日本MW9.0地震前后郯廬斷裂帶中南段構造應力場動態變化特征

孫業君， 黃耘， 劉澤民， 鄭建常， 江昊琳， 李婷婷， 楊浩， 王俊菲

1 江蘇省地震局， 南京 210014 2 安徽省地震局， 合肥 230031 3 山東省地震局， 濟南 250102 4 上海佘山地球物理國家野外科學觀測研究站， 上海 201602

0 引言

由于太平洋板塊在日本海溝處向歐亞板塊下面斜向消減，使處于歐亞板塊東南端的華北—東北地區受到顯著影響，地幔物質對流、地幔或軟流圈對上部脆性巖石圈的拖曳力都是可能的影響方式(Huang and Zhao，2006；朱日祥等，2011).太平洋板塊西向俯沖擠壓作用是華北—東北地區重要動力來源，板塊俯沖帶強震活動對華北—東北地區中強地震影響顯著(虞雪君等，1994；鄭建常和蔣海昆，2007).2011年3月11日日本東北部海域發生MW9.0地震，該地震是俯沖帶上的一次典型板緣逆沖型巨震，是日本記錄到的最大地震(Zhou et al．，2013).此次地震造成了巨大的同震及震后變形，震中區最大水平位移約為5.3 m(王敏等，2011)，對中國陸地東部，尤其是華北—東北地區造成顯著影響，總體上使我國東北地區向東運動10～30 mm，華北地區向東運動3～8 mm(楊少敏等，2011).

日本9.0級地震的發生，對華北—東北地區，尤其對中國陸地東部最大型的郯廬斷裂帶構造活動產生的影響，引起了很多學者的關注.一些學者采用GPS資料研究認為，9.0級地震的發生，致使郯廬斷裂帶不同段落產生不同程度的張性應變，降低了應力應變水平，緩解了地震的危險性(王敏等，2011；陳為濤等，2012；王麗鳳等，2013；顧國華等，2015)；另外部分學者同樣基于GPS資料則認為，9.0級地震同震形變產生近東西向的拉張效應，改變了原有的近東西向構造應力擠壓環境，打破部分地區較穩定的背景運動狀態，有利于地震的發生(張晶等，2012；殷海濤等，2013；譚成軒等，2015).豐成君等(2013)通過有限元數值模擬及靜態庫侖破裂應力結果，分析認為9.0級地震同震應力效應對華北—東北地區影響較為有限.可見，不同學者對9.0級地震后郯廬斷裂帶地震危險性的認識存在明顯差異.9.0級地震后中國陸地東部地震活動實況與以上學者的研究結論也存在一定偏差，這也表明了9.0級地震對中國陸地影響的復雜性.

另外一些學者還關注了日本9.0級地震前，中國陸地尤其是陸地東部連續觀測資料變化特征，張晶等(2012)發現華北—東北地區大部分跨斷層形變、定點形變資料在2009—2010年出現明顯轉折性異常變化，這與9.0級地震相關的可能性較大，主要反映了遠場的中短期異常特征.趙國強和李鵬(2012)研究結果顯示9.0級地震前數月，中國陸地東部多個GPS站點表現出向東運動速度變慢的趨勢，認為可能是9.0級地震孕震后期臨界狀態的特征異常.顧國華等(2015)發現9.0級地震前3～4年，中國陸地GPS連續觀測出現遠場的水平位移異常，地殼運動異常范圍和同震水平位移范圍大體是一致的，震中區外附加在構造運動之上的彈性形變是大地震震前中短期遠場形變異常的特征或機理.GRACE重力衛星觀測結果顯示，2008—2010年9.0級地震震中及大范圍重力變化非常顯著(鄒正波等，2012；王武星等，2014)，2010年較2009年，以北美板塊和菲律賓海板塊與歐亞板塊的邊界為大概界線，形成東部重力下降，西部重力上升的變化格局，西側歐亞板塊沿中國東北、朝鮮半島、琉球群島到中國東部出現大范圍的重力正變化，深部地幔物質運移與熱對流引起殼內介質密度大范圍改變引起了重力場變化.多學科觀測資料的異常變化，反映了9.0級地震孕震后期，已經對遠場的中國陸地東部產生明顯影響.

