P M FultonE E BrodskyY KanoJ MoriF ChesterT IshikawaR N HarrisW LinN EguchiS Toczko343，343T和KR13－08勘查隊(duì)科技人員

1）Department of Earth and Planetary Sciences，University of California，Santa Cruz，CA，USA

2）Disaster Prevention Research Institute，Kyoto University，Kyoto，Japan

3）Center for Tectonophysics，Department of Geology and Geophysics，Texas A＆M University，College Station，TX，USA

4）Kochi Institute for Core Sample Research，Japan Agency for Marine－Earth Science and Technology，Kochi，Japan

5）Oregon State University，Corvallis，OR，USA

6）Center for Deep Earth Exploration，Japan Agency for Marine－Earth Science and Technology，Yokohama，Japan

溫度測(cè)量結(jié)果表明日本東北地區(qū)近海斷層存在低速同震摩擦＊

P M Fulton1）E E Brodsky1）Y Kano2）J Mori2）F Chester3）T Ishikawa4）R N Harris5）W Lin4）N Eguchi6）S Toczko6）343，343T和KR13－08勘查隊(duì)科技人員

1）Department of Earth and Planetary Sciences，University of California，Santa Cruz，CA，USA

2）Disaster Prevention Research Institute，Kyoto University，Kyoto，Japan

3）Center for Tectonophysics，Department of Geology and Geophysics，Texas A＆M University，College Station，TX，USA

4）Kochi Institute for Core Sample Research，Japan Agency for Marine－Earth Science and Technology，Kochi，Japan

5）Oregon State University，Corvallis，OR，USA

6）Center for Deep Earth Exploration，Japan Agency for Marine－Earth Science and Technology，Yokohama，Japan

摘 要斷層在滑動(dòng)時(shí)的摩擦阻力控制了地震動(dòng)力學(xué)。地震期間摩擦過程釋放熱量。因此，地震后的斷層溫度反映了摩擦程度。日本海溝快速鉆井項(xiàng)目（Japan Trench Fast Drilling Project，JFAST）（綜合海洋鉆探計(jì)劃（（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）343和343T勘探）在2011年3月日本東北地區(qū)近海MW9.0地震16個(gè)月后，在海溝附近的斷層帶上鉆孔安裝了鉆孔溫度觀測(cè)儀，該斷層帶在地震中滑動(dòng)了約50m。運(yùn)行9個(gè)月后，回收了全部的傳感器組。結(jié)果發(fā)現(xiàn)板塊邊界斷層的異常溫度為0.31℃，相當(dāng)于地震時(shí)每平方米釋放了27MJ熱量。該研究結(jié)果的表面摩擦系數(shù)0.08明顯小于大多數(shù)巖石的靜態(tài)值。

中圖分類號(hào)：P315；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235－4975.2015.08.002

收稿日期：＊2014－06－26。

斷層上的地震破裂傳播和滑動(dòng)過程在動(dòng)態(tài)剪切阻力的影響下變得較為緩和。任何完整的地震孕育模型都需要量化的剪切應(yīng)力，這是很難測(cè)量的。歷史上認(rèn)為，地震時(shí)的剪切應(yīng)力幾乎與其靜態(tài)摩擦力相當(dāng)，但是，最近的實(shí)驗(yàn)室研究和野外觀測(cè)已經(jīng)對(duì)這種假設(shè)持懷疑態(tài)度[1－2]。直接測(cè)量地震應(yīng)力的大小受到挑戰(zhàn)，因?yàn)榈卣饻y(cè)量只能記錄到應(yīng)力變化。

快速響應(yīng)鉆探提供了解決方案[3]。因?yàn)榛瑒?dòng)時(shí)的摩擦應(yīng)力導(dǎo)致熱量釋放，大地震之后不久的地下溫度測(cè)量能記錄到斷層上的溫度增加和降低。如果斷層上的滑動(dòng)量已知，那么利用熱量觀測(cè)可以推斷摩擦剪切應(yīng)

力[4－5]。2012年7月15日，作為日本海溝快速鉆井項(xiàng)目（JFAST）（綜合海洋鉆探計(jì)劃（IODP）343和343T勘探）的一部分，我們?cè)谌毡竞系陌鍓K邊界斷層帶（C0019D鉆孔）安置了海底溫度觀測(cè)儀（圖1），該站點(diǎn)通過對(duì)沿?cái)鄬幼呦蛳嗑嗉s30m的兩個(gè)毗鄰鉆孔（鉆孔C0019B和C0019E）的測(cè)井和巖芯采樣進(jìn)行測(cè)量（補(bǔ)充文檔）[6]。深海鉆探船Chikyu（地球號(hào)）實(shí)施了該方案，在6 900m水深的地方進(jìn)行鉆探并安裝了觀測(cè)儀，使其成為最深的海洋鉆孔觀測(cè)站。觀測(cè)站由一組55個(gè)精度約為0.001℃的溫度傳感器數(shù)據(jù)記錄儀組成，并完全裝入直徑4.5英寸的鋼管，沿鉆孔延伸到海底（圖1）。還安裝了數(shù)十個(gè)精度在1kPa以下的壓力計(jì)，用于控制傳感器深度。

