王克林

太平洋地球科學(xué)中心，加拿大地質(zhì)調(diào)查局，加拿大不列顛哥倫比亞省悉尼市，V8L 4B2

0 引言

俯沖帶是海洋板塊向大陸板塊或另一個(gè)海洋板塊下面俯沖的板塊邊界.兩個(gè)板塊之間的接觸邊界是俯沖帶大斷層.本文討論有關(guān)這個(gè)大斷層的強(qiáng)度的一些問(wèn)題.本文的定位比較特殊.它不是關(guān)于本學(xué)科的前沿綜述，而是簡(jiǎn)述作者對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域一系列科學(xué)問(wèn)題的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，內(nèi)容主要基于作者自己團(tuán)隊(duì)發(fā)表過(guò)的研究成果.多數(shù)圖件采自這些文獻(xiàn)并經(jīng)過(guò)加工修改.讀者對(duì)象不光是研究俯沖帶的學(xué)者，也包括其他對(duì)俯沖帶研究感興趣的、有地質(zhì)和地球物理背景的研究生和科研人員，所以主要定性地講原理，簡(jiǎn)化定量分析，盡量避免數(shù)學(xué)公式.由于俯沖帶研究近十幾年發(fā)展很快，本文的一些內(nèi)容與傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)相悖.許多問(wèn)題還沒(méi)有完全理解或存有爭(zhēng)議.對(duì)這些問(wèn)題的討論也從很大程度上代表了未來(lái)的研究方向.

斷層的強(qiáng)度是指造成它滑動(dòng)所需的剪應(yīng)力.俯沖帶大斷層的強(qiáng)度是巖石圈板塊動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要問(wèn)題.板片俯沖時(shí)在這里遇到多大阻力，大斷層給上覆板塊構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)提供什么樣的邊界條件，都取決于大斷層的強(qiáng)度.文中涉及的許多概念對(duì)理解任何其他斷層也是重要的，因而有普遍的地球動(dòng)力學(xué)意義.研究俯沖帶大斷層的強(qiáng)度也有社會(huì)意義.大斷層的突然錯(cuò)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大地震，往往還伴隨著海嘯.2004年9.2級(jí)蘇門答臘大地震破裂面沿海溝走向長(zhǎng)達(dá)1300 km，引發(fā)的海嘯在北印度洋周邊造成24萬(wàn)人死亡.2011年9.0級(jí)日本海溝大地震斷層錯(cuò)距最大處達(dá)60余米(Sun et al., 2017)，帶來(lái)的海嘯致死近2萬(wàn)人.迄今大于8.5級(jí)的地震基本都發(fā)生在俯沖帶大斷層上.了解大斷層的強(qiáng)度有助于揭示這些地震的物理機(jī)制，并對(duì)減災(zāi)實(shí)踐有指導(dǎo)意義.

俯沖帶大斷層是一個(gè)復(fù)雜的剪切帶(Wang, 2010; Rowe et al., 2013; Agard et al., 2018; Raimbourg et al., 2019).洋底遍布地壘-地塹、海山、海嶺、斷裂帶等不同尺度的高低起伏，俯沖后造成斷層不規(guī)則的幾何形態(tài).俯沖板片在俯沖前和俯沖后的彎曲變形又引起新的正斷層活動(dòng)，加劇了幾何不規(guī)則性.修整和磨平這些不規(guī)則形態(tài)的過(guò)程會(huì)引起小斷層活動(dòng)、巖塊旋轉(zhuǎn)、巖石破碎、斷層泥發(fā)育、變形的局域化等，在斷層帶內(nèi)外造成一系列復(fù)雜構(gòu)造.洋底的沉積層在有些情況下整體俯沖下去，增加了大斷層的平滑度，有些情況下僅部分俯沖，余下的形成增生楔，而有些俯沖洋底本來(lái)就沒(méi)有多少沉積物.斷層帶里的材料不僅有從海溝帶下去的沉積物，也裹挾了來(lái)自俯沖洋殼頂部的玄武巖塊屑和從上覆板塊底部剝蝕下來(lái)的其他巖石.隨著溫度壓力向深處的增高，斷層帶內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生變質(zhì)，同時(shí)也形成一些新的礦物.俯沖板片里的一些礦物由于溫壓增高也發(fā)生脫水，給斷層帶加入了新的流體和溶于其中的礦物.豐富的含礦流體不但引起斷層材料組分的變化，還引起一些重要的物理過(guò)程，如提高孔隙液壓、改變滲透率、促進(jìn)壓溶流變作用等等.從許多出露地表的古俯沖斷層來(lái)看，斷層帶里的材料往往是經(jīng)過(guò)不同程度變質(zhì)的混雜巖體，夾有一些局域化的剪切帶，其中包括極薄的滑動(dòng)層.這些滑動(dòng)層有時(shí)含有被公認(rèn)為是古地震直接證據(jù)的假玄武玻璃.

本文討論的斷層強(qiáng)度是對(duì)上述復(fù)雜系統(tǒng)的一個(gè)最基本的力學(xué)性質(zhì)的宏觀描述.地球動(dòng)力學(xué)中，幾乎所有參數(shù)描述的都是某種時(shí)間、空間和物理過(guò)程的平均效應(yīng)，只不過(guò)平均尺度多種多樣.其他常見(jiàn)的大尺度平均參數(shù)還有地殼密度、巖石圈有效彈性厚度、地幔黏性系數(shù)、巖層滲透率等.了解實(shí)際地質(zhì)系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)理解這種宏觀描述的合理性、必要性和局限性十分關(guān)鍵.不了解現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜性而盲目簡(jiǎn)化，往往會(huì)丟掉本質(zhì)問(wèn)題.僅關(guān)注復(fù)雜細(xì)節(jié)而不知如何簡(jiǎn)化，往往就事論事，看不到普適性的本質(zhì)問(wèn)題.

1 俯沖帶大斷層的溫度環(huán)境和巖石學(xué)環(huán)境

雖然本文主要討論大斷層的強(qiáng)度，但是十分必要先簡(jiǎn)單介紹一下俯沖帶的溫度和巖石學(xué)環(huán)境，以提供一個(gè)大的構(gòu)造物理背景.為了敘述方便，以下忽略現(xiàn)實(shí)中各種具體的復(fù)雜情況，僅假設(shè)一個(gè)上覆板塊為大陸的“典型”理想俯沖帶.俯沖帶最重要的一個(gè)特征是弧前地區(qū)溫度低，而火山弧與弧后地區(qū)溫度高(圖1)(Wada and Wang, 2009).全球陸地的熱流平均值是65 mW·m-2左右，而弧前地區(qū)的熱流值一般可以低至30～40 mW·m-2.弧后地區(qū)熱流普遍較高，往往為80 mW·m-2左右(Currie and Hyndman, 2006).習(xí)慣上常將“弧與弧后”作為一個(gè)單元來(lái)討論.

