2013, Vol. 56
2011年3月11日13时46分(北京时间)在西太平洋国际海域发生了里氏9.0级地震, 震中位于北纬38.1°、东经142.6°震源深度约10 km.它是自有记录以来日本岛区域发生的最大地震.之后, 在日本本州地区附近发生了一系列地震, 其中不乏强震.这些强震大部分分布于日本本州岛以东海域.
Honda等(1952, 1957)通过研究发生在日本及其附近地区1927-1966年的地震震源机制解, 发现日本海主压应力的水平分量大致与Wadati-Benioff带走向垂直[1-2].Nakamura和Uyeda (1980)通过分析震源机制解、断层的走向以及岩墙、岩床分布等资料, 提出日本海地区东西向拉张应力场在7 Ma停止, 而挤压应力场开始于1~2 Ma, 但近东西向挤压应力随着往西远离海沟而逐渐减小[3].尽管使用不同的资料和研究方法得到关于应力场何时转变为近东西向挤压状态的结论并不相同, 但是人们普遍认为现阶段日本海地区处于近东西向的挤压应力状态[4-5].
与此相应地, 通过研究地震活动性及地震震源机制解特征, 宁杰远和臧绍先(1987)曾指出, 中国东北和日本海的地震活动性都不强, 震源机制解所揭示的主压应力方向的水平投影基本一致, 都大致沿着日本海俯冲带的倾向, 因此认为中国东北目前主要受太平洋板块弱挤压作用的影响[5], 并被后续研究所证实[6].
动力学问题是由物质性质、初始条件和边界条件决定的.边界条件随时间的变化直接影响着应力状态和动力学过程.2011年3月11日东日本大地震这一自有记录以来日本岛发生的最大地震发生后, 我们需要研究作为日本海或中国东北大陆动力学问题边界的日本本州附近的边界条件发生了怎样的变化, 需要研究其变化对日本海乃至中国东北地区的应力状态的影响.基于如上考虑, 本文将通过研究东日本大地震前后日本本州及邻区地震的震源机制解特征, 讨论该地区应力状态的变化.进一步地, 我们将讨论板间耦合对弧后盆地的应力状态和演化的影响.
2 数据来源及可靠性检验东日本大地震发生之后, 我们首先收集了IRIS网站上提供的全球远震台站记录的P波初动资料(http://www.iris.edu/hq).与汶川地震不同, 此次大地震序列发生在海沟附近且以小角度的逆冲为主, P波初动法无法有效地单独约束此次大地震序列的震源机制解, 因此本文分析中采用了哈佛大学CMT双力偶解(2013-0110]" target=-blank>http://www.globalcmt.org[2013-0110]).为了对CMT双力偶解的可靠性进行评估, 我们使用P波初动资料对其进行了检验.我们从IRIS网站上下载了从2011年3月1日至2011年4月13日, 发生在日本岛及其邻近海域4.7级以上132个地震的15816条记录.
检验的具体方法是:在波形记录中读取P波初动, 然后将P波初动点投影到CMT机制解所划分的不同象限, 并计算P波初动按哈佛双力偶解分区时所对应的矛盾比, 此处根据P波初动求解震源机制解时使用了俞春泉等(2009)提出的方法[7].我们发现, 虽然P波初动本身很难唯一地确定震源机制解, 但IRIS网站提供的波形数据至少有10条能明确读出P波初动的65个地震中, 按哈佛双力偶解分区, 大多数(0.65%)矛盾比在A类解的范围内(如图 1(a-d)所示), 其中2011年3月11日东日本大地震的震源机制解对照如图 1a所示, 矛盾比仅为3%.少部分地震矩张量解在P波初动解的检验中没有达到A类解的要求, 这主要是由于两种方法之间本身所代表的意义不同所致.P波初动法求解的是地震初始破裂时的震源机制, 而双力偶方法求解的是地震破裂过程整体的震源机制, 这种差异使节面有小角度的旋转, 如图 1(e、f)所示, 这种变化增大了矛盾比.
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图 1 P波初动解与哈佛双力偶解的比较 标题为地震发震时刻，ψmin为CMT解对应的矛盾比.我们使用下半球投影，“+”表示P波初动为正，“-”表示P波初动为负.P和T分别代表主压应力轴和主张应力轴的方向.红线为双力偶解，黄线为P波初动解的可选解簇.(a)为主震对应的检验结果，(b)、(c)、(d)为部分A类解的对比情况，(e)表示节面走向有小角度变化的情况，(f)表示节面倾角有小角度变化的情况. Fig. 1 Comparison between P-wave first-motion and Harvard double-couple solutions The headline of each beach ball stands for the origin time of the earthquake.ψmin is the minimum weighted inconsistency ratio. Lower hemisphere projection is used. " + " means the P-wave first-motion is up, "-" is down. P and T are the orientation of principal compressive stress and orientation of principal extensional stress, respectively. The red llnes represent Harvard double-couple solutions.The yellow llnes are the optional solution clusters of P-wave first-motion. (a) is for the main shock, (b)、(c)、(d) are for three other examples of type A focal mechanism solutions of CMT, (e) is an example of the CMT solutions with nodal planes rotating a small angle along the azimuth, (f) represents the nodal planes of a CMT solution with small rotation along the dip. |
从以上的结果我们可以做出推断, 日本大地震的余震序列震源的初动和主破裂的错动方向是基本一致的.后来, 我们利用国家数字测震台网的波形数据(Zheng等, 2010)[8]进行进一步的检验, 得到了一致结论.接下来我们在哈佛大学提供的双力偶解的基础上, 进行地震序列的聚类和分析.
