日本东北大地震发生于北京时间2011年3月11日13时46分(日本当地时间为3月11日14时46分), 震级为M_W9.0，震源深度20 km，震中位于日本东北(Tohoku)以东约100 km的太平洋海面上(见图 1).本次地震震级大，破坏性强，特别是引发了巨大的海啸，造成了大量的人员伤亡(近2万人死亡)，是继1923年日本关东M_S7.9大地震(该震造成15万人丧生)以来日本最为严重的地震事件(Yun and Hamada, 2015).

图 1

Fig. 1

图 1 日本及周边地形及地质图.其中的沙滩球表示2011年日本东北大地震的震中位置, 黑色三角形表示本文使用的GPS台站位置 Fig. 1 Topography and geological map in and around Japan Islands. The beach ball represents the epicenter of the 2011 Tohoku-Oki earthquake, and the black triangles denote GPS stations in the study

日本列岛地质构造非常复杂，处在太平洋板块、北美板块、欧亚板块以及菲律宾海板块的夹持之中.日本的东部及东南部由于太平洋板块及菲律宾海板块的俯冲挤压，构造应力水平高，强震活动十分频繁，特大地震时有发生.图 1显示太平洋板块大约以80 mm·a^-1的速度沿着日本海沟向着日本岛方向运动(见图 1)，这次的日本M_W=9.0东北大地震正是发生在太平洋板块向日本岛下面俯冲的板块边界带上.本次地震是装备现代化观测台网以来，日本历史上发生的震级最高的特大地震(Tajima et al., 2013)，并且是第一个被密集的连续GPS观测台网所记录的M_W9地震事件(Kato et al., 2012).

然而，尽管日本地震科学高度发达，处于世界领先地位；日本的地震观测台网非常密集，其他国家很难达到如此观测密度.但是，对这次特大地震日本却没有作出任何预测预报！

难道这次特大地震震前就没有任何异常现象？实际上，2011年日本东北特大地震，发震断层几何规模宏大(400 km×200 km)、同震位错量极高(50 m)、震源较浅(20 km)(Yagi and Fukahata, 2011; Sato et al., 2011)，特别是地面观测台站密集，这给我们观测地震前兆及研究地震成核过程带来了契机.本文就是利用日本的连续GPS观测资料，来分析2011年日本东北特大地震的震间、震前变形场及其动力学特征，试图“捕捉”地震前兆，分析大地震的成核过程，为强震预测预报研究提供线索.

日本连续GPS观测台阵始建于1993年，到1994年中期有约200个连续台站开始运行.经过后来的不断扩充建设，特别是1995年日本神户(M_W6.8)地震后(该震造成6437人死亡)，到1999年时整个日本岛有1000余个GPS连续观测站点(Sagiya et al., 2000).图 1中黑色三角形所显示的是本文使用的163个连续GPS观测台站的位置.由图可见，研究中所用的连续GPS台站主要位于日本本州岛的东北地区，也是2011年日本东北特大地震离陆地最近的区域.为研究震间变形特征，在处理GPS观测数据时扣除了附近大地震的同震及震后响应对地表变形的影响，特别是去除了2003年日本Tokachi-Oki(M_W8.1)地震、2005年Miyagi-Oki(M_W7.2)地震以及2008年日本Iwate-Miyagi Nairiku(M_W7.2)地震的影响.

