俯沖帶斷層粘滑運動機制數值模擬研究
——以日本俯沖帶為例

姜 輝

（中國地震局地質研究所，北京100029）

中國地震局地質研究所2012屆博士論文摘要（Ⅴ）

俯沖帶斷層粘滑運動機制數值模擬研究
——以日本俯沖帶為例

姜 輝

（中國地震局地質研究所，北京100029）

在新生代，西太平洋島弧和邊緣海地區已成為強烈的構造活動區。至晚第三紀以來，在西太平洋島弧帶上還發生了強烈的火山作用。在西太平洋島弧的外側發育著地球表面上最深的地溝帶，即深海溝帶。西太平洋板塊向西俯沖，在日本海形成俯沖帶，稱為日本海俯沖帶。日本俯沖帶構成了西太平洋邊緣俯沖帶的重要組成部分。該俯沖帶處于環太平洋火山地震帶上，地質構造復雜，地震活動頻繁，地震發生數量占全球20%。日本俯沖帶位于日本島弧東側，北起千島，南至菲律賓海。沿千島群島和日本本州島的東側，太平洋板塊正以不同傾角向歐亞板塊俯沖。在本州東部的日本海溝，震源分布顯示的消減板片平均厚度大約80～100 km，傾角29°，下插的最大深度接近600 km。太平洋板塊的北西向運動和俯沖，對從北海道到本州的日本東北部產生SEE－NWW向擠壓。地震斷層面解顯示，日本海的東邊緣也同樣是SEE－NWW向擠壓變形，可能是阿穆爾板塊的東向移動產生的。由于日本俯沖帶處于這樣的擠壓環境下，導致該帶發生的大部分地震都具有逆斷層性質。西太平洋地區震源分布圖顯示，沿著堪察加半島—千島群島—日本本州島北部，分布有大量淺源逆斷層型地震，而中深源地震多分布在島弧下面的俯沖帶中。這種地震震源機制也印證了太平洋板塊和歐亞板塊的相聚，意味著該區域處于壓縮應力狀態。2011年3月11日日本本州東海岸附近海域發生9.0級特大地震，是日本有歷史記載以來最大的一次地震。震后數十分鐘內日本東海岸又遭受最高浪達10 m的海嘯襲擊。自1973年以來，日本海溝的俯沖帶已經發生過9次7級以上的地震事件。大多數近海地震都發生在日本同一個俯沖帶上。1611年、1896年和1933年的近海地震都在日本東北的太平洋沿岸引起毀滅性的海嘯。日本俯沖帶地震發生十分頻繁，且有很多震級很大的事件，可為研究逆斷層地震孕育和發生機理提供數據支持。同時，理解俯沖帶上逆斷層地震發生過程也可以對以后的地震預測研究提供理論依據，已有的研究結果也表明，日本俯沖帶的地震活動對我國的地震活動有重要的影響。數值模擬方法近年來發展迅速，并已大量用于地學領域。因此，本文結合地震地質資料和地球物理觀測數據，使用有限元數值模擬方法模擬地震粘滑失穩過程，并探討俯沖帶地震發生的粘滑機制和構造變形特征，具有重要的理論意義和應用價值。

1 研究內容與方法

本文根據目前日本俯沖帶數值模擬的研究現狀和存在的問題，依托各種地質研究和地球物理探測成果，多方位全面了解研究區深部地質結構與構造。利用Ansys并行計算系統，建立日本俯沖帶高分辨率有限元模型。使用高精度的GPS觀測結果為邊界約束，通過數值模擬方法研究俯沖帶內地震發生過程，探討地震發生機理。

