2011年日本东北地区近海大地震最大位移区的应力状态＊

Weiren Lin，Marianne Conin，J Casey Moore，Frederick M Chester，Yasuyuki Nakamura，James J Mori，Louise Anderson，Emily E Brodsky，Nobuhisa Eguchi，343勘查队科技人员

2011年日本东北地区近海大地震最大位移区的应力状态＊

Weiren Lin，Marianne Conin，J Casey Moore，Frederick M Chester，
Yasuyuki Nakamura，James J Mori，Louise Anderson，Emily E Brodsky，Nobuhisa Eguchi，343勘查队科技人员

2011年MW9.0的日本东北地区近海大地震在日本海沟附近产生了最大超过50m的同震滑动，这可能导致该区域进入了应力近乎完全卸载的状态。为检验上述假设，我们利用综合大洋钻探计划在震后1年左右时间得到的钻孔资料，以及对震前应力状态的推断结果，确定了陆楔前缘的原地应力状态。根据孔壁崩落法对水平应力方向与应力大小的估算结果，以及在破裂向海沟轴方向传播过程中同震位移增大的现象，可推断原地水平应力在地震过程中变小了。这种应力变化显示出板块界面的前缘发生了相对自由的滑动，该结论与地震引起了断层弱化和发生了近乎全部的应力降等观测结果是吻合的。

由2011年日本东北地区近海大地震MW9.0引起的巨大海啸是由日本海沟附近俯冲带浅部非常大的同震位移造成的［1-5］。除了有空前的超过50m的同震滑动外，该地震另一令人惊讶的特征是，发生在板块界面前缘的滑动达到了海沟轴部的海床［6］。板块界面前缘上的应力状态和摩擦特性是控制同震位移的重要因素。已有学者应用遥感观测资料，间接研究了2011年日本东北地区近海大地震引起的应力状态的变化和应力降等问题［7-12］。

为了研究2011年日本东北地区近海大地震引起的应力变化，本文分析了由综合海洋钻探计划（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）343勘查队［13-14］和日本海沟快速钻井项目（Japan Trench Fast Drilling Project，JFAST）在C0019钻点（图1a和图1b）采集的地球物理测井资料。该测点在主震震中朝向海沟的一侧，距离震中约93km，离海沟约6km。在这个位置上，3个钻孔成功穿透了俯冲的太平洋板块与上覆的北美板块的接触面。这些钻孔能够用来进行地球物理测井、采集岩芯和作长期的温度测量［15］。

日本海沟快速钻井项目的C0019B钻孔达到海底以下大约850m深度，该点海床的海水深度达6 890m。该测点主要用于采集测井资料。由孔壁的电阻率成像结果，我们观测到了在海底以下大约44～813m深度范围内出现了清晰的孔壁崩落（图2c）［16］。这些由钻孔引起的压性破裂给出了现在的最大和最小水平应力（SHmax和Shmin）的可靠信息，可以用来约束应力大小［17］。C0019B钻孔贯穿了海底以下820m深处的板块接触面，那里可能是2011年地震的主要滑动区；在断层面以下没有观测到孔壁崩落［15］。在板块接触面以上的区域，更新世增生楔包含了在反射地震剖面上结构特征显示不清晰的近海沉积物（图1b）［18-20］；而在增生楔的底部，板块界面的前缘转变为以远洋沉积为主。

在钻孔的浅部和深部，最大水平应力SHmax的方位及其变化情况的差异非常明显（图2c）。在海底面以下约44～197m的陆坡浅层范围内（单元I，由随钻电阻率测井得到的平均孔隙度及其标准偏差约为62±6%［15］），SHmax从近似平行于洋-陆会聚方向变化到约100m深度处的与其垂直的方向，在140m深度附近又变化回平行的方向（图2c）。这意味着存在断层一类的间断面，这点同时得到了层面倾角变化和电阻率测井曲线中有电导峰值的支持（图2b）。在陆楔沉积物的上半部分，在海底下197m到537m的范围内（单元II，孔隙度约为51±3%［15］），SHmax方位变化较为剧烈，孔壁崩落方位如此多变的情况在俯冲带和逆断层带地区还未见过，例如，在南海海槽［25-28］、2011年地震前的日本海沟边缘［21］、哥斯达黎加［29］和台湾车笼埔断层［30-31］等地区，均未发现过。我们的数据显示，最大水平应力SHmax和最小水平应力Shmin的大小比较接近，于是，断层对应力的局部扰动或者地形应力的影响等因素，就可能会引起水平应力方位的变化。由SHmax方位分布确定的深度范围与主要由自然伽玛射线强度确定的井段范围显示出相关性，这说明岩性可能会对SHmax方位分布有一定的影响（图2）。

