日本東部內(nèi)陸地區(qū)2011年大地震前后的應(yīng)力狀態(tài)與誘發(fā)地震＊

通過反演震源機(jī)制數(shù)據(jù)，得到了東日本大地震前后日本東部內(nèi)陸地區(qū)的應(yīng)力場。地震前，在東北部（Tohoku），σ1軸呈EW方向，但在關(guān)東－東部（Kanto-Chubu）地區(qū)則呈NW-SE方向。地震后，在Tohoku北部和靠近磐城市（Iwaki City）的Tohoku東南部，應(yīng)力場發(fā)生了變化，主應(yīng)力取向大致等同于與地震相關(guān)的靜應(yīng)力變化取向。這說明地震前這些地區(qū)的差應(yīng)力值小于1MPa。在Tohoku中部，雖然地震后加載的應(yīng)力取向幾乎逆轉(zhuǎn)，但其應(yīng)力場沒有發(fā)生變化，說明那里的差應(yīng)力值大大超過1MPa。在Kanto－Chubu，地震后加載了與背景應(yīng)力方向近乎相同的應(yīng)力，且應(yīng)力場沒有發(fā)生預(yù)期的變化。這可能就是Kanto-Chubu地區(qū)高地震活動(dòng)水平的誘因。

引言

2011年3月11日東日本大地震（MW9.0）以后，日本東部內(nèi)陸地區(qū)的地殼內(nèi)除了發(fā)生一些普通余震外，誘發(fā)地震也顯得異?；钴S（如文獻(xiàn)［1］）。地震時(shí)空圖（圖1）清楚表明主震后地震活動(dòng)性發(fā)生了急劇變化：一些地方的地震活動(dòng)突然增多，而另一些地方的則驟然減少。這說明由地震的斷層滑移引起的靜應(yīng)力變化對內(nèi)陸地區(qū)的地震活動(dòng)模式產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響。誘發(fā)地震包括Iwaki及其周邊地區(qū)明顯的正斷層型地震活動(dòng)，Iwaki位于太平洋海岸附近福島第二核電站以南～40km處（參見圖1）。這種地震活動(dòng)模式極不尋常，因?yàn)槿毡緰|北部（NE）內(nèi)陸淺源地震大都呈逆斷層型機(jī)制（如文獻(xiàn)［2］）。除了這里的活動(dòng)異常外，雖然整個(gè)日本東部的誘發(fā)地震活動(dòng)分布很廣，但距主震破裂區(qū)很遠(yuǎn)的Kanto-Chubu地區(qū)的誘發(fā)地震顯得尤其活躍（圖1）。

為了搞清是什么原因誘發(fā)了這種奇特的地震活動(dòng)，我們研究了主震前后的應(yīng)力場，并與靜應(yīng)力變化進(jìn)行比較，由于這種變化特別大，所以即使是在內(nèi)陸地區(qū)也并沒有小到可以忽略不計(jì)。

1 東日本大地震前后的應(yīng)力場

我們使用了陸地下方和日本海下方發(fā)生的淺源地震（＜20km）資料。所用的數(shù)據(jù)包括：①由Asano等［3］根據(jù)日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所（NIED）的F-net和Hi-net數(shù)據(jù)的矩心矩張量反演估算出的震源機(jī)制解；②根據(jù)NIED的F-net數(shù)據(jù)的矩張量反演估算出的震源機(jī)制解，其方差縮減優(yōu)于70%（http：∥www.bosai.go.jp／e／index.html）；③本研究利用Hardebeck和Shearer［5］方法根據(jù)P波極性估算出的震源機(jī)制解。我們所用的極性數(shù)據(jù)由日本氣象廳（JMA）拾取，或從Hi-net和東北大學(xué)地震觀測網(wǎng)的原始地震記錄中拾取，其中東北大學(xué)的觀測網(wǎng)包括一些臨時(shí)臺站。數(shù)據(jù)的時(shí)間段是從1997年到2011年7月。根據(jù)①、②、③得到的震源機(jī)制解數(shù)分別為563、136和2 417。①、②、③的震級范圍分別為＞～4.0、＞～3.5和1.5－5.0。圖2為震源機(jī)制解圖，與地震前的逆斷層型震源機(jī)制解相比，圖中的走滑型或正斷層型機(jī)制解有明顯增多的趨勢。這表明最小擠壓應(yīng)力已經(jīng)由垂向轉(zhuǎn)變?yōu)樗较颉?/p>