图 2给出了连续GPS观测台站观测的平均运动速度(时间为2005年1月1日到2010年12月31日，西南角的三个红色圆点为参考位置).图中显示，由于太平洋板块向北西西方向的俯冲挤压，日本东北地区的东部海岸的优势运动为向西运动，基本上与太平洋板块的俯冲方向一致，这也说明板块之间处于耦合状态；相反，日本东北地区的西部海岸的运动主要是向东运动，其原因可能是日本海在继续扩展；但图中显示西部海岸的向东运动速度明显弱于东部海岸的向西运动.所以，日本东北地区主要是处在挤压的应力环境里，而且主要是由太平洋板块的向西运动所控制.为进一步分析变形特征，文中计算了日本东北地区震间的地应变率场，计算结果见图 3. 图 3a是根据GPS观测资料计算给出的最大、最小主应变率及其方位分布图.由图可见，最大主压应力的方位几乎为近东西向，所以日本东北地区总体上处于近东西向挤压的力学状态，这个结果与日本东北地区的地质构造甚为符合，也和日本的研究工作者所给出的该地区震间阶段的应变状态是一致的(如：Kato et al., 1998; El-Fiky and Kato, 1999; Sagiya et al., 2000；Miura et al., 2002, 2004).但我们必须清楚，本文所用的数据与日本研究人员所采纳的GPS观测资料不是同一个时间段，两者数据是完全独立的.此外，图 3a的主应力结果与Yoshida等(2012)利用2011年日本大地震前哈佛CMT震源机制资料结果反演获得的主应力方位非常吻合，再次说明本文计算结果的稳定性及正确性.

图 2

Fig. 2

图 2 GPS观测给出的日本东北地区震间速度场分布图.图中三个红色圆点表示参考位置，红色五角星为2011年东北大地震的震中 Fig. 2 The distribution of the GPS velocities in the Tohoku district, Japan, in the interseismic phase of the 2011 Tohoku-Oki earthquake. The three red dots represent the reference position of the GPS velocities, and the red star denotes the epicenter of the 2011 Tohoku-Oki earthquake

图 3

Fig. 3

图 3 日本东北地区震间应变率分布图 (a)最大、最小主应变率(箭头向外表示张应变率，向内表示压缩)；(b)震间最大剪应变率分布；(c)震间面应变率分布. Fig. 3 Distribution of the strain rates in the interseismic phase in the Tohoku district, Japan (a) The principal strain rates, the arrow inward denotes compressive, and outward denotes tensile strain rate; (b) The maximum shear strain rates, and (c) dilatation strain rates.

另外，图 3a还显示，沿着日本东北地区的奥羽山脉地区(东北地区的中央山脉)拉张应变分量较大，表明这里的部分区域目前处在拉张的力学环境中，并且拉张方向主要是为近南北向.其主要的原因可能与该区域的介质性质有关.地震层析成像结果(Nakajima et al., 2001, 2006; Hasegawa et al., 2005)显示，奥羽山脉之下介质的S波速度、V_P/V_S有明显的异常，表明奥羽山脉地区下方介质柔软.这样在太平洋板块近东西向的推挤下，柔软的奥羽山脉地区会出现朝南北两个方向的挤出.此外，拉张应变的分布可能与奥羽山脉的隆升以及火山活动等都有密切的关联(Miura et al., 2002, 2004; Nakajima et al., 2001)，还需要进一步考察.图 3b是最大剪切应变率分布图.由图可知，最大剪应变率的高值区分布在离2011年主震距离最近的岛上.图 3c显示的是面应变率空间分布云图，结果表明日本东北地区的大部分区域面应变率为负值，进一步说明这些地区都处在挤压的应力环境里，主要是受太平洋板块向西的俯冲推挤作用所控制；但奥羽山脉中央部分地区出现正的膨胀区，可能与山脉的隆升等有关.

为充分利用2011年日本东北大地震前日本东北地区连续GPS观测资料，考察大震前地表变形异常特征，下面详细分析大震前30天中GPS观测结果.

GPS连续观测中，由于长时间的变形累积(超过15年)，使得每个站点累积的观测位移幅度很大，仅仅从观测的位移大小，无法考察震前30天位移场的任何变化.为此，研究中给出了震前30天每天的位移大小，即速度值.图 4是2011年日本东北大地震前30天每天GPS观测的速度场的空间分布(共有30个子图).从震前30天每天的速度方向看，除了震前第30天(如图 4-1a所示的结果)的速度方位还受到太平洋板块的推挤作用控制外(速度的优势方向向西，与太平洋板块的运动方向差不多一致)，在其余的29天中，速度方向都与太平洋板块的运动方向不相一致，呈现出无规律性或与太平洋板块运动方向相反的特征.这种没有优势方位或反向的特征，说明了大地震前的地表变形场与震间的变形情况(见图 2)迥然不同，震前变形已经不再完全受外部整体的构造作用所控制，而可能主要是由大地震震前孕震区内部特殊的力学过程所影响.