弧前溫度低的原因是俯沖板片把淺層較冷的巖石帶到深處，給上覆巖層“降溫”.弧與弧后溫度高的原因是地幔楔物質(zhì)的流動(dòng)把深部較熱的巖石帶到淺處，給上覆巖層“升溫”.在圖1以外、離俯沖帶較遠(yuǎn)的弧后地區(qū)，地幔流動(dòng)方式一般認(rèn)為是熱浮力引起的小尺度自然對(duì)流(Currie et al., 2004; Currie and Hyndman, 2006).而圖1以內(nèi)的弧與弧后地區(qū)的地幔流動(dòng)方式是被俯沖板片拖拽驅(qū)動(dòng)的“角落流”.弧前——弧與弧后的溫度反差反映了俯沖板片對(duì)地幔楔的拖拽從70～80 km深度開(kāi)始(Wada and Wang, 2009; Syracuse et al., 2010).在此以深，地幔楔底部與俯沖板片完全耦合，即同速運(yùn)動(dòng).由此造成的角落流從深部和弧后帶來(lái)大量的熱，在地幔楔里造成產(chǎn)生巖漿的高溫條件.在此以淺，兩者完全解耦，以致這一部分地幔楔處于停滯狀態(tài)，不參與角落流，成為上板塊巖石圈的一部分(Wada and Wang, 2009; Uchida et al., 2020).不流動(dòng)的這部分地幔楔不斷被俯沖板片降溫，稱為“冷楔”(圖1).冷楔是弧前力學(xué)體系的一個(gè)重要部分(Luo and Wang, 2021)，這一點(diǎn)的重要性在第3.1節(jié)還會(huì)涉及.我們不妨把參與角落流部分的地幔楔稱為“熱楔”.至于從解耦到耦合的轉(zhuǎn)變普遍發(fā)生于70～80 km處的原因，還沒(méi)有很好的理論解釋.Peacock和Wang(2021)最近從巖石學(xué)角度在這方面做了一些探索，認(rèn)為滑石穩(wěn)定性在這一深度的改變起了重要作用.

在海洋巖石圈逐漸冷卻和老化的過(guò)程中，大量的海水通過(guò)水熱循環(huán)和水熱變質(zhì)進(jìn)入巖石形成含水礦物.越老的板片含水越多.顯然，水主要儲(chǔ)存在地殼里(一般6、7 km厚).如果斷層可以把水帶到地幔，而且地幔淺部已經(jīng)充分冷卻，含水礦物亦可以在地幔部分沿?cái)鄬雍土严缎纬?Miller et al., 2021).當(dāng)海洋板片向深處俯沖時(shí)，裂隙閉合使巖石里的自由水在很淺的地方就被擠出.隨著溫度和壓力的增高，洋殼巖石發(fā)生一系列變質(zhì)作用，最終玄武質(zhì)洋殼變質(zhì)為密度更高的榴輝巖.洋殼里的各種含水礦物在變質(zhì)過(guò)程中分解、脫水，而脫水高峰出現(xiàn)于玄武質(zhì)巖石向榴輝巖的轉(zhuǎn)化過(guò)程(Peacock and Wang, 1999).年輕而熱的板片，變質(zhì)脫水在比較淺的地方達(dá)到高峰.年老而冷的板片，變質(zhì)脫水要到100～150 km深處才達(dá)到高峰.圖1以卡斯卡迪亞和日本海溝為例，對(duì)比年輕和年老板片不同的脫水高峰深度.俯沖板片的地幔部分主要是橄欖巖.它的變質(zhì)要到地幔轉(zhuǎn)換帶(約410～660 km)才發(fā)生，但是它帶下去的含水礦物可以在比較淺的地方就分解和脫水.

圖1 熱俯沖帶和冷俯沖帶的典型代表(自Wada 和 Wang(2009)原圖修改而成)

俯沖帶一個(gè)重要的巖石學(xué)過(guò)程是冷楔充水.地幔楔橄欖巖充水形成的含水礦物包括蛇紋石、綠泥石、滑石、水鎂石等.少數(shù)幾個(gè)最年輕的俯沖洋殼如卡斯卡迪亞脫水高峰很淺(圖1)，可以給冷楔提供大量的水源，以致于其尖端區(qū)域可以完全充水，出現(xiàn)蛇紋石飽和，影響了其附近大斷層的力學(xué)性質(zhì)(Gao and Wang, 2017).老一些的洋殼如日本海溝脫水高峰較深(圖1)，給冷楔提供的水十分有限，所以多數(shù)俯沖帶的冷楔充水程度不高(Abers et al., 2017).但是，因?yàn)槔湫ǖ某渌亲韵露希词股倭康乃矔?huì)在冷楔最底部靠近大斷層的地方形成富集含水礦物.再往陸地方向，洋殼脫水則是給熱楔充水，降低巖石熔點(diǎn)，產(chǎn)生巖漿.這是公認(rèn)的俯沖帶火山弧形成的主要機(jī)制，在此不加詳述.

2 大斷層強(qiáng)度的參數(shù)化

2.1 從摩擦滑動(dòng)到黏性剪切

引言提到，俯沖帶大斷層是一個(gè)構(gòu)造豐富、材料多樣的剪切帶.如何簡(jiǎn)化一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)取決于研究焦點(diǎn)是哪個(gè)主要物理過(guò)程和該過(guò)程的時(shí)空尺度.在地震學(xué)理論和大尺度地球動(dòng)力學(xué)模擬中，俯沖帶大斷層在溫度比較低的淺部，即巖石呈脆性的地方，常常簡(jiǎn)化為一個(gè)沒(méi)有厚度的摩擦接觸面.因此脆性區(qū)也稱為摩擦區(qū).而在溫度比較高的深部，即巖石呈韌性的地方，常常簡(jiǎn)化為一個(gè)黏性層.因此韌性區(qū)也稱為黏性區(qū).和溫壓有關(guān)的巖石流變性質(zhì)控制了從脆性到韌性的轉(zhuǎn)換(圖2).

圖2 俯沖帶大斷層脆性摩擦和黏性剪切分布示意圖

在脆性區(qū)，斷層的強(qiáng)度τs，即造成斷層滑動(dòng)的剪應(yīng)力，由庫(kù)侖摩擦系數(shù)μ表征：

(1)

(2)

以上兩式用一個(gè)參數(shù)μ或μ′代表了一個(gè)龐大系統(tǒng).它強(qiáng)調(diào)了摩擦過(guò)程的最基本特征——剪切強(qiáng)度隨正應(yīng)力(即隨圍壓、深度)增高而增大，而平均掉了小尺度時(shí)空變化和其他物理過(guò)程的貢獻(xiàn).地球動(dòng)力學(xué)研究常用的Byerlee′s law(Byerlee, 1978)是上述庫(kù)侖摩擦準(zhǔn)則的特殊形式，μ值為0.7左右.如果假設(shè)σn≈pL而pf是靜水壓力(把靜巖壓力中的巖石密度換成水的密度)，則λ≈0.4，μ′≈0.4.當(dāng)我們說(shuō)一個(gè)斷層強(qiáng)或弱，對(duì)比的就是這個(gè)“參照值”.