巖石圈中的構造應力是導致地震和其他構造活動的最直接動力因素，利用震源機制解等資料可以反演得到構造應力的方向、結構等特征.由于震源機制反映了地震發震斷層的運動學和幾何學特征，相較于GPS等資料可以更好地揭示地殼深部應力狀態信息，能較好地刻畫震源區應力場動態變化過程.研究反演得到的應力場及其時空演化特征，就可以了解背景應力場、應力擾動和構造負載等，因此基于震源機制的構造應力場研究已成為認識地震發生機制、地球動力學過程等最為有效手段之一.有別于其他學者主要基于GPS資料分析9.0級地震前后地殼運動和應力狀態特征，本文以郯廬斷裂帶中南段及周緣為研究區域(圖1)，計算得到了研究區內大量地震震源機制解，利用震源機制解資料反演了研究區構造應力場，基于構造應力場時空變化特征分析了9.0級地震前后郯廬斷裂帶中南段及周緣應力場動態變化過程，并結合地震活動特征，探討了日本俯沖帶巨震、應力場變化與地震活動之間的內在動力學機制等.

圖1 研究區示意圖(GPS同震位移結果由王敏研究員提供(王敏等，2011))紅色箭頭表示同震位移方向和位移量，箭頭越長表示位移量越大．Fig.1 Diagram of study area (The results of GPS displacement of coseismic were provided by Professor Wang et al. (2011))The red arrows indicate the direction and displacement， the longer the arrow， the greater the displacement.

1 數據及方法

1.1 數據

郯廬斷裂帶中南段及周緣主要涵蓋了江蘇、安徽、山東、上海及黃海等區域，區域內地震臺站分布較為密集，臺站平均間距為50～60 km，部分地區可達20～30 km.地震臺站布局也相對合理，除黃海海域地震外，臺站對區內多數地震有較好的包圍(圖2)，這為震源機制解的計算奠定了良好的資料基礎.

圖2 研究區地震和臺站分布Fig.2 Distribution of earthquakes and seismic stations in the study area

目前，震源機制解的計算通常采用P波初動或振幅比方法(Snoke et al.，1984; Snoke，1989；Hardebeck and Shearer，2003)以及波形反演方法(Patton，1980；Dreger and Helmberger，1993；Zhu and Helmberger，1996).由于M≤4的小震信號相對較弱，短周期能量占優勢，傳播效應復雜，地殼各向異性和橫向不均勻性影響明顯，在通常使用的一維成層介質模型下無法有效地模擬其波場的傳播，因此一般情況下使用波形反演的方法難以求解其震源機制(鄭建常等，2015).相對而言，利用初動符號或振幅比的方法計算中小地震震源機制更為有效(Hardebeck and Shearer，2003).本文研究區主要以2～3級中小地震為主，故采用了國際上較為成熟和通用的主要適用于中小地震的P波、SV波、SH波初動和振幅比方法(Snoke et al.，1984; Snoke，1989).該方法充分利用了SH波、SV波的初動和振幅信息，輸入盡可能多的信息有效地約束解的不確定性，使計算結果更為可靠(劉杰等，2004；孫長虹等，2012)，相較于其他中小地震震源機制解反演方法，其優勢較為明顯.由于篇幅限制，具體計算步驟及數據處理流程見孫業君等(2015).

計算得到了2001年數字化觀測以來825次震源機制解，另外收集了模擬觀測期間323次結果(劉澤民等，2011；鄭建常等，2013；崔效鋒(1)崔效鋒，2016. 私人通信.)，最終，共計得到1970年8月至2016年10月1148次地震震源機制解(圖3)，其中包括ML2.0-2.9地震724次，ML3.0-3.9地震343次，ML4.0-4.9地震57次，ML5.0以上地震24次.

