東京大學(xué)地震研究所地震預(yù)測研究中心當前開展的重點研究項目＊

東京大學(xué)地震研究所地震預(yù)測研究中心當前開展的重點研究項目＊

1 日本島弧的變形

該項目旨在通過可控源地震剖面法來確定地殼的精細結(jié)構(gòu),以及與之相關(guān)的斷層構(gòu)造,并通過整合多方面地質(zhì)與地球物理資料來最終確定日本弧的變形過程。

正如在第七個地震預(yù)測五年計劃中提出的那樣,東京大學(xué)地震研究所地震預(yù)測研究中心(以下簡稱EPRC)使用受控源研究了日本列島下方的地殼結(jié)構(gòu)。該項目每年具體的實驗方案由爆炸地震學(xué)研究小組策劃,并由一群遍布全國各地的大學(xué)和科研機構(gòu)的研究人員實施,其中EPRC發(fā)揮了主導(dǎo)作用。選定的試驗場有:九州東部、日本南部(1994)、1995年神戶地震余震區(qū)(1995)、九州東部(與1994年實驗相同的剖面)(1996)、本州北部(一條橫跨日本弧東北部的剖面線)(1997)、以及本州北部脊梁山脈地區(qū)(1998)。為了得到在有限的預(yù)算下地殼結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像,1994年和1996年的實驗在九州東部的同一剖面線上進行。由于1995年神戶地震巨大的社會影響,1995年實驗?zāi)繕藚^(qū)設(shè)定為其余震區(qū)。這個實驗不僅得到了地震預(yù)測項目支持,也得到了政府補充預(yù)算的資助,這使我們能夠開展密集的地震調(diào)查工作,包括地震反射和折射廣角反射勘測。

基于地震預(yù)測國家項目報告,1997年和1998年實驗的主要目標確定為通過多學(xué)科方法解釋島弧地殼以往的變形過程,這對認識包括大地震孕育過程的島弧地殼動力學(xué)來說尤為重要。1997年的實驗?zāi)康脑谟诮沂救毡净|北部大尺度的地殼結(jié)構(gòu),而1998年的實驗?zāi)康氖菍θ毡净|北部脊梁山脈的小規(guī)模地殼不均勻性進行成像。通過結(jié)合這些相繼的實驗,預(yù)計會呈現(xiàn)出一個島弧地殼與上地幔的新圖象。這一系列實驗的結(jié)果顯示出了增生雜巖內(nèi)精細的速度結(jié)構(gòu),并透露出九州島的下地殼結(jié)構(gòu)的不均勻性。特別是在臼杵-八代構(gòu)造線南30～40 km、深20～30 km處還發(fā)現(xiàn)了幾個強反射體。還揭示了包括余震區(qū)下邊界的幾乎所有速度模型。最令人印象深刻的發(fā)現(xiàn)是在初始破裂點周圍存在著20%的低速異常。較強的反射體在10～13 km深度以下存在。

對從1997年和1998年實驗得到的地震數(shù)據(jù)正在進行深入的評估,所得結(jié)果顯示由侏羅紀增生雜巖形成的本州島弧前側(cè)的上地殼波速相當高(6.0～6.1 km/s),且在其下方形成了一個很好的反射下地殼。本州島弧后端的特點是劇烈的上地殼變形和低的上地殼波速(5.8～5.9 km/s),這些可能會記錄到日本海中新世開裂過程。本州下部的莫霍面不連續(xù)性并不是很顯著,這可能表明了在上地幔和下地殼間存在一個過渡帶。

2 活動斷層構(gòu)造

EPRC自1997年以來就對活斷層進行了研究。由于破壞性的內(nèi)陸地震往往生成于孕震層底部附近,所以揭示從淺部到孕震層1997至1998年在九州地區(qū)完成。其數(shù)據(jù)和模型分析由EPRC制作完成。底部的整個斷層結(jié)構(gòu),對于闡明破壞性地震形成的可能機制,從而推斷出破壞性地震的損害是至關(guān)重要的。因此,使用非常淺(至地殼尺度)的地震反射剖面法對活動斷層的整體結(jié)構(gòu)進行了研究。1997年和1998年完成的橫跨本州北部歐脊梁山脈(Ou Backbone Range)由深到淺的地震反射剖面,揭示了整個活動斷層系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)和連通性;Ou山脈的沖起構(gòu)造的特點是,兩邊都被逆斷層包圍約束,中地殼分離,且下地殼呈薄層狀。