3 日本本州附近区域的震源机制解特征 3.1 震源机制解的聚类分析方法根据俞春泉等(2009)提出的方法, 我们对哈佛双力耦解进行了聚类分析[7].对震源机制解进行聚类时, 本文将所有得到的符合条件的CMT解作为可选解, 前两个聚类中心是所有可选解中距离最大的两个可选解, 第三个聚类中心是与前两个聚类中心距离之和最大的可选解, 以此类推.把可选解分别归人与之距离最近的聚类中心.然后, 计算各类中所有可选解的平均解, 作为各自新的聚类中心.重复上述步骤, 直至得到一定个数稳定的聚类中心.在我们的研究中, 分四种类型已包含了绝大多数地震, 而且每一类都有明确的特征, 所以我们设置初始聚类中心个数为4, 在图 2中分别用四种颜色表示.
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图 2 东日本大地震序列矩张量解的平面投影图 我们将2011年3月11日日本地震序列从2011年3月11日开始，至2012年3月15日为止，由哈佛大学CMT网站处理得到的发生在日本岛及其邻近海域的4. 7级以上共436个地震的矩张量解进行了聚类.不同颜色的震源机制解球是用聚类方法得到的不同类型的震源机制解，包括与主震类型一致的低角度逆冲型地震(红色的震源机制球)，东西向的正断层地震(蓝色)，南北向的正断层地震(绿色)以及以南北向逆断层地震为主的其他地震(紫色).采用的是下半球投影，彩色区域为拉张区，白色区域为压缩区.黑实线表示与海沟垂直或平行的垂直剖面位置.平行海沟走向的剖面共5条，由西向东分别为AA'、BB'、CC'、DD'、EE'，位置如图所示，间隔为40 km剖面长800 km投影宽度为剖面两侧各20km_垂直海沟走向的剖面共8条，由北至南分别为FF'、GG'、HH'、II'、JJ'、KK'、LL'，位置如图所示.除FF'距GG' 180 km外，其余间隔为60 km，剖面长750 km，投影宽度为剖面前后各30 km.底图为地表高程，色标见图右侧.插入图为该区域的历史地震.有橙色和灰色两种震源机制解投影图.灰色的为2011年3月11日东日本大地震前10年间在日本本州附近地区发生的4. 7级以上被CMT地震目录收录且提供震源机制解的地震，共387个；橙色的为大地震前1年间发生的，共61个.我们用红色将主震一起标在插入图中，以方便读者比较.震源机制解的表示方法相同，下同. Fig. 2 Map-view of moment tensor solutions of Tohoku-Oki earthquake sequence The focal mechanism solutions are provided by Harvard CMT Catalogue from 2011/03/11 to 2012/03/15, a total of 436 earthquakes.Different colors represent different types of the solutions classified by cluster analysis, consisting of low angle thrust type as same as the main shock (red), normal fault earthquakes with E-W (blue) or N-S (green) extensional direction, reverse fault ones with N-S compressive direction and other types of earthquakes (purple). We use lower hemispherical projection. Colored and white zone of the beach balls represent extensional and compressional regions, respectively. The black lines are profile locations. There are 5 profiles paralleling to the trench, called AA'、BB'、CC'、DD' and EE' respectively. Their interval and length are 40 km and 800 km, respectively. The projection width is 20 km on both sides. There are 8 profiles which are perpendicular to the trench, called FF'、GG'、HH'、II'、JJ'、KK'、LL' and MM' respectively. Their interval and length are respectively 60 km (except the interval between FF' and GG' is 180 km) and 750 km. The projection width s 30 km on both sides of the profiles. The colored base map s surface topography with color bar on the right. Gray and orange beach balls in the inset are historical shocks occurred respectively in the latest ten years and one year before the main shock. The expressions of focal mechanism solutions are the same, similarly hereinafter. Main shock s also marked in the inset for the convenience of readers. |
我们对由哈佛大学CMT网站处理得到的2011年3月11日至2012年3月15日期间发生在日本岛及其邻近海域4.7级以上共436个地震的矩张量解进行了聚类.图 2为这些地震的平面分布图.不同颜色的震源机制解投影图分别表示不同类型的地震, 其中包括与主震类型一致的低角度逆冲型地震(红色的震源机制球), 近东西向拉张的正断层地震(蓝色), 近南北向拉张的正断层地震(绿色)以及以近南北向挤压的逆断层地震为主的其他地震(紫色).图中的黑色线段为与海沟大致垂直或平行的垂直剖面图的位置.平行海沟走向的剖面共5条, 位置如图所示, 间隔为40 km, 剖面长800 km, 投影宽度为剖面两侧各20 km.垂直海沟走向的剖面共8条, 位置如图所示.除FF'距GG'剖面180 km外, 其余间隔为60 km, 剖面长750 km, 投影宽度为剖面两侧各30 km.
图 2中的插人图, 有橙色和灰色两种震源机制解投影图.灰色的为2011年3月11日东日本大地震前10年间在日本本州附近地区发生的4.7级以上被CMT地震目录收录且提供震源机制解的地震, 共387个; 橙色的为大地震前1年间发生的地震, 共61个.