圖3 研究區震源機制解類型空間分布Fig.3 Spatial distribution of focal mechanism solutions in the study area

1.2 應力場反演方法

單次地震的震源機制特征不能等同于構造應力場特征，但利用大量的震源機制可以反演得到區域應力場.Michael(1984，1987)提出自助線性應力反演(LSIB)方法，該方法將非線性應力反演問題轉化為線性化處理，通過最小二乘法相求得應力張量.Hardebeck 和 Michael(2006)在該方法的基礎上引入平滑約束，進一步提出了阻尼應力張量反演方法：

{{GTG+e2DTD}m=GTd,

式中，m是待求解的應力張量的模型矢量， 包括每個網格單元應力張量；d為數據矢量，包括模型相對應的網格點內地震斷層面滑動矢量的各分量；G為由每個地震斷層面法向量得到的數據核矩陣，GT為G的轉置矩陣.再加入一個模型平滑因子，用來最小化相鄰格點之間應力張量的差異，因此引入阻尼矩陣D.e稱之為阻尼系數，用于權衡模型復雜程度和反演誤差之間的關系，通過兩者擬合誤差之間的權衡曲線構建一組可調整的阻尼參數模型，并采用平滑約束來抑制相鄰單元之間應力模式的差異，以確保相鄰網格之間應力張量的差異最小，采用自助重采樣，對每個網格的數據進行不確定性評價，得到連續、穩定、可靠的反演結果.

由于計算性能、結果約束及減小誤差等方面的優勢，該方法得到了廣泛應用(Zhao et al.，2013；Martínez-Garzón et al.，2014；羅艷等，2015；王曉山等，2015；孫業君等，2017；楊佳佳等，2018).此次反演我們利用了MSATSI軟件包，分別在維度0D(一個網格點的單一法向)、1D(時間)及2D(空間)下完成.

2 應力場反演

前人研究結果顯示，日本9.0級地震對中國陸地東部應力場造成了不同程度的影響，其中對郯廬斷裂帶中南段及周緣影響顯著(殷海濤等，2013；譚成軒等，2015)，因此我們將其作為一個整體進行研究.

2.1 應力場時間變化特征

由于地震隨時間分布的不均勻性及不同時間段內獲得的地震震源機制解數量之間的差異，在維度1D反演過程中，為了利用盡可能多的震源機制解數量使反演得到的每個網格的應力場結果更為可靠，通常采用等地震數劃分多個網格區間， 這在1999年土耳其伊茲米特7.4級地震應力場反演中得以較好的應用(Martínez-Garzón et al．，2014).依據此劃分規則，我們將1970—2016年1148次震源機制解按照每個網格20次地震震源機制解共劃分為57個網格，反演過程中，置信區間設為95%，由2000次自助重采樣來完成對反演結果的不確定性評價，經計算取阻尼系數e=1.6，可以獲得最佳應力場反演結果.反演得到了1970年8月至2016年4月57個網格應力場結果，應力場隨時間連續分布特征即可反映應力場動態變化特征，應力場時間由網格內參與反演的地震發生時間決定.需要說明的是，由于不同時間段內地震震源機制解數量存在差異，每個網格所對應的時間呈不均勻分布，2000年以后地震臺網進入數字化觀測時代，且臺站數量不斷增加，資料質量大幅改善，計算得到的震源機制解數量相對較多，因此反演得到了更多的網格應力場結果.

圖4為研究區應力場隨時間變化結果.由圖4中的三個主應力軸傾伏角(應力結構)隨時間變化特征看，大致可分為3個階段：第一階段為1970年8月—2009年12月，第二階段為2010年1月—2012年4月，第三階段為2012年5月—2016年4月.圖4a為3個階段在維度0D下反演結果，由圖可見第一階段和第三階段應力場特征較為接近，表現為水平作用，呈典型走滑型特征，而第二階段應力場發生了明顯變化，應力場趨于復雜，呈現出一定的正斷性質.圖4b為最大主應力σ1軸傾伏角隨時間變化特征，第一階段傾伏角變化總體連續平穩，平均值為9°，在19～20網格有小幅波動，最大傾伏角變化為38°；第二階段傾伏角出現大幅變化，平均值為36°，最大為65°；第三階段傾伏角有所減小，平均值為12°，基本恢復至第一階段背景均值水平.圖4c為中等主應力σ2軸傾伏角隨時間變化特征，與σ1軸傾伏角有同步變化，第一階段傾伏角變化趨勢基本平穩，在70°～80°之間波動，平均值為76°，僅在19～20網格有小幅波動，最小為50°；第二階段傾伏角出現較大幅度波動，平均值為53°，最小為23°；第三階段傾伏角又明顯增大，平均值為76°，恢復至第一階段背景均值水平.圖4d為最小主應力σ3軸傾伏角隨時間變化特征，總體上傾伏角變化不大，在第二階段略有小幅度變化.圖4e為最大主應力σ1軸走向方位角隨時間變化特征，走向總體上隨時間變化較為平穩，反映了研究區長期處于NEE向水平擠壓構造應力環境下，但第二階段出現小幅逆時針偏轉，走向方位角由背景均值84°減小為76°.

