俯冲带的应力方向和俯冲带大型逆断层的强度



俯冲带的应力方向和俯冲带大型逆断层的强度

世界上大部分最大地震是由俯冲带大型逆断层引发的。虽然这些断层的物理性质难以直接观察，但其摩擦强度却可以由作用在其上的应力方向间接估算。有关全球俯冲带应力方向的研究发现，最大主压应力轴趋向于海沟方向倾伏，并且较为一致地与俯冲带大型逆断层面呈45°～60°的夹角。这些角度表明，大型逆断层与其周围物质相比，并没有弱太多。该证据与其他几条证据表明俯冲带大型逆断层是处于低应力环境中的弱断层。变形的外增生楔可能沿着大型逆断层，使自由表面的约束与应力状态解耦。

俯冲带区域作为很多特大地震(震级≥8)的主要来源，造成了相当大的灾害。由于俯冲海洋板块夹带的沉积物和流体，相对于其他类型的断层，俯冲带的大型逆断层的物理性质可能是独一无二的(1)。流体的存在，尤其是高压流体的存在，可以大幅度地削弱断层强度(2)。有直接证据表明，地表附近的俯冲带大型逆断层滑动具有较低摩擦阻力(3)。由于只能间接地进行孕震深处的断层强度的研究，因此，在孕震深处的断层强度还不太清楚。

断层相对于应力场方向的角度可以作为断层强度的一个指标。对于摩擦破裂，破裂面的优势取向与最大主压应力σ1轴的夹角约为30°。非优势取向断层也可以很活跃，但具有典型摩擦强度的断层不会与σ1轴成较大夹角(≥60°)滑动(4)。与周围介质相比，与σ1轴夹角较大的断层在相对较低的剪切应力下滑动必定是较弱的断层。同样，与σ1轴的夹角较小(<10°)的断层也是弱断层。

地球表面的应力为零，此时为安德森应力状态，其中一个主应力轴垂直于地面(5)。大部分地壳断层的应力状态与安德森应力状态是一致的(6)。许多俯冲带大型逆断层面呈现较低倾角(约10°)(7)，这表明，如果这些断层的应力状态是安德森应力状态，则这些断层面与一个主应力轴夹角呈高角度(与其他两个轴的夹角为低角度)，因而呈现为弱断层。然而，来自于一些俯冲带的观测表明这些俯冲带的应力状态不是安德森应力状态(8～11)。

我系统地研究了世界范围内俯冲带的应力方向，目的是想确定通常情况下的应力状态是否为非安德森应力状态，同时还想确定大型逆断层是否呈现在破裂的最优取向方位上。为了表示大型逆断层的区域，我搜集俯冲带界面(7)20km以内地震的矩张量解(12，13)。为了表示大型逆断层的上盘，我搜集了更多的浅层地震事件。我把每个俯冲带的地震事件放在一起反演作为俯冲带界面深度的一维函数的应力方向(14)。在日本附近几个俯冲带有充足的矩张量解资料，还可以很好地反演二维应力场的变化情况。

日本附近俯冲带的应力状态通常不是安德森应力状态。大多数大型逆冲区域的σ1轴趋于向海沟方向倾伏(与俯冲带倾伏方向相反)，普遍倾伏10°～50°(图1a)。在日本海沟、千岛海沟和南海海槽的上盘也发现了类似的σ1轴倾伏现象(图1g)，但是，在琉球海沟和伊豆—小笠原海沟，弧后扩张(逆冲界面与σ1轴近乎垂直)占主要地位。