（1）建立日本俯沖帶動力學模型。基于并行Ansys數值模擬軟件平臺，結合各種地質、地球物理資料的研究成果，建立日本俯沖帶二維數值模型，確定模型地質分層及各層介質屬性。西太平板塊以平均83 mm／a的速率向歐亞板塊俯沖，且可能存在俯沖傾角的變化。俯沖斷層活動不但與動力邊界和巖層介質性質有關，也受到俯沖帶幾何形態很大的影響，因此，本文在模擬日本俯沖帶上粘滑事件發生的動力學過程的基礎上，重點研究了俯沖帶幾何形態變化對事件發生的影響。本文共建立了4個模型模擬了日本俯沖帶地震粘滑失穩過程：①俯沖帶在巖石圈內部彎折模型；②俯沖帶在巖石圈底部彎折模型；③俯沖帶無彎折，傾角23°模型；④俯沖帶無彎折，傾角30°模型。4個模型研究對象都是同一剖面，因此，雖然模型有變化，但相同巖層（如上地殼等）使用的介質參數相同。根據俯沖帶深部結構特點，模型俯沖板片包含上下兩層和深淺兩部分，而兩側板塊則分為4層。為了使模型與實際地質體更加接近，增加結果的真實程度，本文的模型中下地殼以下使用的是粘彈性介質單元，介質參數主要包括楊氏模量、泊松比、粘滯系數、地層厚度、密度等。在模型建立過程中，引入了有限元法中的接觸對的概念，在各個巖層與俯沖帶的接觸邊界設置接觸對，模擬上覆板塊與俯沖帶的摩擦過程。4個模型采用相同的網格劃分方法，由于本文主要研究俯沖帶上粘滑事件的發生過程，因此，對俯沖帶地區（接觸邊界）的單元進行了加密處理。這樣就增加了重點部位的單元密度，提高了計算結果的精度，同時只對局部加密也可以節約模型計算時間成本。4個模型施加的邊界約束也相同。主要包括兩方面，位移邊界約束和壓力邊界約束。根據GPS觀測速度及模型模擬的時間尺度計算施加的位移大小，壓力邊界則主要為深部巖石圍壓和大洋海水壓力。計算過程中，模型還考慮了重力作用。由于采用粘彈性介質，且計算時間尺度很大（十萬年），因此，初始應力場也是需要考慮的因素。本文先還原初始應力場之后，再加載上述邊界約束，模擬日本俯沖帶上粘滑運動的動力學過程。

（2）創建日本俯沖帶粘滑事件目錄。根據上述建立的日本俯沖帶數值模型，綜合考慮塊體相互作用、板塊碰撞、俯沖帶推擠、重力加載、粘彈性變形和深部介質等因素，模擬日本俯沖帶地塊構造變形和粘滑失穩規律，分析粘滑事件參數，建立日本俯沖帶粘滑事件目錄。粘滑事件目錄的建立是在模擬結果的基礎上經過復雜的后處理分析而得到的（每個模型方法相似）：通過模擬結果文件的解碼，提取接觸面上所有節點的滑移量信息及坐標。由于深部地幔地震發生機理十分復雜，是否存在粘滑機制仍有疑問，因此，本文只討論300 km以上深度范圍的事件。模型計算時長為十萬年，共計算20 000步。根據斷層面滑動狀態，判別各子步是否發生突然錯動，從提取的節點滑移量數據中篩選出各個子步中的最大滑移量作為該時刻的目標事件，并將具有最大滑移量的節點的深度作為目標事件的發生深度。由此得到不同模型的粘滑事件目錄及事件發生深度分布。根據得到的粘滑事件滑移量和深度分布，分別創建不同模型粘滑事件目錄，并對每個模型分別繪制滑移量及深度隨時間變化分布圖，分析每個模型粘滑事件發生大小及發生深度的規律。繪制不同滑移量分檔和深度分檔內粘滑事件數量統計分布圖，對比不同模型在各個滑移量和深度分檔里粘滑事件統計數量分布，分析各個模型模擬結果的異同和俯沖帶形態變化對計算結果的影響。并結合實際觀測到的歷史大震記錄，進行比較研究，分析模擬結果與實際觀測結果之間的異同。

（3）研究逆斷層地震構造變形特征和能量轉移過程。通過變化邊界條件及模型，進行反復模擬計算，反演研究區內板塊運動及地震發生過程，研究主要結構類型、物理參量和邊界條件等的變化對日本俯沖帶構造變形的影響。并將模擬結果與地質調查、地球物理探測、GPS觀測和地震活動研究成果進行對比，優選最合理的物理模型和邊界條件，模擬日本俯沖帶粘滑失穩過程，分析應變、能量在不同地塊之間的分配和轉移及其影響因素，并研究該區域內地震發震機理。