圖4 研究區應力場隨時間變化特征(a) 三個時段應力場三個主應力軸方向和傾伏角，黑色十字表示最優解，紅色、綠色和藍色點分別表示最大、中間和最小主應力95%置信區間； (b)、(c)和(d)分別為最大、中間和最小主應力軸傾伏角隨時間變化結果； (e) 最大主應力方向隨時間變化結果；灰色點表示95%置信區；紅色實線表示2003年8.3級和2011年9.0級地震發震時間；黑色虛線為劃分三個時段的起始時間． Fig.4 Characteristics of stress field changes with time in study area(a) The stress direction and plunge of three principal stress axes in three periods; the black cross represents the optimal solution，and the red, green and blue dots represent the 95% confidence intervals of the maximum, middle and minimum principal stresses respectively； (b), (c) and (d) show the results of the changes with time of the maximum, middle and minimum principal stress axes plunge； (e) The results of the changes with time of the maximum principal stress direction；The grey points represent the 95% confidence zone；The red solid line indicates the occurrence time of MW8.3 earthquake in 2003 and MW9.0 earthquake in 2011；The black dotted line indicates the starting time of dividing three periods．

由應力場隨時間變化特征可見，第二階段(2010年1月—2012年4月)構造應力場發生了顯著變化，應力結構除表現為走滑性質外，還表現出正斷性質，呈一定拉張效應，應力場發生了擾動變化，在背景應力場的基礎上疊加了擾動應力場，分析認為這是日本9.0級地震造成的影響.9.0級地震使中國陸地東部地區出現向震中方向運動的同震位移和震后應力松弛，使東部大范圍呈張性效應(王敏等，2011；陳為濤等，2012；王麗鳳等，2013；殷海濤等，2013；顧國華等，2015；譚成軒等，2015)，應力場呈現一定的拉張作用.此拉張性應力環境持續到2012年4月(圖4)，自9.0級地震后共持續13個月，譚成軒等(2015)研究結果表明9.0級地震對中國東部不同地區的影響周期為6—26個月，本文得到的應力場反演結果更好地反映了9.0級地震對研究區的動態影響過程和周期.9.0級地震后，基于震源機制得到的東北地區即郯廬斷裂帶北段及鄰區的應力場同樣出現了擾動變化，最大主應力方向發生明顯偏轉(Yu et al.，2016).可見，受9.0級地震影響，郯廬斷裂帶北段和中南段應力場出現協同擾動變化.

值得注意的是，這一變化始于震前14個月(2010年1月)，這表明在9.0級地震孕震后期，已經對遠場的中國陸地應力場產生了擾動影響.其他研究也表明，在9.0級地震前中國陸地東部一些地球物理觀測資料出現異常變化，尤其是2009—2010年較此前變化顯著，主要表現出GPS水平位移異常(趙國強和李鵬，2012；顧國華等，2015)，重力場發生顯著變化(鄒正波等，2012；王武星等，2014)，形變資料趨勢異常發生轉折(張晶等，2012)等，觀測資料異常與9.0級地震相關的可能性較大，主要反映了遠場的異常特征(趙國強和李鵬，2012；顧國華等，2015；張晶等，2012；鄒正波等，2012；王武星等，2014).地球物理觀測資料和應力場同步變化過程，充分表明了9.0級地震對中國陸地東部的影響開始于震前.

