東日本大地震啟示＊

Jean-Philippe Avouac

(Division of Geological and Planetary Sciences,California Institute of Technology,Pasadena,California 91125,USA)

東日本大地震啟示＊

Jean-Philippe Avouac

(Division of Geological and Planetary Sciences,California Institute of Technology,Pasadena,California 91125,USA)

一組高質量的數據記錄了2011年3月東日本大地震的震前、地震發生時以及震后的地表形變。但目前還沒有適當的模型可以利用類似數據來對地震和海嘯危險性進行評估。

隨著基于空間的測量板塊構造邊界和大型斷層表面形變技術的發展,地震科學已經跨入一個全新的時代。日本在實施這些技術方面一直走在前列,特別是隨著大約15年前全球定位系統(GPS)連續記錄臺站網絡GeoNet的建立。現在已經出現了一些分析與東日本破壞性地震相關數據的文獻,其中最近的一篇就是今天在線刊登在《Nature》雜志上的Ozawa等[1]的文章。

東日本地震矩震級(MW)高達9.0,屬有記錄以來的最大地震之列。GeoNet臺站記錄到的數據[1]表明此次地震是太平洋板塊向日本北部所在的鄂霍次克海(Okhotsk)板塊俯沖交界擠壓區(約400 km長,200 km寬)突然滑動造成的。破裂區(圖1)位于日本最大的島嶼本州島東海岸附近海域,向東幾乎一直延伸至日本海溝——于是,地震引發了極具破壞力的大海嘯。

其他一些新發表的論文[2-3]提供了更多信息。GPS測量和水下聲學探測綜合結果[2]表明震中區海底向海洋方向移動了多達24 m,并且抬升了約3 m。因此,沿板塊界面深部的滑移量肯定超過了從GeoNet數據推斷出的27 m滑移峰值[1];GeoNet數據和海嘯波海底壓力記錄聯合模擬[3]表明滑移量甚至可能超過50 m。相比之下,這可能是2004年蘇門答臘大地震(MW9.4)和2010年智利大地震(MW9.0)滑移峰值的兩倍——也超過了有儀器記錄以來的最大地震[5],即1960年MW9.5大地震的估算值,那次地震使智利南部海岸附近海域超過1000 km的板塊界面破裂。

圖1 東日本大地震的位置。五角星代表地震震中,地震在板塊交界處破裂,太平洋板塊沿此板塊界面以8 cm/a的速度向本州島北部下方滑動。Ozawa及其同事[1]分析表明破裂區和滑移量分布(黑色輪廓線)大致與過去幾十年間處于閉鎖狀態的一段板塊界面(仙臺以東彩色區域)一致[4]。地震震源受到極度擠壓,在相對較淺的深度(小于20 km)產生了非常大的滑移,由此引發了破壞性海嘯。北部的其他閉鎖區段與歷史大地震的破裂區一致(特別是1896年三陸(Sanriku)M W 8.5地震和1968年十勝沖(Tokachi-Oki)M W 8.2地震)(原圖為彩圖)

在2011年大地震之前的15年間,Geo-Net數據[6]顯示,太平洋板塊沿本州島東邊緣不斷擠壓拖拽,使得應變在貫穿整個本州島緩慢積累。然而我們清楚本州島的海岸長期以來一直處于抬升狀態,所以“震間”應變——地震之間積累的應變——必然被突然出現的短期抬升作用所抵消。現今模型認為上板塊的震間應變是純彈性的,而且在板塊界面的地震破裂期間得以“恢復”,所以上板塊最終并沒有發生形變[7]。這一假說為把板塊邊界滑移與上板塊的震間應變聯系在一起提供了理論基礎。在板塊邊界蠕滑處,上板塊的應變可以忽略;而在板塊邊界閉鎖的區段,上板塊受到擠壓和向下拖曳作用,不斷積累彈性應變,直到閉鎖區段發生滑動這些應變才得以釋放。

一些早期研究采用了這一假說[6,8,4],而且根據所測得的貫穿整個本州島的應變推算出仙臺(Sendai)海岸附近海域應該有一塊非常大的閉鎖區(圖1)。東日本大地震的破裂區正好與這個區域吻合[3]。然而,一個值得注意的不一致之處就是破裂到達的區域靠日本海溝更近一些,而震間模型卻顯示那里只有輕微閉鎖。東日本大地震中特別巨大的較淺滑移可能是由于以往板塊界面的破裂沒有到達海溝,因而遺留下了震前的高應力,或者就像地震學研究所揭示的[9],是由于板塊界面的特殊性質。但無論什么原因,觀測到的滑移都說明這一淺部板塊界面震前一直處于閉鎖狀態——至少部分保持閉鎖。