需要強(qiáng)調(diào)，大斷層的滑動(dòng)是沿一個(gè)厚度從幾毫米到數(shù)百米不等的剪切帶發(fā)生的(見(jiàn)引言)，而μ或μ′刻畫(huà)的實(shí)際上是在厚度方向積分起來(lái)的效應(yīng).一個(gè)“蠕滑”型斷層的脆性區(qū)域可能是整個(gè)剪切帶以碎屑流方式蠕動(dòng)，可以用庫(kù)侖塑性連續(xù)介質(zhì)描述(Wang, 2021)，也可能是其中一個(gè)或多個(gè)軟弱層在慢慢滑動(dòng).無(wú)論如何，斷層厚度方向積分起來(lái)的總體強(qiáng)度可以用(1)(2)兩式表征.這種情況下，因?yàn)閿鄬踊瑒?dòng)的平均阻力就是τs，斷層強(qiáng)度的意義比較簡(jiǎn)單.而所謂“鎖-滑”(stick-slip)型斷層，一般不滑動(dòng)，呈閉鎖態(tài)(鎖)，但間歇性發(fā)生大地震(滑)，斷層強(qiáng)度概念略有不同.地震滑動(dòng)帶是很薄的剪切層，厚度一般幾毫米或數(shù)厘米，在這個(gè)方面比許多蠕滑斷層簡(jiǎn)單一點(diǎn).但是由于強(qiáng)度在地震過(guò)程中發(fā)生變化，它的參數(shù)化稍為復(fù)雜一點(diǎn).這一點(diǎn)在2.2節(jié)再進(jìn)一步解釋.另外，stick-slip一詞以前翻譯成“黏-滑”.因?yàn)椤梆?滑”與“黏性滑動(dòng)”意思相反但用字類似，容易引起誤解，所以此處譯為意思更明確的“鎖-滑”.

沿?cái)鄬釉偻钐幦?，溫度增高，斷層性質(zhì)從脆性摩擦滑動(dòng)轉(zhuǎn)為韌性剪切蠕變.這個(gè)蠕變的區(qū)域一般用一層非線性黏性流體來(lái)代表，其主要參數(shù)是有效黏滯系數(shù)(Gao and Wang, 2014).什么樣的流體最適合代表這個(gè)黏性層并不清楚，也可能因地而異.因?yàn)楦_斷層帶介質(zhì)中含有許多石英，而石英在溫度較高的情況下韌性“強(qiáng)度”很小從而主導(dǎo)介質(zhì)的總體流變行為，我們?cè)谀M中一般用石英含量較高的巖石如花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖等的流變學(xué)性質(zhì)來(lái)描述這層黏性流體.因?yàn)樾畔⒉蛔?，無(wú)論用什么方法對(duì)黏性區(qū)進(jìn)行參數(shù)化，都有一定的任意性.但是在研究斷層強(qiáng)度和地震過(guò)程時(shí)，摩擦區(qū)是主角而黏性區(qū)是配角，這種任意性帶來(lái)的誤差一般不影響主要結(jié)論.前面提到，脆性區(qū)摩擦過(guò)程的最基本特征是摩擦強(qiáng)度隨圍壓增高而增大.相比之下，韌性區(qū)黏性蠕變的一個(gè)基本特征則是對(duì)溫度的敏感性.隨溫度升高，黏性層對(duì)剪切變形的阻力迅速降低.當(dāng)我們討論斷層強(qiáng)度時(shí)，主要聚焦于μ或μ′，但是也隱含了黏性區(qū)域的貢獻(xiàn).在實(shí)際俯沖帶中(不一定在模型里)黏性剪切層可以認(rèn)為是俯沖帶大斷層逐漸喪失其獨(dú)立性而與地幔熱楔合為一體的過(guò)渡區(qū).作者猜測(cè)，由淺至深，剪切層厚度應(yīng)逐漸增大，流變?cè)絹?lái)越不局域化，其黏性剪切變形與地幔熱楔黏性流動(dòng)的區(qū)別越加模糊.到70～80 km以深，熱楔底界與俯沖板片同速運(yùn)動(dòng)，即第1節(jié)所說(shuō)的完全耦合，造成熱楔的剪切流動(dòng).這時(shí)，大斷層僅僅是一個(gè)不同巖石的物質(zhì)分界面，而不再是一個(gè)變形的間斷面.

從摩擦到黏性的轉(zhuǎn)變不是突變，而是要經(jīng)過(guò)一個(gè)不大的轉(zhuǎn)換帶(Shimamoto and Noda, 2014)；在轉(zhuǎn)換帶里斷層上的剪應(yīng)力達(dá)到峰值(圖2).在圖1的兩個(gè)俯沖帶中，這個(gè)轉(zhuǎn)換發(fā)生于溫度為400°C左右的地方.顯然，如果俯沖板片年輕(如圖1中的卡斯卡迪亞)，大斷層溫度高，這個(gè)轉(zhuǎn)換會(huì)在很淺的地方發(fā)生.這個(gè)由溫度控制的脆-韌(即摩擦-黏性)轉(zhuǎn)換深度是俯沖帶大斷層的一個(gè)重要參數(shù).例如，即使圖1中兩個(gè)大斷層μ′值相同，冷的那個(gè)(日本海溝)由于脆-韌轉(zhuǎn)換深度大、摩擦區(qū)域延伸的深、斷層剪應(yīng)力的峰值也高，其對(duì)上覆板塊總體的橫向擠壓力比熱的那個(gè)(卡斯卡迪亞)要大得多，亦如圖2所示.所以，大斷層強(qiáng)度對(duì)上板塊應(yīng)力場(chǎng)的控制和這個(gè)轉(zhuǎn)換有關(guān).這一點(diǎn)在第3.1節(jié)還會(huì)涉及.還有幾點(diǎn)，雖然超出本文討論范圍，但是也值得提一下.第一，如果溫度很高，韌性區(qū)無(wú)法積累彈性應(yīng)變能，不能孕育大地震，所以脆-韌轉(zhuǎn)換對(duì)大斷層發(fā)震帶的截止深度有一階控制.第二，如果俯沖板片非常年輕(如卡斯卡迪亞)，脆-韌轉(zhuǎn)換淺于上覆板塊莫霍面的深度，也就是說(shuō)達(dá)不到地幔冷楔的深度，而冷楔尖端又出現(xiàn)蛇紋石飽和(見(jiàn)第1節(jié)末)，大斷層在這一帶會(huì)表現(xiàn)出特殊的幕式滑移行為(Gao and Wang, 2017).第三，許多俯沖帶的脆-韌轉(zhuǎn)換深于上覆板塊莫霍面.冷楔底部的含水礦物，特別是蛇紋石和滑石，可能被裹挾進(jìn)斷層帶.這些礦物的力學(xué)性質(zhì)很特殊，可以影響斷層脆性區(qū)深部的摩擦和發(fā)震行為(Wang et al., 2020).

2.2 “鎖-滑”斷層的強(qiáng)度

2.1節(jié)描述的摩擦區(qū)強(qiáng)度僅僅是靜摩擦強(qiáng)度.對(duì)于鎖-滑型斷層來(lái)說(shuō)，摩擦系數(shù)μ除了一個(gè)刻畫(huà)靜摩擦強(qiáng)度的常數(shù)項(xiàng)以外，還有一些和其他因素有關(guān)的高階項(xiàng).斷層發(fā)生地震或慢滑移事件時(shí)，μ會(huì)隨滑動(dòng)距離或滑動(dòng)速率變化，而如何變化由這些高階項(xiàng)決定.有關(guān)理論，包括依賴速率和狀態(tài)的摩擦理論、動(dòng)態(tài)(或高速率)弱化理論等，還往往與pf的變化和摩擦熱引起的材料性質(zhì)變化有關(guān).這些高階效應(yīng)是地震動(dòng)力學(xué)的主題，在此略去不討論.但是，為了解釋鎖-滑斷層的強(qiáng)度，必需先對(duì)地震破裂的起始和傳播過(guò)程做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，同時(shí)引入斷層真實(shí)強(qiáng)度τp和視強(qiáng)度τo的概念.對(duì)于永不閉鎖的蠕滑斷層，τs=τp，比較簡(jiǎn)單.以下解釋，鎖-滑斷層應(yīng)該有τs=τo.