我們還關注到圖4中第一階段內19～20網格(2002年5月—2004年3月)數據有所波動，最大主應力σ1軸由原來的平均9°增大至最大38°，分析認為該變化可能是受到2003年9月26日北海道8.3級地震的擾動影響.北海道8.3級地震位于日本俯沖帶上，地震機制與日本9.0級地震類似，同樣屬于典型的板緣逆沖型地震，地震使太平洋板塊在短時間內下沉3.6 m(張洪由，2003).雖然8.3級地震對研究區造成的應力場擾動現象與2011年日本9.0級地震類似，但應力場動態變化過程存在一定差異，這可能反映了不同量級、不同區域的地震孕育和發生過程對于遠場的影響存在不同，這也體現了影響過程和影響機制的復雜性.近20年來日本俯沖帶僅有的2次8.0級以上地震前后，研究區應力場均發生了顯著變化，這在一定程度上進一步印證了我們的認識.

2.2 應力場空間變化特征

根據應力場時間變化特征可知，應力場隨時間變化過程共分為三個階段，第一階段和第三階段均顯示為背景應力場特征，而第二階段則是受日本9.0級地震影響下的擾動應力場，為了進一步分析背景應力場和擾動應力場的相對變化，分別反演了第一階段背景應力場和第二階段擾動應力場.在反演過程中，將研究區劃分為1.0°×1.0°的網格，搜索每個網格節點1.0°×1.0°范圍內的震源機制解作為輸入數據，考慮到地震空間分布的不均勻性和盡可能得到連續結果，將解數量設置為最少5個，在95%的置信區間對原始數據進行2000次自助重采樣評估結果不確定性.最終分別反演得到39個背景應力場和21個擾動應力場網格節點應力張量，然后使用主應力方向方法(Lund and Townend，2007)計算得到主應力軸參數.由于第二階段震源機制解數量偏少和空間分布不均勻，得到的擾動應力場結果的數量明顯少于背景應力場.由圖5可見，39個網格背景應力場基本覆蓋了研究區，21個網格擾動應力場分布則較為分散，其中有16個網格同時得到了背景應力場和擾動應力場結果(圖中紅色和綠色疊加的網格).背景應力場最大主應力方向較為一致和穩定，以NEE和近EW向為主，由西向東從近EW向逐漸過渡到NEE向，表現出空間連續性特征，且由北至南還表現出NE、NEE向逐漸向近EW和NWW向過渡的特征.而擾動應力場最大主應力方向雖然總體上呈NEE向和近EW向，但方向則較為凌亂，空間連續性較差.另外，比較16個網格疊加應力場，可以發現擾動應力場最大主應力方向相對于背景應力場發生了小幅偏轉，其中有11個網格出現不同程度的逆時針偏轉.這是由于地處震中SW向的郯廬斷裂帶中南段及周緣地區向NE方向運動，致使NEE向背景應力場發生擾動，最大主應力方向由NEE向往NE向偏轉，顯示為最大主應力σ1軸方位角變小，仍有部分網格最大主應力方向并未呈現一致變化，分析認為這可能是局部地質構造和應力環境差異導致的.類似的應力場變化特征在郯廬斷裂帶北段及鄰區同樣有所顯示，Yu等(2016)研究顯示，日本9.0級地震后，郯廬斷裂帶北段最大主應力方向發生明顯變化，雖然每個網格不完全統一，但大部分網格節點最大主應力方向相對于震前背景應力場方向發生順時針偏轉，由NEE向偏轉為近EW向或NWW向.郯廬斷裂帶北段和中南段最大主應力方向大體上分別發生順時針和逆時針偏轉，分析認為這是由于北段和中南段相對9.0級地震震中分別發生SE和NE向運動所致(圖1).另外，圖5還顯示擾動應力場最大主應力σ1軸傾伏角變化明顯，多數空間網格傾伏角有所變大，表明了以水平擠壓為主的應力場表現出一定的拉張作用特征.

圖5 兩個階段應力場空間分布特征紅色線段表示第一階段背景應力場結果，綠色線段表示第二階段擾動應力場結果；線段的長短表示傾角的大小，線段越短表示傾伏角越大．Fig.5 Spatial distribution characteristics of stress field in two stagesThe red line represents the result of the background stress field in the first stage, and the green line represents the result of the disturbance stress field in second stage； The length of the line segment indicate the size of the plunge， the shorter the line segment，the larger the plunge.

