东京大学地震研究所地震预测研究中心当前开展的重点研究项目＊

东京大学地震研究所地震预测研究中心当前开展的重点研究项目＊

1 日本岛弧的变形

该项目旨在通过可控源地震剖面法来确定地壳的精细结构,以及与之相关的断层构造,并通过整合多方面地质与地球物理资料来最终确定日本弧的变形过程。

正如在第七个地震预测五年计划中提出的那样,东京大学地震研究所地震预测研究中心(以下简称EPRC)使用受控源研究了日本列岛下方的地壳结构。该项目每年具体的实验方案由爆炸地震学研究小组策划,并由一群遍布全国各地的大学和科研机构的研究人员实施,其中EPRC发挥了主导作用。选定的试验场有:九州东部、日本南部(1994)、1995年神户地震余震区(1995)、九州东部(与1994年实验相同的剖面)(1996)、本州北部(一条横跨日本弧东北部的剖面线)(1997)、以及本州北部脊梁山脉地区(1998)。为了得到在有限的预算下地壳结构的高分辨率图像,1994年和1996年的实验在九州东部的同一剖面线上进行。由于1995年神户地震巨大的社会影响,1995年实验目标区设定为其余震区。这个实验不仅得到了地震预测项目支持,也得到了政府补充预算的资助,这使我们能够开展密集的地震调查工作,包括地震反射和折射广角反射勘测。

基于地震预测国家项目报告,1997年和1998年实验的主要目标确定为通过多学科方法解释岛弧地壳以往的变形过程,这对认识包括大地震孕育过程的岛弧地壳动力学来说尤为重要。1997年的实验目的在于揭示日本弧东北部大尺度的地壳结构,而1998年的实验目的是对日本弧东北部脊梁山脉的小规模地壳不均匀性进行成像。通过结合这些相继的实验,预计会呈现出一个岛弧地壳与上地幔的新图象。这一系列实验的结果显示出了增生杂岩内精细的速度结构,并透露出九州岛的下地壳结构的不均匀性。特别是在臼杵-八代构造线南30～40 km、深20～30 km处还发现了几个强反射体。还揭示了包括余震区下边界的几乎所有速度模型。最令人印象深刻的发现是在初始破裂点周围存在着20%的低速异常。较强的反射体在10～13 km深度以下存在。

对从1997年和1998年实验得到的地震数据正在进行深入的评估,所得结果显示由侏罗纪增生杂岩形成的本州岛弧前侧的上地壳波速相当高(6.0～6.1 km/s),且在其下方形成了一个很好的反射下地壳。本州岛弧后端的特点是剧烈的上地壳变形和低的上地壳波速(5.8～5.9 km/s),这些可能会记录到日本海中新世开裂过程。本州下部的莫霍面不连续性并不是很显著,这可能表明了在上地幔和下地壳间存在一个过渡带。

2 活动断层构造

EPRC自1997年以来就对活断层进行了研究。由于破坏性的内陆地震往往生成于孕震层底部附近,所以揭示从浅部到孕震层1997至1998年在九州地区完成。其数据和模型分析由EPRC制作完成。底部的整个断层结构,对于阐明破坏性地震形成的可能机制,从而推断出破坏性地震的损害是至关重要的。因此,使用非常浅(至地壳尺度)的地震反射剖面法对活动断层的整体结构进行了研究。1997年和1998年完成的横跨本州北部欧脊梁山脉(Ou Backbone Range)由深到浅的地震反射剖面,揭示了整个活动断层系统的几何结构和连通性;Ou山脉的冲起构造的特点是,两边都被逆断层包围约束,中地壳分离,且下地壳呈薄层状。

作为与几个大学的联合研究项目,浅层地震反射剖面绘制横跨了多个活动断层:新庄盆地东部活动断裂体系,Yufutsu隐伏逆冲断层(1997),Negor断层和Gofukuji断层(1998)。新庄盆地东部剖面揭示了隐藏在活动褶皱下近水平的主断层,表明这些活动褶皱是作为断层扩展褶皱产生的。最新发现的Yufuts隐伏逆冲断层地震剖面清楚地显示出由隐伏逆冲断层运动形成的断层弯曲褶皱的活跃增长。EPRC也进行了地表活动断层研究,例如,对与1998年雫石(Iwate-ken Nairiku Hokubu)地震相关的地表破裂进行了调查,以描述地表位移和形变。

3 电阻率结构与电磁观测

为了确定日本列岛之下电性的三维结构,并观察短周期地震电磁前兆,EPRC一直积极参与到电阻率测量和电磁观测的研究项目中。大部分野外观测是在与国立大学合作下完成的。其中项目之一是通过网络M T法使用较长的电话电缆进行电阻率勘察,这被用于确定日本列岛下的电性三维结构(第七届地震预测计划)。这些调查分别于1994至1996年在东北、四国和关西地区完成,

