日本東部內陸地區2011年大地震前后的應力狀態與誘發地震＊

日本東部內陸地區2011年大地震前后的應力狀態與誘發地震＊

通過反演震源機制數據，得到了東日本大地震前后日本東部內陸地區的應力場。地震前，在東北部（Tohoku），σ1軸呈EW方向，但在關東－東部（Kanto-Chubu）地區則呈NW-SE方向。地震后，在Tohoku北部和靠近磐城市（Iwaki City）的Tohoku東南部，應力場發生了變化，主應力取向大致等同于與地震相關的靜應力變化取向。這說明地震前這些地區的差應力值小于1MPa。在Tohoku中部，雖然地震后加載的應力取向幾乎逆轉，但其應力場沒有發生變化，說明那里的差應力值大大超過1MPa。在Kanto－Chubu，地震后加載了與背景應力方向近乎相同的應力，且應力場沒有發生預期的變化。這可能就是Kanto-Chubu地區高地震活動水平的誘因。

引言

2011年3月11日東日本大地震（MW9.0）以后，日本東部內陸地區的地殼內除了發生一些普通余震外，誘發地震也顯得異常活躍（如文獻［1］）。地震時空圖（圖1）清楚表明主震后地震活動性發生了急劇變化：一些地方的地震活動突然增多，而另一些地方的則驟然減少。這說明由地震的斷層滑移引起的靜應力變化對內陸地區的地震活動模式產生了相當大的影響。誘發地震包括Iwaki及其周邊地區明顯的正斷層型地震活動，Iwaki位于太平洋海岸附近福島第二核電站以南～40km處（參見圖1）。這種地震活動模式極不尋常，因為日本東北部（NE）內陸淺源地震大都呈逆斷層型機制（如文獻［2］）。除了這里的活動異常外，雖然整個日本東部的誘發地震活動分布很廣，但距主震破裂區很遠的Kanto-Chubu地區的誘發地震顯得尤其活躍（圖1）。

為了搞清是什么原因誘發了這種奇特的地震活動，我們研究了主震前后的應力場，并與靜應力變化進行比較，由于這種變化特別大，所以即使是在內陸地區也并沒有小到可以忽略不計。

1 東日本大地震前后的應力場

我們使用了陸地下方和日本海下方發生的淺源地震（＜20km）資料。所用的數據包括：①由Asano等［3］根據日本防災科學技術研究所（NIED）的F-net和Hi-net數據的矩心矩張量反演估算出的震源機制解；②根據NIED的F-net數據的矩張量反演估算出的震源機制解，其方差縮減優于70%（http：∥www.bosai.go.jp／e／index.html）；③本研究利用Hardebeck和Shearer［5］方法根據P波極性估算出的震源機制解。我們所用的極性數據由日本氣象廳（JMA）拾取，或從Hi-net和東北大學地震觀測網的原始地震記錄中拾取，其中東北大學的觀測網包括一些臨時臺站。數據的時間段是從1997年到2011年7月。根據①、②、③得到的震源機制解數分別為563、136和2 417。①、②、③的震級范圍分別為＞～4.0、＞～3.5和1.5－5.0。圖2為震源機制解圖，與地震前的逆斷層型震源機制解相比，圖中的走滑型或正斷層型機制解有明顯增多的趨勢。這表明最小擠壓應力已經由垂向轉變為水平向。

圖1 東日本大地震前后的淺源（小于20km）內陸地震活動。（a）東日本大地震以前（灰色點）90天和以后（紅色點）90天中發生事件的震中圖。綠色等值線示出Iinuma等［4］的滑移模型。美國地質調查局（USGS）的東日本大地震主震矩心矩張量解用一沙灘球表示。（b）主震前后180天中發生的淺源內陸地震時空圖

圖2 本研究中采用的東日本大地震以前（a）和以后（b）的震源機制解。逆斷層、走滑斷層和正斷層分別用紅、綠、藍3色表示。斷層根據Frohlich［6］進行分類

為了計算應力場，我們將Hardebeck和Michael的阻尼應力張量反演方法應用到圖2中顯示的數據中。該區被分成了間隔0.5°的網格，每一個震源機制解都被指定到最近的網格節點。基于模型長度與數據方差之間的權衡［7］，對于阻尼反演，我們選取空間阻尼參數es＝0.6。我們利用時間阻尼參數et＝0.6同時反演了主震前后的數據，這樣一來就不會出現數據并不十分需要的明顯的時間旋轉。所得結果示于圖3和輔助材料的圖S1中。這些圖表明，地震前的最大壓應力軸（σ1）在整個區域都是近水平的。Tohoku地區的σ1呈E-W向，與板塊會聚平行，而Kanto-Chubu則呈NW-SE向。Kanto-Chubu地區σ1的這種順時針旋轉可能緣于日本東北部與西南部之間的碰撞以及伊豆半島與西南日本弧之間的碰撞（如文獻［8］）。

圖3 應力張量反演獲得的東日本大地震以前（a）和以后（b）的最佳擬合σ1和σ3軸方向。σ1和σ3軸在每一個網格節點分別用紅色和藍色表示。棒條的長度與主應力軸的俯角相對應。圖（b）右下角小框中的紅條和藍條表示用深度為10～20km的事件獲得的G區震后最佳擬合σ1和σ3軸

地震后，Tohoku北部（圖中的A、B、C區）以及Tohoku東南部Iwaki附近地區（G區）的應力場發生了重大變化；A、B、C區中的σ1逆時針旋轉，方向為NE-SW，而G區的最小壓應力軸（σ3）沿順時針旋轉，趨近板塊會聚方向。然而，從Tohoku中部到Kanto-Chubu的其他地區的應力場沒有發生重大變化。

