日本东部内陆地区2011年大地震前后的应力状态与诱发地震＊

日本东部内陆地区2011年大地震前后的应力状态与诱发地震＊

通过反演震源机制数据，得到了东日本大地震前后日本东部内陆地区的应力场。地震前，在东北部（Tohoku），σ1轴呈EW方向，但在关东－东部（Kanto-Chubu）地区则呈NW-SE方向。地震后，在Tohoku北部和靠近磐城市（Iwaki City）的Tohoku东南部，应力场发生了变化，主应力取向大致等同于与地震相关的静应力变化取向。这说明地震前这些地区的差应力值小于1MPa。在Tohoku中部，虽然地震后加载的应力取向几乎逆转，但其应力场没有发生变化，说明那里的差应力值大大超过1MPa。在Kanto－Chubu，地震后加载了与背景应力方向近乎相同的应力，且应力场没有发生预期的变化。这可能就是Kanto-Chubu地区高地震活动水平的诱因。

引言

2011年3月11日东日本大地震（MW9.0）以后，日本东部内陆地区的地壳内除了发生一些普通余震外，诱发地震也显得异常活跃（如文献［1］）。地震时空图（图1）清楚表明主震后地震活动性发生了急剧变化：一些地方的地震活动突然增多，而另一些地方的则骤然减少。这说明由地震的断层滑移引起的静应力变化对内陆地区的地震活动模式产生了相当大的影响。诱发地震包括Iwaki及其周边地区明显的正断层型地震活动，Iwaki位于太平洋海岸附近福岛第二核电站以南～40km处（参见图1）。这种地震活动模式极不寻常，因为日本东北部（NE）内陆浅源地震大都呈逆断层型机制（如文献［2］）。除了这里的活动异常外，虽然整个日本东部的诱发地震活动分布很广，但距主震破裂区很远的Kanto-Chubu地区的诱发地震显得尤其活跃（图1）。

为了搞清是什么原因诱发了这种奇特的地震活动，我们研究了主震前后的应力场，并与静应力变化进行比较，由于这种变化特别大，所以即使是在内陆地区也并没有小到可以忽略不计。

1 东日本大地震前后的应力场

我们使用了陆地下方和日本海下方发生的浅源地震（＜20km）资料。所用的数据包括：①由Asano等［3］根据日本防灾科学技术研究所（NIED）的F-net和Hi-net数据的矩心矩张量反演估算出的震源机制解；②根据NIED的F-net数据的矩张量反演估算出的震源机制解，其方差缩减优于70%（http：∥www.bosai.go.jp／e／index.html）；③本研究利用Hardebeck和Shearer［5］方法根据P波极性估算出的震源机制解。我们所用的极性数据由日本气象厅（JMA）拾取，或从Hi-net和东北大学地震观测网的原始地震记录中拾取，其中东北大学的观测网包括一些临时台站。数据的时间段是从1997年到2011年7月。根据①、②、③得到的震源机制解数分别为563、136和2 417。①、②、③的震级范围分别为＞～4.0、＞～3.5和1.5－5.0。图2为震源机制解图，与地震前的逆断层型震源机制解相比，图中的走滑型或正断层型机制解有明显增多的趋势。这表明最小挤压应力已经由垂向转变为水平向。

图1 东日本大地震前后的浅源（小于20km）内陆地震活动。（a）东日本大地震以前（灰色点）90天和以后（红色点）90天中发生事件的震中图。绿色等值线示出Iinuma等［4］的滑移模型。美国地质调查局（USGS）的东日本大地震主震矩心矩张量解用一沙滩球表示。（b）主震前后180天中发生的浅源内陆地震时空图

图2 本研究中采用的东日本大地震以前（a）和以后（b）的震源机制解。逆断层、走滑断层和正断层分别用红、绿、蓝3色表示。断层根据Frohlich［6］进行分类

为了计算应力场，我们将Hardebeck和Michael的阻尼应力张量反演方法应用到图2中显示的数据中。该区被分成了间隔0.5°的网格，每一个震源机制解都被指定到最近的网格节点。基于模型长度与数据方差之间的权衡［7］，对于阻尼反演，我们选取空间阻尼参数es＝0.6。我们利用时间阻尼参数et＝0.6同时反演了主震前后的数据，这样一来就不会出现数据并不十分需要的明显的时间旋转。所得结果示于图3和辅助材料的图S1中。这些图表明，地震前的最大压应力轴（σ1）在整个区域都是近水平的。Tohoku地区的σ1呈E-W向，与板块会聚平行，而Kanto-Chubu则呈NW-SE向。Kanto-Chubu地区σ1的这种顺时针旋转可能缘于日本东北部与西南部之间的碰撞以及伊豆半岛与西南日本弧之间的碰撞（如文献［8］）。

图3 应力张量反演获得的东日本大地震以前（a）和以后（b）的最佳拟合σ1和σ3轴方向。σ1和σ3轴在每一个网格节点分别用红色和蓝色表示。棒条的长度与主应力轴的俯角相对应。图（b）右下角小框中的红条和蓝条表示用深度为10～20km的事件获得的G区震后最佳拟合σ1和σ3轴