地震是斷層間歇性的失穩(wěn)行為.斷層閉鎖時(shí)，周圍巖石受構(gòu)造力驅(qū)動(dòng)發(fā)生彈性變形、積累應(yīng)變能，而斷層上的剪應(yīng)力逐漸增加.斷層上各點(diǎn)的應(yīng)力和強(qiáng)度其實(shí)高低不等.當(dāng)某一點(diǎn)的應(yīng)力τo達(dá)到了真實(shí)強(qiáng)度τp，這一點(diǎn)便開(kāi)始滑動(dòng).如果滑動(dòng)引起斷層的弱化(即μ減小，在摩擦理論中由上面提到的高階項(xiàng)描述)，進(jìn)而引起更快的滑動(dòng)和進(jìn)一步的弱化，斷層便局部失穩(wěn).這就是一個(gè)地震的起始(震源).圖3a簡(jiǎn)單示意震源部位滑動(dòng)時(shí)的斷層剪應(yīng)力變化過(guò)程.震源開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)，閉鎖斷層其他部位的應(yīng)力τo還低于τp.但是在局部失穩(wěn)的滑動(dòng)帶(稱破裂帶)的前沿，應(yīng)力突然增高達(dá)到τp，使相鄰區(qū)域也出現(xiàn)屈服和失穩(wěn).新的破裂又同樣引起相鄰區(qū)域新的失穩(wěn)，這樣破裂就沿?cái)鄬觽鞑ラ_(kāi)來(lái).圖3b簡(jiǎn)單示意破裂帶中非震源處失穩(wěn)滑動(dòng)前后的應(yīng)力演化過(guò)程.注意，此處說(shuō)的震間閉鎖跟第1節(jié)說(shuō)的70～80 km以深的耦合是兩回事：如果很多次地震的錯(cuò)距可以完全補(bǔ)上閉鎖期間積累的“滑移欠缺”，斷層發(fā)震帶在長(zhǎng)時(shí)間尺度上是完全解耦的.

圖3 平滑斷層不同位置在同一個(gè)地震滑動(dòng)中的應(yīng)力變化示意圖(圖(b)部分修改自Brown 等(2015))

如圖3b所示，在閉鎖期間和地震發(fā)生的時(shí)刻，斷層上的剪應(yīng)力τo普遍低于真實(shí)強(qiáng)度τp，而只有在破裂傳播前沿，應(yīng)力才瞬間達(dá)到τp.在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，破裂前沿的應(yīng)力峰值可以極為短暫的超過(guò)τp；但是為了簡(jiǎn)化討論，此處假設(shè)峰值就是τp.我們一般既無(wú)法知道也并不關(guān)心τp.我們關(guān)心的是τo，因?yàn)樗菙鄬釉诘卣鸢l(fā)生前所能承受的最高剪應(yīng)力，所以稱為斷層的視強(qiáng)度.當(dāng)公式(1)和(2)應(yīng)用于鎖-滑型斷層時(shí)，τs應(yīng)理解為視強(qiáng)度τo，相應(yīng)的μ或μ′也應(yīng)理解為“視摩擦系數(shù)”和“視有效摩擦系數(shù)”.至于鎖-滑斷層的視強(qiáng)度比真實(shí)強(qiáng)度低多少，沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)識(shí).此處不詳細(xì)討論；感興趣的讀者可以查找有關(guān)動(dòng)力學(xué)地震破裂和傳播模型的文獻(xiàn)(如, Lambert et al., 2021).本文作者的看法是，在一個(gè)俯沖帶大斷層這樣的構(gòu)造和材料都很復(fù)雜的斷層里，作為平均參數(shù)，兩者的差別相較于斷層強(qiáng)度本身應(yīng)該不大.在地震破裂帶某些局部位置，兩者有可能差別較大.因?yàn)楸疚挠懻摰氖谴髷鄬拥恼w平均強(qiáng)度，所以除有必要，以下將不再特別強(qiáng)調(diào)真實(shí)強(qiáng)度和視強(qiáng)度的區(qū)別.另外，除了真實(shí)強(qiáng)度和視強(qiáng)度以外，斷層滑動(dòng)時(shí)還有動(dòng)摩擦強(qiáng)度.這在第3.2節(jié)討論摩擦生熱時(shí)還會(huì)提到.

地震時(shí)發(fā)震帶每一點(diǎn)的滑動(dòng)速率在m·s-1量級(jí)，而破裂前沿的傳播速率(稱破裂速度)一般在km·s-1量級(jí).俯沖帶斷層大地震沿走向的破裂速度常在2 km·s-1上下.破裂傳播的越遠(yuǎn)，發(fā)震帶越大，地震也就越大.所以，控制破裂傳播能力的因素如斷層的粗糙度、不均一性、斷層泥性質(zhì)等主導(dǎo)了地震的大小.斷層上有些部位，包括一部分的滑動(dòng)帶，不是像圖3b那樣失穩(wěn)滑動(dòng).相反地，這些部位可能由于滑動(dòng)而強(qiáng)化，呈穩(wěn)定滑動(dòng)(圖3c)，從而減慢甚至阻止破裂傳播.有時(shí)可能先強(qiáng)化而阻礙地震，待滑動(dòng)速率高到一定程度時(shí)又突然弱化而推進(jìn)地震(圖3d)(Noda and Lapusta, 2013).顯然，當(dāng)我們說(shuō)一個(gè)斷層是鎖-滑型，并不是說(shuō)斷層上每一點(diǎn)都像圖3b那樣，只是說(shuō)像圖3c和圖3d那樣的部位比例比較小，不足以主宰斷層的整體滑動(dòng)行為.盡管圖3b顯示的是斷層某一點(diǎn)的行為，但是在本文主題的尺度上，視強(qiáng)度τo和真實(shí)強(qiáng)度τp用來(lái)描述整個(gè)滑動(dòng)帶的平均行為，一般不再單獨(dú)強(qiáng)調(diào)圖3c或圖3d那種部位的貢獻(xiàn).俯沖帶大斷層可以產(chǎn)生9級(jí)大地震，是因?yàn)樗梢蕴峁┻m于破裂傳播的地質(zhì)條件.在任何構(gòu)造環(huán)境中，小地震遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于大地震(其規(guī)律由Gutenberg-Richter 法則中的b值代表)，就是因?yàn)榻^大多數(shù)的地震破裂都不能傳播擴(kuò)展成大的破裂帶.

既然只有斷層弱化才能導(dǎo)致地震，斷層的應(yīng)力降是地震的基本參數(shù).地震破裂帶上某一點(diǎn)的靜力學(xué)應(yīng)力降Δτ就是這一點(diǎn)的τo與這一點(diǎn)震后剪應(yīng)力的差值(圖3b).一般說(shuō)的地震應(yīng)力降指的就是這個(gè)靜力學(xué)應(yīng)力降，但是常常是一定面積內(nèi)(如整個(gè)破裂帶)的平均應(yīng)力降.破裂帶里往往包括一些應(yīng)力降為負(fù)值的、圖3c代表的那種部位.這些負(fù)應(yīng)力降的存在大大影響了平均應(yīng)力降的大小.這個(gè)問(wèn)題被普遍忽略，在第4.1節(jié)還會(huì)提及.地震學(xué)觀測(cè)的一個(gè)至關(guān)重要的結(jié)論是：大地震的平均應(yīng)力降一般都很小，在幾兆帕的量級(jí)(Ye et al., 2016).這個(gè)結(jié)論現(xiàn)在已經(jīng)是常識(shí)，在此不再解釋.在第3節(jié)介紹俯沖帶大斷層強(qiáng)度的估算方法和結(jié)果時(shí)，這個(gè)結(jié)論的重要性會(huì)充分體現(xiàn)出來(lái).

