俞紅玉，陶 開，蔡 晨，張 浩，寧杰遠，王彥賓

北京大學地球與空間科學學院，北京 100871

1 引 言

2011年3月11日13時46分（北京時間）在西太平洋國際海域發(fā)生了里氏9.0級地震，震中位于北緯38.1°、東經142.6°，震源深度約10km.它是自有記錄以來日本島區(qū)域發(fā)生的最大地震.之后，在日本本州地區(qū)附近發(fā)生了一系列地震，其中不乏強震.這些強震大部分分布于日本本州島以東海域.

Honda等（1952，1957）通過研究發(fā)生在日本及其附近地區(qū)1927—1966年的地震震源機制解，發(fā)現(xiàn)日本海主壓應力的水平分量大致與 Wadati－Benioff帶走向垂直［1－2］.Nakamura和 Uyeda（1980）通過分析震源機制解、斷層的走向以及巖墻、巖床分布等資料，提出日本海地區(qū)東西向拉張應力場在7Ma停止，而擠壓應力場開始于1～2Ma，但近東西向擠壓應力隨著往西遠離海溝而逐漸減小［3］.盡管使用不同的資料和研究方法得到關于應力場何時轉變?yōu)榻鼥|西向擠壓狀態(tài)的結論并不相同，但是人們普遍認為現(xiàn)階段日本海地區(qū)處于近東西向的擠壓應力狀態(tài)［4－5］.

與此相應地，通過研究地震活動性及地震震源機制解特征，寧杰遠和臧紹先（1987）曾指出，中國東北和日本海的地震活動性都不強，震源機制解所揭示的主壓應力方向的水平投影基本一致，都大致沿著日本海俯沖帶的傾向，因此認為中國東北目前主要受太平洋板塊弱擠壓作用的影響［5］，并被后續(xù)研究所證實［6］.

動力學問題是由物質性質、初始條件和邊界條件決定的.邊界條件隨時間的變化直接影響著應力狀態(tài)和動力學過程.2011年3月11日東日本大地震這一自有記錄以來日本島發(fā)生的最大地震發(fā)生后，我們需要研究作為日本海或中國東北大陸動力學問題邊界的日本本州附近的邊界條件發(fā)生了怎樣的變化，需要研究其變化對日本海乃至中國東北地區(qū)的應力狀態(tài)的影響.基于如上考慮，本文將通過研究東日本大地震前后日本本州及鄰區(qū)地震的震源機制解特征，討論該地區(qū)應力狀態(tài)的變化.進一步地，我們將討論板間耦合對弧后盆地的應力狀態(tài)和演化的影響.

2 數(shù)據來源及可靠性檢驗

東日本大地震發(fā)生之后，我們首先收集了IRIS網站上提供的全球遠震臺站記錄的P波初動資料（http：∥www.iris.edu／hq）.與汶川地震不同，此次大地震序列發(fā)生在海溝附近且以小角度的逆沖為主，P波初動法無法有效地單獨約束此次大地震序列的震源機制解，因此本文分析中采用了哈佛大學CMT雙力偶解（http：∥www.globalcmt.org［2013－01－10］）.為了對CMT雙力偶解的可靠性進行評估，我們使用P波初動資料對其進行了檢驗.我們從IRIS網站上下載了從2011年3月1日至2011年4月13日，發(fā)生在日本島及其鄰近海域4.7級以上132個地震的15816條記錄.

檢驗的具體方法是：在波形記錄中讀取P波初動，然后將P波初動點投影到CMT機制解所劃分的不同象限，并計算P波初動按哈佛雙力偶解分區(qū)時所對應的矛盾比，此處根據P波初動求解震源機制解時使用了俞春泉等（2009）提出的方法［7］.我們發(fā)現(xiàn)，雖然P波初動本身很難唯一地確定震源機制解，但IRIS網站提供的波形數(shù)據至少有10條能明確讀出P波初動的65個地震中，按哈佛雙力偶解分區(qū)，大多數(shù)（80.65%）矛盾比在A類解的范圍內（如圖1（a—d）所示），其中2011年3月11日東日本大地震的震源機制解對照如圖1a所示，矛盾比僅為3%.少部分地震矩張量解在P波初動解的檢驗中沒有達到A類解的要求，這主要是由于兩種方法之間本身所代表的意義不同所致.P波初動法求解的是地震初始破裂時的震源機制，而雙力偶方法求解的是地震破裂過程整體的震源機制，這種差異使節(jié)面有小角度的旋轉，如圖1（e、f）所示，這種變化增大了矛盾比.

圖1 P波初動解與哈佛雙力偶解的比較標題為地震發(fā)震時刻，Ψmin為CMT解對應的矛盾比.我們使用下半球投影，“＋”表示P波初動為正，“－”表示P波初動為負.P和T分別代表主壓應力軸和主張應力軸的方向.紅線為雙力偶解，黃線為P波初動解的可選解簇.（a）為主震對應的檢驗結果，（b）、（c）、（d）為部分A類解的對比情況，（e）表示節(jié)面走向有小角度變化的情況，（f）表示節(jié)面傾角有小角度變化的情況.Fig.1 Comparison between P－wave first－motion and Harvard double－couple solutions The headline of each beach ball stands for the origin time of the earthquake.Ψminis the minimum weighted inconsistency ratio.Lower hemisphere projection is used.“＋”means the P－wave first－motion is up，“－”is down.Pand Tare the orientation of principal compressive stress and orientation of principal extensional stress，respectively.The red lines represent Harvard double－couple solutions.The yellow lines are the optional solution clusters of P－wave first－motion.（a）is for the main shock，（b）、（c）、（d）are for three other examples of type A focal mechanism solutions of CMT，（e）is an example of the CMT solutions with nodal planes rotating a small angle along the azimuth，（f）represents the nodal planes of a CMT solution with small rotation along the dip.