圖1　觀測(cè)站由55個(gè)溫度傳感器數(shù)據(jù)記錄儀組成，用繩子固定安裝在直徑4.5英寸鋼管內(nèi)通向海底，且在底部安裝了單向閥防止流體侵入觀測(cè)站配置（本文所有圖件均為彩圖）

2013年4月26日，日本海洋地球科學(xué)和技術(shù)局深海研究船（R/V）Kairei（海嶺號(hào)）利用遠(yuǎn)程操作車輛Kaiko7000Ⅱ回收了觀測(cè)站傳感器組。所有的55個(gè)傳感器和加重抽油桿從海底以下最大深度達(dá)820.6m處回收。觀測(cè)站的水深比鄰近巖芯采樣和測(cè)井鉆孔深約8m，由于斷層深度與海底相關(guān)，因此，認(rèn)為它要比測(cè)井和巖芯采樣的觀測(cè)稍淺一些。這次成功的觀測(cè)意味著在主震后的16 ～25個(gè)月內(nèi)，鉆孔處的震后滑動(dòng)或分布變形可以忽略不計(jì)。

溫度數(shù)據(jù)顯示，在海底下650～750m區(qū)域內(nèi)存在26.29±0.13℃km－1的背景地?zé)崽荻?，結(jié)合此區(qū)域內(nèi)的熱導(dǎo)率1.16± 0.09Wm－1℃－1，得出垂直熱流值為30.50 ±2.52mW m－2（補(bǔ)充方法）。溫度從海底下812m到820m底部相對(duì)此背景梯度幾乎上升了0.31℃（圖2）。這是數(shù)據(jù)集中最大的溫度異常，且集中在海底地層819m處，該巖層估計(jì)是滑脫構(gòu)造斷層帶[6－7]。

我們認(rèn)為，溫度異常來自于2011年日本東北地區(qū)近海地震摩擦產(chǎn)生的熱量。該異常信號(hào)比之前在地震后跨越斷層進(jìn)行摩擦熱量快速響應(yīng)測(cè)量的結(jié)果要大[4－5]，且隨時(shí)間變化，因此，其瞬變現(xiàn)象也很明顯。溫度數(shù)據(jù)記錄了2011年日本東北地區(qū)近海地震的背景地?zé)?、摩擦產(chǎn)生熱量的衰減特征以及由鉆孔及水文過程產(chǎn)生的瞬變效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，低溫度與早期背景地?zé)嵯嚓P(guān)，這些表明在鉆探期間的水循環(huán)效應(yīng)和觀測(cè)站安裝時(shí)的平衡效應(yīng)（圖2）。因?yàn)榕c斷層上摩擦產(chǎn)熱的平面或平板熱源相比，鉆井干擾的熱源為線源且其特有的擴(kuò)散時(shí)間更短暫，所以可以在9個(gè)月的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)期間測(cè)量斷層摩擦產(chǎn)生的熱量[8－9]。

將溫度數(shù)據(jù)與斷層滑動(dòng)時(shí)的應(yīng)力結(jié)合起來，我們模擬了在鉆井干擾和摩擦產(chǎn)熱的聯(lián)合作用下，隨著時(shí)間的推移溫度場(chǎng)的演變，同時(shí)發(fā)現(xiàn)地震期間熱量釋放的模擬值與實(shí)測(cè)

值符合最大歸一化互相關(guān)性（補(bǔ)充文檔和圖3）。參數(shù)值受到單獨(dú)鉆探和材料屬性數(shù)據(jù)的約束（補(bǔ)充文檔和表S1）。

（a）海底下650m深的時(shí)空分布圖。黃點(diǎn)表示傳感器位置，每行表示相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)。每列代表除去平均地?zé)岜尘昂蟮娜站鶞囟龋ㄑa(bǔ)充文檔）。虛線表示2012年12月7日日本標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間17：18：30發(fā)生的MW7.4地震。2012年9月22日，在海底下818.51m深處的傳感器出現(xiàn)問題，因此，該行的后續(xù)數(shù)據(jù)通過利用傳感器上與傳感器下1.5m處的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插獲取。此外，缺數(shù)據(jù)集的時(shí)段用白色顯示。海底下700～781m的傳感器，設(shè)計(jì)利用1Hz采樣率僅進(jìn)行為期2.5周的記錄。圖S1中包括了5個(gè)間距大深度淺的傳感器數(shù)據(jù)。（b）利用兩個(gè)月間隔的實(shí)驗(yàn)方法得到5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的殘差溫度深度剖面（如不考慮地?zé)岜尘皸l件）。圖2　a中標(biāo)明了與垂直刻度線相應(yīng)的時(shí)間。與圖a相比，Y軸延長至海底下740m處。在8月相對(duì)低溫時(shí)可以看出鉆孔干擾的影響圖2　海底殘差溫度場(chǎng)