图 4

Fig. 4

图 4 2011年日本东北大地震前30天GPS观测的速度场空间分布.红色五角星表示主震位置，GPS观测速度的参考位置同图 2 Fig. 4 Temporal-spatial distribution of velocity at each GPS station within 30 days in Tohoku area before the mainshock. Red star represents the epicenter of the 2011 Tohoku-Oki earthquake, and the reference position in GPS measurement is the same as in Fig. 2

此外，图 4还显示，除了震前第17天和第16天(图 4-3b及c)外，每天的GPS速度场幅值都很大，通常在cm/天的水平.显然，这比震间的变形速度幅值明显增大(可与图 2对比)，通过比较发现震前的速度比震间增大了1~2个数量级.大震之前如此之快的变形速率，在全球的其他大地震中(如：2008年的汶川M_S8.0地震，2004年苏门答腊M_W9.1地震)，由于缺乏密集的连续GPS观测系统，还没有发现有类似的震前快速变形现象.从某种意义上说，这种现象就可以认为是“地震异常”或“地震前兆”.实际上，从物理上看大地震震前的异常变形是客观存在的，定量研究这种异常变形的动力学过程将有助于强震的预测.

为探讨GPS观测所揭示的震前地表变形的动力学特征，下面对图 4展示的震前30天里每天的速度场特征进行进一步分析.

图 4-1a显示的是震前第30天GPS观测的速度空间分布图.与图 2反映的日本东北地区震间阶段的年平均速度相比，不难发现震前第30天的速度分布明显不同，震间是北方的幅值明显高于南部，但震前第30天的是南部速度明显大于北部；此外，震间太平洋沿岸的速度优势方向都是向西，但震前第30天不少GPS站点速度方向出现不一致的情况.图 4-1b显示的是大震前第29天GPS观测的速度空间分布.很显然，图中所示的太平洋沿岸及附近多处出现了向东运动的情况，而且速度幅值还较大.由此说明此时太平洋板块的向西俯冲推挤作用不是居于控制性地位，日本东北地区的应力状态发生了转变.出现这样情况的机制十分复杂，可能是太平洋板块与欧亚板块之间的耦合程度降低, 出现了慢地震或慢滑移事件(Ide, 2008; Obara and Kato, 2016；Bürgmann, 2018); 或者是大震前孕震区内部出现了地震活动等.总之，这时孕震区内部力学状态发生了改变，内部因素正在发挥着重要作用.

图 4-1c、d、e以及f分别表示震前第28天、27天、26天以及第25天GPS观测的速度空间分布.由图可见，这4天中地表速度方位没有优势取向，比较混乱，速度大小分布也没有系统的规律性.这种现象一直持续到震前第19天(如图 4-2a─图 4-2e的5幅子图所示).再次说明此时外部的构造作用对孕震区的影响不是决定性的.但在震前第19天(如图 4-2f所示)，速度优势方向向东，与太平洋板块运动方向相反，此时可能是发生了慢滑移事件或地震活动等.但是从图 4-b及c的结果看，GPS观测的速度幅值明显减小，特别是震前第17天的速度，除个别站点外，GPS速度大小几乎为0；并且震前第16天(图 4-3c所示)的速度优势方向几乎与震前第18天(图 4-="fig" rid="Figure3">3a所示)的速度反向.可见，3天之内GPS观测的速度方向竟然相反.这进一步说明大地震之前，孕震区内部介质性质、应力场以及变形的复杂性，在震间难以出现这种奇特的现象.观测速度方向的这种反复无常变化的现象在震前第15天接着发生，图 4-3d所示与图 4-3c(震前第16天的速度)所示的速度方向又出现反向的特点.