從以上的結果我們可以做出推斷，日本大地震的余震序列震源的初動和主破裂的錯動方向是基本一致的.后來，我們利用國家數(shù)字測震臺網的波形數(shù)據（Zheng等，2010）［8］進行進一步的檢驗，得到了一致結論.接下來我們在哈佛大學提供的雙力偶解的基礎上，進行地震序列的聚類和分析.

3 日本本州附近區(qū)域的震源機制解特征

3.1 震源機制解的聚類分析方法

根據俞春泉等（2009）提出的方法，我們對哈佛雙力耦解進行了聚類分析［7］.對震源機制解進行聚類時，本文將所有得到的符合條件的CMT解作為可選解，前兩個聚類中心是所有可選解中距離最大的兩個可選解，第三個聚類中心是與前兩個聚類中心距離之和最大的可選解，以此類推.把可選解分別歸入與之距離最近的聚類中心.然后，計算各類中所有可選解的平均解，作為各自新的聚類中心.重復上述步驟，直至得到一定個數(shù)穩(wěn)定的聚類中心.在我們的研究中，分四種類型已包含了絕大多數(shù)地震，而且每一類都有明確的特征，所以我們設置初始聚類中心個數(shù)為4，在圖2中分別用四種顏色表示.

3.2 震源機制解的聚類結果及分析

我們對由哈佛大學CMT網站處理得到的2011年3月11日至2012年3月15日期間發(fā)生在日本島及其鄰近海域4.7級以上共436個地震的矩張量解進行了聚類.圖2為這些地震的平面分布圖.不同顏色的震源機制解投影圖分別表示不同類型的地震，其中包括與主震類型一致的低角度逆沖型地震（紅色的震源機制球），近東西向拉張的正斷層地震（藍色），近南北向拉張的正斷層地震（綠色）以及以近南北向擠壓的逆斷層地震為主的其他地震（紫色）.圖中的黑色線段為與海溝大致垂直或平行的垂直剖面圖的位置.平行海溝走向的剖面共5條，位置如圖所示，間隔為40km，剖面長800km，投影寬度為剖面兩側各20km.垂直海溝走向的剖面共8條，位置如圖所示.除FF′距GG′剖面180km外，其余間隔為60km，剖面長750km，投影寬度為剖面兩側各30km.

圖2中的插入圖，有橙色和灰色兩種震源機制解投影圖.灰色的為2011年3月11日東日本大地震前10年間在日本本州附近地區(qū)發(fā)生的4.7級以上被CMT地震目錄收錄且提供震源機制解的地震，共387個；橙色的為大地震前1年間發(fā)生的地震，共61個.

2011年3月11日日本大地震為小角度的逆沖型地震，震中位于北緯38.1°，東經142.6°，處于余震序列的中心.由圖2可知，在其附近南北向延伸約300km的范圍內，幾乎沒有這一類型的強余震（這一點在下面的圖3中顯示得更為明確），而這一區(qū)域也正是2011年3月11日日本大地震發(fā)生前一年幾個同類型大地震發(fā)生的地方（如圖2的插入圖所示）.不過，在這個區(qū)域的西側以及南北兩側，聚集有大量該類型的余震.

對比該地區(qū)震前和震后的情況，不難發(fā)現(xiàn)，東日本大地震之后，日本本州以東地區(qū)的地震活動性明顯增強了.地震的震源機制解類型除了近東西向擠壓的逆斷層型地震，還出現(xiàn)了大量近東西向和近南北向拉伸的正斷層型地震以及沿海溝走向擠壓的逆斷層型地震，尤其是日本海溝東側的東西向拉伸的正斷層型地震非常引人注目.

圖3為不同類型地震矩張量解的平面投影圖.其中，圖3a為與2011年3月11日東日本大地震擠壓方向一致的逆斷層型地震；圖3b為近東西向拉伸的正斷層型地震；圖3c為拉伸方向平行于海溝走向的正斷層地震；圖3d為擠壓方向平行于海溝走向的逆斷層型地震.同時，圖中將地震序列根據時間順序編號，按照第1—100號，101—200號，201—300號以及301—436號把地震分為4組，對應的具體時間為2011年3月11日5點46分（主震）至2011年3月15日11點06分、2011年3月15日11點46分至2011年3月26日10點18分，2011年3月26日12點52分至2011年5月18日17點15分，2011年5月19日9點12分至2012年3月15日19時20分，分別用淺藍、淺紫、淺桔以及淺綠的震源機制球表示發(fā)震時刻的不同.此外，聚類結果中尚有少量與這4類震源機制解不一致的地震，我們將之用淺灰色震源機制球在圖3d中表示了出來（圖4、圖5中用淺粉色機制球表示）.