（a）圖2　a中的放大圖顯示2012年8月1日～12月6日板塊邊界附近的殘差溫度異常。（b）從受斷層深度約束的模型反演得到的模擬殘差溫度結(jié)果。圖S4顯示不受斷層深度約束的類似反演結(jié)果圖3　推測(cè)的滑動(dòng)帶附近的殘差溫度時(shí)空分布圖

從較大深度范圍的反演探測(cè)中發(fā)現(xiàn)，摩擦邊界的最佳位置在海底之下821.3m處，位于平均海平面之下7 718.8m（從7 717.8 到7719.6m，90%的置信區(qū)間（confidence interval，CI）；補(bǔ)充文檔和表S2）。反演探測(cè)中斷層位于最深數(shù)據(jù)記錄器之下，因?yàn)轭A(yù)測(cè)的溫度異常范圍要求延伸至地?zé)釋傩跃鶆虻纳疃?。然而，由圖2數(shù)據(jù)所知，溫度異常的峰值出現(xiàn)在最深溫度傳感器之上，異常范圍可能由地?zé)釋傩越Y(jié)構(gòu)決定，而該地?zé)釋傩越Y(jié)構(gòu)并不包含在我們?cè)O(shè)計(jì)的模型中。如果我們?cè)O(shè)置反演條件，將斷層位于最深傳感器之上的溫度峰值附近，最佳位置應(yīng)在海底之下819.8m（海平面之下7 717.3m）處。不論何種情況，從觀測(cè)站鉆孔的摩擦產(chǎn)熱或從鉆探時(shí)的鉆速都能推測(cè)出斷層深度位于堅(jiān)硬的角巖之上。從溫度數(shù)據(jù)推測(cè)，斷層與附近巖芯和記錄鉆孔所示的板塊邊界斷層位于同一地層水平[6－7]。

深度約束反演結(jié)果表明，沿板塊邊界的地震在發(fā)生期間，釋放的摩擦熱量集中在27MJ/m2附近（19～51MJ/m2，90%置信區(qū)間）（圖3）。溫度觀測(cè)的無約束反演顯示，集中在31 MJ/m2（20～69 MJ/m2，90%置信區(qū)間）（圖S4～圖S6）。在這兩種情況下，沿著海溝的最大滑動(dòng)帶釋放的能量[10]與地震空間平均輻射能量6～17 MJ/m2相當(dāng)[11－12]（補(bǔ)充文檔）。

對(duì)斷層周圍正溫度異常的兩種解釋包括局部降低的導(dǎo)熱系數(shù)效應(yīng)或是由流體滲透斷層帶而產(chǎn)生的熱對(duì)流。然而，根據(jù)觀測(cè)到的異常的大小和范圍，認(rèn)為這些異常不可能是由導(dǎo)熱系數(shù)差異引起的；在約20m帶內(nèi)的高地?zé)崽荻纫髮?dǎo)熱系數(shù)為0.73Wm－1℃－1，與從可比間距內(nèi)的鉆孔C0019E中的巖芯采樣測(cè)量值1.14±0.07Wm－1℃－1形成對(duì)比。在斷層帶沒有大幅度下降，位于海底之下829m的傳感器組之下（圖S2），傳感器覆蓋范圍貫穿上盤與下盤之間，測(cè)量結(jié)果表明，在角巖中能快速增加到1.40±0.19Wm－1℃－1前相對(duì)均一的值。假設(shè)組成相似，0.73Wm－1℃－1這樣的值可能需要80%～86%的體積孔隙率。即使斷裂帶以裂縫為主，超過幾十米大的孔隙率，是不可能的也不會(huì)得到鉆孔數(shù)據(jù)或相鄰鉆孔巖芯數(shù)據(jù)恢復(fù)的支持。

從海底之下784m處的觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，流體在斷層導(dǎo)水管中流動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致正的溫度異常（圖2）。地震后摩擦產(chǎn)熱信號(hào)的流體效應(yīng)通用模型已經(jīng)表明，很大的流速必須要由高滲透率（大于10－14m2）和超高壓兩種條件相結(jié)合才能產(chǎn)生[9]。電阻率測(cè)井和長時(shí)間鉆井異常衰減時(shí)間均表明，在海底之下784m處存在高滲透率[13]（圖S9）。研究推測(cè)，海底之下765m，800m和810m處存在最易受到瞬時(shí)鉆井干擾的高滲透率帶。