2011年3月11日日本大地震为小角度的逆冲型地震, 震中位于北纬38.1°东经142.6°处于余震序列的中心.由图 2可知, 在其附近南北向延伸约300 km的范围内, 几乎没有这一类型的强余震(这一点在下面的图 3中显示得更为明确), 而这一区域也正是2011年3月11日日本大地震发生前一年几个同类型大地震发生的地方(如图 2的插人图所示).不过, 在这个区域的西侧以及南北两侧, 聚集有大量该类型的余震.
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图 3 不同类型地震矩张量解的平面投影图 (a)与2011年3月11日日本大地震挤压方向一致的逆断层型地震；(b)近东西向拉伸的正断层型地震；(c)拉伸方向平行于海沟走向的正断层地震；(d)为挤压方向平行于海沟走向的逆断层型地震.将地震序列根据时间顺序编号，按照第1 -100号，101-200号，201-300号以及301-436号把地震分为4组，分别用浅蓝、浅紫、浅桔以及浅绿的震源机制球表示，对应的具体时间为2011年3月11日5点46分(主震)至2011年3月15日11点06分、2011年3月15日11点46分至2011年3月26日10点18分，2011年3月26日12点52分至2011年5月18日17点15分，2011年5月19日9点12分至2012年3月15日19时20分.(b)、(c)、(d)中的矩形分别表示对应类型地震集中发生的区域.同时，我们把少量不严格属于这4种类型的地震用浅灰色震源机制球在(d)中表示了出来. Fig. 3 Map-view of d iferent types of earthquakes (a) is for low angle thrust earthquakes including the main shock, (b) is for normal faulting earthquakes with E-W extensive direction, (c) is also for normal faulting ones but N-S extensive direction, and (d) is for reverse faulting earthquakes with N-S compressive direction as well as other types of earthquakes. The events are numbered according to their origin time. We divide them into four groups: No. 1-100, No. 101-200, No. 201-300 and No. 301-436, and use pale blue, violet, light orange and aqua focal mechanism balls to express them, separately. The time intervals of these groups are 2011-03-11 05 : 46 (the main shock)-2011-03-15 11 : 06; 2011-03-15 11 : 46-2011-03-26 10 :18; 2011-03-26 12 : 52-2011-05-18 17 : 15 and 2011-05-19 9 : 12 -2012-03-15 19 : 20, respectively. The rectangles separately show the areas where one type of earthquakes concentrated. Grey beach balls in (d) are events that do not strictly belong to the main types mentioned above. |
对比该地区震前和震后的情况, 不难发现, 东日本大地震之后, 日本本州以东地区的地震活动性明显增强了.地震的震源机制解类型除了近东西向挤压的逆断层型地震, 还出现了大量近东西向和近南北向拉伸的正断层型地震以及沿海沟走向挤压的逆断层型地震, 尤其是日本海沟东侧的东西向拉伸的正断层型地震非常引人注目.
图 3为不同类型地震矩张量解的平面投影图其中, 图 3a为与2011年3月11日东日本大地震挤压方向一致的逆断层型地震; 图 3b为近东西向拉伸的正断层型地震; 图 3c为拉伸方向平行于海沟走向的正断层地震; 图 3d为挤压方向平行于海沟走向的逆断层型地震.同时, 图中将地震序列根据时间顺序编号, 按照第1-100号, 101-200号, 201-300号以及301-436号把地震分为4组, 对应的具体时间为2011年3月11日5点46分(主震)至2011年3月15日11点06分、2011年3月15日11点46分至2011年3月26日10点18分, 2011年3月26日12点52分至2011年5月18日17点15分, 2011年5月19日9点12分至2012年3月15日19时2 0分, 分别用浅蓝、浅紫、浅桔以及浅绿的震源机制球表示发震时刻的不同.此外, 聚类结果中尚有少量与这4类震源机制解不一致的地震, 我们将之用浅灰色震源机制球在图 3d中表示了出来(图 4、图 5中用浅粉色机制球表示).