作為與幾個大學(xué)的聯(lián)合研究項目,淺層地震反射剖面繪制橫跨了多個活動斷層:新莊盆地東部活動斷裂體系,Yufutsu隱伏逆沖斷層(1997),Negor斷層和Gofukuji斷層(1998)。新莊盆地東部剖面揭示了隱藏在活動褶皺下近水平的主斷層,表明這些活動褶皺是作為斷層擴展褶皺產(chǎn)生的。最新發(fā)現(xiàn)的Yufuts隱伏逆沖斷層地震剖面清楚地顯示出由隱伏逆沖斷層運動形成的斷層彎曲褶皺的活躍增長。EPRC也進行了地表活動斷層研究,例如,對與1998年雫石(Iwate-ken Nairiku Hokubu)地震相關(guān)的地表破裂進行了調(diào)查,以描述地表位移和形變。

3 電阻率結(jié)構(gòu)與電磁觀測

為了確定日本列島之下電性的三維結(jié)構(gòu),并觀察短周期地震電磁前兆,EPRC一直積極參與到電阻率測量和電磁觀測的研究項目中。大部分野外觀測是在與國立大學(xué)合作下完成的。其中項目之一是通過網(wǎng)絡(luò)M T法使用較長的電話電纜進行電阻率勘察,這被用于確定日本列島下的電性三維結(jié)構(gòu)(第七屆地震預(yù)測計劃)。這些調(diào)查分別于1994至1996年在東北、四國和關(guān)西地區(qū)完成,

EPRC參與的另一項合作項目是關(guān)于1995年阪神地震(M 7.2)斷裂帶區(qū)域附近的電磁觀測。地震發(fā)生后,我們立即測量了總場強度和自然電位,并利用一個向下穿透Nozima地震斷層的鉆孔做了電阻率測深。在1994年,對1968年Ebino群發(fā)性地震(最大震級6.1級)的地震活躍地區(qū)或震源區(qū)域,在1996和1997年,對1984年長野西部地震(M 6.8)活動斷層附近,在1998年橫穿San-ya斷層(1986年Riku-u 7.2級地震的地表斷裂之一),分別做了電阻率測量或?qū)掝l帶M T測深。

1995年阪神大地震伴隨有一些顯著的電磁現(xiàn)象,在此之后,作為持續(xù)進行的地震預(yù)報計劃的一部分,開始了一個以破解短期電磁前兆的產(chǎn)生機制為目的的研究項目。作為該項目的一部分,在北海道的東部和南部地區(qū),我們進行了連續(xù)的電磁場測量,并使用M T法進行電阻率測深,這些區(qū)域幾乎不受人工噪聲干擾。

在伊豆半島東部,我們也運行著一個質(zhì)子旋進磁力儀的密集臺網(wǎng),并做著長基線SP測量。自19世紀70年代開始,那里就一直有異常地殼活動,包括群發(fā)性地震、地殼抬升,甚至是小型海底火山噴發(fā)。在伊豆小笠原島弧上最活躍的玄武巖火山之一——M iyake-jima火山,使用AM T法做了電磁觀測和電阻率測深。

4 海洋地震學(xué)

大地震常發(fā)生在匯聚板塊邊界,因此揭示匯聚型板塊邊界結(jié)構(gòu)不均勻性是很重要的。關(guān)于地殼結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)在Nankai海槽、日本海溝、日本海東部和伊豆小笠原海溝進行,這些研究是在第七次地震預(yù)報計劃的框架內(nèi),與其他大學(xué)合作完成的。在Nankai海槽有明顯的地震活動分段現(xiàn)象,其中有一個地震段的邊界位于Shiono Misaki峽谷,在峽谷下方,地殼結(jié)構(gòu)是不均勻的。這個位置也正好是Tonankai-Nankai地震段邊界。在日本海溝觀測到反射波至的波形中有一個明顯差異,這些地震波看上去是在俯沖板塊邊界處反射的,反射強度與地震非活動-活動區(qū)域相聯(lián)系。這暗示出地震非活動層沿著板塊邊界連續(xù)滑動的可能性。在俯沖板塊邊界下的低速區(qū)也被識別了出來。

