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

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

溫度測量結果表明日本東北地區(qū)近海斷層存在低速同震摩擦＊

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勘查隊科技人員

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 要斷層在滑動時的摩擦阻力控制了地震動力學。地震期間摩擦過程釋放熱量。因此，地震后的斷層溫度反映了摩擦程度。日本海溝快速鉆井項目（Japan Trench Fast Drilling Project，JFAST）（綜合海洋鉆探計劃（（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）343和343T勘探）在2011年3月日本東北地區(qū)近海MW9.0地震16個月后，在海溝附近的斷層帶上鉆孔安裝了鉆孔溫度觀測儀，該斷層帶在地震中滑動了約50m。運行9個月后，回收了全部的傳感器組。結果發(fā)現板塊邊界斷層的異常溫度為0.31℃，相當于地震時每平方米釋放了27MJ熱量。該研究結果的表面摩擦系數0.08明顯小于大多數巖石的靜態(tài)值。

中圖分類號：P315；

文獻標識碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235－4975.2015.08.002

收稿日期：＊2014－06－26。

斷層上的地震破裂傳播和滑動過程在動態(tài)剪切阻力的影響下變得較為緩和。任何完整的地震孕育模型都需要量化的剪切應力，這是很難測量的。歷史上認為，地震時的剪切應力幾乎與其靜態(tài)摩擦力相當，但是，最近的實驗室研究和野外觀測已經對這種假設持懷疑態(tài)度[1－2]。直接測量地震應力的大小受到挑戰(zhàn)，因為地震測量只能記錄到應力變化。

快速響應鉆探提供了解決方案[3]。因為滑動時的摩擦應力導致熱量釋放，大地震之后不久的地下溫度測量能記錄到斷層上的溫度增加和降低。如果斷層上的滑動量已知，那么利用熱量觀測可以推斷摩擦剪切應

力[4－5]。2012年7月15日，作為日本海溝快速鉆井項目（JFAST）（綜合海洋鉆探計劃（IODP）343和343T勘探）的一部分，我們在日本海溝的板塊邊界斷層帶（C0019D鉆孔）安置了海底溫度觀測儀（圖1），該站點通過對沿斷層走向相距約30m的兩個毗鄰鉆孔（鉆孔C0019B和C0019E）的測井和巖芯采樣進行測量（補充文檔）[6]。深海鉆探船Chikyu（地球號）實施了該方案，在6 900m水深的地方進行鉆探并安裝了觀測儀，使其成為最深的海洋鉆孔觀測站。觀測站由一組55個精度約為0.001℃的溫度傳感器數據記錄儀組成，并完全裝入直徑4.5英寸的鋼管，沿鉆孔延伸到海底（圖1）。還安裝了數十個精度在1kPa以下的壓力計，用于控制傳感器深度。

圖1　觀測站由55個溫度傳感器數據記錄儀組成，用繩子固定安裝在直徑4.5英寸鋼管內通向海底，且在底部安裝了單向閥防止流體侵入觀測站配置（本文所有圖件均為彩圖）

2013年4月26日，日本海洋地球科學和技術局深海研究船（R/V）Kairei（海嶺號）利用遠程操作車輛Kaiko7000Ⅱ回收了觀測站傳感器組。所有的55個傳感器和加重抽油桿從海底以下最大深度達820.6m處回收。觀測站的水深比鄰近巖芯采樣和測井鉆孔深約8m，由于斷層深度與海底相關，因此，認為它要比測井和巖芯采樣的觀測稍淺一些。這次成功的觀測意味著在主震后的16 ～25個月內，鉆孔處的震后滑動或分布變形可以忽略不計。

溫度數據顯示，在海底下650～750m區(qū)域內存在26.29±0.13℃km－1的背景地熱梯度，結合此區(qū)域內的熱導率1.16± 0.09Wm－1℃－1，得出垂直熱流值為30.50 ±2.52mW m－2（補充方法）。溫度從海底下812m到820m底部相對此背景梯度幾乎上升了0.31℃（圖2）。這是數據集中最大的溫度異常，且集中在海底地層819m處，該巖層估計是滑脫構造斷層帶[6－7]。

