在太平洋板块、欧亚板块、北美板块和菲律宾海板块长期的相互作用下，位于太平洋西北部的日本海沟成为了太平洋板块向欧亚板块俯冲的汇聚带.其中，太平洋板块于26Ma前就开始沿着日本海沟向西俯冲，并以平均9cm/a的速度沿日本岛弧下运动，故形成了太平洋地震活动带活动频度最高、强度最大的日本海沟俯冲带地区.2011年3月11日，在西太平洋海域日本海沟俯冲带上发生的日本东北M_W9.0级特大逆冲型板间地震(简称为日本M_W9.0地震)，成为日本有地震记录以来的震级最大的一次地震.同时，本地区密集分布的观测台网为西太平洋和东亚地区的地震构造与俯冲带动力学研究提供了丰富的数据来源.

俯冲带地震是发生在汇聚板块边缘的构造地震，具有复杂的成因，反映了构造作用、热、介质结构特征等多种因素对板块边缘的共同影响.早期已有学者对俯冲带的地震学和力学模型进行了详细的研究(Shimazaki, 1978；Spence, 1987；Lay et al., 1989; Umino et al., 1990; Wang et al., 2012).日本M_W9.0地震除造成重大人员伤亡和财产损失外，还影响了日本海沟俯冲带地区局部应力场.由综合海洋钻井计划(Integrated Ocean Drilling Program)中地应力信息估算的主震前震源区主应力方向表明主震后部分地区应力状态发生了改变(Lin et al., 2011).也有研究通过计算库伦应力变化来分析此次主震导致的应力场变化，以评估余震效应及未来地震发生可能性(Hiratsuka and Sato, 2011).大量针对主震前后应力场变化的研究表明，在陆地区域及日本海区域之下20km深度内，日本东北北部及磐城附近地区主震后应力场变化明显，而从东北中部至关东地区，应力场则相对稳定(Yoshida et al., 2012)；在日本海沟俯冲带地区，主震前大部分地区P轴倾向几乎与板块汇聚方向一致，主震后浅部上盘及外缘隆起部分因主震产生了张应力变化(Chiba et al., 2012)；在太平洋板块内近海区域，震前最大主应力轴朝板块汇聚方向倾伏，震后并无变化(Hasegawa et al., 2012).同时，不连续位移破裂分析法(MCA)重构出的震前2003—2011年间太平洋地震带西北翼地壳应力场状态表明，震源区附近存在高应力梯度区，应力梯度向量贯穿整个震源区(Rebetsky et al., 2016).还有研究利用网格技术详细分析了1965年至2010年间地震序列，其结果表明主震前长期的地震平静异常对此次地震的触发来说有引导意义(Katsumata, 2011).

由于日本M_W9.0地震对中国相邻地区应力场造成了一定影响，国内学者在应力作用、俯冲带热结构、GPS形变观测、断层错动等方面也开展了大量相关研究(尹继尧和朱元清，2011；王凡等，2011；邵志刚等，2011；王敏等，2011；郝金来等，2011；盛书中等，2012；丰成君等，2013；陈光齐等，2013；张晨等，2014；谭成轩等，2015).纵观国内外对此次日本M_W9.0地震震源区应力场特征的研究，仅部分涉及了主震震源区震前应力场特征且缺乏有关震前应力场细节、特别是分阶段应力场的分析，而获取应力场时空图像对于理解大地震前不同尺度下应力场特征和大震的孕震机制有重要意义.本研究不仅利用震源机制解进行应力场2D反演来分析日本海沟俯冲带地区应力场的空间分布特征，还通过时段划分来反演日本海沟俯冲带地区应力场的时间演化特征，根据得到的应力场时空图像来分析日本M_W9.0地震震前日本海沟俯冲带地区应力场的时空演化特征，籍以探讨俯冲带强震的应力作用机制.

本研究以1997年1月1日至2011年8月31日且M_W≥3.5的震源机制解为研究对象，采用的震源机制解选自NIED(National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention)F-net宽频地震台网中心的矩张量解目录(NIED CMT solutions).F-net矩张量解反演采用加州伯克利大学Douglas S. Dreger教授提出的长周期全波形反演法，该方法使用长周期面波(10~100 s)来避免人工震相拾取及其带来的误差，每年的人工重分析也大大提高了计算的准确率，其中M_W则由关系式M_W=log(M₀×10⁷)/1.5-10.7确定，计算结果的质量由方差缩减值(Var.Red)值来评定，百分比越大则质量越高.本研究选取由3个及以上宽频台站获取的波形数据算得且方差缩减值大于50%的震源机制解来进行应力场反演.