EPRC参与的另一项合作项目是关于1995年阪神地震(M 7.2)断裂带区域附近的电磁观测。地震发生后,我们立即测量了总场强度和自然电位,并利用一个向下穿透Nozima地震断层的钻孔做了电阻率测深。在1994年,对1968年Ebino群发性地震(最大震级6.1级)的地震活跃地区或震源区域,在1996和1997年,对1984年长野西部地震(M 6.8)活动断层附近,在1998年横穿San-ya断层(1986年Riku-u 7.2级地震的地表断裂之一),分别做了电阻率测量或宽频带M T测深。

1995年阪神大地震伴随有一些显著的电磁现象,在此之后,作为持续进行的地震预报计划的一部分,开始了一个以破解短期电磁前兆的产生机制为目的的研究项目。作为该项目的一部分,在北海道的东部和南部地区,我们进行了连续的电磁场测量,并使用M T法进行电阻率测深,这些区域几乎不受人工噪声干扰。

在伊豆半岛东部,我们也运行着一个质子旋进磁力仪的密集台网,并做着长基线SP测量。自19世纪70年代开始,那里就一直有异常地壳活动,包括群发性地震、地壳抬升,甚至是小型海底火山喷发。在伊豆小笠原岛弧上最活跃的玄武岩火山之一——M iyake-jima火山,使用AM T法做了电磁观测和电阻率测深。

4 海洋地震学

大地震常发生在汇聚板块边界,因此揭示汇聚型板块边界结构不均匀性是很重要的。关于地壳结构的研究已经在Nankai海槽、日本海沟、日本海东部和伊豆小笠原海沟进行,这些研究是在第七次地震预报计划的框架内,与其他大学合作完成的。在Nankai海槽有明显的地震活动分段现象,其中有一个地震段的边界位于Shiono Misaki峡谷,在峡谷下方,地壳结构是不均匀的。这个位置也正好是Tonankai-Nankai地震段边界。在日本海沟观测到反射波至的波形中有一个明显差异,这些地震波看上去是在俯冲板块边界处反射的,反射强度与地震非活动-活动区域相联系。这暗示出地震非活动层沿着板块边界连续滑动的可能性。在俯冲板块边界下的低速区也被识别了出来。

与海洋地震学相关的其他课题包括:海底电缆的科技利用、洋底倾斜仪的研发、折射层析成像、地震活动性研究,以及热液区的地震属性。利用GeO-TOC退役的海底电缆,第一台洋底电缆地震仪测点被安装在Izu-Bonine海沟的弧前斜坡2800 m深处。将这些数据和大学地震台网的数据相结合、并为IRIS做数据转换的工作已经开展。

对于发生在台站下方80 km处的MW6.4地震事件,观测到加速度计在同震和震后的改变。在同震阶段接近8 gals,在震后几个小时内的变化约为0.2 gal/hour,这种变化可能是由地震仪本身或者地面的倾斜运动引起的。这一观测表明,如果大于1微弧的前兆变化存在的话,就很可能探测到与大震相关的地壳变形前兆。

一种采用气泡传感器的新型洋底倾斜仪已被研制了出来,并在A buratsubo的land bolt得到了测试,结果显示出使用该仪器观测洋底倾斜的良好潜能。在折射层析成像中,需要计算二维或三维不均匀结构的射线路径和走时。我们发展了伪弯曲射线法和波前法来计算不均匀结构中的射线路径和走时,并将他们应用于地壳研究中的折射层析成像中。该方法还被应用于反射波至。在对Nankai海槽应用此层析成像方法时,使用有限差分法得到的理论波形与观测相当吻合。

通过与日本气象厅合作研究,我们分别在Akita附近、Kozu-Zenisu、Sanriku和Kikai岛附近开展了地震活动性观测,获得了这些地区的精确震源分布。对于Sanriku附近的地震,地震活动图像显示出在海沟轴线上存在着一个清晰的地震空区。在Kikai岛附近,余震活动性与一个俯冲海山相联系。对于提出的Akita东部地震空区,观测到小于3级的地震活动性与先前地震活动呈现出相类似的模式。在地震空区的海洋测深显示出梯形结构。这些表明在整个地震空区发生大地震的可能性较小。在Mariana海槽、TAG地区和Okinawa海槽等热液区的观测显示出在一个12小时的活动周期中较低的地震活动性和长周期(1—2分)压力变化。这一观测表明在火山口存在由潮汐引起的热液循环。