圖3a再次顯示2011年3月11日東日本大地震之后，附近區(qū)域在一年的時間內都沒有同類型地震，我們稱這個區(qū)域為“大地震空區(qū)”.大地震空區(qū)北側絕大部分為傾向近東西的逆斷層型地震；發(fā)生在大地震空區(qū)南側的地震類型相對復雜，雖然近東西向擠壓的逆斷層型地震占主導，但也有近東西向拉伸的正斷層型地震、近南北向擠壓的逆斷層型地震和南北向拉伸的正斷層型地震（如圖3b、圖3c、圖3d所示）.在日本島弧的西側也有少量的地震發(fā)生，基本上為近東西向擠壓的逆斷層型地震，其震中位置分列主震破裂區(qū)的南、北兩側.

圖2 東日本大地震序列矩張量解的平面投影圖我們將2011年3月11日日本地震序列從2011年3月11日開始，至2012年3月15日為止，由哈佛大學CMT網站處理得到的發(fā)生在日本島及其鄰近海域的4.7級以上共436個地震的矩張量解進行了聚類.不同顏色的震源機制解球是用聚類方法得到的不同類型的震源機制解，包括與主震類型一致的低角度逆沖型地震（紅色的震源機制球），東西向的正斷層地震（藍色），南北向的正斷層地震（綠色）以及以南北向逆斷層地震為主的其他地震（紫色）.采用的是下半球投影，彩色區(qū)域為拉張區(qū)，白色區(qū)域為壓縮區(qū).黑實線表示與海溝垂直或平行的垂直剖面位置.平行海溝走向的剖面共5條，由西向東分別為AA′、BB′、CC′、DD′、EE′，位置如圖所示，間隔為40km，剖面長800km，投影寬度為剖面兩側各20km.垂直海溝走向的剖面共8條，由北至南分別為 FF′、GG′、HH′、II′、JJ′、KK′、LL′，位置如圖所示.除 FF′距 GG′180km外，其余間隔為60km，剖面長750km，投影寬度為剖面前后各30km.底圖為地表高程，色標見圖右側.插入圖為該區(qū)域的歷史地震.有橙色和灰色兩種震源機制解投影圖.灰色的為2011年3月11日東日本大地震前10年間在日本本州附近地區(qū)發(fā)生的4.7級以上被CMT地震目錄收錄且提供震源機制解的地震，共387個；橙色的為大地震前1年間發(fā)生的，共61個.我們用紅色將主震一起標在插入圖中，以方便讀者比較.震源機制解的表示方法相同，下同.Fig.2 Map－view of moment tensor solutions of Tohoku－Oki earthquake sequence The focal mechanism solutions are provided by Harvard CMT Catalogue from 2011／03／11to 2012／03／15，a total of 436earthquakes.Different colors represent different types of the solutions classified by cluster analysis，consisting of low angle thrust type as same as the main shock （red），normal fault earthquakes with E－W （blue）or N－S （green）extensional direction，reverse fault ones with N－S compressive direction and other types of earthquakes（purple）.We use lower hemispherical projection.Colored and white zone of the beach balls represent extensional and compressional regions，respectively.The black lines are profile locations.There are 5profiles paralleling to the trench，called AA′，BB′，CC′，DD′and EE′respectively.Their interval and length are 40km and 800km，respectively.The projection width is 20km on both sides.There are 8profiles which are perpendicular to the trench，called FF′，GG′，HH′，II′，JJ′，KK，LL′and MM′respectively.Their interval and length are respectively 60km （except the interval between FF′and GG′is 180km）and 750km.The projection width is 30km on both sides of the profiles.The colored base map is surface topography with color bar on the right.Gray and orange beach balls in the inset are historical shocks occurred respectively in the latest ten years and one year before the main shock.The expressions of focal mechanism solutions are the same，similarly hereinafter.Main shock is also marked in the inset for the convenience of readers.

圖3 不同類型地震矩張量解的平面投影圖（a）與2011年3月11日日本大地震擠壓方向一致的逆斷層型地震；（b）近東西向拉伸的正斷層型地震；（c）拉伸方向平行于海溝走向的正斷層地震；（d）為擠壓方向平行于海溝走向的逆斷層型地震.將地震序列根據時間順序編號，按照第1—100號，101—200號，201—300號以及301—436號把地震分為4組，分別用淺藍、淺紫、淺桔以及淺綠的震源機制球表示，對應的具體時間為2011年3月11日5點46分（主震）至2011年3月15日11點06分、2011年3月15日11點46分至2011年3月26日10點18分，2011年3月26日12點52分至2011年5月18日17點15分，2011年5月19日9點12分至2012年3月15日19時20分.（b）、（c）、（d）中的矩形分別表示對應類型地震集中發(fā)生的區(qū)域.同時，我們把少量不嚴格屬于這4種類型的地震用淺灰色震源機制球在（d）中表示了出來.Fig.3 Map－view of different types of earthquakes（a）is for low angle thrust earthquakes including the main shock，（b）is for normal faulting earthquakes with E－W extensive direction，（c）is also for normal faulting ones but N－S extensive direction，and（d）is for reverse faulting earthquakes with N－S compressive direction as well as other types of earthquakes.The events are numbered according to their origin time.We divide them into four groups：No.1—100，No.101—200，No.201—300and No.301—436，and use pale blue，violet，light orange and aqua focal mechanism balls to express them，separately.The time intervals of these groups are 2011－03－11 05∶46（the main shock）—2011－03－15 11∶06；2011－03－15 11∶46—2011－03－26 10∶18；2011－03－26 12∶52— 2011－05－18 17∶15and 2011－05－19 9∶12— 2012－03－15 19∶20，respectively.The rectangles separately show the areas where one type of earthquakes concentrated.Grey beach balls in（d）are events that do not strictly belong to the main types mentioned above.