如图 1a所示，以主震震中所在位置(142.8610°E，38.1035°N)为参考，本研究选取两个长轴相互垂直的矩形区域来进行应力场2D反演.区域1大小为4.5°×1.5°，包含主震及震前发生的4个M_W≥6.9的地震在内的1640个事件(图 1a中玫红色圆圈).其中，西南侧及东北侧以2008年7月19日和2011年3月9日发生的两个地震震中为界，西北侧以2008年6月13日发生地震震中为界，东南侧将大部分余震包括在内，因而构成一个震源区周围大震集中分布且平行于板块汇聚方向的区域.区域2大小为4.4°×3°，包含6370个地震事件，其长轴平行于俯冲带地区主震断层走向(即平行于日本海沟走向).该区域东南及西北两侧以主震震中为对称中心，以2003年5月26日发生的地震震中位置为西北侧界限，东南侧以包含日本海沟轴(图 1a中红色实线)为界，西南侧及东北侧以两个2011年3月11日发生的大震级(M_W=7.8及M_W=7.4)余震为界(图 1a中粉红色圆点).本研究希望通过反演得到这两个区域内主震前后的应力场，来分析应力场沿板块汇聚方向以及在平行于主断裂走向上的时空演化特征.

图 1

Fig. 1

图 1 地震活动分布、研究区网格划分及时段划分 (a)构造分界线及地震活动分布情况.宽频地震台站及不同震级地震活动用不同大小颜色形状表示，详见右下角图例.其中，主震前发生的5个MW7地震单独表示其震源机制解，红色表示压缩，白色表示拉张.深红色虚线矩形框为本研究中进行应力场反演的研究区域.(b)区域1反演网格划分情况.(c)区域2反演网格划分情况. (d)区域2应力场时间反演中采用的时段划分情况. Fig. 1 The tectonic setting, grids division and time spans of the study area (a) Plate configurations and the seismicity distribution. NIED F-net broadband seismogragh stations and earthquakes are indicated by different symbols (see details in the lower right corner). Five earthquakes (MW7.0) which occurred before the mainshock are plotted with focal mechanism solutions (color in red represents compression and white represents tension). Two dark red dashed rectangles show stress inversion regions in our study. (b, c) Grids division of Region 1 and 2. The stress inversion is performed on a 0.5°×0.5° grid in Region 1 and a 0.75°×0.55° gird in Region 2. (d)Time spans used in the stress field time inversion of Region 2.

本研究采用MSATSI软件进行应力场2D反演，在反演前需进行2D网格划分.区域1等分为27个(3行9列)网格(图 1b)，网格大小为0.5°×0.5°(图 1c)；区域2等分为32个(8行4列)网格，网格大小为0.75°×0.55°.在此基础上，将两个区域内震源机制解划分为主震前及主震后这两个子数据集，分别进行应力场2D反演，分析对比两区域震前震后应力场的空间分布特征.针对震前应力场反演，本研究对主震前两个区域内地震的震源机制进行了三角分类.分类结果如图 2所示，其中，区域1中逆冲型地震占80.3%，正断型地震占9.6%，走滑型地震占8.1%；区域2中逆冲型地震占72.3%，正断型地震占15.7%，走滑型地震占6%.三角分类结果表明了主震前两区域内震源机制以逆冲型为主，反映了日本海沟俯冲带地区板块间以压缩为主的应力作用环境.

图 2

Fig. 2

图 2 区域1和区域2主震前震源机制解三角分类 红色圆圈代表震源机制类型为正断型，蓝色五角星为逆断，绿色正方形为走滑，灰色×为未知.括号中的百分数表示主震前每个区域中震源机制类型所占百分比. Fig. 2 The triangle classification of focal mechanism solutions in Region 1 and 2 Focal mechanism solutions with normal, thrust, strike-slip and uncertain type are indicated by red circles, blue stars, green squares and gray oblique crosses, respectively. The percentages of each type is shown in the brackets.

此外，对于区域2，如图 1d所示，本研究选取该区内3个M_W≥6.9地震及此次主震作为主要时间节点，以约3年为时间跨度，将整个研究时期划分成6个阶段来进行时间反演.由于日本海沟俯冲带地区在深度约60~80 km处出现双地震带(Hasegawa et al., 1994；Igarashi et al., 2001)，为避免双地震带中复杂的震源机制类型对反演结果造成影响，本研究对参与反演的震源机制解做深度约束：第1、2、3、4、7、8行网格内参与反演事件震源深度限制在60 km内；第5、6行网格所在区域包含了2003年5月26日在宫城县北部发生的M_W7.0级中深源地震(震源深度为74 km)，故在时段3内该区域网格内参与反演事件震源深度限制在80 km内.在此基础上，通过应力反演得到的各反演网格中应力参数随时间的变化图像来详细分析日本M_W9.0地震震前日本海沟俯冲带地区应力场的演化特征，从而探讨俯冲带地区强震孕震机制.