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图 4 南北向剖面投影图 (a)、(b)、(c)、(e)、(e)由西往东分别代表图 2中的剖面AA'、BB'、CC'、DD'、EE'，间隔为40 km，剖面长800 km，投影宽度为剖面中心两侧各20 km.图的上部对应剖面地形图，下部为地震在剖面上的投影及其震源机制解，横坐标为距离剖面中心的水平距离，向北为正，纵坐标为深度，单位均为km.地震编号与哈佛大学提供的地震双力偶解的顺序一致.4种主要类型的震源机制球压缩区的颜色与图 2-致，浅粉色为其他类型的地震.相同颜色的点表示同一地震类型.灰色的点为历史地震，下同 Fig. 4 Projection of earthquakes on N-S strike profiles (a)、(b)、(c)、(d)、(e) represent the profile AA' BB'、CC'、DD' and EE' shown in Figure 2, respectively. Their interval and length are respectively 40 km and 800 km. The projection width is 20 km on both sides. The upper part of each figure is the profile topography. The lower part shows earthquakes and their focal mechanism solutions projected on the profile. The horizontal ordinate marks the horizontal distance to the centre of each profile (positive to north). The vertical ordinate marks the depth. Number of earthquakes are agreed with the order of Harvard CMT Solutions. Light pink beach balls are for other events already mentioned in the figure caption of Figure 3. The gray dots represent historical earthquakes, similarly hereinafter. |
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图 5 东西向剖面投影图 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)由北往南分别代表阁2中的剖面FF’，GG’，HH’，II', JJ' KK’，LL，和MM’，W隔为60 km，剖面於750 km, 衫宽度为剖面两侧各30 km.图的上部为对应剖面地形图，下部为地震在剖面上的投影及其震源机制解，地震编号及震源机制球压缩区的颜色与图 4一致.横坐标为距离剖面中心的水平距离，向东为正，纵坐标为深度，单位均为km. Fig. 5 Projection of earthquakes on E-W strike profiles (a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f).、(g)、(h) represent the profile FF', GG', HH', II', JJ' KK', LL, and MM' shown in Figure 2, respectively. The interval and length are 60 km and 750 km, separately. The projection width is 30 km on both sides. The upper part shows the profile topography. The lower part shows earthquakes and their focal mechanisms projected on each profile. The representation ways of the events are the same as in Figure 4. The horizontal ordinate marks the horizontal range to the centre of profile (positive to the east). The vertical ordinate marks the depth. |
图 3a再次显示2011年3月11日东日本大地震之后, 附近区域在一年的时间内都没有同类型地震, 我们称这个区域为"大地震空区大地震空区北侧绝大部分为倾向近东西的逆断层型地震; 发生在大地震空区南侧的地震类型相对复杂, 虽然近东西向挤压的逆断层型地震占主导, 但也有近东西向拉伸的正断层型地震、近南北向挤压的逆断层型地震和南北向拉伸的正断层型地震(如图 3b、图 3c、图 3d所示).在日本岛弧的西侧也有少量的地震发生, 基本上为近东西向挤压的逆断层型地震, 其震中位置分列主震破裂区的南、北两侧.
图 3再次清楚地显示日本海沟东侧的地震基本上为近东西向拉伸的正断层型地震, 而且海沟东侧与大地震空区北侧和南侧相应的位置都基本上没有地震发生.Obana等(2012)也注意到了这些地震, 并认为海水将会灌人这些正断层内部, 进而影响俯冲带的动力学行为[9].
海沟西侧近东西向拉张的正断层型地震在震群的最北端少有发生, 集中分布于主震、主震北侧、主震南侧等三个位置, 如图 3b中矩形框所示.且此类地震中, 多数南侧的发生时间晚于北侧的.同时, 图 3b清楚地显示主震区中心的此类型地震的发生位置偏东, 而主震区南北两端此类型地震的发生位置偏西.
海沟西侧还存在不少南北向拉张的正断层型地震(见图 3c).同时, 这类地震在主震区中心的发生位置大多数位于近东西向拉张的正断层型地震群的西部, 而主震区北端此类型地震的发生位置与近东西向拉张正断层型地震群的大致相当且略偏东一点.
另外, 还有一些南北向挤压的逆断层型地震, 如图 3d所示.这种类型的地震集中于震群偏南侧的位置, 分布在很窄的、展布方向近似沿俯冲带走向的条带中.大地震空区以北, 几乎没有这种类型的地震发生.
图 4为南北向剖面图.图 4a、4b、4c、4d、4e由西往东分别对应图 2中的剖面AA'BB'CC'DD' EE'横坐标为距离剖面中心的水平距离, 向北为正.地震编号与CMT双力偶解的顺序一致.4种主要类型的震源机制球压缩区的颜色与图 2、图 3 -致, 浅粉色为其他类型的地震.
总体来看, 绝大多数与2011年3月11日东日本大地震同类型的逆断层型地震的震源深度有自东向西逐渐变深的趋势.从震源深度的变化来看, 应属于板间地震.其中, 北端(距剖面中心约300~400 km范围内)发生的地震几乎全部为这类地震.从图 4c、4d、4e可以看出, 2011年3月11日东日本大地震南侧约50 km至北侧225 km范围内, 集中于约60 km的深度(见图 4b).主震南侧与主震同类型的地震大量发育, 但分布有分区性.和大地震空区的北侧类似, 南侧一个小区域内也聚集了大量与2011年3月11日日本大地震同类型的逆断层型地震, 只不过在这些地震附近还聚集了许多其他类型的地震, 尤其是挤压方向近南北向的逆断层型地震.这在图 2、图 3中也有清楚的显示.
图 4c、4d、4e再次显示2011年3月11日东日本大地震发震区域附近集中了大量近东西向拉伸的正断层型地震, 而且这种类型的地震从剖面EE'往西至BB'(图 4(b-e)发震数量及沿南北向分布范围逐渐减少.2011年3月11日东日本大地震发震区域南侧, 也有大量近东西向拉伸的正断层型地震发生.不过, 这类地震主要发生于剖面BB'和剖面AA'所在区域, 且AA'(图 4a)所在区域此类地震的发生数量和延伸范围要明显地小于剖面BB'所在区域的发生数量和延伸范围.
在2011年3月11日东日本大地震震源位置的北侧100~200 km的范围内集中了许多近南北向拉伸的正断层型地震, 而这种类型的地震从剖面DD'往西到剖面BB'(图 4(b-d), 发震数量及沿南北向分布范围逐渐增加, 不过这种类型的地震往北延伸、限于距离这些剖面中心(横坐标零点)200 km的范围内.同时, 剖面BB'(图 4b)也显示其间有一些近东西向拉伸的正断层型地震.