這些高滲透率的標(biāo)志沒有出現(xiàn)在海底之下約820m深處推測(cè)的滑動(dòng)帶上，補(bǔ)充的孔隙流體化學(xué)數(shù)據(jù)證實(shí)沿著板塊邊界存在少量流體流動(dòng)（補(bǔ)充文檔和圖S9）。2012年12月7日的一次局部大地震后，海底之下784m處突然出現(xiàn)異常冷卻，而海底之下763m的高滲透率區(qū)則升溫，這與由2012年12月地震的直接應(yīng)力或滲透率變化效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的向上傳播的流體脈沖相一致，這次地震改變了流體的正常流動(dòng)路徑[14－15]。這種解釋與這一期間的鉆孔影像相一致，鉆孔影像表明陡傾斜結(jié)構(gòu)有助于流體的垂直運(yùn)移[13]。在推測(cè)的流體對(duì)流期間，這些滲透帶的空間相關(guān)溫度變化在流動(dòng)速度上表現(xiàn)為間歇式波動(dòng)。如此大的波動(dòng)在滑脫構(gòu)造里并未觀測(cè)到。在海底之下784m，每日到每周變化的標(biāo)準(zhǔn)差大致為100%，大于12月地震前的滑脫構(gòu)造值，地震后在海底之下763m的值比之前增大了60%（補(bǔ)充文檔）。

為進(jìn)行滑動(dòng)帶厚度的合理估計(jì)，地震后

進(jìn)行的溫度觀測(cè)時(shí)間是跨越滑動(dòng)帶的特征擴(kuò)散時(shí)間的許多倍。因此，因摩擦產(chǎn)熱而造成的測(cè)量溫度異常不受滑動(dòng)帶厚度和滑動(dòng)持續(xù)時(shí)間的影響，也不受這些參數(shù)的直接約束（補(bǔ)充文檔）。然而，通過假設(shè)滑動(dòng)時(shí)間≥50s，滑動(dòng)帶厚度≥1mm，我們估計(jì)該點(diǎn)滑動(dòng)帶的最大峰值溫度＜1250℃（補(bǔ)充方法和圖S7）。

地?zé)岜旧硪矔?huì)約束斷層帶的長期綜合能量釋放[16－17]。測(cè)量的傳導(dǎo)垂直熱流30.50± 2.52mW/m2與俯沖帶地?zé)崮Ｐ拖嘁恢耓17]，這種模型很少或根本沒有長期位移平均耗散能量以熱量形式沿著板塊邊界釋放。

地震參數(shù)耗散能受溫度數(shù)據(jù)約束。然而，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和理論模型經(jīng)常基于摩擦系數(shù)來確定。對(duì)于斷層內(nèi)總計(jì)為50 m的滑動(dòng)[10]，在地震期間平均剪應(yīng)力為0.54MPa，最佳估計(jì)的局部耗散能量為27 MJ/m2。將我們的研究結(jié)果與其他研究做對(duì)比，我們基于斷層深度、靜水壓力和測(cè)量的巖石密度，假設(shè)有效正應(yīng)力為7MPa，推測(cè)等效同震摩擦系數(shù)（補(bǔ)充文檔）。結(jié)果表面摩擦系數(shù)為0.08。這個(gè)結(jié)果是“表面”，因?yàn)橛行д龖?yīng)力是從孔隙壓力和斷層傾角來推斷估計(jì)的（補(bǔ)充文檔）。剪應(yīng)力和視摩擦系數(shù)都很低，它們代表地震時(shí)的平均位移，與從日本海溝板塊邊界斷層物質(zhì)的高速（1.3m/s）摩擦實(shí)驗(yàn)確定的值一致[18]。

滑動(dòng)時(shí)的平均剪應(yīng)力為0.54 MPa，表面摩擦系數(shù)為0.08，均受到日本東北地區(qū)近海地震后約1.5年內(nèi)測(cè)得的摩擦熱異常的約束，這些均表明要么在整個(gè)地震周期中，斷層上的摩擦非常低，要么在JFAST實(shí)驗(yàn)點(diǎn)接近總應(yīng)力釋放[19－20]。滑動(dòng)期間非常低的剪切阻力可能有助于解釋導(dǎo)致毀滅性海嘯的淺層大型滑動(dòng)現(xiàn)象。

補(bǔ)充資料網(wǎng)址：http：∥www.sciencemag. org/content/342/6163/1214/suppl/DC1

文獻(xiàn)來源：Fulton P M，Brodsky E E，Kano Y，et al.Low coseismic friction on the Tohoku－Oki fault determined from temperature measurements. Science，2013，342（6163）：1214－1217.doi：10. 1126/science.1243641

（福建省地震局 王 林 譯；黃宏生 校）

（譯者電子信箱，王林：wl＿0117@163.com）

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