5 利用GPS的地壳动力学

大地震总是沿着大型断裂重复发生,复发过程包括随构造应力增强的弹性应变能累积、破裂成核、动态破裂传播和停止以及断层愈合。储存的弹性应变能中一大部分有可能产生一个大地震,并且只有当断层周围的介质中有大量的应变能积累时,大地震才会发生。从这个意义上讲,随构造应力增强的弹性应变能积累过程可看作是继发地震破裂的一个预备过程,因此,监测这一过程对于大地震的长期预测将是非常有益的。

GPS是监测各种尺度地壳形变的一个强大工具。在建设GPS西太平洋联合网络(Western Pacific Integrated Network of GPS)(超过十个台站)用以描述影响日本列岛及周围地区应变积累的板块运动的过程中,EPRC发挥了中心作用。结果表明了大洋板块的刚性运动以及沿会聚型板块边界的显著变形。与此同时,印度板块与欧亚板块碰撞的远程效应以及Nankai和马里亚纳海沟弧后扩张在最近也已经被发现。

以GPS高密度阵列并辅之以由国土地理院(Geographical Survey Institute)部署的全国GPS阵列网络,我们还研究了日本列岛的变形过程。日本大学GPS研究联盟(JUNCO)通过一个密集的GPS阵列监测了1995年阪神地震的震后恢复过程,其中EPRC发挥了核心作用。通过GPS监测阪神大地震区域的最终报告已经出版。在JUNCO的监督下,EPRC部署了伊藤区域GPS阵列。

一种使用GPS的新型海啸计已经研制成功。由于其精度大约为5 cm,如果与基站的距离小于10 km,那么海啸在到达海岸之前就可以被显著地探测到。EPRC加入了一个名为“GPS气象学”的新项目,起始自1997年,是科学技术厅的运作项目之一。该项目旨在将估计的日本GPS测点水汽值用于气象数值模拟,其结果被反馈到基线分析,以提高垂直定位精度。

6 地震引发过程的实验物理学

对于导致大地震的物理和化学过程的建模,关键是要清楚,在物理实质方面,在构造应力积聚最后阶段,当储存有足够的弹性应变能时,大规模的地震破裂是如何以及在什么条件下成核的。由于成核过程是随后高速破裂的必要组成部分,因此,理解成核过程的物理实质是建立一种科学方法,以监测导致不稳定动态高速破裂过程的关键环节。

我们研究的重点主要针对:①采用高分辨率实验室实验揭示破裂成核的物理本质,②建立以实验室实验为基础,控制地震发生过程的本构关系,③评估断层本构属性是如何受环境条件,如温度、横跨断层面的正应力以及断裂带中的孔隙水等的影响,④地震成核过程的物理建模,⑤在断裂中依赖尺度的物理量的物理度量。

为此,一个独一无二、最为先进的球形密闭高温高压测试仪器被开发和建造了出来。一系列的研究产生了丰硕的科学成果,并有助于拓宽科学视野,以理解剪切破裂是如何以及在什么条件下成核的。成核区的规模和持续时间被认为依赖于其尺度大小,并且已经证明利用起控制作用的本构关系,成核区的大小和持续时间可以得到一致的测量。成核区的临界尺寸Lc及其持续时间tc在很大程度上依赖于一个代表了破裂面几何不规则程度的特征长度lc,实验和理论分析均表明,Lc与tc都与lc成比例关系。这显示出,在光滑断层表面,达到高速破裂的抬升距离和持续时间较短;而在粗糙、不规则的断层表面,要达到相同的破裂速度,则需要一个较大的抬升。

同时也已经证明,断层的本质属性受到环境影响,尤其是在大地震易于成核的、对应于弹塑性转化机制的深度。一个地震成核的物理模型已经提出,这可以解释在成核过程中,前震活动是如何、以及在什么条件下诱发的。这将为建立一个科学的预测方法提供基础。

我们也探讨了岩石的力学破坏和其他物理化学现象,如孔隙流体流动,通过实验室实验得到的电磁和电位变化。这些相互作用在破裂成核期间可能会产生前兆现象。例如,已经发现,电势不但在主体失效时变化,而且也在破裂成核期间变化,为此,依据石英的压电效应以及基岩中的电压松弛,提出了一个量化模型用来解释电信号的产生原因。这些研究是在国际地震研究前沿计划框架之内,并与理化学研究所(RIKEN)合作完成的。

略)。

资料来源:东京大学地震研究所网站,网址:http:∥wwweprc.eri.u-tokyo.ac.jp/EPRC_E.html

(中国地震局地球物理研究所 马腾飞 马晓静 译)

(译者电子信箱,马腾飞:tengfeima.vip@gmail.com)

P315.7;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.07.006

2011-03-10。