3 大斷層強(qiáng)度的宏觀估算

估算大斷層的強(qiáng)度不是一個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題.我們可以假設(shè)斷層泥組分、斷層形態(tài)和粗糙度、孔隙液壓等，進(jìn)而理論推算斷層強(qiáng)度，但是因?yàn)閷?duì)幾公里到幾十公里深處斷層實(shí)際情況知之甚少，推算結(jié)果往往會(huì)有數(shù)量級(jí)的誤差，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值.不論是地震波還是同震地殼變形的觀測(cè)，都不包含靜摩擦強(qiáng)度信息(即上面提到的μ里面的常數(shù)項(xiàng))，因?yàn)榈卣鹞诲e(cuò)只反映了斷層強(qiáng)度的瞬時(shí)變化(即上面提到的μ里面的高階項(xiàng))和應(yīng)力降(擾動(dòng)值).至今，對(duì)俯沖帶大斷層強(qiáng)度的宏觀估計(jì)只有兩個(gè)比較有效的方法.一個(gè)是以地殼應(yīng)力觀測(cè)為約束，通過(guò)力平衡推算弧前地區(qū)的邊界條件——大斷層上的應(yīng)力.在這個(gè)方法里，因?yàn)榇瓜驊?yīng)力值可以從巖石密度和重力加速度簡(jiǎn)單得出，提供了應(yīng)力的一個(gè)絕對(duì)標(biāo)定值，而非擾動(dòng)值.另一個(gè)方法是以弧前大地?zé)崃鳒y(cè)量為約束，通過(guò)熱場(chǎng)模擬推算大斷層產(chǎn)生的摩擦熱.在這個(gè)方法里，摩擦生熱反映的是絕對(duì)應(yīng)力，而非擾動(dòng)值.以下簡(jiǎn)單介紹這兩個(gè)方法以及它們的主要結(jié)果.

3.1 弧前應(yīng)力場(chǎng)和大斷層強(qiáng)度

弧前地殼應(yīng)力可以用上板塊內(nèi)許多小地震的震源機(jī)制來(lái)約束.活動(dòng)斷層的滑動(dòng)方向、鉆孔應(yīng)力方向測(cè)量、甚至在一定條件下剪切波各向異性觀測(cè)，也可以提供有用的應(yīng)力信息.為了估算俯沖帶大斷層的強(qiáng)度，我們僅關(guān)注弧前垂向應(yīng)力和垂直于俯沖帶的橫向擠壓應(yīng)力(圖4a)，探索一個(gè)平面應(yīng)變問(wèn)題.為討論原理，我們僅考慮平均效應(yīng)，而且暫不考慮大陸邊緣陸高海深的地形對(duì)主應(yīng)力傾角的影響.垂向應(yīng)力主要取決于上覆巖柱的重量.給定溫度場(chǎng)，也就是說(shuō)給定了脆-韌轉(zhuǎn)化的深度(見(jiàn)2.1節(jié)和圖2)，橫向擠壓力主要取決于俯沖帶大斷層的強(qiáng)度.若大斷層強(qiáng)，弧前上板塊受到的橫向擠壓大，橫向應(yīng)力則可能大于垂向應(yīng)力.若大斷層弱，則反之.根據(jù)這個(gè)思路，我們可以建立簡(jiǎn)單的二維模型，用觀測(cè)到的垂、橫向應(yīng)力相對(duì)大小和陸緣地形(即海陸之間的高差)來(lái)約束大斷層的有效摩擦系數(shù)μ′.

圖4 Wang等(2019)日本海溝2011年弧前應(yīng)力變化模型(自Wang等(2019)原圖修改而成.為與圖1對(duì)應(yīng)，俯沖方向改為從左向右)

俯沖帶不是造山帶.這一點(diǎn)在地學(xué)界存在廣泛的誤解，原因是人們?cè)诎鍓K理論發(fā)展的早期誤以為毗鄰秘魯—智利俯沖帶的安第斯山脈是俯沖帶構(gòu)造的典型代表.其實(shí)安第斯山脈恰恰是全球俯沖帶唯一的例外，而且該山也不是近期“正常”俯沖時(shí)造的(Oncken et al., 2006).這里只是澄清一下作者的觀點(diǎn)，不去深入討論這個(gè)爭(zhēng)議極大的問(wèn)題.在碰撞帶擠壓造山過(guò)程中，橫向擠壓力大大超過(guò)巖層自重.而俯沖帶不一樣，最常見(jiàn)的是橫向力與垂向力不相上下，或橫向力略小(Wang and He, 1999; Seno, 2009)，也就是說(shuō)，大斷層提供的橫向擠壓力基本上僅能保證上板塊在大陸邊緣不因自重而垮塌.勉強(qiáng)支撐而已，何提造山.假設(shè)火山弧處垂、橫向應(yīng)力大小相等(中性)，與陸緣地形相匹配的大斷層μ′值一般在0.03左右(Lamb, 2006; Dielforder et al., 2020)，比2.1節(jié)提到的斷層強(qiáng)度參照值0.4小一個(gè)量級(jí).個(gè)別俯沖帶稍高一點(diǎn).此處討論的是弧前地區(qū)整體平均應(yīng)力狀態(tài).另外還有一些研究用圖4c所示庫(kù)侖楔模型討論海溝附近的楔形巖體的應(yīng)力問(wèn)題(Dahlen, 1984; Wang and Hu, 2006; Wang et al., 2019)，本文不予詳述.

2011年以前的各種觀測(cè)顯示，日本海溝弧前地區(qū)橫向擠壓明顯大于垂向，與多數(shù)其他俯沖帶不一樣.可是先前無(wú)法知道大出多少.如果真是大很多，那么這里的大斷層可能比較強(qiáng).但是Wang和Suyehiro(1999)指出，因?yàn)檫@里的俯沖板片老、溫度低，使脆-韌轉(zhuǎn)換的深度大(見(jiàn)第2.1節(jié)和圖1b、圖2)，從而即使大斷層很弱，總的橫向擠壓還是可以超過(guò)巖層自重的效應(yīng).他們的計(jì)算結(jié)果顯示，即使假設(shè)大斷層弱到μ′≈0.03，橫向力還是可以略超出垂向力.日本海溝可能有如此低的μ′值，在當(dāng)時(shí)只是一個(gè)假說(shuō).2011年9級(jí)大地震，造成了弧前海域地區(qū)地殼應(yīng)力狀態(tài)反轉(zhuǎn)，從震前的橫向擠壓變到震后的橫向拉伸.這一變化驗(yàn)證了Wang和Suyehiro的假說(shuō).詳見(jiàn)Wang等(2019)，以下只是解釋一下基本原理.