與海洋地震學(xué)相關(guān)的其他課題包括:海底電纜的科技利用、洋底傾斜儀的研發(fā)、折射層析成像、地震活動性研究,以及熱液區(qū)的地震屬性。利用GeO-TOC退役的海底電纜,第一臺洋底電纜地震儀測點被安裝在Izu-Bonine海溝的弧前斜坡2800 m深處。將這些數(shù)據(jù)和大學(xué)地震臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)相結(jié)合、并為IRIS做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工作已經(jīng)開展。

對于發(fā)生在臺站下方80 km處的MW6.4地震事件,觀測到加速度計在同震和震后的改變。在同震階段接近8 gals,在震后幾個小時內(nèi)的變化約為0.2 gal/hour,這種變化可能是由地震儀本身或者地面的傾斜運動引起的。這一觀測表明,如果大于1微弧的前兆變化存在的話,就很可能探測到與大震相關(guān)的地殼變形前兆。

一種采用氣泡傳感器的新型洋底傾斜儀已被研制了出來,并在A buratsubo的land bolt得到了測試,結(jié)果顯示出使用該儀器觀測洋底傾斜的良好潛能。在折射層析成像中,需要計算二維或三維不均勻結(jié)構(gòu)的射線路徑和走時。我們發(fā)展了偽彎曲射線法和波前法來計算不均勻結(jié)構(gòu)中的射線路徑和走時,并將他們應(yīng)用于地殼研究中的折射層析成像中。該方法還被應(yīng)用于反射波至。在對Nankai海槽應(yīng)用此層析成像方法時,使用有限差分法得到的理論波形與觀測相當吻合。

通過與日本氣象廳合作研究,我們分別在Akita附近、Kozu-Zenisu、Sanriku和Kikai島附近開展了地震活動性觀測,獲得了這些地區(qū)的精確震源分布。對于Sanriku附近的地震,地震活動圖像顯示出在海溝軸線上存在著一個清晰的地震空區(qū)。在Kikai島附近,余震活動性與一個俯沖海山相聯(lián)系。對于提出的Akita東部地震空區(qū),觀測到小于3級的地震活動性與先前地震活動呈現(xiàn)出相類似的模式。在地震空區(qū)的海洋測深顯示出梯形結(jié)構(gòu)。這些表明在整個地震空區(qū)發(fā)生大地震的可能性較小。在Mariana海槽、TAG地區(qū)和Okinawa海槽等熱液區(qū)的觀測顯示出在一個12小時的活動周期中較低的地震活動性和長周期(1—2分)壓力變化。這一觀測表明在火山口存在由潮汐引起的熱液循環(huán)。

5 利用GPS的地殼動力學(xué)

大地震總是沿著大型斷裂重復(fù)發(fā)生,復(fù)發(fā)過程包括隨構(gòu)造應(yīng)力增強的彈性應(yīng)變能累積、破裂成核、動態(tài)破裂傳播和停止以及斷層愈合。儲存的彈性應(yīng)變能中一大部分有可能產(chǎn)生一個大地震,并且只有當斷層周圍的介質(zhì)中有大量的應(yīng)變能積累時,大地震才會發(fā)生。從這個意義上講,隨構(gòu)造應(yīng)力增強的彈性應(yīng)變能積累過程可看作是繼發(fā)地震破裂的一個預(yù)備過程,因此,監(jiān)測這一過程對于大地震的長期預(yù)測將是非常有益的。

GPS是監(jiān)測各種尺度地殼形變的一個強大工具。在建設(shè)GPS西太平洋聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)(Western Pacific Integrated Network of GPS)(超過十個臺站)用以描述影響日本列島及周圍地區(qū)應(yīng)變積累的板塊運動的過程中,EPRC發(fā)揮了中心作用。結(jié)果表明了大洋板塊的剛性運動以及沿會聚型板塊邊界的顯著變形。與此同時,印度板塊與歐亞板塊碰撞的遠程效應(yīng)以及Nankai和馬里亞納海溝弧后擴張在最近也已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。

以GPS高密度陣列并輔之以由國土地理院(Geographical Survey Institute)部署的全國GPS陣列網(wǎng)絡(luò),我們還研究了日本列島的變形過程。日本大學(xué)GPS研究聯(lián)盟(JUNCO)通過一個密集的GPS陣列監(jiān)測了1995年阪神地震的震后恢復(fù)過程,其中EPRC發(fā)揮了核心作用。通過GPS監(jiān)測阪神大地震區(qū)域的最終報告已經(jīng)出版。在JUNCO的監(jiān)督下,EPRC部署了伊藤區(qū)域GPS陣列。