3 地震活動及動力學機制

應力是地震的直接動力來源，應力場時空變化與地震活動密切相關，因此我們又研究了日本9.0級地震前后郯廬斷裂帶中南段及周緣中強地震活動特征，分析了構造應力場演化和地震活動之間的關系，探討了一系列中強地震的動力學機制.

圖6a中的紅框為2000—2017年郯廬斷裂帶中南段及周緣記錄的所有地震空間分布圖，圖6b是2000—2017年郯廬斷裂帶中南段及周緣地震月頻度圖和中強地震M-t圖，為了反映地震活動動態變化過程，采用了3月累計和1月滑動進行統計頻度.由圖6b可見，2000—2008年3月累計頻次均值僅為90次(圖6b中藍色虛線框)，自2009年開始地震活動頻次明顯增加，2009—2017年3月累計頻次均值升高至440次(圖6b中紅色虛線框)，特別是2013年底至2015年底地震活動尤為頻繁，在此期間乳山震群和霍山震群持續活動.地震活動顯著增強過程中，中強地震活躍(圖6b)，先后發生了2011年1月12日黃海MS4.8，2011年1月19日安徽安慶MS4.5，2012年7月20日高郵—寶應MS4.9，2013年4月21日黃海MS4.9和2014年4月1日山東榮城海域MS4.6地震等一系列中強地震(圖6a紅框內紅色圈)，地震活動明顯高于背景水平.

考慮到中國陸地東部不同程度受到日本9.0級地震影響，因此將包括郯廬斷裂帶中南段在內的中國東部地震活動作為一個整體進行了研究，圖6a中藍色框為中國陸地東部2000—2017年地震活動分布圖，圖6c為中國陸地東部頻度圖和中強地震M-t圖.由圖6c可見，中國陸地東部自2009年地震活動顯著增強，由此前的3月累計頻次470次上升至1380次(圖6c中藍色虛線框和紅色虛線框)，2014年以后高頻次主要是唐山和海城2個老震區爆發活動造成的，老震區復活現象在近年來是較為少見的，這也反映了大范圍構造應力環境發生了顯著變化.中國陸地東部在此過程中共發生了15次中強地震，地震能量呈明顯加速釋放狀態.

圖6 郯廬斷裂帶中南段和中國東部地震活動(a) 2000—2017年記錄到所有地震震中分布圖； (b) 郯廬斷裂帶中南段地震頻度和中強地震M -t圖； (c) 中國陸地東部地震頻度和中強地震M -t圖．藍色虛線框為地震低頻次時段，紅色虛線框為地震高頻次時段；黑色虛線為MS≥4.5地震活躍時段；紅色實線表示2011年MW9.0地震發震時間．Fig.6 Seismicity in central and southern segment of Tan-Lu fault zone and Eastern China(a) The distribution of earthquakes recorded from 2000 to 2017； (b) The M -t map of earthquake frequency and moderate earthquakes in central and southern segment of Tan-Lu fault zone； (c) The M -t map of earthquake frequency and moderate earthquakes in Eastern China．The blue dotted box indicates the low frequency period of earthquake, and the red dotted box indicates the high frequency period of earthquake； The black dotted line indicates the active period of MS≥4.5 earthquakes； The red solid line indicates the occurrence time of the 2011 MW9.0 earthquake.

地震活動特征顯示，郯廬斷裂帶中南段與中國陸地東部地震活動存在同步特征，按地震時序特征可以細分為三個階段：第一階段為日本9.0級地震前2年左右，地震活動性顯著增強，明顯高于背景水平，9.0級地震前2個月，先后發生了2011年1月12日黃海MS4.8和1月19日安徽安慶MS4.5地震；第二階段為9.0級地震后13個月內，地震頻次相比于9.0級地震前略有回落，在此期間中強地震處于平靜狀態；第三階段為震后14個月開始，地震活動增強明顯，特別是老震區、震群活動顯著增強，中強地震頻發，地震能量釋放呈加速狀態，自2012年5月28日河北灤縣MS4.8地震開始，相繼發生了2012年7月20日高郵—寶應MS4.9，2013年1月23日遼寧燈塔MS5.1，2013年4月21日黃海MS4.9，2013年4月22日遼蒙交界MS5.3，2013年5月18日黃海MS5.1地震及2013年10月31日—11月23日吉林前郭MS5.8強震群(MS≥5.0地震5次)，一年多時間內共發生中強地震13次，是近十幾年來活動最為強烈的一段時間.2014年4月1日山東榮城海域MS4.6地震后，此輪中強地震集中活動趨于結束，但唐山和海城老震區、乳山震群、霍山震群等持續活動，中小地震持續活動時間長于中強地震.