與其他俯沖帶大地震一樣，日本海溝大地震破裂帶的平均應(yīng)力降不大(Brown et al., 2015).因此它給弧前應(yīng)力場(chǎng)造成的擾動(dòng)很小.這么小的擾動(dòng)可以使弧前應(yīng)力狀態(tài)反轉(zhuǎn)，可見(jiàn)這里震前應(yīng)力狀態(tài)接近中性，即橫向壓力僅僅略大于垂向壓力.圖4b顯示W(wǎng)ang等(2019)用于進(jìn)行定量計(jì)算的二維有限元模型的幾何結(jié)構(gòu)；模型剖面穿過(guò)大地震滑動(dòng)面的中心.這個(gè)模型與Wang和Suyehiro(1999)用的模型相似，但是更好地反映了日本海溝俯沖帶的溫度環(huán)境(見(jiàn)圖1b)：(1)由于弧前低溫，大斷層的摩擦區(qū)域深達(dá)五、六十公里，(2)溫度極低的地幔冷楔在流變學(xué)上變成了上覆彈性板塊的一部分，(3)弧與弧后的高溫環(huán)境使得上覆彈性板塊在這里厚度較小.圖5給出用這個(gè)模型計(jì)算的結(jié)果.大斷層2011年地震時(shí)沿剖面的應(yīng)力降分布可以從許多文獻(xiàn)提供的同震斷層錯(cuò)距分布近似得出(Wang et al., 2018).圖5b顯示的是這個(gè)應(yīng)力降對(duì)弧前應(yīng)力場(chǎng)造成的擾動(dòng).震前應(yīng)力場(chǎng)(圖5a)加上這個(gè)擾動(dòng)場(chǎng)就變成了震后應(yīng)力場(chǎng)(圖5c).欲使弧前海域地殼應(yīng)力在震前以橫向擠壓為主而在震后以橫向拉伸為主，必須令大斷層的μ′≈0.032.太大，則震后不會(huì)出現(xiàn)拉伸；太小，則震前不會(huì)出現(xiàn)擠壓.另外，日本海溝并非特例.2010年智利8.8級(jí)俯沖帶大地震也引起弧前有些地方應(yīng)力狀態(tài)反轉(zhuǎn)(Aron et al., 2013).

圖5 Wang等(2019)日本海溝2011年弧前應(yīng)力變化計(jì)算結(jié)果(自Wang 等(2019)原圖修改而成.為與圖1對(duì)應(yīng)，俯沖方向改為從左向右)

3.2 摩擦生熱和大斷層強(qiáng)度

斷層滑動(dòng)一段距離d產(chǎn)生的摩擦熱，就是它克服摩擦阻力τ做的功τd.所以，如果v是俯沖速率，俯沖帶大斷層的摩擦生熱率就是τv.先考慮τ=τs，直接由(1)或(2)式給出.如本文第1節(jié)所述，我們對(duì)俯沖帶溫度場(chǎng)，尤其是弧前地區(qū)，已經(jīng)有比較成熟的認(rèn)識(shí).除斷層有效摩擦系數(shù)μ′以及由它控制的摩擦生熱率外，其他參數(shù)值和誤差都比較容易確定.這樣，如果有比較好的熱流測(cè)量，我們就可以把觀測(cè)和計(jì)算的熱流值相比較從而估算摩擦生熱率，得出τs，進(jìn)而估算μ′值.圖6是Gao和Wang(2014)用本方法估算的一些俯沖帶大斷層強(qiáng)度的總結(jié).所用模擬方法與圖1所示結(jié)果所用的方法類似，但在摩擦生熱部分有較大改進(jìn)，在此不細(xì)講，詳見(jiàn)Gao和Wang(2014).世界上其他俯沖帶熱流觀測(cè)太少，尚不能應(yīng)用這個(gè)方法.從圖6的結(jié)果可以推論，俯沖帶大斷層普遍很弱，而那些產(chǎn)生大地震的鎖-滑型斷層尤其弱，其μ′為0.03左右.從摩擦生熱估算出來(lái)的斷層強(qiáng)度與從弧前力平衡推算出來(lái)的強(qiáng)度極為吻合.兩種互不相關(guān)的方法給出類似的結(jié)果，大大增強(qiáng)我們對(duì)這些結(jié)果的信心.當(dāng)然，由于熱模擬中各種參數(shù)的誤差，用摩擦生熱估算的μ′值有很大的不確定性.但是如圖6所示，即使在誤差范圍內(nèi)選取使摩擦生熱偏大的參數(shù)值，μ′在多數(shù)情況下也不會(huì)大于0.1.例如，England(2018)用一種簡(jiǎn)易方法進(jìn)行溫度計(jì)算，引入了更大的誤差，而且對(duì)有些俯沖帶在參數(shù)處理上也與Gao和Wang(2014)多有不同.他得出的μ′值多在0.06左右，還是比Byerlee′s law參照值小一個(gè)量級(jí).此外，Gao和Wang(2014)一文強(qiáng)調(diào)的另一個(gè)問(wèn)題是所謂“強(qiáng)蠕滑”，將在下面第4.3節(jié)討論.

圖6 Gao和Wang(2014)用摩擦生熱估算的大斷層視有效摩擦系數(shù)(自Gao和Wang(2014)原圖修改而成)橫軸是各俯沖帶迄今觀測(cè)到的大斷層上的地震的最大地震距震級(jí)(詳見(jiàn)Gao 和 Wang(2014)).20世紀(jì)40年代，圖中第一個(gè)俯沖帶在海溝附近有過(guò)7級(jí)以上地震.如果的確發(fā)生在大斷層上，也必定是在極淺處，不代表大斷層整體性質(zhì)，因此略去.圖中前三個(gè)俯沖帶不同程度的蠕滑行為都有現(xiàn)代測(cè)地學(xué)證據(jù)(Wang and Bilek, 2014).

對(duì)于蠕滑斷層，τ=τs=τp.對(duì)于鎖-滑斷層，圖6所示μ′值所代表的強(qiáng)度還有一個(gè)要注意的問(wèn)題.斷層閉鎖時(shí)是不生熱的，滑動(dòng)時(shí)才生熱.如果摩擦阻力一樣，斷層以1 m·s-1的地震速率和以5 cm·a-1的板片俯沖速率滑動(dòng)同樣距離產(chǎn)生的摩擦熱是一樣的.弧前熱場(chǎng)的時(shí)間尺度是幾百萬(wàn)年量級(jí)，在計(jì)算時(shí)可以忽略地震周期，直接用板片俯沖速率v.但是，地震滑動(dòng)時(shí)的摩擦阻力τ既不是斷層真實(shí)強(qiáng)度τp，也不是視強(qiáng)度τo，而是地震時(shí)的動(dòng)摩擦強(qiáng)度.由于斷層在地震時(shí)的弱化和應(yīng)力降，動(dòng)摩擦強(qiáng)度比τo低(圖3b).所以，用摩擦生熱估算出來(lái)的鎖-滑斷層的強(qiáng)度比視強(qiáng)度還要小一些.要知道小多少，需要把地震的應(yīng)力降Δτ和斷層的視強(qiáng)度τo作一個(gè)比較.