已經發表的震間模型[6,8,4]表明淺部只有輕微閉鎖,實質上這是方法學所固有的假定結果:如果只使用陸地上的數據,板塊界面的淺部實際上就不會得到很好的約束[1]。這些模型可能會使研究人員誤解為大規模較淺滑移發生的可能性不大,而實際上它確實發生了。因此,在缺乏海底大地測量直接約束的情況下,模型假定板塊界面淺部地帶處于最高程度的閉鎖狀態可能比較合適。事實上,震間數據并沒有排除仙臺海岸附近海域存在一個閉鎖區的可能性,這一閉鎖區一直延伸至海溝處的較淺板塊邊界地帶。這種假定為評估像東日本大地震這樣的地震事件的發生頻率提出了問題。

估算出的沿本州島北部東海岸附近海域板塊邊界滑移量——源自過去數百年間發生的地震——遠不能抵消這期間由于震間閉鎖而積累的滑移虧損量。所以那里似乎早就應該發生一次大地震了。的確,根據已發表的震間模型,這個邊界上的震間應變積累確實很快:只需要幾百年的時間就可以積累足夠發生MW9.0大地震的應變。如果在震間應變建模中假定板塊界面淺部處于閉鎖狀態,那么類似大地震事件的復發應該還會更加頻繁。

相比之下,基于歷史和古海嘯記錄[10],預計大地震可能每1000年才會發生一次,甚至發生頻率更低。解決這一難題的辦法還不清楚。沒有證據表明此區域會特別頻繁地發生無震滑移,而震后余滑雖然不可忽略[1],但仍舊太小而不足以均衡滑移積累。所以,要么是震間積累的滑移虧損量被高估了(如果部分震間應變不可恢復的話,有可能發生這種情況),要么是用10年左右尺度的大地測量速率來代表100～1000年尺度的應變積累這種假設是不正確的。

另一個自相矛盾而且有可能與此相關的觀測結果是,東日本大地震導致海岸系統性下沉超過1 m,然而預期的情況卻是應該發生抬升才能均衡震間5 mm/a的沉降速率。海岸長期抬升需要足夠大、且足夠頻繁的形變事件來補償沉降。這可能需要重新審視下列兩個問題,即上板塊的震間形變是純彈性的假定,以及震間彈性應變只有通過沿板塊界面發生的地震才能得以釋放的推論。

最后,東日本大地震震前[6,8,4]和震后[1]獲得的大地測量數據表明,破裂區以南的板塊界面大多處于無震蠕滑狀態。因此,沒有跡象表明板塊邊界的那一部分存在可能威脅東京的應變積累。但是現在事實已經非常清楚,盡管大地測量網絡對于觀測板塊邊界和主要斷層的應變積累和地震釋放非常有價值,但目前我們還沒有適當的理論來利用這些數據進行地震和海嘯危險性評估。

譯自:Nature,21 July 2011,475:300

原題:Earthquakes:The lessonsof Tohoku-Oki

(中國地震局地球物理研究所 韓立波 譯;左玉玲 校)

(譯者電子信箱,韓立波:chinakkmm@gmail.com)

[1] Ozawa S,Nishimura T,Suito H,et al.Coseismic and postseismic slip of the 2011 magnitude-9 Tohoku-Oki earthquake.Nature,2011,475:373-376

[2] Sato M,Ishikawal T,U jihara N,et al.Displacement above the hypocenter of the 2011 Tohoku-Oki earthquake.Science,2011,332(6036):1395

[3] Simons M,M insonl S E,Sladen A,et al.The 2011 magnitude 9.0 Tohoku-Oki earthquake:Mosaicking the megathrust from seconds to centuries.Science,2011,332(6036):1421-1425

[4] Loveless J P,Meade B J.Geodetic imaging of platemotions,slip rates,and partitioning of deformation in Japan.J.Geophys.Res.(Solid Earth),2010,115:B02410,doi:10.1029/2008JB006248

[5] Moreno M S,Bolte J,Klotz J,et al.Impact of megathrust geometry on inversion of coseismic slip from geodetic data:Application to the 1960 Chile earthquake.Geophys.Res.Lett.,2009,36:L16310,doi:10.1029/2009gl039276

[6] Suwa Y,M iura S,Hasegawa A,et al.Interp late coupling beneath NEJapan inferred from three-dimensional displacement field.J.Geophys.Res.,2006,111:B04402,doi:10.1029/2004JB003203

[7] Savage J C.Strain Accumulation in Western United States.Annual Review of Earth and Planetary Sciences.1983,11:11-43

[8] Hashimoto C,Noda A,Sagiya T,et al.Interp late seismogenic zones along the Kuril-Japan trench inferred from GPS data inversion.Nature Geoscience,2009,2:141-144

[9] Ide S,Baltay A,Beroza G C.Shallow dynamic overshoot and energetic deep rup ture in the 2011 MW9.0 Tohoku-Oki earthquake.Science,2011,332:1426-1429

[10] Sawai Y,Fujii Y,Osamu Fujiwara,et al.Marine incursionsof the past 1500 years and evidence of tsunamis at Suijin-numa,a coastal lake facing the Japan Trench.Holocene,2008,18(4):517-528

P315;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.08.002

2011-07-29。