2 與東日本大地震引起的靜應力變化的比較

根據Okada的公式［9］，并利用Iinuma等的滑移模型［4］，對東日本大地震引起的靜應力變化進行了估算。我們假設泊松比為0.28，楊氏模量為70GPa。估算得到的應力變化示于圖4和補充圖S2中。這些數字表明，Tohoku北部（A、B、C區）的σ1和Iwaki附近的σ3（G區）分別與地震后在這兩個地區觀測到的方向幾乎一致（圖3b）。這說明那些地區的誘發地震緣于取向不同于地震前的背景應力的靜應力變化，進而表明地震前的偏應力值小于1MPa。

圖4 東日本大地震引起的靜應力變化的σ1軸（紅條）和σ3軸（藍條）方向，深度為10km。所采用的滑移模型據Iinuma等［4］。差應力分別用1.0、0.5和0.1MPa的等值線示出

靜應力變化顯示Tohoku中部的σ3（D、E、F區）呈EW向。而地震前后σ1的方向都為EW。這說明地震引起的應力變化對這些地區沒有產生重大影響，也表明地震前的偏應力值比靜應力變化大得多（大于～1MPa）。

在Kanto-Chubu地區（I—M區），靜應力變化顯示σ1的方向為NW-SE，大致與地震前觀測到的方向相同（圖3a正如所料，震后的應力場也幾乎相同，說明那些地區的偏應力確實因為主震斷層滑移而增大了。因此，雖然離主震破裂很遠，但在Kanto-Chubu的這些地區依然觀測到了不尋常的誘發地震活動。

在H區，與Kanto-Chubu的其他區一樣，震前、震后σ1的方向均為NW-SE（圖3），但靜應力變化中的σ3方向接近EW（圖4）。采用不同滑移模型［10］計算出的靜應力變化（補充圖2Sh中的三角形）顯示，與在Kanto-Chubu的其他區一樣，σ1大致呈NW-SE向，說明H區位于對滑移模型很敏感的地方。因此，H區的背景偏應力與Kanto-Chubu的其他區一樣，可能也因為主震斷層滑移而有所增大。

3 討論與結論

我們估算了日本東部內陸地區地震前后的應力場，結果顯示Tohoku北部和Iwaki附近地區的應力場在地震后發生了變化。

Wesson和Boyd［11］提出了一種估算偏應力值的方法，并對2002年Denali斷層震源區的偏應力值進行了估算。如果地震后應力場發生了變化，我們就可以通過將地震前后的應力張量差視為等同于靜應力變化，從而由最小二乘法估算出絕對偏應力張量［11］。我們遵照此法對偏應力值進行估算。估算使用了C區和G區，因為此處清楚地觀測到了東日本大地震后的應力場變化。這里采用了Iinuma等［4］和Lay等［10］的滑移模型。結果列于表1，表中示出估算出的地震前后的差應力（σ1－σ3）。震前差應力值約為0.2～0.9MPa，震后約為0.8～1.6MPa。震后的這些應力（0.8～1.6MPa）被認為是那些區域內誘發地震的成因，因為這些數值似乎證實了一條弱斷層的存在。

更確切地說，對于G區，震前和震后反演中所用事件的震源深度范圍互相之間略有不同。地震前該區的事件發生在深度為10～20km的范圍內，而地震后的深度范圍更大，為0～20km。為了比較同一深度范圍的應力場，利用震源深度為10～20km的事件進行了應力反演，結果示于圖3b和補充圖S1中。σ3的順時針旋轉變得更小了。地震前估算出的這種情況下的差應力值略微偏大了一些。

表1 估測的差應力值（MPa

正如前邊所述，雖然地震后加載了近逆向應力，但Tohoku中部的σ1方向沒有變化。我們用試錯法估算地震前差應力值有多大，即使在添加了與地震相關的應力張量情況下，使σ1方向不發生變化。E區的結果（表1）顯示地震前的差應力值起碼大于～2.5MPa。將E區的結果與C區和G區的進行比較，結果表明地震前的最高差應力位于主震破裂最大滑移區以西的Tohoku中部。該結果也說明這些區域內的差應力發生了重大變化，這一點與Denali斷層地震的情況類似［11］。

對偏應力值進行估算的幾項研究也報道過剪應力值的數值很小，約為1～22Pa（如文獻［11-13］），比本研究的數值略微大了一些。本研究的數值較小，可能部分源于估測誤差。這里考慮了主應力取向的不確定性，并將其作為標準偏差示于表1中。這些不確定性的原因包括其他一些因素，例如最小二乘反演導致的不確定性［11］，這些因素沒有被考慮在內。此外，本研究中的偏應力僅引起了一些小地震，震級最大為4.5（震級大于4.5的地震發生在G區，但其深度不超過10km），而從前研究中的偏應力引起了大地震，震級為7.3～9.0：這可能就是剪應力值的數值較小的原因。不管怎樣，這些觀測結果表明那些地方的孕震斷層非常弱。

譯自：Geophysical Research Letters，2012，Vol.39，L03302

原題：Stress before and after the 2011great Tohoku-oki earthquake and induced earthquakes in inland areas of eastern Japan

（中國地震局地球物理研究所 洪啟宇 譯；鄭需要 校）

（譯者電子信箱，洪啟宇：iamhhnn＠126.com）

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Keisuke Yoshida1），Akira Hasegawa1），Tomomi Okada1），Takeshi Iinuma1），Yoshihiro Ito1），Youichi Asano2）

1）Research Center for Prediction of Earthquakes and Volcanic Eruptions，Graduate School of Science，Tohoku University，Sendai，Japan
2）National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention，Tsukuba，Japan

P315.1；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2012.04.003

2012-03-23。

10.1029／2011GL049729）