目前，利用震源机制解反演应力场是地球动力学研究所采用的主要方法之一.自法向应力反演(FSI)方法在全球地震学界得以成熟运用以来，在研究应力场方向的分布时，前人为解决获得的应力张量解可能取决于输入数据的约束方式所带来的问题，继而开发了SATSI软件(Hardebeck and Michael, 2006).SATSI软件采用阻尼最小二乘反演得到各网格点的应力张量并进行平滑处理，而本研究所使用的MSATSI是在SATSI软件基础上进一步完善的MATLAB应力反演程序包(Martínez-Garzón et al., 2014)，因其结合了阻尼最小二乘法优化策略及良好计算性能，故在各种应力场反演中得到了良好的应用，如加州北部The Geysers地热田的地表应力场2D反演(Martínez-Garzón et al., 2013)、对山东地区背景应力场的分析(郑建常等，2013)以及对南北地震带构造应力场的研究(王晓山等，2015).

MSATSI在执行应力反演前，除对数据按照需要维度进行网格划分外，还应对反演参数设置.本研究将区域1及区域2主震前后应力场的反演中网格内最小事件数设置为25，将区域2分时段应力反演中网格内最小事件数设置为5，并由2000次自助重抽样来完成对反演结果的不确定性评估，置信区间设为95%.最小二乘阻尼反演时引入阻尼矩阵D，对方程增加“平滑”约束，最小化相邻各点的应力张量的差异：

上式中，D为阻尼矩阵，m为应力张量，d为断层滑动矢量，G为反演矩阵，e为阻尼系数.本研究中默认输入的阻尼值e为1，计算程序基于输入数据将自动评估最适合的阻尼系数，再由一组离散的阻尼系数进行计算数据拟合误差与模型长度间的依赖关系，并画出折中曲线，如图 3所示，折中曲线反映了应力场反演过程中最优阻尼参数的选取过程.

图 3

Fig. 3

图 3 数据拟合误差与模型长度间的折中曲线图 (a，b)区域1主震前后折中曲线；(c，d)区域2主震前后折衷曲线.最佳阻尼系数用红心圆圈表示，最优阻尼值显示在其右侧；空心圆圈表示反演中采用过的阻尼参数所得出的结果. Fig. 3 Trade-off between data misfit and model length (a, b) Trade-off curves of Region 1 before and after the main shock; (c, d) Trade-off curves of Region 2 before and after the mainshock. The selected damping parameters are denoted with circles in red and damping values are shown on the right side while others are indicated by empty circles.

MSATSI执行应力反演程序时将对所有反演网格内P、T轴进行极射赤平下半球投影，其分布情况的差异性可以检验应力反演的有效性.反演得到3个主应力轴的倾向、倾伏角(Trend & Plunge)和一个反映相对应力大小R值的量(ϕ=1-R=(σ₂-σ₃)/(σ₁-σ₃))，σ_{1, 2, 3}为主应力，ϕ为应力形因子.R值是对主应力方向不确定性的评估：R=0，中间应力(σ₂)轴和主压应力(σ₁)轴表现出的状态一致，最大主张应力确定；R=0.5，主压应力轴(σ₁轴)与主张应力轴(σ₃轴)确定；R=1，中间应力轴和主张应力轴表现的应力状态一致，最大主压应力确定；R由0.5至0，中间应力轴表现为压应力性质，R越小越明显；R由0.5至1，中间应力轴表现为张应力性质，R越大越明显.

无论各网格内的事件数是否符合最小值设置，程序仍会计算出三个主应力轴倾向及倾伏角的最优解.对于符合最小事件数设置的网格，MSATSI进一步由σ₁、σ₂、σ₃轴的方向及R值计算真实水平最大主应力(S_Hmax)轴方向(Lund and Townend, 2007)，并采用全球应力图WSM分类标准画出其方向分布(Heidbach et al., 2010)，msatsi_plot.m程序根据σ₁、σ₂、σ₃轴倾伏角最优解(PL_best)的范围用不同的颜色来对S_Hmax轴的应力类型进行区分：

1) σ₁_PL_best >52°且σ₃_PL_best < 35°：正断型(NF)，红色；

2) σ₁_PL_best < 20°且σ₂_PL_best >45°且σ₃_PL_best < 40 °：走滑型(SS)，绿色；

3) σ₁_PL_best < 35°且σ₃_PL_best >52°：逆冲型(TF)，蓝色；

4) 其它情况:未知型(UD)，黑色.

根据不同的研究目的，本研究反演得到了一系列应力场参数并以时空图像的方式对结果进行展示.本研究基于各反演网格内P、T轴分布差异性、三大主应力及最大水平主应力方向的最优解，分别从平行于板块汇聚方向和平行于主震断层走向来分析日本海沟俯冲带地区应力场的空间分布特征，其中P、T轴及三大主应力轴(以下简称σ₁、σ₂、σ₃轴)方向以下半球赤平投影图表示，最大水平主应力轴(以下简称S_Hmax轴)方向以水平投影表示.首先，区域1反演得到了主震前后应力场在垂直于海沟走向上的空间分布情况，区域2反演得到了主震前后应力场在平行于海沟走向上的空间分布情况.对于主震前俯冲带地区应力场随时间的变化情况，本研究将根据区域2中各网格反演得到的σ₁轴倾向及倾角和R值在6个时段内的变化曲线来进行分析.

