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(xiǎn)＊

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(hào)：P315.2；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.04.002

收稿日期：＊2014-06-09。

海洋鉆孔數(shù)據(jù)表明，2011年日本東北地震巨大的切開(kāi)海溝的破裂是沿著一條薄且軟弱的斷裂帶發(fā)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(dòng)了數(shù)十米進(jìn)而引發(fā)了毀滅性的海嘯？在斷層的淺部位置發(fā)生巨大錯(cuò)動(dòng)是屬于俯沖帶的一般過(guò)程，還是反映了該場(chǎng)地特有的地質(zhì)情況？利用“地球號(hào)”科學(xué)鉆探船和有限的鉆探技術(shù)，日本海溝快速鉆探工程（JFAST）的研究人員已經(jīng)取回了巖石樣本，并通過(guò)在發(fā)震斷層區(qū)進(jìn)行測(cè)量尋求答案。他們的發(fā)現(xiàn)經(jīng)由本期的3篇論文予以發(fā)表?；诓煌嵌鹊难芯?，Chester等人在第1208頁(yè)[1]，F(xiàn)ulton等人在第1214頁(yè)[2]，以及Ujiie等人在第1211頁(yè)[3]，都表明發(fā)生巨型錯(cuò)動(dòng)的一個(gè)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?yōu)?級(jí)地震（圖1）。根據(jù)多種觀測(cè)，在海溝及其附近的最大滑動(dòng)超過(guò)了50m。巨大淺層滑動(dòng)造成了巨型逆沖帶之上傾斜的海底向東部跳躍，從而引發(fā)海水的突然擾動(dòng)而產(chǎn)生巨大的海嘯。

斷層滑動(dòng)的速率變化范圍很大。地震破裂或地震滑動(dòng)是速率最大的斷層滑動(dòng)。傳統(tǒng)看法認(rèn)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?yàn)殡S著滑動(dòng)速率的增加，其摩擦強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)（速率強(qiáng)化）[4]。地震引起的滑動(dòng)被認(rèn)為開(kāi)始于一個(gè)較深的區(qū)域（圖1），該區(qū)域隨著滑動(dòng)速率的減弱，其摩擦強(qiáng)度也減小（速率弱化），并且當(dāng)它向海溝傳播時(shí)，摩擦強(qiáng)度會(huì)變得更小。這個(gè)模型是由在許多俯沖帶的觀測(cè)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(dòng)，這與在許多陸地地震中所見(jiàn)到的類似。在日本東北地震中出現(xiàn)的巨大淺層滑動(dòng)則令人感到意外。

關(guān)于日本海溝淺部的巨型逆沖帶有不同的假設(shè)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，滑動(dòng)速率逐漸減弱的地震帶一路延伸至海溝。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，雖然淺層巨型逆沖帶存在滑動(dòng)速率強(qiáng)化，但不能抵抗來(lái)自斷裂帶較深部位的巨大滑動(dòng)[4，6]。第三種觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)滑動(dòng)緩慢時(shí)存在速率強(qiáng)化，但如果滑動(dòng)加速達(dá)到引發(fā)地震的速率（約1 m/s）時(shí)，滑動(dòng)摩擦就會(huì)變?nèi)鮗7]。在最近的實(shí)驗(yàn)室?guī)r石摩擦力實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)不同的巖石進(jìn)行測(cè)試，都出現(xiàn)了這種高速弱化現(xiàn)象，不同的機(jī)理被提出以解釋這種現(xiàn)象[8]。與第三種觀點(diǎn)類似但不涉及高速滑動(dòng)的觀點(diǎn)，是有條件的穩(wěn)定的設(shè)想，它認(rèn)

為一些速率強(qiáng)化的斷層在滑動(dòng)速率發(fā)生小的突然增加時(shí)，會(huì)變?yōu)樗俾嗜趸?。JFAST的發(fā)現(xiàn)使我們更加接近確定哪一種觀點(diǎn)是正確的。

圖1　探索一個(gè)巨大破裂帶。日本東北地震是有記錄以來(lái)的單個(gè)地震發(fā)生斷層滑動(dòng)最大的一次（約50 m甚至更大）。為了研究地震發(fā)生的地質(zhì)機(jī)理，JFAST在水深7 km下的巨型逆沖帶上進(jìn)行鉆孔。Chester等人的研究結(jié)果表明，斷裂帶較?。s5 m），比其他觀測(cè)到的俯沖帶薄，且由軟弱的粘土構(gòu)成[1]。Ujiie等人發(fā)現(xiàn)斷層帶的物質(zhì)在地震滑動(dòng)速率下變得更加軟弱[3]。Fulton等人報(bào)告了鉆孔溫度異?，F(xiàn)象表明了非常低的摩擦應(yīng)力[2]。這些研究結(jié)果表明了淺層薄弱斷層促使海溝裂口的巨大滑動(dòng)發(fā)生