在海底下537m到813m的更深的一层内（单元IIb，孔隙度约为45±3%［15］），位于板块边界以上的增生陆楔内，SHmax方位有一个明显的北西-南东的优势方向（319± 23°）（图2c），这个应力方向与292°的板块汇聚方向［24］是一致的，并与1150和1151两个测点确定的应力方向（测于2011地震前的1999年）大体一致［21］（图1a）。在1999年MW7.6台湾集集逆断层地震中破裂了的车笼埔断层上也开展了类似研究，在集集地震发生5年之后钻了2个贯穿该发震断层的钻孔，其孔壁崩落观测结果表明，地震引起了断层附近的SHmax方向变化了90°［30-31］。尽管在地震前后JFAST孔并没有发现在通过海底下约820m深度的板块界面时，应力方向发生了类似的变化，但是下面的分析结果仍然显示，在地震前后应力状态发生了较大的变化。而在约820m以下，孔壁崩落的缺失也许预示着应力状态在穿越板块界面后的一种变化（图2）。

最大SHmax和最小Shmin水平应力的大小是根据观测到的崩落宽度和测定的岩石单轴压缩抗压强度推断出来的。在海底下约720m和812m的两个孔段处，可测定出上述两个量［16］。假定地下处于安德森应力状态，垂直应力SV已由测井得到的沉积层密度剖面计算得到［15］，于是可作如下推断：在海底下720m处，SV、SHmax和Shmin分别近似等于最大、中等和最小主应力（σ1，σ2，σ3）；在812m深度处，如果SHmax要小于垂直应力SV的话，那么就会有些不确定性，即应力状态接近处于正断层型和走滑断层型的边界上。总体上看，这些结果显示，在陆楔前缘，震后的应力状态处于、或者接近处于正断层型应力状态（图2e）。

假设SV、SHmax和Shmin是3个主应力，则在812m深处的、与820m深处的板块界面平行的一个平面上的当前剪切应力（对沿板块会聚方向的逆断层运动）可以应用SV、SHmax和接触面的倾角（约5°）计算出来。采用SHmax的最大估计值87MPa，则812m平面上的剪切力在地震之后已经非常小了，不足0.3MPa。对附近板块界面上的剪应力也可推断出相似的结果。此外，基于地震前后的安德森应力状态的假定，根据近海沟的同震滑动分布以及地震期间陆楔前缘的弹性拉长的观测结果［16］，我们推断，在海底820m块体接触面以上SHmax、Shmin和3个主应力平均值的降低量应该分别为2MPa、1MPa和1MPa。

在约800～820m深度范围内（单元Ⅱb的底部），岩石的单轴压缩抗压强度比821～836m深度范围内（单元Ⅲ，受剪的褐色粘土岩）的岩石相应强度要高［16］。然而，在板块界面以上岩石较强的孔段内（而非界面以下较弱的孔段）出现了孔壁崩落，这是很值得关注的观测结果。通常来讲，在大小相似的水平应力作用下，在较弱的岩石中更容易发生崩落，或崩落宽度会更大些。因此，我们相信，板块界面以下（单元Ⅲ）的水平应力（尤其是SHmax）要比界面以上（单元Ⅱb底部）的水平应力小。换言之，水平应力的大小在穿过820m深处的断层时，可能有比较突然的变化。