綜合應力場動態變化過程和地震活動特征，分析認為日本9.0級地震的孕育和發生對研究區應力場產生了明顯擾動，應力場擾動導致地震活動增強.第一階段(震前14個月)：受到9.0級地震孕震后期影響，應力場發生擾動變化，背景擠壓應力場呈現出一定拉張作用，應力作用方式發生的變化致使地震活動頻次顯著升高，觸發了個別中強地震；第二階段(震后13個月內)：9.0級地震的發生，使中國陸地東部大范圍內受同震位移及震后應力松弛影響，呈現明顯張性效應，應力積累得到一定卸載，地震頻次有所回落，中強地震呈平靜狀態；第三階段(震后14個月之后)：應力場逐步由一定拉張作用回調恢復至背景擠壓作用下，打破了此前呈一定拉張作用下的相對平衡狀態，地震活動明顯增強，中強地震異常活躍，老震區爆發活動，直到再次達到平衡狀態，中強地震重新進入平靜狀態.地震活動與應力場變化在時間上具有較好的同步性，表明構造應力作用方式的改變是一系列中強地震的發生機制.Yu等(2016)研究結果也顯示2009年前后東北地區地震活動頻次升高，但以2011年3月11日為時間節點，認為9.0級地震前后頻次和能量釋放差異不大，而我們的研究顯示，2009年之后的地震活動的增強過程正是由于受到9.0級地震的影響，影響開始于震前，不僅限于地震后.

此外，如前所述，圖4中第一階段的19～20網格(2002年5月—2004年3月)應力場出現小幅波動，推斷這是受2003年8.3級地震影響所致.追蹤這個時段的地震活動發現，2003年前后中國陸地東部也同樣出現中強地震活動，地震能量釋放明顯加速(圖6)，其現象和機理與9.0級地震的影響有相似之處.

任雅瓊等(2012)通過國際MODIS地表溫度數據產品，研究發現2000—2011年12年間在郯廬斷裂帶北段的依蘭—伊通斷裂出現過兩次明顯的降溫現象，分別為2001年初和2010年初，認為降溫與斷裂帶拉張增強有關，兩次降溫異常后，斷裂帶及附近于2002年6月28日和2010 年2月18日分別發生7.3級(震源深度566 km)和6.9級(震源深度578 km)地震，兩次深源地震后1年左右，分別發生了2003年8.3級和2011年9.0級地震.從時間上看，兩次降溫、兩次深源地震與本文得到的應力場擾動存在一定相關性，兩次深源地震發生于應力場擾動開始階段.我們認為，斷裂帶降溫事件、東北深震、連續觀測資料異常、應力場擾動、地震活動增強等存在明顯相關性，均顯示了日本俯沖帶巨震孕震過程對遠場的中國陸地造成了明顯影響，也是太平洋板塊向歐亞板塊斜向俯沖的動力作用過程的體現.

4 反演結果穩定性檢驗

本文應力場結果是基于中小地震震源機制反演獲得，因此震源機制質量是影響應力場結果可靠性的關鍵因素.雖然隨著數據質量的不斷提高，可以得到更多、更可靠的中小地震震源機制解，但結果可能仍然存在一定的不確定性.在相同條件下，震級越大，解的可靠性越高，這是達成共識的，基于這點我們利用不同震級的地震震源機制解結果分別反演得到應力場，通過比較反演結果的穩定性，判定其可靠性.