区域1中各网格内P、T轴的差异性分布比较清晰，如图 4所示：主震前，P、T轴整体垂直于日本海沟走向(即板块汇聚方向)倾伏，其中P轴倾角偏小，T轴倾角偏大.主震后，P、T轴分布有显著变化(图 4b)，P、T轴发生了明显偏转，从第4列网格起至第9列，P轴倾角开始变大，而T轴倾角开始变小，直至P轴近垂直倾伏，T轴垂直于海沟走向近水平倾伏.

图 4

Fig. 4

图 4 区域1主震前后P、T轴赤平投影图 红色圆点为压缩轴P轴投影，蓝色圆点为拉张轴T轴投影，黄色五角星代表日本311主震；(a)区域1主震前P、T轴投影；(b)区域1主震后P、T轴投影. Fig. 4 Stereomaps of P and T axes in Region 1 Red dots and blue dots indicate the projection of P (compression) axes and T (tension)-axes respectively. The mainshock are marked by a yellow star. (a) Orientations of P and T-axes before the mainshock. (b) Orientations of P and T-axes after the mainshock.

如图 5所示，σ₁轴，σ₂轴，σ₃轴平行于板块汇聚方向的空间分布差异明显：主震前，σ₁轴倾向及倾角整体一致，应力轴SEE向倾伏而倾角较小(< 30°)，而网格1-1及网格3-2中应力轴倾向为NWW向，网格3-8及3-9中轴倾角偏大(30°~60°)；σ₂轴大多数都平行于海沟走向(SSW-NNE向)近水平倾伏，而网格3-8及网格3-9中σ₂轴倾角偏大且SW向倾伏；σ₃轴状态也比较一致，并以较大倾角(>60°)NWW向倾伏，而网格3-8及网格3-9中σ₃轴倾角偏小(~30°).主震后，在远离震源区处(网格1-9、2-1、2-3、3-1/2/3、3-8、3-9、4-1)，应力场状态受主震的影响并不显著，且从第4列网格开始，σ₁轴倾角逐渐变大(>30°)，σ₃轴倾角则逐渐变小(< 30°)，至日本海沟东侧，σ₁轴近垂直倾伏，σ₃轴平行于板块汇聚方向近水平倾伏.其中，网格4-1/2/3中σ₃轴方向有所不同，以较大的倾角向NNW向倾伏.整体而言，主应力轴状态仅在主震震源区存在显著变化，而在远离主震震源区的地方则相对稳定，改变不大.

图 5

Fig. 5

图 5 区域1主震前后主应力轴赤平投影图 红色圆圈表示最大主应力轴σ1轴，绿色三角形表示中间应力轴σ2轴，蓝色正方形表示最小主应力轴σ3轴，左上角为区域1三轴在主震前后的整体投影情况，详见图中图例. Fig. 5 Stereomaps of three principle stress axes in Region 1 Axes of σ1 (maximum compressive stress), σ2 (intermediate stress) and σ3 (minimum tensional stress) are indicated by red circles, green triangles and blue squares, respectively (see the figure legend for details). The stereomap at the top-left corner shows the overview in Region 1.

S_Hmax轴的方向及应力类型与板块间的相互作用有关，反映了构造应力场的作用方式.区域1中主震前后S_Hmax轴在垂直于日本海沟走向的空间分布特征存在明显差异(见图 8)：主震前应力类型为逆冲型，且轴向整体平行于板块汇聚方向(NWW-SEE向)，反映了日本海沟俯冲带地区太平洋板块向欧亚板块的俯冲作用.主震后应力状态存在空间渐进变化现象：在宫城县北部(网格2-3及3-3)应力类型仍为逆冲型且应力轴的倾向不变；在主震震中西北侧(网格1-4、2-4、3-4)，应力轴应力类型未知；从第5列网格所在区域至日本海沟，应力轴变化显著，其轴向顺时针偏转60°~90°，其应力类型变为正断型.

图 8

Fig. 8

图 8 区域1水平最大主应力(SHmax)方向分布 其中，实心箭头表示震前，空心箭头表示震后, 左上角分别为主震前及主震后区域1中SHmax整体投影情况，详见图中图例. Fig. 8 The orientations distribution of the maximum horizontal stress (SHmax) in Region 1 (Solid arrows and hollow arrows indicate results before and after the mainshock, respectively. See legend for more details.)

如图 6所示，主震前，区域2中各网格P、T轴的分布同样存在空间差异性，除在最西南侧部分区域(网格1-1、2-1)P、T轴倾角接近外，P、T轴在各网格内的投影比较一致，P轴倾向垂直于海沟走向，倾角偏小，T轴近垂直倾伏.主震后，震源区及靠近日本海沟一侧，P、T轴倾角变化明显且分布清晰，P轴陡倾，T轴垂直于日本海沟走向近水平倾伏.而在主震偏西南侧及日本海沟西侧区域(网格1/2/3/5-1及网格1/2/3/4/5-2)P、T轴分布差异性不够显著，倾向倾角变化范围偏大.

