的過程中,EPRC發(fā)揮了中心作用。結(jié)果表明了大洋板塊的剛性運(yùn)動(dòng)以及沿會(huì)聚型板塊邊界的顯著變形。與此同時(shí),印度板塊與歐亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)以及Nankai和馬里亞納海溝弧后擴(kuò)張?jiān)谧罱惨呀?jīng)被發(fā)現(xiàn)。

以GPS高密度陣列并輔之以由國(guó)土地理院(Geographical Survey Institute)部署的全國(guó)GPS陣列網(wǎng)絡(luò),我們還研究了日本列島的變形過程。日本大學(xué)GPS研究聯(lián)盟(JUNCO)通過一個(gè)密集的GPS陣列監(jiān)測(cè)了1995年阪神地震的震后恢復(fù)過程,其中EPRC發(fā)揮了核心作用。通過GPS監(jiān)測(cè)阪神大地震區(qū)域的最終報(bào)告已經(jīng)出版。在JUNCO的監(jiān)督下,EPRC部署了伊藤區(qū)域GPS陣列。

一種使用GPS的新型海嘯計(jì)已經(jīng)研制成功。由于其精度大約為5 cm,如果與基站的距離小于10 km,那么海嘯在到達(dá)海岸之前就可以被顯著地探測(cè)到。EPRC加入了一個(gè)名為“GPS氣象學(xué)”的新項(xiàng)目,起始自1997年,是科學(xué)技術(shù)廳的運(yùn)作項(xiàng)目之一。該項(xiàng)目旨在將估計(jì)的日本GPS測(cè)點(diǎn)水汽值用于氣象數(shù)值模擬,其結(jié)果被反饋到基線分析,以提高垂直定位精度。

6 地震引發(fā)過程的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)

對(duì)于導(dǎo)致大地震的物理和化學(xué)過程的建模,關(guān)鍵是要清楚,在物理實(shí)質(zhì)方面,在構(gòu)造應(yīng)力積聚最后階段,當(dāng)儲(chǔ)存有足夠的彈性應(yīng)變能時(shí),大規(guī)模的地震破裂是如何以及在什么條件下成核的。由于成核過程是隨后高速破裂的必要組成部分,因此,理解成核過程的物理實(shí)質(zhì)是建立一種科學(xué)方法,以監(jiān)測(cè)導(dǎo)致不穩(wěn)定動(dòng)態(tài)高速破裂過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

我們研究的重點(diǎn)主要針對(duì):①采用高分辨率實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)揭示破裂成核的物理本質(zhì),②建立以實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),控制地震發(fā)生過程的本構(gòu)關(guān)系,③評(píng)估斷層本構(gòu)屬性是如何受環(huán)境條件,如溫度、橫跨斷層面的正應(yīng)力以及斷裂帶中的孔隙水等的影響,④地震成核過程的物理建模,⑤在斷裂中依賴尺度的物理量的物理度量。

為此,一個(gè)獨(dú)一無二、最為先進(jìn)的球形密閉高溫高壓測(cè)試儀器被開發(fā)和建造了出來。一系列的研究產(chǎn)生了豐碩的科學(xué)成果,并有助于拓寬科學(xué)視野,以理解剪切破裂是如何以及在什么條件下成核的。成核區(qū)的規(guī)模和持續(xù)時(shí)間被認(rèn)為依賴于其尺度大小,并且已經(jīng)證明利用起控制作用的本構(gòu)關(guān)系,成核區(qū)的大小和持續(xù)時(shí)間可以得到一致的測(cè)量。成核區(qū)的臨界尺寸Lc及其持續(xù)時(shí)間tc在很大程度上依賴于一個(gè)代表了破裂面幾何不規(guī)則程度的特征長(zhǎng)度lc,實(shí)驗(yàn)和理論分析均表明,Lc與tc都與lc成比例關(guān)系。這顯示出,在光滑斷層表面,達(dá)到高速破裂的抬升距離和持續(xù)時(shí)間較短;而在粗糙、不規(guī)則的斷層表面,要達(dá)到相同的破裂速度,則需要一個(gè)較大的抬升。

同時(shí)也已經(jīng)證明,斷層的本質(zhì)屬性受到環(huán)境影響,尤其是在大地震易于成核的、對(duì)應(yīng)于彈塑性轉(zhuǎn)化機(jī)制的深度。一個(gè)地震成核的物理模型已經(jīng)提出,這可以解釋在成核過程中,前震活動(dòng)是如何、以及在什么條件下誘發(fā)的。這將為建立一個(gè)科學(xué)的預(yù)測(cè)方法提供基礎(chǔ)。

我們也探討了巖石的力學(xué)破壞和其他物理化學(xué)現(xiàn)象,如孔隙流體流動(dòng),通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)得到的電磁和電位變化。這些相互作用在破裂成核期間可能會(huì)產(chǎn)生前兆現(xiàn)象。例如,已經(jīng)發(fā)現(xiàn),電勢(shì)不但在主體失效時(shí)變化,而且也在破裂成核期間變化,為此,依據(jù)石英的壓電效應(yīng)以及基巖中的電壓松弛,提出了一個(gè)量化模型用來解釋電信號(hào)的產(chǎn)生原因。這些研究是在國(guó)際地震研究前沿計(jì)劃框架之內(nèi),并與理化學(xué)研究所(RIKEN)合作完成的。

略)。

資料來源:東京大學(xué)地震研究所網(wǎng)站,網(wǎng)址:http:∥wwweprc.eri.u-tokyo.ac.jp/EPRC_E.html

(中國(guó)地震局地球物理研究所 馬騰飛 馬曉靜 譯)

(譯者電子信箱,馬騰飛:tengfeima.vip@gmail.com)

P315.7;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.07.006

2011-03-10。