通過(guò)分析巖芯樣本，結(jié)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔進(jìn)行地質(zhì)測(cè)量，Chester等人發(fā)現(xiàn)斷層區(qū)不到5m厚，比其他現(xiàn)代或者古代的俯沖帶都薄[9]。發(fā)生剪切的地點(diǎn)正是由于一層沿著斷層發(fā)育的薄弱粘土層所導(dǎo)致。東北地震的真正走滑區(qū)就發(fā)生在這個(gè)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(cuò)過(guò)了東北地震的滑動(dòng)帶。然而，通過(guò)開(kāi)展有效樣本的摩擦實(shí)驗(yàn)，Ujiie等人發(fā)現(xiàn)，如果把粘土放到一個(gè)0.8mm厚的區(qū)域中，然后由地震促發(fā)滑動(dòng)，尤其是如果孔隙流體在滑動(dòng)中不易擴(kuò)散時(shí)，這種軟粘土?xí)兊酶沎3]。通過(guò)在附近進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，F(xiàn)ulton等人發(fā)現(xiàn)，由東北大斷裂摩擦產(chǎn)生的總熱量是非常少的，毫無(wú)疑問(wèn)，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(cè)開(kāi)展的應(yīng)力分析[11]，也與上述的軟弱板塊研究結(jié)果一致。

板塊邊界斷層存在軟弱現(xiàn)象早已被認(rèn)識(shí)到。日本東北地震導(dǎo)致上盤應(yīng)力由壓縮到拉伸的逆轉(zhuǎn)[12]，這充分證實(shí)了關(guān)于日本海溝

巨型逆沖帶的一個(gè)較早的觀點(diǎn)，即其強(qiáng)度是極低的[13]。JFAST的研究結(jié)果不僅解釋了為什么淺層巨型逆沖帶如此脆弱的地質(zhì)原因，而且表明了它可能在9級(jí)地震中變得更加脆弱。地震破裂沿著極其薄的走滑帶發(fā)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(fā)生提供了結(jié)構(gòu)條件。關(guān)于日本海溝淺層巨型逆沖帶的第三種觀點(diǎn)如上所討論，低速?gòu)?qiáng)化但高速弱化，可以解釋為什么巨大淺層滑動(dòng)在日本東北地震中不會(huì)沿著海溝隨處發(fā)生，以及也不是在過(guò)去每一次孕震區(qū)破裂中都存在的原因。

JFAST在水深7km深處進(jìn)行鉆孔在技術(shù)上非常有挑戰(zhàn)性，其成果是顯著的。即使有“地球號(hào)”這艘僅有的能在如此水深鉆探的科學(xué)鉆探船，鉆孔深度也僅能達(dá)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(gè)地點(diǎn)。在日本東北地震中，盡管巨大的走滑發(fā)生在海溝地帶，但是，是否滑動(dòng)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(méi)有發(fā)生余震等問(wèn)題，仍然不得而知[14]。因此需要進(jìn)一步研究，以確定斷層活動(dòng)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(dòng)力學(xué)和海嘯災(zāi)害而言，一個(gè)重要的問(wèn)題是，東北地震類型的大型淺層滑動(dòng)是否具有普遍性。Chester等人認(rèn)為，在日本海溝的淺層巨型逆沖帶具有在其他俯沖帶區(qū)域并不多見(jiàn)的特殊的性質(zhì)[1]。Ujiie等人表示，在日本西南部的南海海槽斷裂帶物質(zhì)中，其所含的粘土含量低，并不會(huì)像日本海溝那樣脆弱[3]。

JFAST的研究數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)直接鉆孔采樣和監(jiān)測(cè)，可以幫助闡明淺層巨型逆沖帶的滑動(dòng)行為。其他正在進(jìn)行的以及即將開(kāi)展的巨型逆沖帶鉆孔項(xiàng)目的研究，例如在日本南海和哥斯達(dá)黎加近海的鉆探項(xiàng)目，將開(kāi)展不同俯沖帶的對(duì)比研究。然而，在研究斷裂帶淺層區(qū)域的同時(shí)，科學(xué)家們必須認(rèn)識(shí)到，即使沒(méi)有發(fā)生像東北地震那樣的巨大淺層滑動(dòng)，俯沖帶地震也可能引發(fā)毀滅性的海嘯，如發(fā)生在2004年的蘇門答臘島和2010年智利的海嘯。

文獻(xiàn)來(lái)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(guó)地震局地球物理研究所 王輝 復(fù)校）

（譯者電子信箱，王林：wl＿0117@163.com）

參考文獻(xiàn)

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