一種使用GPS的新型海嘯計已經(jīng)研制成功。由于其精度大約為5 cm,如果與基站的距離小于10 km,那么海嘯在到達海岸之前就可以被顯著地探測到。EPRC加入了一個名為“GPS氣象學(xué)”的新項目,起始自1997年,是科學(xué)技術(shù)廳的運作項目之一。該項目旨在將估計的日本GPS測點水汽值用于氣象數(shù)值模擬,其結(jié)果被反饋到基線分析,以提高垂直定位精度。

6 地震引發(fā)過程的實驗物理學(xué)

對于導(dǎo)致大地震的物理和化學(xué)過程的建模,關(guān)鍵是要清楚,在物理實質(zhì)方面,在構(gòu)造應(yīng)力積聚最后階段,當儲存有足夠的彈性應(yīng)變能時,大規(guī)模的地震破裂是如何以及在什么條件下成核的。由于成核過程是隨后高速破裂的必要組成部分,因此,理解成核過程的物理實質(zhì)是建立一種科學(xué)方法,以監(jiān)測導(dǎo)致不穩(wěn)定動態(tài)高速破裂過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

我們研究的重點主要針對:①采用高分辨率實驗室實驗揭示破裂成核的物理本質(zhì),②建立以實驗室實驗為基礎(chǔ),控制地震發(fā)生過程的本構(gòu)關(guān)系,③評估斷層本構(gòu)屬性是如何受環(huán)境條件,如溫度、橫跨斷層面的正應(yīng)力以及斷裂帶中的孔隙水等的影響,④地震成核過程的物理建模,⑤在斷裂中依賴尺度的物理量的物理度量。

為此,一個獨一無二、最為先進的球形密閉高溫高壓測試儀器被開發(fā)和建造了出來。一系列的研究產(chǎn)生了豐碩的科學(xué)成果,并有助于拓寬科學(xué)視野,以理解剪切破裂是如何以及在什么條件下成核的。成核區(qū)的規(guī)模和持續(xù)時間被認為依賴于其尺度大小,并且已經(jīng)證明利用起控制作用的本構(gòu)關(guān)系,成核區(qū)的大小和持續(xù)時間可以得到一致的測量。成核區(qū)的臨界尺寸Lc及其持續(xù)時間tc在很大程度上依賴于一個代表了破裂面幾何不規(guī)則程度的特征長度lc,實驗和理論分析均表明,Lc與tc都與lc成比例關(guān)系。這顯示出,在光滑斷層表面,達到高速破裂的抬升距離和持續(xù)時間較短;而在粗糙、不規(guī)則的斷層表面,要達到相同的破裂速度,則需要一個較大的抬升。

同時也已經(jīng)證明,斷層的本質(zhì)屬性受到環(huán)境影響,尤其是在大地震易于成核的、對應(yīng)于彈塑性轉(zhuǎn)化機制的深度。一個地震成核的物理模型已經(jīng)提出,這可以解釋在成核過程中,前震活動是如何、以及在什么條件下誘發(fā)的。這將為建立一個科學(xué)的預(yù)測方法提供基礎(chǔ)。

我們也探討了巖石的力學(xué)破壞和其他物理化學(xué)現(xiàn)象,如孔隙流體流動,通過實驗室實驗得到的電磁和電位變化。這些相互作用在破裂成核期間可能會產(chǎn)生前兆現(xiàn)象。例如,已經(jīng)發(fā)現(xiàn),電勢不但在主體失效時變化,而且也在破裂成核期間變化,為此,依據(jù)石英的壓電效應(yīng)以及基巖中的電壓松弛,提出了一個量化模型用來解釋電信號的產(chǎn)生原因。這些研究是在國際地震研究前沿計劃框架之內(nèi),并與理化學(xué)研究所(RIKEN)合作完成的。

略)。

資料來源:東京大學(xué)地震研究所網(wǎng)站,網(wǎng)址:http:∥wwweprc.eri.u-tokyo.ac.jp/EPRC_E.html

(中國地震局地球物理研究所 馬騰飛 馬曉靜 譯)

(譯者電子信箱,馬騰飛:tengfeima.vip@gmail.com)

P315.7;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.07.006

2011-03-10。