在后面的几天里(从图 4-3e到图 4-5b)速度方向的无序性与反向性交替出现，速度量值依然很大，特别在震前第4天(图 4-5c)速度优势方向与太平洋板块速度的方向相反，速度幅值很大，说明发震断层或孕震区出现了明显的变形异常，但在随后的第2天(即震前第3天)GPS观测结果显示的速度却明显减弱(图 4-5d所示).之后(即震前第2天)，发生了M_W7.3地震.图 4-5e及图 4-5f显示的速度是M_W7.3地震的同震位移和震后滑移；而且位移方向与太平洋板块运动的皆相反.大震前的前震位移一方面弱化了太平洋板块沿着海沟俯冲时的耦合程度，同时也产生附加应力使得发震断层更接近于破裂，从而触发了3月11日M_W9.0特大地震的发生.震前2天(即3月9日)发生的M_W 7.3地震为本次特大地震的前震，对M_W 9.0特大地震的发生有触发作用(Tajima et al., 2013).

图 5

Fig. 5

图 5 2011年日本东北大地震前主应变率空间分布图.图中箭头向外表示张应变率，箭头向内表示压应变率 Fig. 5 Distribution of principal strain rates before the 2011 Tohoku Main shock. The arrow inward denotes compressive, and outward denotes tensile strain rate

为揭示震前GPS观测资料的更多信息，文中计算了2011年日本东北大地震震前的地应变率场.由于从GPS观测的速度矢量计算应变率场的过程非常复杂，并且不同的作者使用同样的GPS观测数据往往给出不同的应变率计算结果，因此文中采用朱守彪等(朱守彪等，2005；Zhu et al., 2006; 朱守彪和石耀霖, 2007；Zhu and Shi, 2011)提出的方法进行计算.由于受篇幅的限制，文中没有给出震前30天每天的应变率结果，而仅仅展示某些天震前的应变率结果.图 5是日本大地震震前东北地区最大、最小主应变率空间分布及其随着时间不断变化的图像.

图 5中分别给出了震前第30天、25天、20天、15天、10天、7天以及其后每天的主应变率分布(共12幅子图).对比图 3a的震间阶段主应变率场分布，不难发现震前的主应变率与震间的截然不同，震间主应变以东西向压缩为主，但震前似乎是以拉张为主.这更进一步说明孕震区的应力状态发生了改变，太平洋板块的俯冲挤压不再起决定性的作用，而其内部的因素控制了孕震区的应变环境.这可能是大震之前的异常现象(或地震前兆)，值得高度重视.但是，究竟哪些因素、如何控制震前变形，还需定量分析.

大地震的发生绝不是偶然的，更不是没有规律可寻的.探索强震发生的内在力学规律，实现地震的物理预测是目前地震学界最为迫切的任务(Zhu, 2013; 石耀霖等，2018).

通常情况下，一个完整大地震的周期包括地震的孕育、发展、发生等多个历史阶段，具体可分为：震间、震前、震时及震后阶段.在震间阶段，发震断层面上摩擦强度大，断层闭锁，区域构造作用对发震断层及周边地区介质进行加载，孕震区弹性应变能不断增加.随着应变能的不断积累、应力水平的提高，发震断层的某区段(较小的区域，数千米的几何尺度，以下称为“成核区”)由于种种原因，如：摩擦系数的变化、地下流体的侵入、局部温度的升高、断层面上正应力的变小、剪切应力的增大、远处地震导致的库仑应力变化等，会造成地震成核区的力学状态发生变化，使得断层面上的剪切应力达到摩擦极限，这样成核区会出现暂时的部分解锁，并开始缓慢滑移(断层两侧的相对位移，即位错).若滑移速度越来越小，滑移会很快终止，断层会继续闭锁，在这种情况下不会形成大的地震事件.但是，若成核区内断层两侧的位错速度越来越大，出现不稳定滑动，并且正好孕震区的应力水平又很高，这时可能会导致成核区以外断层产生不稳定滑动，直至整个断层产生自发破裂(Dieterich, 1992; 朱守彪和袁杰，2016；朱守彪等, 2017; Zhu, 2018)，从而形成地震事件.随着断层破裂的进行，释放地震波，这就是所谓的震时阶段.一般情况下，震时阶段持续时间很短，通常是几秒到数10秒.随着破裂的终止，断层会渐渐愈合，但不是立即停止，往往出现震后余滑(afterslip), 这一阶段通常会持续1年到数年, 这就是震后阶段.随着震后余滑的结束，断层重新闭锁，从而进入新的震间阶段，再次积累弹性应变能.这一阶段时间很长，少则几十年，多则数千年(Zhu and Zhang, 2010, 2013；Zhu, 2013).