图1　日本附近俯冲带最大主压应力轴σ1的方向(原图为彩色图——译注)。(a)大型逆断层附近σ1轴倾伏角的空间分布，σ1轴向海沟倾伏(即与俯冲带倾伏方向相反)为正。(b)σ1轴与俯冲带界面夹角的空间分布，促使逆断层滑动为正。(c)大型逆断层附近σ1轴的倾伏角随俯冲带深度的变化，分别显示了太平洋板块(包括千岛海沟、日本海沟和伊豆—小笠原海沟)和琉球海沟区域。(d)南海海槽附近大型逆断层σ1轴的倾伏角。(e)图中分别显示了俯冲的太平洋板块和琉球海沟的σ1轴与俯冲带界面的夹角随俯冲带深度的变化。虚线表示95%置信区间。浅色阴影部分表示角度较大或角度较小的区域；深色阴影部分表示与逆冲滑动方向不符合的角度。(f)南海海槽处σ1轴与俯冲带界面的夹角。阴影部分解释与(e)相同。(g)上盘σ1轴倾伏角的空间分布，σ1轴向海沟方向倾伏为正

大型逆断层区域中σ1轴的倾伏角和俯冲带界面的倾伏角进行对比(7)给出了σ1轴与大型逆断层面的夹角(图1b)。对于千岛海沟、日本海沟和伊豆—小笠原海沟，σ1轴与断层面的夹角通常为20°～50°。对于琉球海沟，σ1轴与断层面夹角较大，为30°～80°。在南海海槽上部的20km，σ1轴与断层面夹角为10°～30°，而在更深的地方，σ1轴近乎垂直。除了南海海槽(图1d)外，σ1轴的倾伏角随深度变化不大(图1c)，并且俯冲带的大型逆冲从近地表向下到至少60km的深度上取向为优势破裂方向(图1e)。把千岛海沟、日本海沟和伊豆—小笠原海沟(消减的太平洋板块)放在一起，结果显示，在所有的深度上，大型逆断层面与σ1轴呈约30°的夹角，取向为优势破裂方向。在30km深度内，琉球海沟的大型逆断层面与σ1轴的夹角<60°，这与最优破裂取向一致，而在30km～60km之间时，逆断层面与σ1轴的夹角约为60°。一个例外是南海海槽(图1f)，在上部的20km内，大型逆断层与σ1轴的夹角约为20°。而在30km以下，大型逆断层在误差范围内没有按逆冲断层滑动取向。这表明30km是俯冲板块和上覆板块耦合的下限。

对于所有研究的全球俯冲带几乎所有的深处，σ1轴都趋于向海沟方向倾伏，倾伏角通常为10°～50°(图2a)。随着深度的增加，σ1轴的倾伏角趋向减小，而俯冲带界面的倾角增加(7)，所以随着深度的增加，σ1轴与俯冲带界面的夹角变得明显稳定(图2b)。该角度跨越俯冲带也非常一致，大部分为45°～60°。

大部分俯冲带的方向为20°～40°，然而日本和南美洲俯冲带却不是这样，这跟南海海槽上部20km的情况是一样的。与琉球海沟类似，马里亚纳海沟在20～40km深处还是存在一些较大角度，尽管在上述两种例子中小于60°的角度在误差范围内。墨西哥海沟在低于40km时，是唯一明确的σ1轴与俯冲带界面夹角较大的大型逆断层，这意味着该大型逆断层在深处异常弱。这几个异常应力方向与俯冲板块的年龄(15)或海沟沉积物厚度(16)不相关。较低角度的俯冲带(日本海沟、南海海沟、南美海沟)都表现出强烈的地震耦合(17)。然而，中高角度的俯冲带表现出广泛的地震耦合，因此没有明显的相关性。

大部分最垂直的主应力轴σv一定与地球表面垂直。然而，由于σ1轴趋于倾伏意味着σv轴通常不是垂直的。我反演了日本主要岛屿附近地震的应力方向，通过震源深度把地震分为大型逆断层上的地震和上盘区域的地震(14)，目的是观察在自由表面附近σv轴是否越来越垂直于自由表面。我将大型逆断层区域中包含许多浅部事件的2011年日本东北地震的余震序列也列入在内。由于日本东北大地震对当地应力场(8，9)和上盘地震分布的影响(18)，这些余震必须单独反演。大型逆断层区域显示，无论在日本东北大地震之前还是之后，在海沟附近较浅的深度上σv轴并没有向垂直方向旋转(图3a和b)。然而，板块上盘却清晰地显示出，在整个深度范围内，随着深度的减小，σv轴向垂直方向旋转(图3c和d)。在板块上盘，似乎能看到自由表面的深度，但是在大型逆断层却看不到。这种差异可能是由于外增生楔变形造成的(19)。外增生楔受到应力的作用发生永久变形，这些应力包括自由表面和楔底部之间的牵引力的差异，这种差异会沿大型逆冲断层至较深处的应力与由自由表面约束解耦。