此外, 南北向挤压的逆断层型地震集中于主震区域的南端, 往北一直到剖面中心位置.不过, 有各类震源机制解的地震杂布其中(如图 4c图 4d所示).
图 5为东西向垂直剖面图.图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)由北往南分别对应图 2中的剖面FF'、GG'、HH'、Ⅱ'、JJ'、KK'、LL'、MM'.图的上部为对应剖面地形图, 下部为地震在剖面上的投影及其震源机制解, 横坐标为距离剖面中心的水平距离, 向东为正.地震编号与震源机制球压缩区颜色的表示方法与图 4一致.
图 5清晰地展示出存在自东向西倾斜的地震条带.考虑到倾斜地震条带的几何特性及这些地震震源机制解的特点, 我们认为这些地震基本上是板间地震及发生于大洋板块内的地震.其中, 发生于深部的震型与东日本大地震一致的地震为板间地震, 而发生于浅部的近东西向拉张的正断层型地震发生于太平洋板块的内部.分布于倾斜地震条带上方的地震, 则发生在上覆板块内.
图 5a的剖面FF'进一步展示了地震带北端的地震几乎都是挤压方向为近东西方向的逆断层型地震.这些地震基本上是板间地震.上覆板块内基本上没有大的地震发生.
图 5b、5 c和5d再次展示发生在日本海沟东侧的外斜坡区域的大量东西向拉张型正断层型地震主要集中于主震区域的东侧, 而这些地震和发生于深部的震型与东日本大地震一致的板间地震被其间的地震空区明显地分割开了.在大地震空区的南北两侧, 日本海沟东侧的外斜坡区域很少发生地震.
图 5c、5d、5e、5f、5g和5h均显示在上覆板块中有大量的近东西向拉张的正断层型地震.同时, 在主震附近区域, 这类地震占多数.在南部区域, 这类地震虽然也有相当的数量, 但比重降低, 同时发震位置相对西移.
上覆板块内部也有相当数量的近南北向拉伸的正断层型地震.虽然这类地震的数量相对于第一类正断层型地震要少一些, 但在大地震空区北部(图 5b所在位置附近), 这类地震占主导地位.
图 5e、5f的位置大致为主震破裂区域的南部边缘, 开始出现由近东西向挤压的逆断层型地震组成的连续的西倾的地震条带, 且日本岛的西侧与这两个剖面相应的位置发生了少量的近东西向挤压的逆断层型地震.上覆板块内部, 有少量南北向挤压的逆断层地震; 在图 5e的位置近东西向拉伸的正断层型地震仍占主导, 而在图 5f的位置这类地震则没有明显的优势.图 5g、5h代表了大地震空区南侧的地震分布情况, 总体上延续了图 5e、图 5f的趋势, 板间地震仍在各深度均有分布.
4 结论和讨论 4.1 在东日本大地震主震附近俯冲的太平洋板块和其上覆板块已接近完全解耦在正文中, 我们陈列了如下几个事实: ①2011年3月11日东日本大地震发生之后, 震中附近南北向延伸300 km、东西向延伸100 km的区域内几乎没有近东西向挤压的逆断层型的地震发生, 我们称之为"大地震空区"该区域也与根据地震波形以及海啸数据估算得到的破裂区域结果大致一致[10-12].主震位于这个空区的南部, 而这个空区的北部是2011年3月11日东日本大地震发生之前不久发生的与东日本大地震震型一样的一系列大地震发生的地方; ②在这个区域的中心, 发生有大量近东西向拉伸的正断层型地震, 这些地震发生于海沟西侧的上覆板块内部; ③在上述地震空区的东侧, 发生有大量近东西向拉伸的正断层型地震.不过这些地震和发生于海沟西侧的上覆板块内部的近东西向拉伸的正断层型地震不同, 它们发生于俯冲的太平洋板块内部.
在如上所述的区域没有近东西向挤压的逆断层型的地震发生, 自然也没有逆断层型板间地震发生.而在太平洋板块相对于欧亚大陆西向运动的背景下, 没有逆断层型的板间地震发生, 只有两种可能的情况, 或者这个地区发生了俯冲的太平洋板块和其上覆板块的解耦; 或者是俯冲的太平洋板块和其上覆板块因有大的高强度障碍体的存在而处于强耦合状态.东日本大地震发生后, 在主震附近区域俯冲的太平洋板块和其上覆板块间显然短时间内很难有大的高强度障碍体存在, 所以东日本大地震主震区附近俯冲的太平洋板块和其上覆板块已接近完全解耦.主震位于这个空区的中南部, 而这个空区的北部是2011年3月11日东日本大地震发生之前不久与东日本大地震震型一样的一系列大地震发生的地方.说明整个地震空区反映的是这些地震共同释放了俯冲带太平洋板块及其上覆板块间长期积累的弹性能.因为这些地震发生在近地表, 垂直方向的正应力接近于零.所以, 上覆板块近东西向挤压和拉伸的倾滑地震分别表示垂直向的正应力分别为主压应力和主张应力, 说明上覆板块内部近东西向的正应力接近于零.上覆板块过去近东西向挤压应力状态是受太平洋板块的挤压控制的.大地震发生后, 由近东西向挤压应力状态转变为近东西向应力接近于零, 表明传递太平洋板块挤压作用的障碍体已被破坏, 说明东日本大地震主震区附近俯冲的太平洋板块和其上覆板块已接近完全解耦.海沟附近在俯冲的太平洋板块内部发生的大量近东西向拉伸的正断层型地震也表明因俯冲的太平洋板块和上覆板块相向运动而在海沟附近的太平洋板块内所产生的近东西向的挤压状态已变为相对拉伸状态, 同样表明障碍体已被破坏, 东日本大地震主震区附近俯冲的太平洋板块和其上覆板块已接近完全解耦.