图 6

Fig. 6

图 6 区域2主震前(a)、后(b)P、T轴赤平投影图 图例同图 4. Fig. 6 Stereomaps of P and T-axes in Region 2 before (a) and after (b) mainshock (a) Orientations of P and T-axes before the mainshock; (b) Orientations of P and T-axes after the mainshock. The legend is the same as Fig. 4.

区域2中主应力轴状态从图 7即可看出，从主震震源区分别至远离震源区的东北及西南两端，应力场沿主震断裂走向呈现出空间渐进差异性：主震前，震源区内σ₁轴一致向SEE向倾伏，倾角普遍偏缓，但在区域2西南及东北两端(网格第1、2、3、7、8行)σ₁轴倾角(30°~60°)稍大于主震震源区(网格6-1、6-2、6-3、5-2、5-3、4-2、4-3)内的σ₁轴倾角(< 30°)；σ₂轴普遍平行于日本海沟走向近水平倾伏；同样地，σ₃轴普遍呈陡角(>60°)向NWW向倾伏，且震源区内σ₃轴倾角大于距主震震中较远区域内σ₃轴的倾角.主震后，在主震震源区，除σ₂轴继续保持近水平倾向于日本海沟走向外，σ₁轴倾角增大(>45°)而倾向不变，σ₃轴倾角变缓(< 45°)而倾向不变，而在距震中较远的地方(网格第1、2、8行及网格3-3、3-4)，应力轴状态变化不大，σ₁轴倾角稍大于主震前，σ₃轴倾角稍小于主震前.σ₁、σ₂、σ₃轴在平行于日本海沟走向的这种空间分布特征表明了日本海沟俯冲带地区应力场在震源区及远端存在明显差异性，主震对该地区应力场空间分布的影响基本限制在震源区附近.与区域1相比，区域2中S_Hmax轴沿海沟走向的分布更能表现出日本海沟俯冲带地区构造应力场空间分布特征(见图 9)：主震前，S_Hmax轴整体倾向于板块汇聚方向(NWW-SEE向)，应力类型为逆冲型，在主震震中附近与西南方向(网格3-1、4-2、5-2、4-3、5-3及网格2-1、3-1)，S_Hmax轴向有细微的逆时针偏转但并不明显，S_Hmax轴在空间分布上的系统一致性正反映了日本海沟俯冲带地区板块俯冲的构造背景.主震后，S_Hmax轴在整个区域2内空间分布复杂：在主震震源区(网格4-2/3、5-2/3、6-2/3)，应力类型为正断型，应力轴顺时针偏转60°~90°；在靠近日本本州岛一侧(网格第1列)，S_Hmax轴在西南端(网格1-1、1-2)出现大幅度顺时针偏转(30°~100°)；在日本海沟附近(网格第4列)，S_Hmax轴倾向平行于日本海沟走向，应力类型为正断型；在海沟西侧远离主震震中处(网格1/2-2、1/2-3、5/6/7/8-1、8-2)，应力类型复杂(逆冲、正断、未知均有)，应力轴倾向无明显偏转.值得注意的是，除震源区应力轴的显著变化外，区域2最西南侧(网格1-1、2-1)S_Hmax轴的变化也比较明显，具体原因尚待讨论.

图 7

Fig. 7

图 7 区域2主震前后主应力轴赤平投影图 图例同图 5. Fig. 7 Stereomaps of three principle stress axes in Region 2 The legend is the same as Fig. 5.

图 9

Fig. 9

图 9 区域2水平最大主应力(SHmax)方向分布 图例同图 8. Fig. 9 The orientations distribution of the maximum horizontal stress (SHmax) in Region 2 The legend is the same as Fig. 8.

此外，区域1与区域2存在重叠区域：区域1中网格的3~8列，区域2中网格的4~6行.重叠区内用于进行应力场反演的震源机制解数据均来自于NIED F-net网站地震矩张量目录，在此，本研究主要对重叠区内σ₁轴倾向及倾角(图 5及图 7)和S_Hmax轴方向(图 8及图 9)作比较说明：整体而言，重叠区内主震前后应力场空间分布情况比较一致，主震前，σ₁轴均以较小的倾角(< 30°)向ESE向倾伏；应力类型系统性表现为逆冲型的S_Hmax轴整体倾向于板块汇聚方向(NWW-SEE向).主震后，在重叠区内主震震中西南侧(区域1中网格1-3、1-4、2-2；区域2中网格4-1)σ₁轴方向并无明显变化，而在重叠区其他区域σ₁轴倾角均增大至陡角(普遍大于60°)倾伏而倾向基本保持不变；S_Hmax轴在重叠区西南侧区域(区域1中网格第4列，区域2中网格4/5/6-1)倾向变化不大，而在重叠区其他区域应力轴轴向顺时针偏转60°~90°，应力类型变为正断型.然而，重叠区内区域1及区域2在进行2D反演时划分的网格大小并不相同(区域1网格大小为0.5°×0.5°，区域2网格大小为0.75°×0.55°)，致使反演网格内震源机制解数据量不同，故部分网格内的反演结果在应力轴方向存在小范围的角度差别，且主要存在于主震前后应力场状态变化并不显著的重叠区西南侧.重叠区反演结果表现出整体一致性与局部差异性，说明了应力场2D反演时网格大小的划分可导致应力场局部反演结果存在小范围差异，但对整体状态并无明显影响.