地震后，Tohoku北部（图中的A、B、C区）以及Tohoku东南部Iwaki附近地区（G区）的应力场发生了重大变化；A、B、C区中的σ1逆时针旋转，方向为NE-SW，而G区的最小压应力轴（σ3）沿顺时针旋转，趋近板块会聚方向。然而，从Tohoku中部到Kanto-Chubu的其他地区的应力场没有发生重大变化。

2 与东日本大地震引起的静应力变化的比较

根据Okada的公式［9］，并利用Iinuma等的滑移模型［4］，对东日本大地震引起的静应力变化进行了估算。我们假设泊松比为0.28，杨氏模量为70GPa。估算得到的应力变化示于图4和补充图S2中。这些数字表明，Tohoku北部（A、B、C区）的σ1和Iwaki附近的σ3（G区）分别与地震后在这两个地区观测到的方向几乎一致（图3b）。这说明那些地区的诱发地震缘于取向不同于地震前的背景应力的静应力变化，进而表明地震前的偏应力值小于1MPa。

图4 东日本大地震引起的静应力变化的σ1轴（红条）和σ3轴（蓝条）方向，深度为10km。所采用的滑移模型据Iinuma等［4］。差应力分别用1.0、0.5和0.1MPa的等值线示出

静应力变化显示Tohoku中部的σ3（D、E、F区）呈EW向。而地震前后σ1的方向都为EW。这说明地震引起的应力变化对这些地区没有产生重大影响，也表明地震前的偏应力值比静应力变化大得多（大于～1MPa）。

在Kanto-Chubu地区（I—M区），静应力变化显示σ1的方向为NW-SE，大致与地震前观测到的方向相同（图3a正如所料，震后的应力场也几乎相同，说明那些地区的偏应力确实因为主震断层滑移而增大了。因此，虽然离主震破裂很远，但在Kanto-Chubu的这些地区依然观测到了不寻常的诱发地震活动。

在H区，与Kanto-Chubu的其他区一样，震前、震后σ1的方向均为NW-SE（图3），但静应力变化中的σ3方向接近EW（图4）。采用不同滑移模型［10］计算出的静应力变化（补充图2Sh中的三角形）显示，与在Kanto-Chubu的其他区一样，σ1大致呈NW-SE向，说明H区位于对滑移模型很敏感的地方。因此，H区的背景偏应力与Kanto-Chubu的其他区一样，可能也因为主震断层滑移而有所增大。

3 讨论与结论

我们估算了日本东部内陆地区地震前后的应力场，结果显示Tohoku北部和Iwaki附近地区的应力场在地震后发生了变化。

Wesson和Boyd［11］提出了一种估算偏应力值的方法，并对2002年Denali断层震源区的偏应力值进行了估算。如果地震后应力场发生了变化，我们就可以通过将地震前后的应力张量差视为等同于静应力变化，从而由最小二乘法估算出绝对偏应力张量［11］。我们遵照此法对偏应力值进行估算。估算使用了C区和G区，因为此处清楚地观测到了东日本大地震后的应力场变化。这里采用了Iinuma等［4］和Lay等［10］的滑移模型。结果列于表1，表中示出估算出的地震前后的差应力（σ1－σ3）。震前差应力值约为0.2～0.9MPa，震后约为0.8～1.6MPa。震后的这些应力（0.8～1.6MPa）被认为是那些区域内诱发地震的成因，因为这些数值似乎证实了一条弱断层的存在。

更确切地说，对于G区，震前和震后反演中所用事件的震源深度范围互相之间略有不同。地震前该区的事件发生在深度为10～20km的范围内，而地震后的深度范围更大，为0～20km。为了比较同一深度范围的应力场，利用震源深度为10～20km的事件进行了应力反演，结果示于图3b和补充图S1中。σ3的顺时针旋转变得更小了。地震前估算出的这种情况下的差应力值略微偏大了一些。

表1 估测的差应力值（MPa

正如前边所述，虽然地震后加载了近逆向应力，但Tohoku中部的σ1方向没有变化。我们用试错法估算地震前差应力值有多大，即使在添加了与地震相关的应力张量情况下，使σ1方向不发生变化。E区的结果（表1）显示地震前的差应力值起码大于～2.5MPa。将E区的结果与C区和G区的进行比较，结果表明地震前的最高差应力位于主震破裂最大滑移区以西的Tohoku中部。该结果也说明这些区域内的差应力发生了重大变化，这一点与Denali断层地震的情况类似［11］。

对偏应力值进行估算的几项研究也报道过剪应力值的数值很小，约为1～22Pa（如文献［11-13］），比本研究的数值略微大了一些。本研究的数值较小，可能部分源于估测误差。这里考虑了主应力取向的不确定性，并将其作为标准偏差示于表1中。这些不确定性的原因包括其他一些因素，例如最小二乘反演导致的不确定性［11］，这些因素没有被考虑在内。此外，本研究中的偏应力仅引起了一些小地震，震级最大为4.5（震级大于4.5的地震发生在G区，但其深度不超过10km），而从前研究中的偏应力引起了大地震，震级为7.3～9.0：这可能就是剪应力值的数值较小的原因。不管怎样，这些观测结果表明那些地方的孕震断层非常弱。

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

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

（中国地震局地球物理研究所 洪启宇 译；郑需要 校）

（译者电子信箱，洪启宇：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）