圖1 東日本大地震前后的淺源（小于20km）內(nèi)陸地震活動(dòng)。（a）東日本大地震以前（灰色點(diǎn)）90天和以后（紅色點(diǎn)）90天中發(fā)生事件的震中圖。綠色等值線示出Iinuma等［4］的滑移模型。美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的東日本大地震主震矩心矩張量解用一沙灘球表示。（b）主震前后180天中發(fā)生的淺源內(nèi)陸地震時(shí)空圖

圖2 本研究中采用的東日本大地震以前（a）和以后（b）的震源機(jī)制解。逆斷層、走滑斷層和正斷層分別用紅、綠、藍(lán)3色表示。斷層根據(jù)Frohlich［6］進(jìn)行分類

為了計(jì)算應(yīng)力場，我們將Hardebeck和Michael的阻尼應(yīng)力張量反演方法應(yīng)用到圖2中顯示的數(shù)據(jù)中。該區(qū)被分成了間隔0.5°的網(wǎng)格，每一個(gè)震源機(jī)制解都被指定到最近的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。基于模型長度與數(shù)據(jù)方差之間的權(quán)衡［7］，對于阻尼反演，我們選取空間阻尼參數(shù)es＝0.6。我們利用時(shí)間阻尼參數(shù)et＝0.6同時(shí)反演了主震前后的數(shù)據(jù)，這樣一來就不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)并不十分需要的明顯的時(shí)間旋轉(zhuǎn)。所得結(jié)果示于圖3和輔助材料的圖S1中。這些圖表明，地震前的最大壓應(yīng)力軸（σ1）在整個(gè)區(qū)域都是近水平的。Tohoku地區(qū)的σ1呈E-W向，與板塊會(huì)聚平行，而Kanto-Chubu則呈NW-SE向。Kanto-Chubu地區(qū)σ1的這種順時(shí)針旋轉(zhuǎn)可能緣于日本東北部與西南部之間的碰撞以及伊豆半島與西南日本弧之間的碰撞（如文獻(xiàn)［8］）。

圖3 應(yīng)力張量反演獲得的東日本大地震以前（a）和以后（b）的最佳擬合σ1和σ3軸方向。σ1和σ3軸在每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分別用紅色和藍(lán)色表示。棒條的長度與主應(yīng)力軸的俯角相對應(yīng)。圖（b）右下角小框中的紅條和藍(lán)條表示用深度為10～20km的事件獲得的G區(qū)震后最佳擬合σ1和σ3軸

地震后，Tohoku北部（圖中的A、B、C區(qū)）以及Tohoku東南部Iwaki附近地區(qū)（G區(qū)）的應(yīng)力場發(fā)生了重大變化；A、B、C區(qū)中的σ1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，方向?yàn)镹E-SW，而G區(qū)的最小壓應(yīng)力軸（σ3）沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，趨近板塊會(huì)聚方向。然而，從Tohoku中部到Kanto-Chubu的其他地區(qū)的應(yīng)力場沒有發(fā)生重大變化。

2 與東日本大地震引起的靜應(yīng)力變化的比較

根據(jù)Okada的公式［9］，并利用Iinuma等的滑移模型［4］，對東日本大地震引起的靜應(yīng)力變化進(jìn)行了估算。我們假設(shè)泊松比為0.28，楊氏模量為70GPa。估算得到的應(yīng)力變化示于圖4和補(bǔ)充圖S2中。這些數(shù)字表明，Tohoku北部（A、B、C區(qū)）的σ1和Iwaki附近的σ3（G區(qū)）分別與地震后在這兩個(gè)地區(qū)觀測到的方向幾乎一致（圖3b）。這說明那些地區(qū)的誘發(fā)地震緣于取向不同于地震前的背景應(yīng)力的靜應(yīng)力變化，進(jìn)而表明地震前的偏應(yīng)力值小于1MPa。

圖4 東日本大地震引起的靜應(yīng)力變化的σ1軸（紅條）和σ3軸（藍(lán)條）方向，深度為10km。所采用的滑移模型據(jù)Iinuma等［4］。差應(yīng)力分別用1.0、0.5和0.1MPa的等值線示出

