Jean-Philippe Avouac

(Division of Geological and Planetary Sciences,California Institute of Technology,Pasadena,California 91125,USA)

東日本大地震啟示＊

Jean-Philippe Avouac

(Division of Geological and Planetary Sciences,California Institute of Technology,Pasadena,California 91125,USA)

一組高質(zhì)量的數(shù)據(jù)記錄了2011年3月東日本大地震的震前、地震發(fā)生時(shí)以及震后的地表形變。但目前還沒(méi)有適當(dāng)?shù)哪Ｐ涂梢岳妙愃茢?shù)據(jù)來(lái)對(duì)地震和海嘯危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估。

隨著基于空間的測(cè)量板塊構(gòu)造邊界和大型斷層表面形變技術(shù)的發(fā)展,地震科學(xué)已經(jīng)跨入一個(gè)全新的時(shí)代。日本在實(shí)施這些技術(shù)方面一直走在前列,特別是隨著大約15年前全球定位系統(tǒng)(GPS)連續(xù)記錄臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)GeoNet的建立?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些分析與東日本破壞性地震相關(guān)數(shù)據(jù)的文獻(xiàn),其中最近的一篇就是今天在線刊登在《Nature》雜志上的Ozawa等[1]的文章。

東日本地震矩震級(jí)(MW)高達(dá)9.0,屬有記錄以來(lái)的最大地震之列。GeoNet臺(tái)站記錄到的數(shù)據(jù)[1]表明此次地震是太平洋板塊向日本北部所在的鄂霍次克海(Okhotsk)板塊俯沖交界擠壓區(qū)(約400 km長(zhǎng),200 km寬)突然滑動(dòng)造成的。破裂區(qū)(圖1)位于日本最大的島嶼本州島東海岸附近海域,向東幾乎一直延伸至日本海溝——于是,地震引發(fā)了極具破壞力的大海嘯。

其他一些新發(fā)表的論文[2-3]提供了更多信息。GPS測(cè)量和水下聲學(xué)探測(cè)綜合結(jié)果[2]表明震中區(qū)海底向海洋方向移動(dòng)了多達(dá)24 m,并且抬升了約3 m。因此,沿板塊界面深部的滑移量肯定超過(guò)了從GeoNet數(shù)據(jù)推斷出的27 m滑移峰值[1];GeoNet數(shù)據(jù)和海嘯波海底壓力記錄聯(lián)合模擬[3]表明滑移量甚至可能超過(guò)50 m。相比之下,這可能是2004年蘇門答臘大地震(MW9.4)和2010年智利大地震(MW9.0)滑移峰值的兩倍——也超過(guò)了有儀器記錄以來(lái)的最大地震[5],即1960年MW9.5大地震的估算值,那次地震使智利南部海岸附近海域超過(guò)1000 km的板塊界面破裂。

圖1 東日本大地震的位置。五角星代表地震震中,地震在板塊交界處破裂,太平洋板塊沿此板塊界面以8 cm/a的速度向本州島北部下方滑動(dòng)。Ozawa及其同事[1]分析表明破裂區(qū)和滑移量分布(黑色輪廓線)大致與過(guò)去幾十年間處于閉鎖狀態(tài)的一段板塊界面(仙臺(tái)以東彩色區(qū)域)一致[4]。地震震源受到極度擠壓,在相對(duì)較淺的深度(小于20 km)產(chǎn)生了非常大的滑移,由此引發(fā)了破壞性海嘯。北部的其他閉鎖區(qū)段與歷史大地震的破裂區(qū)一致(特別是1896年三陸(Sanriku)M W 8.5地震和1968年十勝?zèng)_(Tokachi-Oki)M W 8.2地震)(原圖為彩圖)

在2011年大地震之前的15年間,Geo-Net數(shù)據(jù)[6]顯示,太平洋板塊沿本州島東邊緣不斷擠壓拖拽,使得應(yīng)變?cè)谪灤┱麄€(gè)本州島緩慢積累。然而我們清楚本州島的海岸長(zhǎng)期以來(lái)一直處于抬升狀態(tài),所以“震間”應(yīng)變——地震之間積累的應(yīng)變——必然被突然出現(xiàn)的短期抬升作用所抵消?，F(xiàn)今模型認(rèn)為上板塊的震間應(yīng)變是純彈性的,而且在板塊界面的地震破裂期間得以“恢復(fù)”,所以上板塊最終并沒(méi)有發(fā)生形變[7]。這一假說(shuō)為把板塊邊界滑移與上板塊的震間應(yīng)變聯(lián)系在一起提供了理論基礎(chǔ)。在板塊邊界蠕滑處,上板塊的應(yīng)變可以忽略;而在板塊邊界閉鎖的區(qū)段,上板塊受到擠壓和向下拖曳作用,不斷積累彈性應(yīng)變,直到閉鎖區(qū)段發(fā)生滑動(dòng)這些應(yīng)變才得以釋放。

