温度测量结果表明日本东北地区近海断层存在低速同震摩擦＊

P M FultonE E BrodskyY KanoJ MoriF ChesterT IshikawaR N HarrisW LinN EguchiS Toczko343，343T和KR13－08勘查队科技人员

1）Department of Earth and Planetary Sciences，University of California，Santa Cruz，CA，USA

2）Disaster Prevention Research Institute，Kyoto University，Kyoto，Japan

3）Center for Tectonophysics，Department of Geology and Geophysics，Texas A＆M University，College Station，TX，USA

4）Kochi Institute for Core Sample Research，Japan Agency for Marine－Earth Science and Technology，Kochi，Japan

5）Oregon State University，Corvallis，OR，USA

6）Center for Deep Earth Exploration，Japan Agency for Marine－Earth Science and Technology，Yokohama，Japan

温度测量结果表明日本东北地区近海断层存在低速同震摩擦＊

P M Fulton1）E E Brodsky1）Y Kano2）J Mori2）F Chester3）T Ishikawa4）R N Harris5）W Lin4）N Eguchi6）S Toczko6）343，343T和KR13－08勘查队科技人员

1）Department of Earth and Planetary Sciences，University of California，Santa Cruz，CA，USA

2）Disaster Prevention Research Institute，Kyoto University，Kyoto，Japan

3）Center for Tectonophysics，Department of Geology and Geophysics，Texas A＆M University，College Station，TX，USA

4）Kochi Institute for Core Sample Research，Japan Agency for Marine－Earth Science and Technology，Kochi，Japan

5）Oregon State University，Corvallis，OR，USA

6）Center for Deep Earth Exploration，Japan Agency for Marine－Earth Science and Technology，Yokohama，Japan

摘 要断层在滑动时的摩擦阻力控制了地震动力学。地震期间摩擦过程释放热量。因此，地震后的断层温度反映了摩擦程度。日本海沟快速钻井项目（Japan Trench Fast Drilling Project，JFAST）（综合海洋钻探计划（（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）343和343T勘探）在2011年3月日本东北地区近海MW9.0地震16个月后，在海沟附近的断层带上钻孔安装了钻孔温度观测仪，该断层带在地震中滑动了约50m。运行9个月后，回收了全部的传感器组。结果发现板块边界断层的异常温度为0.31℃，相当于地震时每平方米释放了27MJ热量。该研究结果的表面摩擦系数0.08明显小于大多数岩石的静态值。

中图分类号：P315；

文献标识码：A；

doi：10.3969/j.issn.0235－4975.2015.08.002

收稿日期：＊2014－06－26。

断层上的地震破裂传播和滑动过程在动态剪切阻力的影响下变得较为缓和。任何完整的地震孕育模型都需要量化的剪切应力，这是很难测量的。历史上认为，地震时的剪切应力几乎与其静态摩擦力相当，但是，最近的实验室研究和野外观测已经对这种假设持怀疑态度[1－2]。直接测量地震应力的大小受到挑战，因为地震测量只能记录到应力变化。

快速响应钻探提供了解决方案[3]。因为滑动时的摩擦应力导致热量释放，大地震之后不久的地下温度测量能记录到断层上的温度增加和降低。如果断层上的滑动量已知，那么利用热量观测可以推断摩擦剪切应

力[4－5]。2012年7月15日，作为日本海沟快速钻井项目（JFAST）（综合海洋钻探计划（IODP）343和343T勘探）的一部分，我们在日本海沟的板块边界断层带（C0019D钻孔）安置了海底温度观测仪（图1），该站点通过对沿断层走向相距约30m的两个毗邻钻孔（钻孔C0019B和C0019E）的测井和岩芯采样进行测量（补充文档）[6]。深海钻探船Chikyu（地球号）实施了该方案，在6 900m水深的地方进行钻探并安装了观测仪，使其成为最深的海洋钻孔观测站。观测站由一组55个精度约为0.001℃的温度传感器数据记录仪组成，并完全装入直径4.5英寸的钢管，沿钻孔延伸到海底（图1）。还安装了数十个精度在1kPa以下的压力计，用于控制传感器深度。

图1　观测站由55个温度传感器数据记录仪组成，用绳子固定安装在直径4.5英寸钢管内通向海底，且在底部安装了单向阀防止流体侵入观测站配置（本文所有图件均为彩图）

2013年4月26日，日本海洋地球科学和技术局深海研究船（R/V）Kairei（海岭号）利用远程操作车辆Kaiko7000Ⅱ回收了观测站传感器组。所有的55个传感器和加重抽油杆从海底以下最大深度达820.6m处回收。观测站的水深比邻近岩芯采样和测井钻孔深约8m，由于断层深度与海底相关，因此，认为它要比测井和岩芯采样的观测稍浅一些。这次成功的观测意味着在主震后的16 ～25个月内，钻孔处的震后滑动或分布变形可以忽略不计。