考慮到震源機制解的數量在不同時期存在明顯差異，震源機制在空間上的覆蓋率好于時間上，且不同震級地震震源機制反演的空間網格結果便于比較，因此選擇在空間維度內進行反演結果穩定性分析.分別利用ML2.0、ML3.0和ML4.0以上地震震源機制解進行反演，反演參數設置同上，并給出了每個網格節點結果的不確定性.震級越大，地震樣本數量越少，得到的反演結果就越少，3個震級分別得到了50、38及9個網格應力場參數結果(圖7).由圖7a、7b及7c可見，反演結果除網格覆蓋存在差異外，反演結果較為穩定，僅是圖7a反演結果誤差在研究區東部個別邊緣網格誤差相對較大，這些網格主要分布在研究區邊緣的黃海海域，可能受小震震源機制解不確定性及樣本偏少等影響.

圖7 不同震級地震震源機制反演得到的最大主應力方向不確定性及最優解(a)、(b)和(c)分別為ML2.0、ML3.0和ML4.0地震震源機制反演得到的最大主應力方向不確定性分布圖； (d)為ML2.0、ML3.0和ML4.0地震震源機制解反演得到的最大主應力方向最優解疊加圖， 綠色為 ML2.0結果， 紅色為 ML3.0結果， 紫色為 ML4.0結果．Fig.7 The maximum principal stress direction uncertainty and optimal solution obtained from the focal mechanism inversion of different-magnitude earthquakes(a),(b) and (c) show the uncertainty distribution maps of the maximum principal stress direction obtained from the focal mechanism inversion of ML2.0, ML3.0 and ML4.0 earthquakes respectively； (d) The stacking map of the optimal solution of the maximum principal stress direction obtained from the focal mechanism inversion of ML2.0, ML3.0 and ML4.0 earthquakes， the green is the result of ML2.0, the red is the result of ML3.0, and the purple is the result of ML4.0.

為了更為直觀地比較不同震級反演結果的差異性，我們將3個最大主應力最優解用不同的顏色同時繪于圖7d中.由圖7d可見，絕大多數空間網格最大主應力最優解差異很小，3個結果基本重合，僅個別網格差異略大，這表明了利用不同震級數據反演的最優解結果是穩定的，由大量的中小地震震源機制解可以反演得到較為穩定可靠的應力場結果.

5 結論

本文利用大量震源機制解，采用阻尼應力張量方法，反演了郯廬斷裂帶中南段及周緣構造應力場時空特征，重點分析了日本9.0級地震前后應力場發生的階段性變化，探討了日本俯沖帶大震、構造應力場與地震活動之間的內在關系.

日本9.0級地震對郯廬斷裂帶中南段及周緣構造應力場產生了明顯擾動，擾動開始于震前14個月，結束于震后13個月，共持續2年多時間.擾動表現為應力結構及應力方向發生變化，以擠壓為主的背景應力場呈現出一定的拉張作用，且最大主應力方向發生小幅偏轉.

應力場擾動變化過程中，地震活動顯著增強，中強地震叢集活動，應力場態變化與地震起伏活動具有明顯相關性，并先后呈現出3個階段.構造應力作用方式的階段性改變是地震活動增強和一系列中強地震發生的動力機制.

本文結果較好地反映了研究區受日本9.0級地震同震位移及震后應力松弛影響過程，還揭示了9.0級地震孕震后期已經對郯廬斷裂帶中南段及周緣產生了顯著影響，地球物理場資料異常、深源地震、斷裂帶降溫等也證實了這一影響.多學科觀測資料的相關協同變化，反映了日本俯沖帶大震孕育和發生過程對中國陸地東部有著顯著影響，影響的動力過程和動力機制十分復雜，揭示了太平洋板塊和歐亞板塊的相互作用過程對中國陸地從地表到上地幔以及地幔過渡帶的結構和物性都產生著強烈影響(朱日祥等，2011).

致謝劉紅桂研究員給予了指導，崔效鋒研究員、王敏研究員提供了重要資料，蔣長勝研究員、吳晶博士提供了寶貴建議，阮祥高級工程師、張帆高級工程師、趙小艷副研究員、王維高級工程師、毛培同志提供了幫助，審稿專家提出了寶貴意見和建議，在此一并表示衷心感謝！