圖3再次清楚地顯示日本海溝東側的地震基本上為近東西向拉伸的正斷層型地震，而且海溝東側與大地震空區(qū)北側和南側相應的位置都基本上沒有地震發(fā)生.Obana等（2012）也注意到了這些地震，并認為海水將會灌入這些正斷層內部，進而影響俯沖帶的動力學行為［9］.

海溝西側近東西向拉張的正斷層型地震在震群的最北端少有發(fā)生，集中分布于主震、主震北側、主震南側等三個位置，如圖3b中矩形框所示.且此類地震中，多數(shù)南側的發(fā)生時間晚于北側的.同時，圖3b清楚地顯示主震區(qū)中心的此類型地震的發(fā)生位置偏東，而主震區(qū)南北兩端此類型地震的發(fā)生位置偏西.

海溝西側還存在不少南北向拉張的正斷層型地震（見圖3c）.同時，這類地震在主震區(qū)中心的發(fā)生位置大多數(shù)位于近東西向拉張的正斷層型地震群的西部，而主震區(qū)北端此類型地震的發(fā)生位置與近東西向拉張正斷層型地震群的大致相當且略偏東一點.

另外，還有一些南北向擠壓的逆斷層型地震，如圖3d所示.這種類型的地震集中于震群偏南側的位置，分布在很窄的、展布方向近似沿俯沖帶走向的條帶中.大地震空區(qū)以北，幾乎沒有這種類型的地震發(fā)生.

圖4為南北向剖面圖.圖4a、4b、4c、4d、4e由西往東分別對應圖2中的剖面 AA′、BB′、CC′、DD′、EE′，橫坐標為距離剖面中心的水平距離，向北為正.地震編號與CMT雙力偶解的順序一致.4種主要類型的震源機制球壓縮區(qū)的顏色與圖2、圖3一致，淺粉色為其他類型的地震.

總體來看，絕大多數(shù)與2011年3月11日東日本大地震同類型的逆斷層型地震的震源深度有自東向西逐漸變深的趨勢.從震源深度的變化來看，應屬于板間地震.其中，北端（距剖面中心約300～400km范圍內）發(fā)生的地震幾乎全部為這類地震.從圖4c、4d、4e可以看出，2011年3月11日東日本大地震南側約50km至北側225km范圍內，集中于約60km的深度（見圖4b）.主震南側與主震同類型的地震大量發(fā)育，但分布有分區(qū)性.和大地震空區(qū)的北側類似，南側一個小區(qū)域內也聚集了大量與2011年3月11日日本大地震同類型的逆斷層型地震，只不過在這些地震附近還聚集了許多其他類型的地震，尤其是擠壓方向近南北向的逆斷層型地震.這在圖2、圖3中也有清楚的顯示.

圖4c、4d、4e再次顯示2011年3月11日東日本大地震發(fā)震區(qū)域附近集中了大量近東西向拉伸的正斷層型地震，而且這種類型的地震從剖面EE′往西至BB′（圖4（b—e））發(fā)震數(shù)量及沿南北向分布范圍逐漸減少.2011年3月11日東日本大地震發(fā)震區(qū)域南側，也有大量近東西向拉伸的正斷層型地震發(fā)生.不過，這類地震主要發(fā)生于剖面BB′和剖面AA′所在區(qū)域，且AA′（圖4a）所在區(qū)域此類地震的發(fā)生數(shù)量和延伸范圍要明顯地小于剖面BB′所在區(qū)域的發(fā)生數(shù)量和延伸范圍.

在2011年3月11日東日本大地震震源位置的北側100～200km的范圍內集中了許多近南北向拉伸的正斷層型地震，而這種類型的地震從剖面DD′往西到剖面BB′（圖4（b—d）），發(fā)震數(shù)量及沿南北向分布范圍逐漸增加，不過這種類型的地震往北延伸、限于距離這些剖面中心（橫坐標零點）200km的范圍內.同時，剖面BB′（圖4b）也顯示其間有一些近東西向拉伸的正斷層型地震.

此外，南北向擠壓的逆斷層型地震集中于主震區(qū)域的南端，往北一直到剖面中心位置.不過，有各類震源機制解的地震雜布其中（如圖4c、圖4d所示）.

圖5為東西向垂直剖面圖.圖（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）、（h）由北往南分別對應圖2中的剖面FF′、GG′、HH′、II′、JJ′、KK′、LL′、MM′.圖的上部為對應剖面地形圖，下部為地震在剖面上的投影及其震源機制解，橫坐標為距離剖面中心的水平距離，向東為正.地震編號與震源機制球壓縮區(qū)顏色的表示方法與圖4一致.

圖5清晰地展示出存在自東向西傾斜的地震條帶.考慮到傾斜地震條帶的幾何特性及這些地震震源機制解的特點，我們認為這些地震基本上是板間地震及發(fā)生于大洋板塊內的地震.其中，發(fā)生于深部的震型與東日本大地震一致的地震為板間地震，而發(fā)生于淺部的近東西向拉張的正斷層型地震發(fā)生于太平洋板塊的內部.分布于傾斜地震條帶上方的地震，則發(fā)生在上覆板塊內.

圖5a的剖面FF′進一步展示了地震帶北端的地震幾乎都是擠壓方向為近東西方向的逆斷層型地震.這些地震基本上是板間地震.上覆板塊內基本上沒有大的地震發(fā)生.