基于测井和岩心中观测到的小断层和层理的方向，增生陆楔前缘部分被认为是震前一直处于垂直于海沟方向的压缩作用之下。断层和层理的倾角大小是变化的，但是，在690m以下区域则表现出优势的逆冲剪切变形特征。陆楔内部在所有深度上的层理都具有优势的北东走向，这反映了沿平行于板块会聚方向上的水平收缩和浅层的局部伸展［15］。这些观测显示出在板块前缘界面的上盘总体结构具有褶皱和逆断层的特征。日本东北地区近海大地震前和地震后在JFAST钻孔点（图1a中橘色小矩形）以北15km处都布设过地震反射测深剖面，两次剖面资料的对比分析结果，也揭示了海沟轴处的形变是板块界面上的同震滑动使浅部受到挤压而形成的［6］。因此，我们得到如下结论：陆楔前缘的应力已经从大震前的逆断层型应力状态转变为现在的正断层型的、或近正断层型的应力状态，现在的SHmax方向近似地平行于板块会聚方向。由于地震产生了几乎完全的剪应力降，可以推断SHmax已经从最大主应力转变成了中间主应力（图1c）。一般认为，多数地震的应力降是部分应力降，但是，本文研究结果和其他间接测量或模拟结果［2，7-8，32］都说明，在这一地区内发生的非常大的同震滑动导致了应力状态的变化，这表明日本东北地区近海大地震造成了同震断层的弱化，并在地震断层上产生了近乎完全的应力降。根据海洋的水深变化观测结果和反演地震、大地测量和海啸数据［1，3，5，22-23，32］（图1a）得到的破裂模型可以推断，海底同震位移向海沟轴方向是不断增加的。本文有关应力状态变化的发现与海底同震位移向东不断增加的研究结果是一致的。

［1］Fujiwara T，Kodaira S，No T，et al.The 2011Tohoku-Oki earthquake：displacement reaching the trench axis.Science，2011，334（6060）：1240.doi：10.1126／science.1211554

［2］Ide S，Baltay A，Beroza G C.Shallow dynamic overshoot and energetic deep rupture in the 2011 MW9.0 Tohoku-Oki earthquake.Science，2011，332（6036）：1426-1429.doi：10.1126／science.1207020

［3］Fujii Y，Satake K，Sakai S，et al.Tsunami source of the 2011off the Pacific coast of Tohoku，earthquake.Earth Planets Space，2011，63：815-820.doi：10.5047／eps.2011.06.010

［4］Ito Y，Tsuji T，Osada Y，et al.Frontal wedge deformation near the source region of the 2011Tohoku-Oki earthquake.Geophys.Res.Lett.，2011，38：L00G05

［5］Lay T，Ammon C J，Kanamori H，et al.Possible large near-trench slip during the 2011 MW9.0off the Pacific coast of Tohoku earthquake.Earth Planets Space，2011，63：687-692

［6］Kodaira S，No T，Nakamura Y，et al.Coseismic fault rupture at the trench axis during the 2011Tohoku-oki earthquake.Nat.Geosci.，2012，5：646-650.doi：10.1038／ngeo1547

［7］Hasegawa A，Yoshida K，Okada T.Nearly complete stress drop in the 2011 MW9.0off the Pacific coast of Tohoku earthquake.Earth Planets Space，2011，63：703-707

［8］Hasegawaa A，Yoshidaa K，Asanob Y，et al.Change in stress field after the 2011great Tohoku-Oki earthquake.Earth Planet.Sci.Lett.，2012，355-356：231-243

［9］Kato A，Sakai S，Obara K.A normal-faulting seismic sequence triggered by the 2011off the Pacific coast of Tohoku earthquake：Wholesale stress regime changes in the upper plate.Earth Planets Space，2011，63：745-748

［10］Imanishi K，Ando R，Kuwahara Y.Unusual shallow normal-faulting earthquake sequence in compressional northeast Japan activated after the 2011off the Pacific coast of Tohoku earthquake.Geophys.Res.Lett.，2012，39（9）：L09306

［11］Yoshida K，Hasegawa A，Okada T，et al.Stress before and after the 2011great Tohoku-Oki earthquake and induced earthquakes in inland areas of eastern Japan.Geophys.Res.Lett.，2012，39（3）：L03302

［12］Obana K，Fujie G，Takahashi T，et al.Normal-faulting earthquakes beneath the outer slope of the Japan Trench after the 2011Tohoku earthquake：Implications for the stress regime in the incoming Pacific plate.Geophys.Res.Lett.，2012，39（7）：L00G24

［13］Jones N.Drilling ship to probe Japanese quake zone.Nature，2011，479（7371）：16.doi：10.1038／479016a

［14］Mori J J，Chester F M，Eguchi N，et al.Japan Trench Fast Earthquake Drilling Project（JFAST）.IODPSci.Prosp，2012，343.10.2204／iodp.sp.343.2012

［15］Chester F M，Mori J J，Toczko S，et al.Japan Trench Fast Drilling Project（JFAST）.IODP Prel.Rept.343／343T，2012.10.2204／iodp.pr.343343T.2012