由于不同構(gòu)造體系中斷層性質(zhì)的差別，同震滑動(dòng)所受阻力和震后斷層上的剪應(yīng)力可能會(huì)有較大差別.圖3b所示兩者近似的情況適用于俯沖帶大斷層(Lambert et al., 2021).所以我們?cè)诖丝梢院侠砑僭O(shè)滑動(dòng)時(shí)的動(dòng)摩擦強(qiáng)度接近τo-Δτ=τo(1-Δτ/τo)，也就是說(shuō)是視強(qiáng)度的(1-Δτ/τo)倍.多年來(lái)大量的地震研究告訴我們，俯沖帶斷層大地震滑動(dòng)帶的平均應(yīng)力降一般在1～5 MPa 范圍.讓我們做一個(gè)簡(jiǎn)單估算.假設(shè)σn≈pL=ρgz(見(jiàn)2.1節(jié))，ρ=3333 kg·m-3，g=10 m·s-2，μ′=0.03，由式(2)可知τo隨斷層深度的增長(zhǎng)率是1 MPa·km-1.在z=20 km處，τo=20 MPa.若Δτ=4 MPa，則 Δτ/τo=20%.如果假設(shè)Δτ/τo在10%～30% 之間，那么用摩擦生熱估算出來(lái)的μ′=0.03加上10% 或30% 便代表了視有效摩擦系數(shù)0.033或0.039.區(qū)別遠(yuǎn)在誤差之內(nèi)，所以圖6忽略這一區(qū)別.有些其他斷層的動(dòng)摩擦強(qiáng)度可能會(huì)比τo-Δτ小很多(未在圖3顯示)，上述簡(jiǎn)單比較就未必適用了.

4 弱斷層的動(dòng)力學(xué)意義

4.1 極小應(yīng)力降還是完全應(yīng)力降？

一個(gè)大地震釋放了斷層周圍介質(zhì)內(nèi)彈性應(yīng)變能的多大部分？這是一個(gè)爭(zhēng)論了上百年的基本問(wèn)題，至今還是眾說(shuō)紛紜.問(wèn)題可以近似表述成斷層應(yīng)力降Δτ相當(dāng)于斷層視強(qiáng)度τo的多大部分？如果Δτ僅是τo的1%，所耗能量可謂微乎其微.如果Δτ是τo的100%，即所謂完全應(yīng)力降，那么所有的能量一下都用完了.爭(zhēng)論不清的原因就是因?yàn)棣觨很難約束.現(xiàn)在我們既然大體知道了俯沖帶斷層的強(qiáng)度，這個(gè)問(wèn)題在俯沖帶就清楚了.第3.2節(jié)提到，如果μ′=0.03，在20 km處Δτ/τo約20%.20 km是俯沖帶大地震比較有代表性的深度.合理地變化一下深度和μ′值，都不會(huì)改變這一基本認(rèn)識(shí)：大地震的應(yīng)力降是斷層強(qiáng)度可觀的一小部分，既不是微乎其微也不是百分之百.也就是說(shuō)，巖石中原來(lái)積累的彈性應(yīng)變能中可觀的一小部分被大地震釋放掉.被釋放掉的應(yīng)變能中很小的一部分提供了破裂傳播需要的能量，還有一小部分由地震波傳開(kāi)和用于同震變形(同震垂向位移時(shí)重力做功也貢獻(xiàn)能量)；一般來(lái)說(shuō)被釋放掉的最大部分轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ翢?動(dòng)摩擦阻力τo-Δτ做功耗散的熱能).

20世紀(jì)80年代以前，比較流行的觀點(diǎn)是斷層強(qiáng)度很高(因而Δτ/τo極小)，認(rèn)為Byerlee′s law的參數(shù)如μ≈0.7,μ′≈0.4(甚至μ′≈0.7)可以直接用.80年代板塊邊界大斷層強(qiáng)度的爭(zhēng)議較大.90年代末開(kāi)始，大斷層很弱的認(rèn)識(shí)開(kāi)始逐漸占上風(fēng).今天，學(xué)界普遍接受俯沖帶μ′一般小于0.1，很少有人再對(duì)μ′=0.03或0.04這樣小的值感到吃驚了.在2011年日本海溝大地震之后，又廣泛出現(xiàn)了完全應(yīng)力降的說(shuō)法(即Δτ/τo接近100%).這個(gè)說(shuō)法顯然是站不住腳的，完全沒(méi)有考慮到，即便斷層弱到μ′=0.03，在二三十公里或更深處τo也比Δτ大很多.出現(xiàn)這種說(shuō)法，原因主要是混淆了局部應(yīng)力降和地震滑動(dòng)帶平均應(yīng)力降.如引言中提到，俯沖帶大斷層是一個(gè)幾何、構(gòu)造、材料都很復(fù)雜的系統(tǒng).大地震滑動(dòng)分布和應(yīng)力降分布的一個(gè)基本特點(diǎn)是高度不均一.有些部位出現(xiàn)弱化，推動(dòng)地震；而有些部位出現(xiàn)強(qiáng)化，阻礙地震(見(jiàn)第2.2節(jié)的討論).有些錯(cuò)距很大的局部地帶，尤其是在σn(從而τo)很低的靠近海溝的最淺處，Δτ/τo有可能接近100%.最近十幾年許多巖石摩擦實(shí)驗(yàn)確實(shí)顯示摩擦界面在滑動(dòng)速率接近約1 m·s-1時(shí)會(huì)劇烈弱化，可能導(dǎo)致很大的應(yīng)力降(Di Toro et al., 2011).但是，真實(shí)大斷層的滑動(dòng)帶內(nèi)有些部位會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)化，應(yīng)力降是負(fù)值，即應(yīng)力升(圖3c).這些部位在附近弱化部分的推動(dòng)下“被動(dòng)”滑動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)學(xué)上是地震的參與者，但是從動(dòng)力學(xué)上它們是地震的阻礙者.由于滑動(dòng)帶內(nèi)應(yīng)力降正負(fù)相間，整個(gè)滑動(dòng)帶的平均應(yīng)力降不會(huì)很大.Brown等(2015)以2011年日本大地震為例詳細(xì)解釋了這個(gè)問(wèn)題.

4.2 造成弱斷層的地質(zhì)原因

4.3 強(qiáng)度與滑動(dòng)模式的關(guān)系

從來(lái)沒(méi)有任何證據(jù)顯示強(qiáng)斷層易于鎖-滑(即產(chǎn)生大地震)，而弱斷層易于蠕滑.從邏輯上講也完全沒(méi)有必要，因?yàn)榇蟮卣鸬膽?yīng)力降都很小.但這卻是學(xué)界的傳統(tǒng)觀點(diǎn).常有文獻(xiàn)說(shuō)高應(yīng)力引起大地震，也是指需要強(qiáng)斷層.第3節(jié)總結(jié)的研究結(jié)果顯示，產(chǎn)生最大地震的俯沖帶大斷層是極弱的斷層.特別是，圖6顯示的趨勢(shì)與傳統(tǒng)觀點(diǎn)正相反.該圖所用的每一俯沖斷層迄今最高震級(jí)在很大程度上反映了該地?cái)鄬踊瑒?dòng)模式(發(fā)震帶極淺的異常地震除外).某些以蠕滑為主的大斷層最高震級(jí)小，但是μ′卻高.