上述地震过程中，研究得最不充分的而且对于地震预测最为重要的是震前阶段(preseismic), 尤其是震前的成核过程.大地震之前，断层上的成核区域可能不止一处，有的成核区摩擦关系可能不是摩擦弱化的本构关系，不能形成不稳定滑移，因此破裂就不能继续发展形成大地震，成核区就会自动湮灭.只有当条件合适，断层形成不稳定的滑动，位错量、位错速度及位错区域的几何尺度达到一定的规模才能形成断层的自发破裂，产生大地震(Dieterich, 1992；Ampuero and Rubin, 2008).由于成核区几何尺度小，断层位错量低，位错速度慢，特别是当震源深度比较大时，很难在地表直接观测到地震的成核过程，这给我们利用监测破裂成核过程来进行地震预测预报带来巨大的困难和挑战.

从力学角度看，对孕震区的构造加载，积累弹性应变能，提高应力水平，是产生大地震的外部因素.当应力水平达到一定的状态时，孕震区内发震断层的几何形状、摩擦关系、断层组分、温度分布、流体分布及其运移方式、断层周边介质的性质及其演化等是强震发生的关键内部因素，决定了强震发生的方式、大小以及发生的时间.内外因素在强震发生的不同阶段发挥着不同的作用，在震间阶段外部因素起主导作用，但在震前阶段内部因素是发生大地震的决定性关键因素.

当地震循环过程进入震前阶段时，除了发震断层上的地震成核外，由于应力水平较高，孕震区内介质的物理化学性质发生了一定程度的改变，这样发震断层部分区段以及邻近的次级断层上可能会发生小地震事件、慢地震事件或无震滑动事件.这些现象可以通过地表的观测台站记录进行定量分析.这些在震间阶段发生的“事件”又可以进一步改变孕震区应力场状态，往往对发震断层进行加载，导致主震的提前发生.所以，在震前阶段，变形状态比震间的要复杂得多.

同时，我们必须清楚，地震的发生并不需要在主震之前整个断层处处都要克服摩擦极限.在整个断层面上的绝大部分区段，当其剪切应力小于破裂极限时，地震破裂可以自发地产生.原因是在很长的发震断层带上(如数百千米)分布着几何尺度不大的成核区(通常小于5 km)，只要成核区内的剪切应力超过了摩擦极限，成核区内就可以发生不稳定破裂，从而让整个断层发生自发破裂(朱守彪等，2017；朱守彪和袁杰，2018；Zhu, 2018).当进入震前阶段后，随着应力场不均匀性的增加，流体运移的加快，远处强震的触发等因素，成核区是比较容易形成的，所以在震前阶段大地震随时都有可能发生，而不需要断层面上的所有区域应力水平都要超过摩擦极限.由此可见，准确地预测大地震的发生时刻在理论上是十分困难的.此外，在震间阶段，尽管也可能出现成核区，但由于发震断层整体应力水平不高(未进入震前期)，也不能产生大地震事件(当然有可能出现小地震).