靜應(yīng)力變化顯示Tohoku中部的σ3（D、E、F區(qū)）呈EW向。而地震前后σ1的方向都為EW。這說明地震引起的應(yīng)力變化對這些地區(qū)沒有產(chǎn)生重大影響，也表明地震前的偏應(yīng)力值比靜應(yīng)力變化大得多（大于～1MPa）。

在Kanto-Chubu地區(qū)（I—M區(qū)），靜應(yīng)力變化顯示σ1的方向?yàn)镹W-SE，大致與地震前觀測到的方向相同（圖3a正如所料，震后的應(yīng)力場也幾乎相同，說明那些地區(qū)的偏應(yīng)力確實(shí)因?yàn)橹髡饠鄬踊贫龃罅恕Ｒ虼?，雖然離主震破裂很遠(yuǎn)，但在Kanto-Chubu的這些地區(qū)依然觀測到了不尋常的誘發(fā)地震活動(dòng)。

在H區(qū)，與Kanto-Chubu的其他區(qū)一樣，震前、震后σ1的方向均為NW-SE（圖3），但靜應(yīng)力變化中的σ3方向接近EW（圖4）。采用不同滑移模型［10］計(jì)算出的靜應(yīng)力變化（補(bǔ)充圖2Sh中的三角形）顯示，與在Kanto-Chubu的其他區(qū)一樣，σ1大致呈NW-SE向，說明H區(qū)位于對滑移模型很敏感的地方。因此，H區(qū)的背景偏應(yīng)力與Kanto-Chubu的其他區(qū)一樣，可能也因?yàn)橹髡饠鄬踊贫兴龃蟆?/p>

3 討論與結(jié)論

我們估算了日本東部內(nèi)陸地區(qū)地震前后的應(yīng)力場，結(jié)果顯示Tohoku北部和Iwaki附近地區(qū)的應(yīng)力場在地震后發(fā)生了變化。

Wesson和Boyd［11］提出了一種估算偏應(yīng)力值的方法，并對2002年Denali斷層震源區(qū)的偏應(yīng)力值進(jìn)行了估算。如果地震后應(yīng)力場發(fā)生了變化，我們就可以通過將地震前后的應(yīng)力張量差視為等同于靜應(yīng)力變化，從而由最小二乘法估算出絕對偏應(yīng)力張量［11］。我們遵照此法對偏應(yīng)力值進(jìn)行估算。估算使用了C區(qū)和G區(qū)，因?yàn)榇颂幥宄赜^測到了東日本大地震后的應(yīng)力場變化。這里采用了Iinuma等［4］和Lay等［10］的滑移模型。結(jié)果列于表1，表中示出估算出的地震前后的差應(yīng)力（σ1－σ3）。震前差應(yīng)力值約為0.2～0.9MPa，震后約為0.8～1.6MPa。震后的這些應(yīng)力（0.8～1.6MPa）被認(rèn)為是那些區(qū)域內(nèi)誘發(fā)地震的成因，因?yàn)檫@些數(shù)值似乎證實(shí)了一條弱斷層的存在。

更確切地說，對于G區(qū)，震前和震后反演中所用事件的震源深度范圍互相之間略有不同。地震前該區(qū)的事件發(fā)生在深度為10～20km的范圍內(nèi)，而地震后的深度范圍更大，為0～20km。為了比較同一深度范圍的應(yīng)力場，利用震源深度為10～20km的事件進(jìn)行了應(yīng)力反演，結(jié)果示于圖3b和補(bǔ)充圖S1中。σ3的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)變得更小了。地震前估算出的這種情況下的差應(yīng)力值略微偏大了一些。

表1 估測的差應(yīng)力值（MPa

正如前邊所述，雖然地震后加載了近逆向應(yīng)力，但Tohoku中部的σ1方向沒有變化。我們用試錯(cuò)法估算地震前差應(yīng)力值有多大，即使在添加了與地震相關(guān)的應(yīng)力張量情況下，使σ1方向不發(fā)生變化。E區(qū)的結(jié)果（表1）顯示地震前的差應(yīng)力值起碼大于～2.5MPa。將E區(qū)的結(jié)果與C區(qū)和G區(qū)的進(jìn)行比較，結(jié)果表明地震前的最高差應(yīng)力位于主震破裂最大滑移區(qū)以西的Tohoku中部。該結(jié)果也說明這些區(qū)域內(nèi)的差應(yīng)力發(fā)生了重大變化，這一點(diǎn)與Denali斷層地震的情況類似［11］。