圖6趨勢(shì)最好的解釋是，斷層的強(qiáng)弱和發(fā)震能力首先取決于斷層的成熟度.地質(zhì)上講的斷層成熟度主要是平滑度和剪切運(yùn)動(dòng)局域化程度.不成熟斷層不平整，斷層帶內(nèi)巖塊巖粒較大，剪切運(yùn)動(dòng)常分散于多個(gè)分支或呈碎屑流.因?yàn)楦_板片不斷帶來(lái)不規(guī)則形態(tài)的洋底(見(jiàn)引言)，使許多俯沖帶大斷層處于粗糙、不太成熟的狀態(tài)，以局域化程度較低的剪切滑動(dòng)為主，中、小震頻繁(Wang and Bilek, 2014).這種粗糙斷層的應(yīng)力和構(gòu)造極不均勻，很難大規(guī)模閉鎖.這一判斷最近被關(guān)于俯沖板片粗糙度與俯沖帶大地震全球統(tǒng)計(jì)關(guān)系的研究不斷確認(rèn)(Wang and Bilek, 2014; Scholl et al., 2015; Brizzi et al., 2018; Lallemand et al., 2018; Van Rijsingen et al., 2018).看來(lái)，粗糙斷層對(duì)剪切運(yùn)動(dòng)的阻力比較大，即μ′偏高.Gao和Wang(2014)稱這種阻力較大的蠕滑為“強(qiáng)蠕滑”(圖6).相反，成熟斷層的剪切運(yùn)動(dòng)高度局域化，主要集中于顆粒細(xì)、形態(tài)平滑的薄剪切層(常常薄到可以當(dāng)作一個(gè)摩擦面)，給地震破裂傳播提供了良好的幾何條件，但是總體上對(duì)剪切運(yùn)動(dòng)的阻力比較小，即μ′偏低.許多俯沖帶，因?yàn)楦_洋底比較平整或者俯沖下去很多沉積物，大斷層比較成熟和平滑(Scholl et al., 2015).在這種情況下，能否孕育大地震就取決于斷層泥是否易于產(chǎn)生鎖-滑行為，也即2.2節(jié)講的不穩(wěn)定滑動(dòng).如果某平滑斷層的斷層泥很弱并且引起蠕滑，這種蠕滑可以稱為“弱蠕滑”，以別于上述粗糙斷層的強(qiáng)蠕滑.

為什么傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為大地震需要強(qiáng)斷層呢？其基本原因是忽視了幾何形態(tài)和斷層構(gòu)造對(duì)斷層成熟度的一階控制.地震學(xué)把發(fā)震帶近似為一個(gè)平滑面本來(lái)是合理的.但是因?yàn)楹鲆暳苏鎸?shí)地質(zhì)背景，便接著假設(shè)控制發(fā)震行為的只是這個(gè)平滑面的摩擦性質(zhì)，即滑動(dòng)時(shí)是否弱化(見(jiàn)2.2節(jié)).“凹凸體”無(wú)論尺度大小，一律當(dāng)成摩擦性質(zhì)，完全喪失幾何原意.甚至連俯沖海山也用摩擦性質(zhì)或局部應(yīng)力異常來(lái)代表.用地質(zhì)語(yǔ)言講，就是誤以為沒(méi)有幾何上不成熟的斷層，只有斷層泥性質(zhì)的區(qū)別.只要斷層不閉鎖，便誤以為是弱蠕滑.這種看法，用于解釋同一個(gè)平滑而薄的成熟剪切層的不同部位是可以的.有些部位，如果斷層泥含有許多片狀結(jié)構(gòu)的層狀硅酸鹽，比如一些黏土礦物和滑石、低溫蛇紋石等，斷層不但強(qiáng)度低而且穩(wěn)定滑動(dòng)(Ikari et al., 2011).其他強(qiáng)度高一些的部位則孕育地震.但是把這種見(jiàn)解推廣到成熟度互有不同的斷層就不合理了(Wang and Bilek, 2011, 2014).

5 總結(jié)

21世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)界對(duì)俯沖帶大斷層的結(jié)構(gòu)、滑動(dòng)行為和孕震機(jī)制積累了許多新的認(rèn)識(shí)，對(duì)其最基本的力學(xué)參數(shù)——斷層強(qiáng)度，也有了全新的了解.本文介紹作者對(duì)大斷層強(qiáng)度問(wèn)題的系統(tǒng)看法，但是內(nèi)容基本上反映了這個(gè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀.文章要點(diǎn)總結(jié)如下.

(1)大斷層在溫度較低的淺部主要表現(xiàn)為摩擦滑動(dòng)，包括蠕滑和鎖-滑.在溫度較高的深部呈黏性剪切.摩擦-黏性的轉(zhuǎn)換受溫度控制.斷層摩擦強(qiáng)度高或俯沖板片年輕的俯沖帶溫度高，轉(zhuǎn)換在較淺處發(fā)生.

(2)大斷層的強(qiáng)度可以用大尺度平均有效摩擦系數(shù)μ′表征.μ′描述一個(gè)摩擦面，但實(shí)際上代表了斷層帶厚度方向積分的效應(yīng).它在蠕滑斷層代表真實(shí)強(qiáng)度，而在鎖-滑斷層代表視強(qiáng)度(即斷層在地震前能承受的最大剪應(yīng)力)，故而稱視有效摩擦系數(shù).

(3)大斷層強(qiáng)度可以從弧前橫向應(yīng)力與垂向應(yīng)力的比較來(lái)估算.橫、垂向應(yīng)力一般差別不大，反映出μ′值一般僅在0.03左右.有些地方可能略大.日本海溝2011年9級(jí)地震引起的弧前應(yīng)力反轉(zhuǎn)再次證實(shí)橫、垂向應(yīng)力差別不大，斷層很弱.

(4)大斷層強(qiáng)度也可以從用地表熱流約束的摩擦生熱來(lái)估算.這種方法給出的多數(shù)俯沖帶的μ′值一般也是在0.03左右，有的略大于0.1.

(5)最弱的大斷層是那些產(chǎn)生大地震的鎖-滑斷層.大地震不需要強(qiáng)斷層和高應(yīng)力，而需要有助于破裂傳播的地質(zhì)條件.較為平滑的斷層易于提供這種條件.

(6)大地震的斷層應(yīng)力降是斷層強(qiáng)度可觀的一部分，例如20%.發(fā)震面有的部位應(yīng)力降可能很大，但是也有的部位出現(xiàn)應(yīng)力增，限制了平均應(yīng)力降的大小.

(7)導(dǎo)致俯沖帶大斷層極弱的地質(zhì)過(guò)程有待進(jìn)一步研究.一般認(rèn)為孔隙液壓一定很高，但是斷層泥中的軟弱材料也會(huì)起很大作用.

致謝謹(jǐn)以此文紀(jì)念北大地質(zhì)系王仁教授誕辰100周年.本文受益于作者的許多學(xué)生和合作者過(guò)去20年的研究貢獻(xiàn)，如何江衡(Jiangheng HE)、Ikuko WADA(和田育子)、Clare Currie、胡巖(Yan HU)、高翔(Xiang GAO)、Lonn Brown、孫田昊哲(Tianhaozhe SUN)、Susan Bilek、Simon Peacock、羅海鵬(Haipeng LUO)等人，在此一并致謝.南方科技大學(xué)徐世慶、加拿大地調(diào)局太平洋地學(xué)中心孫田昊哲、中國(guó)科學(xué)院青島海洋研究所高翔、以及兩位匿名審稿人為本文提供了寶貴意見(jiàn).波士頓大學(xué) Rachel Abercrombie 和京都大學(xué) Hiroyuki NODA(野田博之)為圖3的繪制提供了寶貴建議.本文的加拿大自然資源部文獻(xiàn)編號(hào)是20210181.