圖5b、5c和5d再次展示發(fā)生在日本海溝東側的外斜坡區(qū)域的大量東西向拉張型正斷層型地震主要集中于主震區(qū)域的東側，而這些地震和發(fā)生于深部的震型與東日本大地震一致的板間地震被其間的地震空區(qū)明顯地分割開了.在大地震空區(qū)的南北兩側，日本海溝東側的外斜坡區(qū)域很少發(fā)生地震.

圖5c、5d、5e、5f、5g和5h均顯示在上覆板塊中有大量的近東西向拉張的正斷層型地震.同時，在主震附近區(qū)域，這類地震占多數(shù).在南部區(qū)域，這類地震雖然也有相當?shù)臄?shù)量，但比重降低，同時發(fā)震位置相對西移.

上覆板塊內部也有相當數(shù)量的近南北向拉伸的正斷層型地震.雖然這類地震的數(shù)量相對于第一類正斷層型地震要少一些，但在大地震空區(qū)北部（圖5b所在位置附近），這類地震占主導地位.

圖5e、5f的位置大致為主震破裂區(qū)域的南部邊緣，開始出現(xiàn)由近東西向擠壓的逆斷層型地震組成的連續(xù)的西傾的地震條帶，且日本島的西側與這兩個剖面相應的位置發(fā)生了少量的近東西向擠壓的逆斷層型地震.上覆板塊內部，有少量南北向擠壓的逆斷層地震；在圖5e的位置近東西向拉伸的正斷層型地震仍占主導，而在圖5f的位置這類地震則沒有明顯的優(yōu)勢.圖5g、5h代表了大地震空區(qū)南側的地震分布情況，總體上延續(xù)了圖5e、圖5f的趨勢，板間地震仍在各深度均有分布.

4 結論和討論

4.1 在東日本大地震主震附近俯沖的太平洋板塊和其上覆板塊已接近完全解耦

在正文中，我們陳列了如下幾個事實：①2011年3月11日東日本大地震發(fā)生之后，震中附近南北向延伸300km、東西向延伸100km的區(qū)域內幾乎沒有近東西向擠壓的逆斷層型的地震發(fā)生，我們稱之為“大地震空區(qū)”.該區(qū)域也與根據地震波形以及海嘯數(shù)據估算得到的破裂區(qū)域結果大致一致［10－12］.主震位于這個空區(qū)的南部，而這個空區(qū)的北部是2011年3月11日東日本大地震發(fā)生之前不久發(fā)生的與東日本大地震震型一樣的一系列大地震發(fā)生的地方；② 在這個區(qū)域的中心，發(fā)生有大量近東西向拉伸的正斷層型地震，這些地震發(fā)生于海溝西側的上覆板塊內部；③ 在上述地震空區(qū)的東側，發(fā)生有大量近東西向拉伸的正斷層型地震.不過這些地震和發(fā)生于海溝西側的上覆板塊內部的近東西向拉伸的正斷層型地震不同，它們發(fā)生于俯沖的太平洋板塊內部.

在如上所述的區(qū)域沒有近東西向擠壓的逆斷層型的地震發(fā)生，自然也沒有逆斷層型板間地震發(fā)生.而在太平洋板塊相對于歐亞大陸西向運動的背景下，沒有逆斷層型的板間地震發(fā)生，只有兩種可能的情況，或者這個地區(qū)發(fā)生了俯沖的太平洋板塊和其上覆板塊的解耦；或者是俯沖的太平洋板塊和其上覆板塊因有大的高強度障礙體的存在而處于強耦合狀態(tài).東日本大地震發(fā)生后，在主震附近區(qū)域俯沖的太平洋板塊和其上覆板塊間顯然短時間內很難有大的高強度障礙體存在，所以東日本大地震主震區(qū)附近俯沖的太平洋板塊和其上覆板塊已接近完全解耦.主震位于這個空區(qū)的中南部，而這個空區(qū)的北部是2011年3月11日東日本大地震發(fā)生之前不久與東日本大地震震型一樣的一系列大地震發(fā)生的地方.說明整個地震空區(qū)反映的是這些地震共同釋放了俯沖帶太平洋板塊及其上覆板塊間長期積累的彈性能.因為這些地震發(fā)生在近地表，垂直方向的正應力接近于零.所以，上覆板塊近東西向擠壓和拉伸的傾滑地震分別表示垂直向的正應力分別為主壓應力和主張應力，說明上覆板塊內部近東西向的正應力接近于零.上覆板塊過去近東西向擠壓應力狀態(tài)是受太平洋板塊的擠壓控制的.大地震發(fā)生后，由近東西向擠壓應力狀態(tài)轉變?yōu)榻鼥|西向應力接近于零，表明傳遞太平洋板塊擠壓作用的障礙體已被破壞，說明東日本大地震主震區(qū)附近俯沖的太平洋板塊和其上覆板塊已接近完全解耦.海溝附近在俯沖的太平洋板塊內部發(fā)生的大量近東西向拉伸的正斷層型地震也表明因俯沖的太平洋板塊和上覆板塊相向運動而在海溝附近的太平洋板塊內所產生的近東西向的擠壓狀態(tài)已變?yōu)橄鄬鞝顟B(tài)，同樣表明障礙體已被破壞，東日本大地震主震區(qū)附近俯沖的太平洋板塊和其上覆板塊已接近完全解耦.