由于震前阶段，应力场的非均匀性，出现慢滑移、慢地震或小震事件等，导致震前阶段的地表变形与震间的显著不同.但是，震前变形场会随着地震类型的不同(板块边缘与板快内部，走滑型与倾滑型)、震源深度的不同、介质结构以及加载速度等不同而不同，所以不同类型的地震、不同地区的地震，震前变形场的分布特征及其演化规律是不同的，因此没有一个统一的震前变形场模式以供地震预测之用.但是，随着对震源过程的认识以及地表变形资料的累积，利用震前变形前兆在一定程度上来预测地震在理论上是可行的.所以，探索震前过程的来临对于强震预测有重要的科学意义与实用价值.

目前一个最为重要的科学问题是，如何识别震前阶段，即如何知道某一地区现在处于或即将处于震前变形阶段.

对于一个震级为7级或大于7级的板内强震，其孕育时间在数百年或上千年的时间尺度，那么至少应该有15~20年的地表连续变形的观测资料，才有可能识别震前状态.

首先可以运用多种地球物理观测资料，如历史地震、断层滑移、地下流体、地热及大地测量等，综合计算长期的变形场作为区域背景场(即震间变形场)，然后再依次计算每月、每周甚至每天的变形场.若发现短时间尺度内的主应变大小、方位与震间变形场的不一致或相反，再结合小震活动、其他地球物理观测(如重力观测、地下流体等)来联合判定是否进入震前阶段.

对于我国来说，加密GPS观测及其资料快速精细处理是当务之急.在实际地震预测过程中，引入地应变率及其变化作为新的预测指标，对强震预测有重要的实用价值.

日本GPS观测系统从20世纪90年代至今一直正常地运行，积累了大量的观测资料，为推进地震科学的发展作出了杰出的贡献.特别是对2011年日本东北大地震的同震观测，完美地记录了地表的同震响应，为研究该地震的震源过程提供了十分难得的机遇(Ozawa et al., 2011; Tajima et al., 2013).不仅如此，同震地表GPS观测记录的完美性，充分说明本研究给出的震前30天地表活动速度图像不是GPS系统观测的误差，更不是仪器运转不良造成的，而正是大地震之前出现的特殊运动变化在地表的表现，或称之为地震前兆现象.

同时，有不少研究人员从力学机制上分析了日本大地震之前日本东北地区的GPS系统观测的变形异常，如：Mavrommatis等(2014, 2015)研究认为2011年日本特大地震前出现的应变率加快现象，主要是因为在日本海沟俯冲板块接触面(发震断层)下部发生的无震滑动加速所致.当产生无震滑动时，发震断层面之间的耦合程度会减弱，可以转移应力，触发产生特大地震(Schwartz and Rokosky, 2007).Uchida等(2016)研究认为地应变率变化是由慢滑移事件(slow slip)造成的，同样慢滑移事件触发了俯冲带上的特大地震(包括2011年日本东北大地震)(Kato et al., 2012).所以，研究震前变形异常的动力学机制可以从物理上理解主震发生的本质，有助于研究地震预测问题.

我国由于GPS台网布设时间较晚，且站点密度低，连续观测时间短，所以在过去发生的大地震中(如2008年的汶川地震)，未见到像2011年日本东北大地震那样的震前变形异常现象.因此，加密地震危险区GPS测点密度，进行连续观测，定量研究震前变形的动力学机制，对于我国地震预测有重要的科学意义及应用前景.

根据以上计算和分析，得出以下初步结论：

(1) 2011年日本东北大地震震间阶段，最大主压应变方向与太平洋板块运动的方向几乎一致，说明在震间阶段日本东北地区主要受太平洋板块俯冲碰撞作用所控制.

(2) 大地震震前阶段变形速度快，但最大主应力方位没有优势取向，说明震前日本东北地区不是主要受太平洋板块的俯冲作用所控制，而是震前特殊的动力学过程发挥主导作用.这些作用包括破裂成核过程、慢地震、慢滑移等力学过程，并且这些过程将触发主震的发生.

(3) 强震的发生不是无缘无故突然产生的，更不是没有物理规律的，而是要经历从震间到震前的动力学过程.所以，加密GPS观测台网，进行连续观测，有效地识别震间与震前阶段，定量分析震前变形的动力学机制，捕捉地震前兆，有助于提高地震预测预报的水平.