温度数据显示，在海底下650～750m区域内存在26.29±0.13℃km－1的背景地热梯度，结合此区域内的热导率1.16± 0.09Wm－1℃－1，得出垂直热流值为30.50 ±2.52mW m－2（补充方法）。温度从海底下812m到820m底部相对此背景梯度几乎上升了0.31℃（图2）。这是数据集中最大的温度异常，且集中在海底地层819m处，该岩层估计是滑脱构造断层带[6－7]。

我们认为，温度异常来自于2011年日本东北地区近海地震摩擦产生的热量。该异常信号比之前在地震后跨越断层进行摩擦热量快速响应测量的结果要大[4－5]，且随时间变化，因此，其瞬变现象也很明显。温度数据记录了2011年日本东北地区近海地震的背景地热、摩擦产生热量的衰减特征以及由钻孔及水文过程产生的瞬变效应。在实验中，低温度与早期背景地热相关，这些表明在钻探期间的水循环效应和观测站安装时的平衡效应（图2）。因为与断层上摩擦产热的平面或平板热源相比，钻井干扰的热源为线源且其特有的扩散时间更短暂，所以可以在9个月的观测实验期间测量断层摩擦产生的热量[8－9]。

将温度数据与断层滑动时的应力结合起来，我们模拟了在钻井干扰和摩擦产热的联合作用下，随着时间的推移温度场的演变，同时发现地震期间热量释放的模拟值与实测

值符合最大归一化互相关性（补充文档和图3）。参数值受到单独钻探和材料属性数据的约束（补充文档和表S1）。

（a）海底下650m深的时空分布图。黄点表示传感器位置，每行表示相应的传感器数据。每列代表除去平均地热背景后的日均温度（补充文档）。虚线表示2012年12月7日日本标准时间17：18：30发生的MW7.4地震。2012年9月22日，在海底下818.51m深处的传感器出现问题，因此，该行的后续数据通过利用传感器上与传感器下1.5m处的数据进行内插获取。此外，缺数据集的时段用白色显示。海底下700～781m的传感器，设计利用1Hz采样率仅进行为期2.5周的记录。图S1中包括了5个间距大深度浅的传感器数据。（b）利用两个月间隔的实验方法得到5个时间点的残差温度深度剖面（如不考虑地热背景条件）。图2　a中标明了与垂直刻度线相应的时间。与图a相比，Y轴延长至海底下740m处。在8月相对低温时可以看出钻孔干扰的影响图2　海底残差温度场

（a）图2　a中的放大图显示2012年8月1日～12月6日板块边界附近的残差温度异常。（b）从受断层深度约束的模型反演得到的模拟残差温度结果。图S4显示不受断层深度约束的类似反演结果图3　推测的滑动带附近的残差温度时空分布图

从较大深度范围的反演探测中发现，摩擦边界的最佳位置在海底之下821.3m处，位于平均海平面之下7 718.8m（从7 717.8 到7719.6m，90%的置信区间（confidence interval，CI）；补充文档和表S2）。反演探测中断层位于最深数据记录器之下，因为预测的温度异常范围要求延伸至地热属性均匀的深度。然而，由图2数据所知，温度异常的峰值出现在最深温度传感器之上，异常范围可能由地热属性结构决定，而该地热属性结构并不包含在我们设计的模型中。如果我们设置反演条件，将断层位于最深传感器之上的温度峰值附近，最佳位置应在海底之下819.8m（海平面之下7 717.3m）处。不论何种情况，从观测站钻孔的摩擦产热或从钻探时的钻速都能推测出断层深度位于坚硬的角岩之上。从温度数据推测，断层与附近岩芯和记录钻孔所示的板块边界断层位于同一地层水平[6－7]。

深度约束反演结果表明，沿板块边界的地震在发生期间，释放的摩擦热量集中在27MJ/m2附近（19～51MJ/m2，90%置信区间）（图3）。温度观测的无约束反演显示，集中在31 MJ/m2（20～69 MJ/m2，90%置信区间）（图S4～图S6）。在这两种情况下，沿着海沟的最大滑动带释放的能量[10]与地震空间平均辐射能量6～17 MJ/m2相当[11－12]（补充文档）。