4.2 太平洋板塊在日本本州并未與上覆板塊完全解耦

我們發(fā)現(xiàn)：①2011年3月11日東日本大地震發(fā)生之后，雖然在主震附近有如上所述很大范圍的地震空區(qū)，但在這個地震空區(qū)的北側仍有密集的地震發(fā)生，并且這些地震都是發(fā)生在板間的近東西向擠壓的逆斷層型地震；② 在所述地震空區(qū)的南側，也有大量的板間逆斷層型的地震發(fā)生；③ 在日本本州島西側，與日本本州島以東大地震空區(qū)北側／南側近東西向擠壓的逆斷層型地震的北緣／南緣相應的位置也有零星的近東西向擠壓的地震發(fā)生.

首先，主震周圍大地震空區(qū)的南北兩側近東西向擠壓的板間逆斷層型地震持續(xù)發(fā)生.大地震空區(qū)北側上覆板塊內部基本上沒有地震發(fā)生，說明太平洋板塊對上覆板塊的擠壓雖然因為一系列板間地震的發(fā)生而有所降低，但仍然維持了一定的近東西向的擠壓應力水平.在大地震空區(qū)南側也有類似現(xiàn)象.這說明在大地震空區(qū)的南側和北側太平洋板塊和其上覆板塊沒有完全解耦.

日本本州島西側主壓應力方向近東西向地震的發(fā)生，地震發(fā)生的空間位置和東日本大地震之前地震經常發(fā)生的位置類似（參考圖2中的置入圖）.明確地表明了2011年3月11日東日本大地震發(fā)生后日本海仍處于近東西向的擠壓應力狀態(tài).東日本大地震主震區(qū)附近俯沖的太平洋板塊和其上覆板塊已接近完全解耦，從而使得在主破裂區(qū)附近的小范圍區(qū)域內太平洋板塊在很大程度上解除了對上覆板塊的擠壓，所以日本海太平洋板塊的近東西向擠壓很大程度上應該來自于未完全解耦的大地震空區(qū)的南北兩側.

由此我們認為，盡管東日本大地震釋放了本州島以東部分地區(qū)近E－W向的擠壓應力，但是日本海西部以及中國東北部仍處于E－W向弱擠壓的應力環(huán)境之中.也就是說，雖然GPS觀測表明中國東北出現(xiàn)了一致的指向震中的同震位移［13－14］，但只表現(xiàn)為近東西向擠壓應力的減小，而不是自此轉變?yōu)榻鼥|西向的拉伸應力狀態(tài).總的來說，東日本大地震之后，中國東北的主壓應力數(shù)值有所減小，因而近東西向擠壓型地震活動性將有所減弱［14－15］.但是，因為法向應力的減小，NNE－SSW走向的走滑型地震活動性將有所增強.同時，該地區(qū)的火山活動性也有可能增強.如果將來大地震空區(qū)的南、北兩側也發(fā)生俯沖板塊和上覆板塊之間近完全解耦的情況，則日本島弧西側甚至于中國東北可能出現(xiàn)近E－W拉張的正斷層地震，屆時火山活動也將會進入一個新的活躍期.

4.3 2011年東日本大地震之后日本本州島附近應力水平較低

我們在前文已指出：① 在大地震空區(qū)的中心區(qū)域，發(fā)生有大量近東西向拉伸的正斷層型地震，這些地震發(fā)生于海溝西側的上覆板塊內部；② 雖然在上述地震空區(qū)的中心部位上覆板塊內發(fā)育有大量近東西向拉伸的正斷層型地震，但在大地震空區(qū)中心部位的西側和南北兩側形成了三個近東西向拉伸的正斷層型地震的空區(qū)（如圖3b所示）；③ 在如②所述的南北兩個地震空區(qū)的西側各自有大量近東西向拉伸的正斷層型地震，和如①所述的地震密集區(qū)一起構成了一個頂部面東的品字形結構（如圖3b中矩形區(qū)域所示）；④主震周圍如①所述的近東西向拉伸的正斷層型地震密集區(qū)西側發(fā)育有近南北向拉伸的正斷層型地震，在如③所述的兩個近東西向拉伸的正斷層型地震密集區(qū)中北面那個的東側（品字形結構的左肩上）發(fā)育有大量近南北向拉伸的正斷層型地震，在如③所述的兩個近東西向拉伸的正斷層型地震密集區(qū)中南面那個的西側（品字形結構的右肩下部）也有近南北向拉伸的正斷層型地震發(fā)育，可以認為這些區(qū)域的近南北向拉伸的正斷層型地震實際上構成了大致與海溝方向夾角20°的狹長地震條帶（如圖3c所示）；⑤ 另外一個大致與海溝方向平行的地震條帶是擠壓方向近南北的逆斷層型地震，這個條帶最早集中于上述品字形結構的右肩上方（如圖3d所示），后來擴展到了其南側和北側，但主要位于主震空區(qū)及其南部區(qū)域；⑥ 在上覆板塊地震密集帶的最南側對應于圖5g和5h的位置，除了分布有擠壓方向近南北的逆斷層型地震外，還有主張拉伸方向分別為近東西和近南北的正斷層型地震.

在主震附近400km長、200km寬的矩形區(qū)域內，上覆板塊內地震的震源機制解的主壓應力方向既有垂直方向，也有近南北的水平方向；而震源機制解的主張應力方向既有垂直方向，也有近南北和近東西的水平方向.一個顯著的特征是該區(qū)域上覆板塊的應力狀態(tài)已明顯不同于大地震之前近東西向的擠壓應力狀態(tài).