我們認為，溫度異常來自于2011年日本東北地區(qū)近海地震摩擦產生的熱量。該異常信號比之前在地震后跨越斷層進行摩擦熱量快速響應測量的結果要大[4－5]，且隨時間變化，因此，其瞬變現象也很明顯。溫度數據記錄了2011年日本東北地區(qū)近海地震的背景地熱、摩擦產生熱量的衰減特征以及由鉆孔及水文過程產生的瞬變效應。在實驗中，低溫度與早期背景地熱相關，這些表明在鉆探期間的水循環(huán)效應和觀測站安裝時的平衡效應（圖2）。因為與斷層上摩擦產熱的平面或平板熱源相比，鉆井干擾的熱源為線源且其特有的擴散時間更短暫，所以可以在9個月的觀測實驗期間測量斷層摩擦產生的熱量[8－9]。

將溫度數據與斷層滑動時的應力結合起來，我們模擬了在鉆井干擾和摩擦產熱的聯合作用下，隨著時間的推移溫度場的演變，同時發(fā)現地震期間熱量釋放的模擬值與實測

值符合最大歸一化互相關性（補充文檔和圖3）。參數值受到單獨鉆探和材料屬性數據的約束（補充文檔和表S1）。

（a）海底下650m深的時空分布圖。黃點表示傳感器位置，每行表示相應的傳感器數據。每列代表除去平均地熱背景后的日均溫度（補充文檔）。虛線表示2012年12月7日日本標準時間17：18：30發(fā)生的MW7.4地震。2012年9月22日，在海底下818.51m深處的傳感器出現問題，因此，該行的后續(xù)數據通過利用傳感器上與傳感器下1.5m處的數據進行內插獲取。此外，缺數據集的時段用白色顯示。海底下700～781m的傳感器，設計利用1Hz采樣率僅進行為期2.5周的記錄。圖S1中包括了5個間距大深度淺的傳感器數據。（b）利用兩個月間隔的實驗方法得到5個時間點的殘差溫度深度剖面（如不考慮地熱背景條件）。圖2　a中標明了與垂直刻度線相應的時間。與圖a相比，Y軸延長至海底下740m處。在8月相對低溫時可以看出鉆孔干擾的影響圖2　海底殘差溫度場

（a）圖2　a中的放大圖顯示2012年8月1日～12月6日板塊邊界附近的殘差溫度異常。（b）從受斷層深度約束的模型反演得到的模擬殘差溫度結果。圖S4顯示不受斷層深度約束的類似反演結果圖3　推測的滑動帶附近的殘差溫度時空分布圖

從較大深度范圍的反演探測中發(fā)現，摩擦邊界的最佳位置在海底之下821.3m處，位于平均海平面之下7 718.8m（從7 717.8 到7719.6m，90%的置信區(qū)間（confidence interval，CI）；補充文檔和表S2）。反演探測中斷層位于最深數據記錄器之下，因為預測的溫度異常范圍要求延伸至地熱屬性均勻的深度。然而，由圖2數據所知，溫度異常的峰值出現在最深溫度傳感器之上，異常范圍可能由地熱屬性結構決定，而該地熱屬性結構并不包含在我們設計的模型中。如果我們設置反演條件，將斷層位于最深傳感器之上的溫度峰值附近，最佳位置應在海底之下819.8m（海平面之下7 717.3m）處。不論何種情況，從觀測站鉆孔的摩擦產熱或從鉆探時的鉆速都能推測出斷層深度位于堅硬的角巖之上。從溫度數據推測，斷層與附近巖芯和記錄鉆孔所示的板塊邊界斷層位于同一地層水平[6－7]。

深度約束反演結果表明，沿板塊邊界的地震在發(fā)生期間，釋放的摩擦熱量集中在27MJ/m2附近（19～51MJ/m2，90%置信區(qū)間）（圖3）。溫度觀測的無約束反演顯示，集中在31 MJ/m2（20～69 MJ/m2，90%置信區(qū)間）（圖S4～圖S6）。在這兩種情況下，沿著海溝的最大滑動帶釋放的能量[10]與地震空間平均輻射能量6～17 MJ/m2相當[11－12]（補充文檔）。