对断层周围正温度异常的两种解释包括局部降低的导热系数效应或是由流体渗透断层带而产生的热对流。然而，根据观测到的异常的大小和范围，认为这些异常不可能是由导热系数差异引起的；在约20m带内的高地热梯度要求导热系数为0.73Wm－1℃－1，与从可比间距内的钻孔C0019E中的岩芯采样测量值1.14±0.07Wm－1℃－1形成对比。在断层带没有大幅度下降，位于海底之下829m的传感器组之下（图S2），传感器覆盖范围贯穿上盘与下盘之间，测量结果表明，在角岩中能快速增加到1.40±0.19Wm－1℃－1前相对均一的值。假设组成相似，0.73Wm－1℃－1这样的值可能需要80%～86%的体积孔隙率。即使断裂带以裂缝为主，超过几十米大的孔隙率，是不可能的也不会得到钻孔数据或相邻钻孔岩芯数据恢复的支持。

从海底之下784m处的观测可以发现，流体在断层导水管中流动也会导致正的温度异常（图2）。地震后摩擦产热信号的流体效应通用模型已经表明，很大的流速必须要由高渗透率（大于10－14m2）和超高压两种条件相结合才能产生[9]。电阻率测井和长时间钻井异常衰减时间均表明，在海底之下784m处存在高渗透率[13]（图S9）。研究推测，海底之下765m，800m和810m处存在最易受到瞬时钻井干扰的高渗透率带。

这些高渗透率的标志没有出现在海底之下约820m深处推测的滑动带上，补充的孔隙流体化学数据证实沿着板块边界存在少量流体流动（补充文档和图S9）。2012年12月7日的一次局部大地震后，海底之下784m处突然出现异常冷却，而海底之下763m的高渗透率区则升温，这与由2012年12月地震的直接应力或渗透率变化效应驱动的向上传播的流体脉冲相一致，这次地震改变了流体的正常流动路径[14－15]。这种解释与这一期间的钻孔影像相一致，钻孔影像表明陡倾斜结构有助于流体的垂直运移[13]。在推测的流体对流期间，这些渗透带的空间相关温度变化在流动速度上表现为间歇式波动。如此大的波动在滑脱构造里并未观测到。在海底之下784m，每日到每周变化的标准差大致为100%，大于12月地震前的滑脱构造值，地震后在海底之下763m的值比之前增大了60%（补充文档）。

为进行滑动带厚度的合理估计，地震后

进行的温度观测时间是跨越滑动带的特征扩散时间的许多倍。因此，因摩擦产热而造成的测量温度异常不受滑动带厚度和滑动持续时间的影响，也不受这些参数的直接约束（补充文档）。然而，通过假设滑动时间≥50s，滑动带厚度≥1mm，我们估计该点滑动带的最大峰值温度＜1250℃（补充方法和图S7）。

地热本身也会约束断层带的长期综合能量释放[16－17]。测量的传导垂直热流30.50± 2.52mW/m2与俯冲带地热模型相一致[17]，这种模型很少或根本没有长期位移平均耗散能量以热量形式沿着板块边界释放。

地震参数耗散能受温度数据约束。然而，室内实验和理论模型经常基于摩擦系数来确定。对于断层内总计为50 m的滑动[10]，在地震期间平均剪应力为0.54MPa，最佳估计的局部耗散能量为27 MJ/m2。将我们的研究结果与其他研究做对比，我们基于断层深度、静水压力和测量的岩石密度，假设有效正应力为7MPa，推测等效同震摩擦系数（补充文档）。结果表面摩擦系数为0.08。这个结果是“表面”，因为有效正应力是从孔隙压力和断层倾角来推断估计的（补充文档）。剪应力和视摩擦系数都很低，它们代表地震时的平均位移，与从日本海沟板块边界断层物质的高速（1.3m/s）摩擦实验确定的值一致[18]。

滑动时的平均剪应力为0.54 MPa，表面摩擦系数为0.08，均受到日本东北地区近海地震后约1.5年内测得的摩擦热异常的约束，这些均表明要么在整个地震周期中，断层上的摩擦非常低，要么在JFAST实验点接近总应力释放[19－20]。滑动期间非常低的剪切阻力可能有助于解释导致毁灭性海啸的浅层大型滑动现象。

补充资料网址：http：∥www.sciencemag. org/content/342/6163/1214/suppl/DC1

文献来源：Fulton P M，Brodsky E E，Kano Y，et al.Low coseismic friction on the Tohoku－Oki fault determined from temperature measurements. Science，2013，342（6163）：1214－1217.doi：10. 1126/science.1243641

（福建省地震局 王 林 译；黄宏生 校）

（译者电子信箱，王林：wl＿0117@163.com）

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certainty due to fluctuations of the ship’s absolute elevation，flexure of the 7km of drill stand，borehole deviation，layer－thickness variations，and fault dip

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