图3　日本主要岛屿上最垂直主应力轴σv随震源深度的变化。误差线指出95%的置信区间。用颜色来显示哪个应力轴是最垂直的。深度相对于海平面标度(原图为彩色图——译注)。(a)2011年9级日本东北大地震之前日本海沟大型逆断层区域σv轴的倾伏角；(b)日本东北大地震之前日本主要岛屿上盘σv轴的倾伏角；(c)日本东北大地震之后3个月日本海沟大型逆断层区域σv轴的倾伏角；(d)日本东北大地震之后3个月日本主要岛屿上盘σv轴倾伏角

俯冲带界面与σ1轴的夹角指示了大型逆断层的摩擦强度。观察到最优的中等角度表明大型逆断层的摩擦强度与周围环境的摩擦强度基本一致。这些角度与在坚硬地壳中存在软弱大型逆断层的模型不一致(20)。观察到的俯冲带界面与σ1夹角的稳定性表明：大型逆断层的摩擦系数在世界上大部分俯冲带是相似的，并且在自由表面附近到至少60km的深度上没有太大变化。如果给出周围环境物质的强度假定，断层的强度就可以使用构建莫尔圆(21)的方法，根据σ1轴与断层面夹角估算出来。如果假设大型逆断层附近区域较强且加载到临界状态(所有其他断层的摩擦系数经典值为μ=0.6，孔隙压是流体静压力状态)，那么大型逆断层的摩擦系数μ应该在0.35～0.6之间。如果孔隙压力只在大型逆断层区域提高，那么大型逆断层孔隙压力应是静岩压力的0.3～0.6倍。

一些证据表明大型逆断层强度比上面假设的还要弱。在2011年日本东北大地震之后，通过对浅层热流观测估计出的摩擦系数为μ=0.08(3)，从世界范围俯冲带的热流推断出的摩擦系数通常为μ<0.1(22)。俯冲带区域流体的地震学成像表明，在更深的深度上具有静岩的孔隙压力(23，24)。俯冲带大地震导致的应力场旋转表明了较低的偏应力水平(8，9)。因此，更适合的模型是整个地区具有较低的偏应力。在这个模型中，包含大型逆断层在内的所有断层都比较弱，仅仅支撑较低的剪应力。尽管地质构造具有很大差异，但对圣安德烈斯大陆转换板块边界也提出了类似的模型(25)。

如果整个俯冲带区域的强度不高，这就意味着高流体压力或低摩擦系数是普遍存在的。我们排除广泛区域内具有高流体压力的模型，这是因为地震观测研究把流体限制在狭窄的板块边界面(26)。因此，狭窄区域的高流体压力或低摩擦系数一定导致俯冲带的其他活动断层弱化。尽管温度和压力有很大程度的变化，但观测到的应力方向随深度的稳定性意味着大型逆断层与其他断层之间的相对强度没有较大降低的改变。这预示着俯冲带区域中的所有断层都有相似的物理机制来控制它们的强度。

补充材料

补充材料详见：www.sliencemag.org/content/349/6253/12131suppl/DC1

参考文献

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Jeanne L.Hardebeck

译 者 简 介

Jeanne L.Hardebeck.2015.Stress orientations in subduction zones and the strength of subduction megathrust faults.Science.349：1213-1216.doi：10.1126/science.aac5625

靳志同 译.2016.俯冲带的应力方向和俯冲带大型逆断层的强度.世界地震译丛.47(3)：255-260.doi：10.16738/j.cnki.issn.1003-3238.201603007

防灾科技学院靳志同译；万永革校

中国地震局地球物理研究所李一琼复校