4.2 太平洋板块在日本本州并未与上覆板块完全解耦我们发现: ①2011年3月11日东日本大地震发生之后, 虽然在主震附近有如上所述很大范围的地震空区, 但在这个地震空区的北侧仍有密集的地震发生, 并且这些地震都是发生在板间的近东西向挤压的逆断层型地震; ②在所述地震空区的南侧, 也有大量的板间逆断层型的地震发生; ③在日本本州岛西侧, 与日本本州岛以东大地震空区北侧/南侧近东西向挤压的逆断层型地震的北缘/南缘相应的位置也有零星的近东西向挤压的地震发生.
首先, 主震周围大地震空区的南北两侧近东西向挤压的板间逆断层型地震持续发生.大地震空区北侧上覆板块内部基本上没有地震发生, 说明太平洋板块对上覆板块的挤压虽然因为一系列板间地震的发生而有所降低, 但仍然维持了一定的近东西向的挤压应力水平.在大地震空区南侧也有类似现象.这说明在大地震空区的南侧和北侧太平洋板块和其上覆板块没有完全解耦.
日本本州岛西侧主压应力方向近东西向地震的发生, 地震发生的空间位置和东日本大地震之前地震经常发生的位置类似(参考图 2中的置人图).明确地表明了2011年3月11日东日本大地震发生后日本海仍处于近东西向的挤压应力状态.东日本大地震主震区附近俯冲的太平洋板块和其上覆板块已接近完全解耦, 从而使得在主破裂区附近的小范围区域内太平洋板块在很大程度上解除了对上覆板块的挤压, 所以日本海太平洋板块的近东西向挤压很大程度上应该来自于未完全解耦的大地震空区的南北两侧.
由此我们认为, 尽管东日本大地震释放了本州岛以东部分地区近E-W向的挤压应力, 但是日本海西部以及中国东北部仍处于E-W向弱挤压的应力环境之中.也就是说, 虽然GPS观测表明中国东北出现了一致的指向震中的同震位移[13-14], 但只表现为近东西向挤压应力的减小, 而不是自此转变为近东西向的拉伸应力状态.总的来说, 东日本大地震之后, 中国东北的主压应力数值有所减小, 因而近东西向挤压型地震活动性将有所减弱[14-15].但是, 因为法向应力的减小, NNE-SSW走向的走滑型地震活动性将有所增强.同时, 该地区的火山活动性也有可能增强.如果将来大地震空区的南、北两侧也发生俯冲板块和上覆板块之间近完全解耦的情况, 则日本岛弧西侧甚至于中国东北可能出现近E-W拉张的正断层地震, 届时火山活动也将会进人一个新的活跃期.
4.3 2011年东日本大地震之后日本本州岛附近应力水平较低我们在前文已指出: ①在大地震空区的中心区域, 发生有大量近东西向拉伸的正断层型地震, 这些地震发生于海沟西侧的上覆板块内部; ②虽然在上述地震空区的中心部位上覆板块内发育有大量近东西向拉伸的正断层型地震, 但在大地震空区中心部位的西侧和南北两侧形成了三个近东西向拉伸的正断层型地震的空区(如图 3b所示)③在如②所述的南北两个地震空区的西侧各自有大量近东西向拉伸的正断层型地震, 和如①所述的地震密集区一起构成了一个顶部面东的品字形结构(如图 3b中矩形区域所示); ④主震周围如①所述的近东西向拉伸的正断层型地震密集区西侧发育有近南北向拉伸的正断层型地震, 在如③所述的两个近东西向拉伸的正断层型地震密集区中北面那个的东侧(品字形结构的左肩上)发育有大量近南北向拉伸的正断层型地震, 在如③所述的两个近东西向拉伸的正断层型地震密集区中南面那个的西侧(品字形结构的右肩下部)也有近南北向拉伸的正断层型地震发育, 可以认为这些区域的近南北向拉伸的正断层型地震实际上构成了大致与海沟方向夹角20°的狭长地震条带(如图 3c所示)⑤另外一个大致与海沟方向平行的地震条带是挤压方向近南北的逆断层型地震, 这个条带最早集中于上述品字形结构的右肩上方(如图 3d所示), 后来扩展到了其南侧和北侧, 但主要位于主震空区及其南部区域; ⑥在上覆板块地震密集带的最南侧对应于图 5g和5h的位置, 除了分布有挤压方向近南北的逆断层型地震外, 还有主张拉伸方向分别为近东西和近南北的正断层型地震.