對偏應(yīng)力值進(jìn)行估算的幾項(xiàng)研究也報(bào)道過剪應(yīng)力值的數(shù)值很小，約為1～22Pa（如文獻(xiàn)［11-13］），比本研究的數(shù)值略微大了一些。本研究的數(shù)值較小，可能部分源于估測誤差。這里考慮了主應(yīng)力取向的不確定性，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)偏差示于表1中。這些不確定性的原因包括其他一些因素，例如最小二乘反演導(dǎo)致的不確定性［11］，這些因素沒有被考慮在內(nèi)。此外，本研究中的偏應(yīng)力僅引起了一些小地震，震級最大為4.5（震級大于4.5的地震發(fā)生在G區(qū)，但其深度不超過10km），而從前研究中的偏應(yīng)力引起了大地震，震級為7.3～9.0：這可能就是剪應(yīng)力值的數(shù)值較小的原因。不管怎樣，這些觀測結(jié)果表明那些地方的孕震斷層非常弱。

譯自：Geophysical Research Letters，2012，Vol.39，L03302

原題：Stress before and after the 2011great Tohoku-oki earthquake and induced earthquakes in inland areas of eastern Japan

（中國地震局地球物理研究所 洪啟宇 譯；鄭需要 校）

（譯者電子信箱，洪啟宇：iamhhnn＠126.com）

［1］Hirose F，Miyaoka K，Hashimoto N，et al.Outline of the 2011off the Pacific coast of Tohoku earthquake（MW9.0）seismicity：Foreshocks，mainshock，aftershocks，and induced activity.Earth Planets Space，2011，63：513-518

［2］Hasegawa A，Horiuchi S，Umino N.Seismic structure of the northeastern Japan convergent margin：A synthesis.J.Geophys.Res.，1994，99：22 295-22 311

［3］Asano Y，Saito T，Ito Y，et al.Spatial distribution and focal mechanisms of aftershocks of the 2011off the Pacific coast of Tohoku earthquake.Earth Planets Space，2011，63：669-673

［4］Iinuma T，Ohzono M，Ohta Y，et al.Coseismic slip distribution of the 2011off the Pacific coast of Tohoku earthquake（M9.0）estimated based on GPS data——Was the asperity in Miyagi-oki ruptured？Earth Planets Space，2011，63：643-648

［5］Hardebeck J L，Shearer P M.A new method for determining first-motion focal mechanisms.Bull.Seism.Soc.Am.，2002，92：2 264-2 276

［6］Frohlich C.Triangle diagrams：Ternary graphs to display similarity and diversity of 3earthquake focal mechanisms.Phys.Earth Planet.Inter.，1992，75：193-198

［7］Hardebeck J L，Michael A J.Damped regional-scale stress inversions：Methodology and examples for Southern California and the Coalinga aftershock sequence.J.Geophys.Res.，2006，111，B11310，doi：10.1029／2005JB004144

［8］Townend J，Zoback M D.Stress，strain，and mountain building in central Japan.J.Geophys.Res.，2006，111，B03411，doi：10.1029／2005JB003759

［9］Okada Y.Internal deformation due to shear and tensile faults in a half-space.Bull.Seism.Soc.Am.，1992，82：1 018-1 040

［10］Lay T，Ammon C J，Kanamori H，et al.Possible large near-trench slip during the great 2011Tohoku（MW9.0）earthquake.Earth Planets Space，2011，63：687-692

［11］Wesson R L，Boyd O S.Stress before and after the 2002Denali fault earthquake.Geophys.Res.Lett.，2007，34，L07303，doi：10.1029／2007GL029189

［12］Hardebeck J L，Hauksson E.Crustal stress field in Southern California and its implications for fault mechanics.J.Geophys.Res.，2001，106：21 859-21 882

［13］Hasegawa A，Yoshida K，Okada T.Nearly complete stress drop in the 2011 MW9.0off the Pacific coast of Tohoku earthquake.Earth Planets Space，2011，63：703-707

Keisuke Yoshida1），Akira Hasegawa1），Tomomi Okada1），Takeshi Iinuma1），Yoshihiro Ito1），Youichi Asano2）

1）Research Center for Prediction of Earthquakes and Volcanic Eruptions，Graduate School of Science，Tohoku University，Sendai，Japan
2）National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention，Tsukuba，Japan

P315.1；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2012.04.003

2012-03-23。

10.1029／2011GL049729）