日本俯冲带地震发生过程的数值模拟研究

了解地震发生的动力学机制是研究地震发震原因的关键,而数值模拟的方法是高速、有效的手段.2011年3月11日日本东北部宫城县发生9.0级大地震,文中以该次大地震所在的日本俯冲带为研究对象,通过使用黏弹性有限元数值模拟,并引用接触对,建立了研究区二维数值模型,模拟俯冲带与上覆板片之间的滑动、黏滞到再滑动的过程,亦即断层失稳发生地震的过程.模拟结果显示,随着太平洋板块不断俯冲,在俯冲带上自发出现了断层闭锁、解锁到再闭锁的黏滑过程,且这种过程呈现一定的准周期性,大事件主要集中分布在20～30km的深度范围内.根据俯冲带可能在俯冲过程中角度的变化,建立了不同的模型,进行模拟对比研究,结果表明,俯冲带的几何形态,以及俯冲角度变化所在的不同深度,对模拟的结果有不同的影响.

日本俯冲带应力产生与传播的数值模拟

用三维有限元模拟了日本地冲带，分析了板块推力、板块拉力、动态闭锁断层和解耦板间地震对上覆板块内部应力状态的贡献，表明大洋板块推力是海沟。岛弧地区挤压应力的主要来源，这种应力仅有小部分传播到上覆板块内部，软流圈的蠕变能促进这个应力传播过程使岛弧区的应力增大，由密度差异引起的板块拉力产生了分散的挤压应力和拉张应力。断层闭锁导致应力局部集中，板间地震的断层错动只对破裂附近小范围的应力状态产生影响。

俯冲带断层粘滑运动机制数值模拟研究——以日本俯冲带为例

在新生代，西太平洋岛弧和边缘海地区已成为强烈的构造活动区。至晚第三纪以来，在西太平洋岛弧带上还发生了强烈的火山作用。在西太平洋岛弧的外侧发育着地球表面上最深的地沟带，即深海沟带。西太平洋板块向西俯冲，在日本海形成俯冲带，称为日本海俯冲带。日本俯冲带构成了西太平洋边缘俯冲带的重要组成部分。该俯冲带处于环太平洋火山地震带上，地质构造复杂，地震活动频繁，地震发生数量占全球20％。

利用地方震、远震走时和面波数据联合反演日本俯冲带P波和S波层析成像

通过最新收集的大量高质量的地方震和远震事件的到时数据进行联合反演,我们确定了日本俯冲带约700km深度的P波和S波速度层析成像。我们还使用远震瑞利波的振幅和相速度,确定了日本及其附近海域下方20~150s周期基阶瑞利波的二维相速度图像。研究区精细三维S波层析成像可通过地方震和远震事件的S波到时,及瑞利波相速度数据进行联合反演得到。我们的反演结果揭示:一维原始速度模型中,俯冲太平洋板块和菲律宾海板块呈现明显的高速区。在板块上方的地幔楔和太平洋板块下方的地幔中存在显著的低速异常。俯冲板块和周围地幔之间速度有明显的差异,表明温度、水含量和/或部分熔融程度有显著的横向变化。地幔楔低速异常是由板块脱水作用和地幔楔拐角流造成。在日本东北太平洋板块下方显示片状的低速区,这可能反映了地幔深部热上涌以及地幔柱软流圈的俯冲作用。我们的结果表明不同的地震数据联合反演,对于得到地壳和地幔可靠的层析成像图像是非常有效和重要的。

日本海沟俯冲带热结构与深源地震

本文利用有限差分方法,计算了全地幔对流模式和双层地幔对流模式下日本海沟俯冲带热结构、浮力及P波速度异常分布,基于亚稳态橄榄石相变模型推测亚稳态橄榄石的存在范围,同时分析了热传导系数、热膨胀系数和热源对俯冲带热结构的影响,以及俯冲带所受浮力与俯冲带形态的关系.结果表明,双层地幔对流模式下模拟的P波速度异常分布与层析成像结果更为相符,也与深源地震的分布有较好的相关性.板块内部亚稳态橄榄石的存在范围随热传导系数和热膨胀系数的减小而增大,同时忽略相变潜热和剪切生热的影响也会造成模型所预测的亚稳态橄榄石范围偏大.俯冲带所受负浮力在400km深度附近达到最大值,亚稳态橄榄石的存在使负浮力逐渐减小,甚至在板块内部产生正浮力,不利于俯冲带穿透660km相变界面.

东北俯冲带深源地震的余震检测及定位

西太平洋板块向欧亚大陆板块俯冲（常称为日本俯冲带）经日本海沟向东插人中国东北大陆下方约600km深度并达到中国东北的珲春附近,造成东北地区深源地震活动频发.东北地区作为中国唯一的深源地震区,也被称为中国的深震“试验场”,是研究深源地震的理想场所.

2011年5月中俄边界深震震源机制所展示的太平洋板块俯冲动力作用

太平洋板块向欧亚板块俯冲（常称为日本俯冲带）经日本海沟插入中国东北大陆下约600km深处，到达吉林珲春一带，造成东北地区频繁发生深震活动。不少研究认为，太平洋板块俯冲是中国东北及邻区岩石圈减薄和伸展作用的重要动力来源。

日本地壳大地震的位置及成因的证据

1885～1999年的115年间日本地壳中的大地震(震级5.7～8.0,深度0～20 km)发生在由地震层析成像揭示出的低速区及其周围。低速区可能代表孕震地壳的薄弱部分。地壳弱化被认为与该区内太平洋板块和菲律宾海板块的俯冲密切相关。沿火山前沿及弧后区的地壳弱化可能是由活火山及岩浆房造成的。在弧前区,在地震震源区探测到了流体,这种流体可能会促使地壳弱化和破裂成核。流体可能与俯冲的菲律宾海板块的脱水作用有关。这些结果表明,地壳中的大地震并非在什么地方都会发生,而仅发生在用地球物理方法可能会探测到的异常区内。

2011年5月中国东北M_w5.7深震的非同寻常震源机制:区域波形反演与成因探讨

本研究利用中国区域宽频地震台的波形数据,应用gCAP(generalized Cut And Paste)方法反演了2010年2月18日和2011年5月10日中国东北中俄边界附近发生的两个深震的矩张量解,与全球地震矩张量测定机构的结果对比分析,证实了2011年5月深震具有显著的补偿线性单力偶矢量(CLVD)成分,表明基于区域波形资料的gCAP反演可获得较可靠的深震震源机制结果.结合研究区1977—2010年的深震震源机制数据反演确定的日本俯冲带前缘的区域应力场方向,分析认为2011年5月深震的非同寻常震源机制,可能是由于日本东北近海Mw9.0地震造成南东东向拉张应力的变化而造成的,属于日本俯冲带动力作用过程中的响应活动.