正像前面討論中所述的那樣，主震附近上覆板塊內部大量的近東西向拉伸的正斷層型地震是太平洋板塊和其上覆板塊發(fā)生板間解耦后產生的結果.在這個區(qū)域，幾乎沒有其他類型的地震，近東西向拉伸的正斷層型地震是占主導的，說明這個區(qū)域近東西向的主張應力方向和近垂直向的主壓應力方向是穩(wěn)定的，表明是受到了一致的東西向拉伸作用的結果.但是，在這個區(qū)域的西側，震源機制解均為近南北向拉伸的正斷層型地震.

在2011年3月11日東日本大地震發(fā)生之前，該區(qū)域一直是以東西向擠壓的逆斷層型地震為主的，既說明了東日本大地震發(fā)生之前主壓應力方向為近東西向，也說明了主張應力方向為垂直向［3－6，16－20］.在震后，有的 區(qū)域主 張應力方向變成了近東西向，有的區(qū)域主張應力方向變成了近南北向.震后近東西向的主張應力方向是容易理解的，這是因為板間地震釋放了積累的擠壓應力.但是南北向的應力狀態(tài)由原來的擠壓應力狀態(tài)（因為垂直方向的應力是擠壓應力，中等主應力方向近南北向說明大地震之前南北向的正應力同樣為擠壓應力）轉變成了相對拉伸應力狀態(tài).這種現(xiàn)象一個可能的解釋是南北方向這種應力狀態(tài)的變化是因為東西向由擠壓變?yōu)橄鄬鞎r所產生的側向收縮效應所導致的.至于為什么只有大地震空區(qū)南部及南側才有近南北擠壓的逆斷層型地震存在，是因為北美板塊南側存在菲律賓海板塊向北的擠壓.而在大地震空區(qū)的北側，上覆板塊內部幾乎沒有地震發(fā)生，可能是由于水平向擠壓應力受板間地震影響有一定程度減小，從而使得斷層更加穩(wěn)定.

前面已經提及，在上覆板塊內發(fā)生的近東西拉伸的正斷層型地震形成了品字形結構，我們認為是應力疊加的結果.具體地說，首先是因主震發(fā)生區(qū)域附近板間接近完全解耦而使得主震發(fā)生的區(qū)域相當于疊加一個向東拉伸作用的力源.如果僅有這樣一個力源，自東向西將有一個扇形的區(qū)域處于近東西向拉伸的作用下（或者更準確地說是這個扇形區(qū)域處于方向指向力源的相對拉伸作用下）.但是，因為大地震空區(qū)的北側和南側，太平洋板塊和上覆板塊尚未完全解耦，所以，各自尚對上覆板塊施加往西的擠壓作用，而且有其各自的扇形作用面.當然這種作用的強度并不大.再疊加上菲律賓海板塊往北的擠壓及前面提及的側向收縮效應所產生的南北向的拉伸作用，使得主震發(fā)生區(qū)域附近的上覆板塊內的應力狀態(tài)以近東西向拉伸為主，往西逐漸過渡為應力狀態(tài)以近南北向拉伸為主；而在主震的北側則相反地表現(xiàn)為上覆板塊內的應力狀態(tài)在東部以近南北向拉伸為主，往西逐漸過渡為應力狀態(tài)以近東西向拉伸為主；在南側，則表現(xiàn)為更復雜的應力狀態(tài).圖6、7以卡通圖的形式表述了我們對東日本大地震后日本本州島附近地區(qū)應力狀態(tài)的理解.

最南端既有因菲律賓海板塊向北推擠作用形成的南北向擠壓的逆斷層型地震，也存在南北向拉伸的正斷層型地震，說明大型的板間逆沖地震發(fā)生之后，由于釋放了東西向積累的擠壓應力，間接使南北向原本的擠壓應力也得到了釋放，當其成為主張應力時，就發(fā)生南北向拉伸的正斷層地震，進一步表明菲律賓海板塊的擠壓作用并不強烈.類似地，在日本本州島以東地區(qū)既大量存在東西向拉伸的正斷層型地震，也大量存在南北向拉伸的正斷層型地震，也說明南北向拉伸作用和東西向拉伸作用的應力水平相當.日本本州島以東地區(qū)各個方向的正應力，不管是擠壓作用，還是拉伸作用，應力水平都很低.

4.4 板間解耦在弧后盆地演化中的作用

關于日本海盆地的演化歷史，不同研究者有不同的認識，但基本上認為目前的日本海已停止了擴張［5、16、20－24］.“什么是日本海張開和閉合 的控制 性因素”及“日本海是否永遠停止了擴張”是兩個大家所關心的科學問題.

太平洋西岸存在一系列的溝－弧－盆體系［25］，這種自北往南延伸6000km的宏大結構一定有其共同的形成原因.Uyeda和 Kanamori（1979）［1］根據Minster等（1974）［26］全球范圍內巖石圈相對于熱點坐標系以每年0.11°的速度西移的研究結果提出，軟流圈相對巖石圈東移，使得西太平洋的海溝后退和弧后盆地擴張.西太平洋板塊比較冷，負浮力作用本身也會導致海溝后側和盆地擴張［27］.而冷的、大角度俯沖板塊能把水帶到巖石圈以下，使地幔物質發(fā)生部分熔融，也為弧后盆地的張開提供了物質基礎［28］.20世紀80年代人們又提出了右旋走滑拉分機制［29－35］來解釋南海、東海、渤海灣盆地、依舒地塹、蘇北南海盆地、菲律賓海、日本海等邊緣海的張開.他們認為，印度板塊與歐亞板塊的碰撞使歐亞板塊向北漂移，與東側太平洋板塊發(fā)生右行剪切作用，從而沿太平洋西岸形成了一系列具有相似幾何特征的新生代弧后盆地.將上述機制綜合起來，便能很好地解釋為什么西太平洋邊緣存在一系列首尾相接的邊緣海盆地以及它們相似的演化過程.