在主震附近400 km长、200 km宽的矩形区域内, 上覆板块内地震的震源机制解的主压应力方向既有垂直方向, 也有近南北的水平方向; 而震源机制解的主张应力方向既有垂直方向, 也有近南北和近东西的水平方向.一个显著的特征是该区域上覆板块的应力状态已明显不同于大地震之前近东西向的挤压应力状态
正像前面讨论中所述的那样, 主震附近上覆板块内部大量的近东西向拉伸的正断层型地震是太平洋板块和其上覆板块发生板间解耦后产生的结果在这个区域, 几乎没有其他类型的地震, 近东西向拉伸的正断层型地震是占主导的, 说明这个区域近东西向的主张应力方向和近垂直向的主压应力方向是稳定的, 表明是受到了一致的东西向拉伸作用的结果.但是, 在这个区域的西侧, 震源机制解均为近南北向拉伸的正断层型地震.
在2011年3月11日东日本大地震发生之前, 该区域一直是以东西向挤压的逆断层型地震为主的, 既说明了东日本大地震发生之前主压应力方向为近东西向, 也说明了主张应力方向为垂直向[3-6, 16-20].在震后, 有的区域主张应力方向变成了近东西向, 有的区域主张应力方向变成了近南北向.震后近东西向的主张应力方向是容易理解的, 这是因为板间地震释放了积累的挤压应力.但是南北向的应力状态由原来的挤压应力状态(因为垂直方向的应力是挤压应力, 中等主应力方向近南北向说明大地震之前南北向的正应力同样为挤压应力)转变成了相对拉伸应力状态.这种现象一个可能的解释是南北方向这种应力状态的变化是因为东西向由挤压变为相对拉伸时所产生的侧向收缩效应所导致的.至于为什么只有大地震空区南部及南侧才有近南北挤压的逆断层型地震存在, 是因为北美板块南侧存在菲律宾海板块向北的挤压.而在大地震空区的北侧, 上覆板块内部几乎没有地震发生, 可能是由于水平向挤压应力受板间地震影响有一定程度减小, 从而使得断层更加稳定.
前面已经提及, 在上覆板块内发生的近东西拉伸的正断层型地震形成了品字形结构, 我们认为是应力叠加的结果.具体地说, 首先是因主震发生区域附近板间接近完全解耦而使得主震发生的区域相当于叠加一个向东拉伸作用的力源.如果仅有这样一个力源, 自东向西将有一个扇形的区域处于近东西向拉伸的作用下(或者更准确地说是这个扇形区域处于方向指向力源的相对拉伸作用下).但是, 因为大地震空区的北侧和南侧, 太平洋板块和上覆板块尚未完全解耦, 所以, 各自尚对上覆板块施加往西的挤压作用, 而且有其各自的扇形作用面.当然这种作用的强度并不大.再叠加上菲律宾海板块往北的挤压及前面提及的侧向收缩效应所产生的南北向的拉伸作用, 使得主震发生区域附近的上覆板块内的应力状态以近东西向拉伸为主, 往西逐渐过渡为应力状态以近南北向拉伸为主; 而在主震的北侧则相反地表现为上覆板块内的应力状态在东部以近南北向拉伸为主, 往西逐渐过渡为应力状态以近东西向拉伸为主; 在南侧, 则表现为更复杂的应力状态.图 6、7以卡通图的形式表述了我们对东日本大地震后日本本州岛附近地区应力状态的理解
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图 6 近东西向主应力随地理位置变化示意图 红色的扇形表示主震破裂区由于东西向应力释放形成的相对拉张区域，蓝色的扇形表示主震破裂区南北侧块间仍存在耦合的挤压区域.从海沟处由东向西应力水平逐渐降低.颜色越深代表应力水平越高, 下同. Fig. 6 Geographic variation of the principal stress on roughly E-W direction The red fan represents the effect of the main shock, where stress was released and became relatively tensile. Two blue fans correspond to the zones where compressive stress is prevailing as plates are still coupled there. Stress decreases from the trench to the west. The darker color corresponds to the higher level of stress, similarly hereinafter. |
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图 7 近南北向主应力随地理位置变化示意图 橙色的扇形表示主震破裂区以及发生于主震东南侧的矩震级为7.9级的余震(本文中编号为2)，由于东西向应力释放引起南北向的挤压应力水平降低，相应地形成相对拉张区域，浅蓝色的扇形表示菲律宾板块向北俯冲形成的挤压区域.颜色越深，表示应力水平越高.震源机制解的表达方式与图 2一致. Fig. 7 Geographic variation of principal horizontal stress on roughly N-S direction The orange fans represent the effect of lateral contraction due to the upper plate overshoot caused by the main shock and a Mw7. 9 aftershock (No. 2 in this paper). In orange regions, stress of N-S direction was released and became relatively tensile. The pale blue fan shows the zones where compressive stress is prevailing as Philippine Plate subducts to the north. |
最南端既有因菲律宾海板块向北推挤作用形成的南北向挤压的逆断层型地震, 也存在南北向拉伸的正断层型地震, 说明大型的板间逆冲地震发生之后, 由于释放了东西向积累的挤压应力, 间接使南北向原本的挤压应力也得到了释放, 当其成为主张应力时, 就发生南北向拉伸的正断层地震, 进一步表明菲律宾海板块的挤压作用并不强烈.类似地, 在日本本州岛以东地区既大量存在东西向拉伸的正断层型地震, 也大量存在南北向拉伸的正断层型地震, 也说明南北向拉伸作用和东西向拉伸作用的应力水平相当.日本本州岛以东地区各个方向的正应力, 不管是挤压作用, 还是拉伸作用, 应力水平都很低.