区域2中，如图 10所示，各网格反演得到的σ₁轴方向参数随时间的变化在空间上呈现出不同的趋势.大部分网格内σ₁轴倾向及倾角在震前5个时段内并无显著的变化，在日本海沟西侧(网格第1—3列)，σ₁轴倾向基本保持在100°~125°，倾角基本保持在0°~30°内；网格6-1在时段2内(2000-01-01—2003-05-26)、网格5-1在时段2和3(2000-01-01—2005-08-16)、网格5-2在时段2内(2000-01-01—2003-05-26)，σ₁轴倾向变化显著，顺时针偏转近180°(图中表现为角度的增大)，但倾角相对稳定(其值的变化基本保持在10°以内).其中，网格6-1、5-1及5-2包含了2003年5月26日发生的M_W7.0地震及2005年8月16日发生的M_W7.2地震.网格4-2在时段4内(2005-08-16—2008-07-19)σ₁轴倾向出现小幅度逆时针偏转，而倾伏角有增大趋势，而该网格所在地区在2008年7月19日发生了M_W6.9地震.在主震震中附近(网格6-2、6-3、5-3)，σ₁轴应力状态在整个区域2中最为稳定，倾向随时间的变化曲线几乎成水平直线，倾角虽有缓慢增加的趋势但变化不明显.整体而言，主震前，除在发生过7级大震的区域外，应力场几乎都维持在比较稳定的状态，尤其是在主震震源区；σ₁轴方向参数的显著变化与3个7级大震有良好的时空对应关系，主震前日本海沟俯冲带地区应力场因这3个7级大震产生了局部扰动之后恢复至震前状态.

图 10

Fig. 10

图 10 区域2各网格σ1轴方向随6个时段的变化情况 红色曲线为σ1轴倾向随6个时段的变化曲线，蓝色曲线为σ1轴倾伏角随6个时段的变化曲线. Fig. 10 The temporal and spatial variation of orientations of σ1-axes in Region 2 Red lines with red triangles are the temporal variation curves of the trend, and the blue lines with blue dots are temporal variation curves on of the plunge.

区域2各网格反演得到的R值在6个时段内的变化情况如图 11所示，R值的时间变化曲线在空间上存在复杂的变化趋势.在时段2内(2000-01-01—2003-05-26)大多数网格内的R值显著下降到0.2~0.4，时段3内(2003-05-26—2005-08-16)R值开始回升，其中网格5-1、5-2及4-1、4-2内R值缓慢回升至0.5左右，其他网格则回升至0.5以上；主震前R值曲线形态在空间分布上表现为网格6-2与网格6-3一致，网格5-2与网格5-3一致，而相比之下在远离日本海沟区域(网格8-1、8-2与3-1、2-1)，R值曲线的拐点并不明显.从区域2中R值变化曲线可以看出，在主震震源区及距主震震中较远处的应力场存在不同的应力调整模式，但整体呈现出中间应力轴的状态由压性(小于0.5)逐渐过渡至张性(大于0.5)的趋势.

图 11

Fig. 11

图 11 区域2各网格反演出的R值随6个时段的变化曲线 Fig. 11 The temporal and spatial variation of R values in Region 2

本研究基于NIED F-net网站矩张量目录中M_W≥3.5的震源机制解，选取两个长轴相互垂直的矩形区域(区域1及区域2)，用MSATSI软件对两个区域进行2D应力反演，获取了两个研究区域主震前后应力场图像；同时针对震前应力场演化，在对区域2内震源机制解在深度约束的基础上通过时段划分，得到了区域2各网格内应力场参数随时间的变化情况.本研究得到的应力场时空图像表明，主震前日本海沟俯冲带地区应力场在空间及时间上呈现出复杂的尺度相关的分布特征，主震后震源区及距主震震中较远处应力状态变化程度存在显著差异.