但是，各邊緣海的形成時間和現(xiàn)在的應力狀態(tài)都有所不同.例如，晚中新世以前，菲律賓海和日本海同處于擴張階段.現(xiàn)在，菲律賓海仍在擴張，而日本海盆地已不再活躍［1，36］，很難用統(tǒng)一的軟流圈東移及走滑拉分機制進行解釋，應該從各邊緣海地區(qū)物質性質差異和邊界條件的不同兩方面來理解.比如，由于各俯沖帶下插板塊巖石圈物質性質（如巖石圈含水量、溫度等）和海底地形（如海山、洋脊等）的不同，會導致兩板塊之間耦合程度有所差別［27］.耦合差的俯沖帶，上覆板塊內部擠壓應力較小，容易在弧前增生楔、弧后盆地形成與俯沖帶走向一致的正斷層地震，也因為此時與海溝方向近似平行的若干走滑斷層易于活動而促使拉分盆地的發(fā)育，產生了巖漿上涌所必須的淺部構造環(huán)境.同時，兩板塊之間易于發(fā)生相對運動，來自下插板塊深部的拖曳作用使其海溝外斜坡區(qū)域巖石圈淺部受到拉伸，發(fā)生斷層走向垂直于俯沖方向的正斷層型地震［4］.東日本大地震之后，海溝外斜坡區(qū)域的一系列正斷層余震就是在這種應力背景下產生的.這種情況下，正如Obana等（2012）［9］所指出的，海水會沿著地震后張開的正斷層縫隙滲入到洋殼中，并以結晶水的形式隨下插板塊的俯沖作用進入到地球內部.我們認為，正是這種機制，有可能使俯沖板塊攜帶足夠量的水參與俯沖帶的物質循環(huán)［37－38］.對于這樣的俯沖帶，下插板塊更易俯沖，板塊含水也更多，形成的巖漿也就更多，加之上述淺部構造環(huán)境，更易導致弧后張開.板塊耦合差導致的弧后盆地張開將是一個正反饋的過程.反之，若俯沖帶兩板塊間耦合得較好，兩板塊基本沒有相對運動，則下插板塊下部對海溝外斜坡區(qū)域的拖曳不強，該區(qū)域的正斷層地震很難發(fā)生，如主震區(qū)域的北側地區(qū)，從而海水較難沿著斷層下滲，俯沖板塊含水不充分，則到了脫水反應的深度，由于釋放的水量較少，地幔物質部分熔融產生的巖漿也有限，再加上地表由于兩板塊間強耦合，處于較強的擠壓應力場之中，巖漿不能輕易地上涌到地表，火山作用也不會很強.

圖6 近東西向主應力隨地理位置變化示意圖紅色的扇形表示主震破裂區(qū)由于東西向應力釋放形成的相對拉張區(qū)域，藍色的扇形表示主震破裂區(qū)南北側塊間仍存在耦合的擠壓區(qū)域.從海溝處由東向西應力水平逐漸降低.顏色越深代表應力水平越高，下同.Fig.6 Geographic variation of the principal stress on roughly E－W direction The red fan represents the effect of the main shock，where stress was released and became relatively tensile.Two blue fans correspond to the zones where compressive stress is prevailing as plates are still coupled there.Stress decreases from the trench to the west.The darker color corresponds to the higher level of stress，similarly hereinafter.

圖7 近南北向主應力隨地理位置變化示意圖橙色的扇形表示主震破裂區(qū)以及發(fā)生于主震東南側的矩震級為7.9級的余震（本文中編號為2），由于東西向應力釋放引起南北向的擠壓應力水平降低，相應地形成相對拉張區(qū)域，淺藍色的扇形表示菲律賓板塊向北俯沖形成的擠壓區(qū)域.顏色越深，表示應力水平越高.震源機制解的表達方式與圖2一致.Fig.7 Geographic variation of principal horizontal stress on roughly N－S direction The orange fans represent the effect of lateral contraction due to the upper plate overshoot caused by the main shock and a Mw7.9 aftershock（No.2in this paper）.In orange regions，stress of NS direction was released and became relatively tensile.The pale blue fan shows the zones where compressive stress is prevailing as Philippine Plate subducts to the north.

基于這樣的考慮，我們認為，過去日本海俯沖帶可能是由于大的障礙體的存在，加強了板間的耦合作用，使日本海盆地一段時期內停止了擴張.而東日本大地震之后，板間地震主要發(fā)生在較深的深度和大地震空區(qū)南北兩側，說明主震之后，主震破裂區(qū)俯沖板塊和上覆板塊之間淺部的耦合較差，擠壓應力主要集中在深部和兩側.而隨著深部和兩側逆沖型地震的不斷發(fā)生，大地震空區(qū)附近區(qū)域的凹凸體也將會不斷破裂.按照這一趨勢，如果淺部在一定的時期內不出現(xiàn)新的障礙體，則該過程最終將導致這段俯沖帶兩板塊之間的弱耦合，日本海將有可能重新張開.

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