4.4 板间解耦在弧后盆地演化中的作用关于日本海盆地的演化历史, 不同研究者有不同的认识, 但基本上认为目前的日本海已停止了扩张[5, 16, 20-24]."什么是日本海张开和闭合的控制性因素"及"日本海是否永远停止了扩张"是两个大家所关心的科学问题.
太平洋西岸存在一系列的沟-弧-盆体系[25], 这种自北往南延伸6000 km的宏大结构一定有其共同的形成原因.Uyeda和Kanamori (1979)[1]根据Mmster等(1974)[26]全球范围内岩石圈相对于热点坐标系以每年0.11°的速度西移的研究结果提出, 软流圈相对岩石圈东移, 使得西太平洋的海沟后退和弧后盆地扩张.西太平洋板块比较冷, 负浮力作用本身也会导致海沟后侧和盆地扩张[27].而冷的、大角度俯冲板块能把水带到岩石圈以下, 使地幔物质发生部分熔融, 也为弧后盆地的张开提供了物质基础[28].20世纪80年代人们又提出了右旋走滑拉分机制[29-35]来解释南海、东海、渤海湾盆地、依舒地堑、苏北南海盆地、菲律宾海、日本海等边缘海的张开.他们认为, 印度板块与欧亚板块的碰撞使欧亚板块向北漂移, 与东侧太平洋板块发生右行剪切作用, 从而沿太平洋西岸形成了一系列具有相似几何特征的新生代弧后盆地.将上述机制综合起来, 便能很好地解释为什么西太平洋边缘存在一系列首尾相接的边缘海盆地以及它们相似的演化过程.
但是, 各边缘海的形成时间和现在的应力状态都有所不同.例如, 晚中新世以前, 菲律宾海和日本海同处于扩张阶段.现在, 菲律宾海仍在扩张, 而日本海盆地已不再活跃[1, 36], 很难用统一的软流圈东移及走滑拉分机制进行解释, 应该从各边缘海地区物质性质差异和边界条件的不同两方面来理解.比如, 由于各俯冲带下插板块岩石圈物质性质(如岩石圈含水量、温度等)和海底地形(如海山、洋脊等)的不同, 会导致两板块之间耦合程度有所差别[27].耦合差的俯冲带, 上覆板块内部挤压应力较小, 容易在弧前增生楔、弧后盆地形成与俯冲带走向一致的正断层地震, 也因为此时与海沟方向近似平行的若干走滑断层易于活动而促使拉分盆地的发育, 产生了岩浆上涌所必须的浅部构造环境.同时, 两板块之间易于发生相对运动, 来自下插板块深部的拖曳作用使其海沟外斜坡区域岩石圈浅部受到拉伸, 发生断层走向垂直于俯冲方向的正断层型地震[4].东日本大地震之后, 海沟外斜坡区域的一系列正断层余震就是在这种应力背景下产生的.这种情况下, 正如Obana等(2012)[9]所指出的, 海水会沿着地震后张开的正断层缝隙渗入到洋壳中, 并以结晶水的形式随下插板块的俯冲作用进入到地球内部.我们认为, 正是这种机制, 有可能使俯冲板块携带足够量的水参与俯冲带的物质循环[37-38].对于这样的俯冲带, 下插板块更易俯冲, 板块含水也更多, 形成的岩浆也就更多, 加之上述浅部构造环境, 更易导致弧后张开.板块耦合差导致的弧后盆地张开将是一个正反馈的过程.反之, 若俯冲带两板块间耦合得较好, 两板块基本没有相对运动, 则下插板块下部对海沟外斜坡区域的拖曳不强, 该区域的正断层地震很难发生, 如主震区域的北侧地区, 从而海水较难沿着断层下渗, 俯冲板块含水不充分, 则到了脱水反应的深度, 由于释放的水量较少, 地幔物质部分熔融产生的岩浆也有限, 再加上地表由于两板块间强耦合, 处于较强的挤压应力场之中, 岩浆不能轻易地上涌到地表, 火山作用也不会很强.
基于这样的考虑, 我们认为, 过去日本海俯冲带可能是由于大的障碍体的存在, 加强了板间的耦合作用, 使日本海盆地一段时期内停止了扩张.而东日本大地震之后, 板间地震主要发生在较深的深度和大地震空区南北两侧, 说明主震之后, 主震破裂区俯冲板块和上覆板块之间浅部的耦合较差, 挤压应力主要集中在深部和两侧.而随着深部和两侧逆冲型地震的不断发生, 大地震空区附近区域的凹凸体也将会不断破裂.按照这一趋势, 如果浅部在一定的时期内不出现新的障碍体, 则该过程最终将导致这段俯冲带两板块之间的弱耦合, 日本海将有可能重新张开.
致谢本文使用了IRIS网站上提供的全球远震台站记录的波形资料, 哈佛大学CMT双力偶解及中国地震局地球物理研究所"国家数字测震台网数据备份中心"提供地震波形数据.论文完成过程中, 俞春泉先生提供了用P波初动求解震源机制解的方法和程序并在论文完成过程中和我们进行了深人讨论.两位匿名审稿人认真地审阅了稿件并提出了很好的修改意见.在此一并表示感谢.
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