主震前，在应力场整体的空间分布上，P、T轴、σ₁、σ₂、σ₃轴及S_Hmax轴状态呈现出良好的一致性，P轴与σ₁轴平行于板块汇聚方向(NWW-SEE)以低角度倾伏，σ₂轴近水平倾向日本海沟走向，T轴及σ₃轴则以陡角沿板块汇聚方向倾伏.其中，P轴与σ₁轴倾角普遍小于30°，且在距离主震震中较远区域及日本海沟东侧，P轴与σ₁轴倾角普遍大于主震震源区内两轴倾角；而S_Hmax轴整体倾向于板块汇聚方向，应力类型普遍呈逆冲型.前人研究表明沿太平洋俯冲带应力状态空间分布清晰，大部分以海沟向单轴压缩为主，而在Hidaka碰撞带，Kurile与日本岛弧间的碰撞则以径向压缩为主(Ghimire and Tanioka, 2011).同时，对全球俯冲带上应力方向的研究表明，最大压应力轴系统性地朝海沟向倾伏，普遍与俯冲带大型逆冲断层呈45°~60°夹角(Hardebeck，2015).在日本东北内陆地区(区域1网格第1、2列)，区域1反演得到的σ₁轴倾向几乎垂直于日本海沟走向，而前人结合F-net和Hi-net台网中心计算的震源机制解反演得到的σ₁轴倾向为WE向，这种差异可能与数据的选取有关(Yoshida et al., 2012).

由于主震前的背景构造应力场相对稳定，而在局部地区应力场出现扰动则应考虑由地震触发作用中应力累积与释放而导致的细结构调整.从区域2中σ₁轴方向随时间的变化曲线可以看出(见图 10)，应力轴倾向或倾角存在明显变化的网格(网格6-1、5-1、5-2、4-2)如前所述与3个7级大震有良好的空间及时间对应关系，局部应力场受明显扰动的时间集中在时段2和3内(2000-01-01—2005-08-16)，σ₁轴倾向发生大幅度偏转(近150°~180°)，倾角变化不大.相比之下，在主震震中位置附近(图 10中网格6-2、6-3、5-3)，震前14年应力场长期处于稳定状态，应力参数几乎无明显变化.同时，本研究得到的区域2中R值随时间变化曲线在空间上的分布与3个7级左右大震并未有如此明显的对应关系(见图 11)，曲线的转折主要集中在时段2内(2000-01-01—2003-05-26)，之后中间应力轴整体均呈现出由压性逐渐过渡至张性的趋势.这说明主震前，日本海沟俯冲带地区应力场整体在时间上无明显变化，只在局部区域出现应力场细结构调整.其中，2003年5月26日在宫城县北部发生的M_W7.0地震对俯冲带震源区周围的应力场产生了相对明显的扰动，应力轴倾向出现大幅度偏转，之后应力场逐渐至原始状态，该区域应力重新开始集中.

地震的孕震能力也和构造物理特征有关，而地震构造与板间耦合联系密切，广角到时反演得到的地震构造模型在俯冲带上覆板块中沿海沟表现出显著差异，说明了板间耦合中存在区域差异性(Gou et al., 2013).有研究用此次主震前15年GPS数据对同震滑移进行估算来分析日本海沟俯冲带断层上的板间耦合，结果表明主震同震滑移大于10m区域的上覆块体在震前已有4个M7级的凹凸体，凹凸体代表以应力平滑为主的地震(Kanamori and Stewart, 1978)，有利于震间断层上的应变积累，主震震源区(图 10中网格6-2、6-3、5-3)应力场在震前(1997—2011)都十分稳定，正好与最大滑移区的板间长期闭锁区吻合，而该持续闭锁区所包含的凹凸体对大型逆冲断裂的发生至关重要(Ikuta et al., 2012).同时，通过海底测量数据对主震前板间耦合的研究表明，宫城县附近地壳运动的时间演变表现为与2005年宫城县北部M_W7.2地震有关的应变积累-释放，自2006年起又重新开始应变累积，板间耦合与2005年事件之前相比，约从2007年起便有所减弱，而福岛县地区的板间耦合明显弱于宫城县地区(Sato et al., 2013).因此，我们的研究工作和GPS数据计算结果有很好的对照关系.

如前所述，主震后，在距主震震中较远的区域应力场状态无明显变化：在平行于海沟走向上，远离震源区的东北侧及西南侧，σ₁、σ₂、σ₃轴倾向及倾角无明显变化；在垂直于海沟走向上，远离震源区的日本本州岛内一侧，应力状态大部分仍为逆冲型.而主震震源区及周围应力场发生了显著改变，P轴与σ₁轴倾角明显变陡(>60°)，T轴及σ₃轴倾角变缓，S_Hmax轴顺时针偏转60°~90°并在日本海沟附近普遍平行于海沟走向，应力类型基本为正断型.本研究得到的主震后应力场的这种空间分布特征与前人研究结果基本吻合，Hasegawa等(2012)等的研究表明，σ₁轴倾角震后显著升高了30°~35°，且近乎完全的应力降导致了σ₁轴以近垂直的角度(80°)与板块接触面相交.GPS观测数据估算出同震位移区内太平洋沿海地区东向位移明显大于西部沿海地区，该结果很好地对应了本研究中震后在主震震源区及日本海沟附近应力状态的空间变化分布，而震后形变场与同震位移区初始段有部分重叠并向西扩散至周围区域，这与本研究中震后应力场应力类型仍为逆冲型的西部沿海地区(距主震震中较远的日本本州岛一侧)吻合(Ozawa et al., 2011).同时，主震后应力场只在主震震源区发生显著变化，与Chiba等(2012)的研究结果一致，说明此次主震导致太平洋海岸附近海域板块边界破裂致使楔体坍塌，应力几乎得到完全释放，且释放空间分布局限在震源附近，并未向日本海沟附近扩散.对日本海沟附近额楔下部板块边界摩擦性质的研究结果表明，日本M_W9.0地震主震破裂区与日本海沟中其他弧前区域相比，基底摩擦有效摩擦系数高，故海沟轴附近该区域的应变能累积会持续进行，之后将导致大型滑移及楔体坍塌(Koge et al., 2014)，很好地解释了楔体坍塌所导致的海沟轴附近震源区内S_Hmax轴状态在震后的显著变化.