2 主要研究結果

由于西太平板塊在向日本海俯沖過程中可能存在角度變化，因此，本文在構建模型時考慮了俯沖帶不同幾何形態情況建立了4個不同的模型，以便在分析俯沖帶上地震粘滑失穩過程的同時，也兼顧考慮太平洋板塊俯沖過程中幾何形態的差異對模擬結果的影響。由于深部地幔地震發生機制比較復雜，是否存在粘滑現象仍存疑慮，因此，本文中只討論300 km以上區域。根據上述模型十萬年時間尺度的模擬分析，得到以下初步認識。

（1）分析粘滑事件發生時應力變化曲線，可見粘滑事件發生前后及發生滑動的過程中，應力經歷了積累、釋放到再積累的過程。說明事件的發生經歷了斷層閉鎖、解鎖到閉鎖的一個粘滑失穩過程，因此，可以通過斷層摩擦運動數值模擬地震發生的過程。

（2）模擬俯沖帶粘滑事件的斷層滑移量與地震斷層錯動量相當，隨著滑移量的增加，粘滑事件數量越來越少。5～10 m滑移量事件較多；滑移量超過20 m的事件數量大大減少。絕大多數事件滑移量都在30 m以下。

（3）4種模型模擬得到的結果顯示，粘滑事件大多發生在100 km以內的深度區域。巖石力學性質變化和斷層幾何形態變化的深度是粘滑事件多發的區域，主要表現為存在兩個明顯的條帶狀事件密集區，分別為20～30 km范圍和100 km附近深度。其中深度為20～30 km范圍內地震數量最多，且事件量級也較大；100 km附近深度雖然也有大量事件發生，但總體數量較前者少，且以相對小事件為主，較大量級事件比較少。通過與收集到的研究區內歷史地震進行對比，發現此結論與實際地震深度分布較一致。

（4）俯沖帶角度變化及發生變化的深度不同對模型模擬結果有影響。俯沖帶在巖石圈底部彎折模型，得到的粘滑事件數量最多。俯沖帶無彎折，傾角30°模型模擬得到的粘滑事件數量最少。但值得注意的是，前者多為滑移量5 m以下的相對小事件。而后者滑移量較大事件的數量是最多的。

（5）俯沖帶角度大小及深度變化對事件發生深度也有一定的影響。俯沖帶在巖石圈內部彎折模型和俯沖帶無彎折，傾角30°模型粘滑事件發生深度分布比較相似，且20～30 km區域事件數量最多，與歷史地震數據較一致。俯沖帶在巖石圈底部彎折模型在200 km附近有大量事件，但都是較小事件。俯沖帶無彎折，傾角23°模型在100 km處事件數量要高于20～30 km范圍，但也都是以較小事件為主。

（6）粘滑事件的大小、時間間隔、發生深度是隨機性和有序性的統一，宏觀上有序（準周期性、特征震級和多震層密集），微觀上隨機（時間、深度、滑動量等都不能完全相同）。

3 創新點和存在的問題

本研究的創新點主要表現在如下幾方面：

（1）使用斷層接觸模型和粘彈性介質載體模擬了俯沖帶粘滑運動的動力學過程；

（2）創建了日本俯沖帶粘滑事件目錄，分析了粘滑事件時空分布規律；

（3）研究了俯沖帶幾何形態差異對俯沖帶斷層粘滑活動的影響。

由于此類研究可參照的事例很少，同時受軟、硬條件限制，加上時間倉促，文中仍然存在不少問題。例如，分析模型進行了較大簡化，對比分析模型較少，時間步長不夠短，初始應力場無法精確評估，地幔深部狀態和活動狀態不清楚等，這些有待于將來進一步深入研究。

日本俯沖帶；粘滑機制；數值模擬；滑移量；震源深度

（作者電子信箱，姜輝：sophy＿pp＠126.com）

P315；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2013.11.004