對斷層周圍正溫度異常的兩種解釋包括局部降低的導熱系數效應或是由流體滲透斷層帶而產生的熱對流。然而，根據觀測到的異常的大小和范圍，認為這些異常不可能是由導熱系數差異引起的；在約20m帶內的高地熱梯度要求導熱系數為0.73Wm－1℃－1，與從可比間距內的鉆孔C0019E中的巖芯采樣測量值1.14±0.07Wm－1℃－1形成對比。在斷層帶沒有大幅度下降，位于海底之下829m的傳感器組之下（圖S2），傳感器覆蓋范圍貫穿上盤與下盤之間，測量結果表明，在角巖中能快速增加到1.40±0.19Wm－1℃－1前相對均一的值。假設組成相似，0.73Wm－1℃－1這樣的值可能需要80%～86%的體積孔隙率。即使斷裂帶以裂縫為主，超過幾十米大的孔隙率，是不可能的也不會得到鉆孔數據或相鄰鉆孔巖芯數據恢復的支持。

從海底之下784m處的觀測可以發(fā)現，流體在斷層導水管中流動也會導致正的溫度異常（圖2）。地震后摩擦產熱信號的流體效應通用模型已經表明，很大的流速必須要由高滲透率（大于10－14m2）和超高壓兩種條件相結合才能產生[9]。電阻率測井和長時間鉆井異常衰減時間均表明，在海底之下784m處存在高滲透率[13]（圖S9）。研究推測，海底之下765m，800m和810m處存在最易受到瞬時鉆井干擾的高滲透率帶。

這些高滲透率的標志沒有出現在海底之下約820m深處推測的滑動帶上，補充的孔隙流體化學數據證實沿著板塊邊界存在少量流體流動（補充文檔和圖S9）。2012年12月7日的一次局部大地震后，海底之下784m處突然出現異常冷卻，而海底之下763m的高滲透率區(qū)則升溫，這與由2012年12月地震的直接應力或滲透率變化效應驅動的向上傳播的流體脈沖相一致，這次地震改變了流體的正常流動路徑[14－15]。這種解釋與這一期間的鉆孔影像相一致，鉆孔影像表明陡傾斜結構有助于流體的垂直運移[13]。在推測的流體對流期間，這些滲透帶的空間相關溫度變化在流動速度上表現為間歇式波動。如此大的波動在滑脫構造里并未觀測到。在海底之下784m，每日到每周變化的標準差大致為100%，大于12月地震前的滑脫構造值，地震后在海底之下763m的值比之前增大了60%（補充文檔）。

為進行滑動帶厚度的合理估計，地震后

進行的溫度觀測時間是跨越滑動帶的特征擴散時間的許多倍。因此，因摩擦產熱而造成的測量溫度異常不受滑動帶厚度和滑動持續(xù)時間的影響，也不受這些參數的直接約束（補充文檔）。然而，通過假設滑動時間≥50s，滑動帶厚度≥1mm，我們估計該點滑動帶的最大峰值溫度＜1250℃（補充方法和圖S7）。

地熱本身也會約束斷層帶的長期綜合能量釋放[16－17]。測量的傳導垂直熱流30.50± 2.52mW/m2與俯沖帶地熱模型相一致[17]，這種模型很少或根本沒有長期位移平均耗散能量以熱量形式沿著板塊邊界釋放。

地震參數耗散能受溫度數據約束。然而，室內實驗和理論模型經?；谀Σ料禂祦泶_定。對于斷層內總計為50 m的滑動[10]，在地震期間平均剪應力為0.54MPa，最佳估計的局部耗散能量為27 MJ/m2。將我們的研究結果與其他研究做對比，我們基于斷層深度、靜水壓力和測量的巖石密度，假設有效正應力為7MPa，推測等效同震摩擦系數（補充文檔）。結果表面摩擦系數為0.08。這個結果是“表面”，因為有效正應力是從孔隙壓力和斷層傾角來推斷估計的（補充文檔）。剪應力和視摩擦系數都很低，它們代表地震時的平均位移，與從日本海溝板塊邊界斷層物質的高速（1.3m/s）摩擦實驗確定的值一致[18]。

滑動時的平均剪應力為0.54 MPa，表面摩擦系數為0.08，均受到日本東北地區(qū)近海地震后約1.5年內測得的摩擦熱異常的約束，這些均表明要么在整個地震周期中，斷層上的摩擦非常低，要么在JFAST實驗點接近總應力釋放[19－20]?；瑒悠陂g非常低的剪切阻力可能有助于解釋導致毀滅性海嘯的淺層大型滑動現象。