一些早期研究采用了這一假說(shuō)[6,8,4],而且根據(jù)所測(cè)得的貫穿整個(gè)本州島的應(yīng)變推算出仙臺(tái)(Sendai)海岸附近海域應(yīng)該有一塊非常大的閉鎖區(qū)(圖1)。東日本大地震的破裂區(qū)正好與這個(gè)區(qū)域吻合[3]。然而,一個(gè)值得注意的不一致之處就是破裂到達(dá)的區(qū)域靠日本海溝更近一些,而震間模型卻顯示那里只有輕微閉鎖。東日本大地震中特別巨大的較淺滑移可能是由于以往板塊界面的破裂沒(méi)有到達(dá)海溝,因而遺留下了震前的高應(yīng)力,或者就像地震學(xué)研究所揭示的[9],是由于板塊界面的特殊性質(zhì)。但無(wú)論什么原因,觀測(cè)到的滑移都說(shuō)明這一淺部板塊界面震前一直處于閉鎖狀態(tài)——至少部分保持閉鎖。

已經(jīng)發(fā)表的震間模型[6,8,4]表明淺部只有輕微閉鎖,實(shí)質(zhì)上這是方法學(xué)所固有的假定結(jié)果:如果只使用陸地上的數(shù)據(jù),板塊界面的淺部實(shí)際上就不會(huì)得到很好的約束[1]。這些模型可能會(huì)使研究人員誤解為大規(guī)模較淺滑移發(fā)生的可能性不大,而實(shí)際上它確實(shí)發(fā)生了。因此,在缺乏海底大地測(cè)量直接約束的情況下,模型假定板塊界面淺部地帶處于最高程度的閉鎖狀態(tài)可能比較合適。事實(shí)上,震間數(shù)據(jù)并沒(méi)有排除仙臺(tái)海岸附近海域存在一個(gè)閉鎖區(qū)的可能性,這一閉鎖區(qū)一直延伸至海溝處的較淺板塊邊界地帶。這種假定為評(píng)估像東日本大地震這樣的地震事件的發(fā)生頻率提出了問(wèn)題。

估算出的沿本州島北部東海岸附近海域板塊邊界滑移量——源自過(guò)去數(shù)百年間發(fā)生的地震——遠(yuǎn)不能抵消這期間由于震間閉鎖而積累的滑移虧損量。所以那里似乎早就應(yīng)該發(fā)生一次大地震了。的確,根據(jù)已發(fā)表的震間模型,這個(gè)邊界上的震間應(yīng)變積累確實(shí)很快:只需要幾百年的時(shí)間就可以積累足夠發(fā)生MW9.0大地震的應(yīng)變。如果在震間應(yīng)變建模中假定板塊界面淺部處于閉鎖狀態(tài),那么類似大地震事件的復(fù)發(fā)應(yīng)該還會(huì)更加頻繁。

相比之下,基于歷史和古海嘯記錄[10],預(yù)計(jì)大地震可能每1000年才會(huì)發(fā)生一次,甚至發(fā)生頻率更低。解決這一難題的辦法還不清楚。沒(méi)有證據(jù)表明此區(qū)域會(huì)特別頻繁地發(fā)生無(wú)震滑移,而震后余滑雖然不可忽略[1],但仍舊太小而不足以均衡滑移積累。所以,要么是震間積累的滑移虧損量被高估了(如果部分震間應(yīng)變不可恢復(fù)的話,有可能發(fā)生這種情況),要么是用10年左右尺度的大地測(cè)量速率來(lái)代表100～1000年尺度的應(yīng)變積累這種假設(shè)是不正確的。

另一個(gè)自相矛盾而且有可能與此相關(guān)的觀測(cè)結(jié)果是,東日本大地震導(dǎo)致海岸系統(tǒng)性下沉超過(guò)1 m,然而預(yù)期的情況卻是應(yīng)該發(fā)生抬升才能均衡震間5 mm/a的沉降速率。海岸長(zhǎng)期抬升需要足夠大、且足夠頻繁的形變事件來(lái)補(bǔ)償沉降。這可能需要重新審視下列兩個(gè)問(wèn)題,即上板塊的震間形變是純彈性的假定,以及震間彈性應(yīng)變只有通過(guò)沿板塊界面發(fā)生的地震才能得以釋放的推論。

最后,東日本大地震震前[6,8,4]和震后[1]獲得的大地測(cè)量數(shù)據(jù)表明,破裂區(qū)以南的板塊界面大多處于無(wú)震蠕滑狀態(tài)。因此,沒(méi)有跡象表明板塊邊界的那一部分存在可能威脅東京的應(yīng)變積累。但是現(xiàn)在事實(shí)已經(jīng)非常清楚,盡管大地測(cè)量網(wǎng)絡(luò)對(duì)于觀測(cè)板塊邊界和主要斷層的應(yīng)變積累和地震釋放非常有價(jià)值,但目前我們還沒(méi)有適當(dāng)?shù)睦碚搧?lái)利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行地震和海嘯危險(xiǎn)性評(píng)估。

譯自:Nature,21 July 2011,475:300

原題:Earthquakes:The lessonsof Tohoku-Oki

(中國(guó)地震局地球物理研究所 韓立波 譯;左玉玲 校)

(譯者電子信箱,韓立波:chinakkmm@gmail.com)

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D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.08.002

2011-07-29。