［16］Material and methods are available as supplementary materials on Science Online

［17］Zoback M D.Reservoir Geomechanics.New York：Cambridge University Press，2007

［18］Huene R von，Klaeschen D，Cropp B，et al.Tectonic structure across the accretionary and erosional parts of the Japan Trench margin.J.Geophys.Res.，1994，99（B11）：22349-22361

［19］Kimura G，Hina S，Hamada Y，et al.Runaway slip to the trench due to rupture of highly pressurized megathrust beneath the middle trench slope：The tsunamigenesis of the 2011Tohoku earthquake off the east coast of northern Japan.Earth Planet.Sci.Lett.，2012，339-340：32-45

［20］Tsuru T，Park J O，Miura S，et al.Along-arc structural variation of the plate boundary at the Japan Trench margin：Implication of interplate coupling.J.Geophys.Res.，2002，107（B12）：ESE 11-1-ESE 11-15.doi：10.1029／2001JB001664

［21］Lin W，Saito S，Sanada Y，et al.Principal horizontal stress orientations prior to the 2011 MW9.0Tohoku-Oki，Japan，earthquake in its source area.Geophys.Res.Lett.，2011，38（7）：L00G10

［22］Sato M，Ishikawa T，Ujihara N，et al.Displacement above the hypocenter of the 2011Tohoku-Oki earthquake.Science，2011，332（6036）：1395.doi：10.1126／science.1207401

［23］Kido M，OsadaY，Fujimoto H，et al.Trench-normal variation in observed seafloor displacements associated with the 2011Tohoku-Oki earthquake.Geophys.Res.Lett.，2011，38（24）：L24303

［24］Argus D F，Gordon R G，DeMets C，et al.Geologically current motion of 56plates relative to the nonet-rotation reference frame.Geochem.Geophys.Geosyst.，2011，12（11）：Q11001

［25］McNeill L C，Ienaga M，Tobin H，et al.Deformation and in situ stress in the Nankai Accretionary Prism from resistivity-at-bit images，ODP Leg 196.Geophys.Res.Lett.，2004，31：L02602

［26］Ienaga M，McNeill L C，Mikada H，et al.Borehole image analysis of the Nankai Accretionary Wedge，ODP Leg 196：Structural and stress studies.Tectonophysics，2006，426（1-2）：207-220

［27］Chang C，McNeill L C，Moore J C，et al.In situ stress state in the Nankai accretionary wedge estimated from borehole wall failures.Geochem.Geophys.Geosyst.，2010，11（12）：Q0AD04

［28］Lin W，Doan M L，Moore J C，et al.Present-day principal horizontal stress orientations in the Kumano forearc basin of the southwest Japan subduction zone determined from IODP NanTroSEIZE drilling Site C0009.Geophys.Res.Lett.，2010，37（13）：L13303

［29］Vannucchi P，Ujiie K，Stroncik N，et al.Proceedings of the Integrated Ocean Drilling Program（IODP，Tokyo，2012），vol.334；10.2204／iodp.proc.334.103.2012

［30］Wu H Y，Ma K F，Zoback M，et al.Stress orientations of Taiwan Chelungpu-Fault Drilling Project（TCDP）hole-A as observed from geophysical logs.Geophys.Res.Lett.，2007，34（1）：L01303

［31］Lin W，Yeh E C，Ito H，et al.Current stress state and principal stress rotations in the vicinity of the Chelungpu fault induced by the 1999Chi-Chi，Taiwan，earthquake.Geophys.Res.Lett.，2007，34（16）：L16307

［32］Conin M，Henry P，Godard V，et al.Splay fault slip in a subduction margin，a new model of evolution.Earth Planet.Sci.Lett.，2012，341-344：170-175

［33］Koketsu K，Yokota Y，Nishimura N，et al.A unified source model for the 2011Tohoku earthquake.Earth Planet.Sci.Lett.，2011，310（3-4）：480-487

P315.1；

A； doi：10.3969／j.issn.0235-4975.2013.08.004

：Science，2013，339（6120）：687-690.

10.1126／science.1229379

2013-07-30。

原题：Stress state in the largest displacement area of the 2011Tohoku-Oki earthquake

（中国地震局地球物理研究所 冯万鹏 译，许忠淮 校）

（译者电子信箱，冯万鹏：wanpeng.feng＠hotmail.com）