補充資料網址：http：∥www.sciencemag. org/content/342/6163/1214/suppl/DC1

文獻來源：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 譯；黃宏生 校）

（譯者電子信箱，王林：wl＿0117@163.com）

參考文獻

[1]Byerlee J.Friction of rocks.Pure Appl.Geophys.，1978，116（4－5）：615－626

[2]Toro G Di，Han R，Hirose T，et al.Fault lubrication during earthquakes.Nature，2011，471：494－498 [3]Brodsky E E，Ma K F，Mori J，et al.Rapid response fault zone drilling past，present，and future.Sci. Drill.，2009（8）：66－74

[4]Kano Y，Mori J，Fujio R，et al.Heat signature on the Chelungpu fault associated with the 1999Chi－Chi，Taiwan earthquake.Geophys.Res.Lett.，2006，33，L14306.doi：10.1029/2006GL026733

[5]Tanaka H，Chen W M，Wang C Y，et al.Frictional heat from faulting of the 1999Chi－Chi，Taiwan earthquake.Geophys.Res.Lett.，2006，33，L16316.doi：10.1029/2006GL026673

[6]Chester F M，Rowe C，Ujiie K，et al.Structure and composition of the plate－boundary slip zone for the 2011Tohoku－Oki earthquake.Science，2013，342：1208－1211

[7]The depth interval from which a 1.15mcore of scaly－clay，identified as the fault zone in（6），extends from 7 709.5to 7 714.3mbsl in the coring hole 30maway.In the logging hole，the fault is interpreted at 7 709.5to 7 711.5mbsl，15to 17mabove a decrease in rate of penetration associated with entering a hard chert layer at 7 726.5mbsl.A similar decrease in rate of penetration in the observatory hole is observed at 7 727.5mbsl.All depth correlations between holes contain an estimated several meters of un－

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

[8]Bullard E C.The time necessary for a bore hole to attain temperature equilibrium.Geophys.J.Int.，1947，5：127－130

[9]Fulton P M，Harris R N，Saffer D M，et al.Does hydrologic circulation mask frictional heat on faults after large earthquakes？J.Geophys.Res.，2010，115，B09402.doi：10.1029/2009JB007103

[10]Fujiwara T，Kodaira S，No T，et al.The 2011 Tohoku－Oki earthquake：Displacement reaching the trench axis.Science，2011，334：1240

[11]Lay T，Kanamori H.Insights from the great 2011Japan earthquake.Phys.Today，2011，64：33－39

[12]Ide S，Baltay A，Beroza G C.Shallow dynamic overshoot and energetic deep rupture in the 2011 MW9.0 Tohoku－Oki earthquake.Science，2011，332：1426－1429

[13]Chester F M，Mori J J，Toczko S，et al.Japan Trench Fast Drilling Project（JFAST）.IODP Proceedings 343/343T.2013

[14]Wang C Y，Manga M.Earthquakes and Water.Berlin：Springer，2010

[15]Elkhoury J E，Brodsky E E，Agnew D C.Seismic waves increase permeability.Nature，2006，441：1135－1138

[16]Wang K，Mulder T，Rogers G C，et al.Case for very low coupling stress on the Cascadia Ssubduction Fault.J.Geophys.Res.，1995，100（B7）：12907－12918

[17]Kimura G，Hina S，Hamada Y，et al.Runaway slip to the trench due to rupture of highly pressurized megathrust beneath the middle trench slope：The tsunamigenesis of the 2011Tohoku earthquake off the east coast of northern Japan.Earth Planet.Sci.Lett.，2012，339－340：32－45

[18]Ujiie K，Tanaka H，Saito T，et al.Low coseismic shear stress on the Tohoku－Oki megathrust determined from laboratory experiments.Science，2013，342：1211－1214

[19]Wang K，Suyehiro K.How does plate coupling affect crustal stresses in northeast and southwest Japan？Geophys.Res.Lett.，1999，26（15）：2307－2310

[20]Lin W，Conin M，Moore J C，et al.Stress state in the largest displacement area of the 2011Tohoku－Oki earthquake.Science，2013，339：687－690