本研究选取NIED F-net网站矩张量目录中的震源机制解，使用MSATSI软件对日本俯冲带震源区应力场进行2D反演，得到了在平行板块汇聚方向和平行于主震断层走向上应力场主震前后的空间分布图像，同时也获取了日本海沟俯冲带地区沿M_W9.0地震主震断层走向上(区域2)应力场参数在6个时段内的变化曲线，其结果表现出了日本海沟俯冲带地区应力场更为详细的时空演化特征：

(1) 主震前，在空间上，日本海沟俯冲带地区应力状态整体趋于一致，P轴和σ₁轴平行于板块汇聚方向以低倾角(< 30°)倾伏，S_Hmax轴系统性地垂直于日本海沟走向且应力类型基本为逆冲型；在时间上，震前主震震源区及距主震震中较远处，应力场整体保持稳定状态，正好与最大滑移区的板间长期闭锁区吻合，由于闭锁区应力长时间的持续累积导致平行于板块汇聚方向的应力高度集中，使得俯冲带中的断层产生裂缝而发生地震.主震前，受宫城县北部发生的M_W7.0地震影响，宫城县海域局部地区(震源区西侧)出现应力场扰动，σ₁轴倾向顺时针偏转150°至180°，应力释放之后重新开始累积.

(2) 主震后，距主震震中较远处应力场变化不大，主震震源区及周围应力场发生了显著改变，P轴与σ₁轴倾角明显变陡(>60°)，S_Hmax轴顺时针偏转60°~90°，应力类型为正断型，且在日本海沟附近S_Hmax轴普遍平行于海沟轴.

本研究得到的震前日本海沟俯冲带地区应力场随时间的变化情况与其他相关的研究结果有很好的对照关系，主震震源区应力场在震前十分稳定，与GPS数据计算出的最大滑移区的板间长期闭锁区吻合，震间俯冲带断层上应力长达十几年的持续积累使平行于板块汇聚方向的应力高度集中，导致断层产生破裂而发生此次特大逆冲型板间地震.因此，这项研究反映了大地震孕震过程中构造与地震的相互作用，对于探讨俯冲带强震的应力作用机制从而理解大型地震在震前不同尺度应力场特征和孕震过程有重要意义.

因本研究旨在对日本海沟俯冲带地区应力场做平行于板块汇聚方向和平行于主震断层走向的时空演化分析，据此来理解大地震前不同尺度下应力场特征和大震的孕震机制，故并未在涵盖两研究区的更大范围内进行应力反演.研究中涉及到了分时段的应力场反演，对震源机制解数据量要求较高，故采用了数据量较大的NIED F-net矩张量解目录中的震源机制解，其在海沟区域震源深度定位误差较大，哈佛矩张量解目录(GCMT)中定位虽然更精确但数据量无法达到本研究要求，所以并未采用.同时因采取了时段划分，导致在用MSATSI进行2D应力场反演时，反演网格内设置的最小事件数普遍偏低，且部分网格因在某些时段内地震活动较少而缺失该时段应力场图像细节，因而本研究中只讨论了细节相对完整的反演区域，希望之后能有更加完善的改进方法.本研究受震源深度误差限制，并没有对俯冲带地区应力场进一步做剖面的时间分析，后期希望能继续进行相关研究来探讨日本海沟俯冲带地区应力场在板块接触面附近的分布特征.

本文分析数据源自NIED(National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention)F-net宽频地震台网中心，因其广泛布设了84个宽频地震台站而为本研究提供了丰富的数据来源(NIED Seismic Moment Tensor Catalog, http://www.fnet.bosai.go.jp.).感谢中国地震局地壳应力研究所陈连旺研究员和崔效锋研究员对本研究提出的宝贵意见；感谢黄禄渊博士在程序调试中提供的帮助；在成文过程中，曾得到了赵树贤副研究员的有益指点；本文所有图件采用GMT(Wessel and Smith, 2013)绘制；最后感谢审稿人的辛勤工作.