F M ChesterC RoweK UjiieJ KirkpatrickC RegallaF RemittiJ C MooreV ToyM Wolfson－SchwehrS BoseJ Kameda1J J Mori1E E BrodskyN Eguchi1S Toczko1343和343T勘查隊(duì)科技人員

1）Center for Tectonophysics，Department of Geology and Geophysics，Texas A＆M University，College Station，TX 77843，USA

2）Earth and Planetary Sciences Department，McGill University，Montreal，Canada

3）Graduate School of Life and Environmental Sciences，University of Tsukuba，Tsukuba，Japan；Institute for Research on Earth Evolution，Japan Agency for Marine－Earth Science and Technology，Yokosuka，Japan

4）Department of Geosciences，Colorado State University，F(xiàn)ort Collins，CO 80523，USA

5）Department of Geosciences，Pennsylvania State University，University Park，PA16802，USA

6）Dipartimento di Scienze della Terra，Universitàdi Modena e Reggio Emilia largo，Modena，Italy

7）Department of Earth and Planetary Sciences，University of California Santa Cruz，Santa Cruz，CA 95064，USA

8）Department of Geology，University of Otago，Dunedin，New Zealand

9）Center for Coastal and Ocean Mapping/Joint Hydrographic Center，University of New Hampshire，Durham，NH 03824，USA

10）Department of Geology，University of Calcutta，Kolkata，India

11）Department of Earth and Planetary Science，The University of Tokyo，Tokyo，Japan

12）Earthquake Hazards Division，Disaster Prevention Research Institute，Kyoto University，Kyoto，Japan

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

2011年日本東北地區(qū)近海大地震板塊邊界滑動帶的地質(zhì)構(gòu)造和物質(zhì)組成＊

F M Chester1）C Rowe2）K Ujiie3）J Kirkpatrick4）C Regalla5）F Remitti6）J C Moore7）V Toy8）M Wolfson－Schwehr9）S Bose10）J Kameda11）J J Mori12）E E Brodsky7）N Eguchi13）S Toczko13）343和343T勘查隊(duì)科技人員

1）Center for Tectonophysics，Department of Geology and Geophysics，Texas A＆M University，College Station，TX 77843，USA

2）Earth and Planetary Sciences Department，McGill University，Montreal，Canada

3）Graduate School of Life and Environmental Sciences，University of Tsukuba，Tsukuba，Japan；Institute for Research on Earth Evolution，Japan Agency for Marine－Earth Science and Technology，Yokosuka，Japan

4）Department of Geosciences，Colorado State University，F(xiàn)ort Collins，CO 80523，USA

5）Department of Geosciences，Pennsylvania State University，University Park，PA16802，USA

6）Dipartimento di Scienze della Terra，Universitàdi Modena e Reggio Emilia largo，Modena，Italy

7）Department of Earth and Planetary Sciences，University of California Santa Cruz，Santa Cruz，CA 95064，USA

8）Department of Geology，University of Otago，Dunedin，New Zealand

9）Center for Coastal and Ocean Mapping/Joint Hydrographic Center，University of New Hampshire，Durham，NH 03824，USA

10）Department of Geology，University of Calcutta，Kolkata，India

11）Department of Earth and Planetary Science，The University of Tokyo，Tokyo，Japan

12）Earthquake Hazards Division，Disaster Prevention Research Institute，Kyoto University，Kyoto，Japan

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

摘 要俯沖帶大地震的機(jī)理受到板塊邊界斷層的摩擦性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造和物質(zhì)組成的影響。通過利用綜合海洋鉆探計(jì)劃（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）343和

343T勘探結(jié)果，我們觀測到2011年日本東北地區(qū)近海地震和海嘯的較淺斷層的地質(zhì)構(gòu)造和物質(zhì)組成。隨鉆測井和巖心采樣觀測結(jié)果表明，在該鉆探點(diǎn)，單個(gè)的主要板塊邊界斷層與日本東北地區(qū)近海地震破裂的大型滑動相吻合，且與附近幾乎所有累積的板內(nèi)運(yùn)動相一致。深海粘土有限厚度（小于5m）的局部形變被認(rèn)為是淺層地震斷層的特征，表明深海粘土可能在區(qū)域尺度上控制著海嘯地震。

中圖分類號：P315；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235－4975.2015.08.003

收稿日期：＊2014－07－07。

對于2011年3月11日日本東北地區(qū)近海MW9.0地震來說，板塊邊界斷層顯著的同震弱化幾乎可用于解釋總應(yīng)力降、楔形體內(nèi)從逆沖到正斷層應(yīng)力狀態(tài)的相關(guān)變化[1－3]以及海溝內(nèi)的大型滑動[4－6]。與滑動相關(guān)的斷層摩擦和其他屬性取決于活動滑動帶的物質(zhì)組成（如，粘土含量）和地質(zhì)構(gòu)造（如，方向、厚度和巖石結(jié)構(gòu)）。

日本海溝快速鉆井項(xiàng)目（Japan Trench Fast Drilling Project，JFAST），綜合海洋鉆探計(jì)劃（（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）343和343T勘探（2012年4月1日～5月24日和7月5日～19日）是為了對日本東北地區(qū)近海MW9.0地震的淺層活動滑動帶進(jìn)行定位并直接采樣而設(shè)計(jì)的[7]。JFAST鉆點(diǎn)（C0019）位于2011年日本東北地區(qū)近海地震震中向海的位置，并恰好也位于日本海溝向陸的位置，它大約距仙臺（Sendai）市200km（圖1）。在該區(qū)域內(nèi)，地震表現(xiàn)出相對較低的破裂傳播速度，伴隨著與海嘯地震相似的長周期輻射[8－9]，且在海溝呈現(xiàn)出異常大的滑動[4，10]。該鉆點(diǎn)的鉆前多道地震調(diào)查表明，上層板塊的前端弧前楔缺乏一致的反射體。在弧前楔和外緣突起的朝海方向位置之下的俯沖板塊，玄武巖地殼和上覆的沉積物被幾百米深的正斷層所抵消[11－12]。鉆探地點(diǎn)位于地壘之上（圖1b）。

鉆探船Chikyu（地球號）在海底之下844m鉆了3個(gè)間距較為接近的鉆孔，目的是為了獲取俯沖板塊玄武巖頂部的強(qiáng)震反射信號（圖1b），因此橫跨了板塊邊界。我們部署了隨鉆測井工具，包括天然伽馬射線和多電阻率傳感器，記錄第一個(gè)鉆孔的整個(gè)深度數(shù)據(jù)；根據(jù)第二個(gè)鉆孔關(guān)鍵間距的數(shù)據(jù)重構(gòu)巖芯采樣，在第三個(gè)鉆孔內(nèi)安裝了溫度觀測儀[7]。巖芯采樣分析和地球物理數(shù)據(jù)的綜合使用，可以識別出海底之下約820m深的地質(zhì)板塊邊界頂部，它與將地震反射解釋為板塊邊界斷層[7，11－12]相一致，該板塊邊界斷層向海延伸穿過地壘并深入海溝地塹（圖1c）。對第三個(gè)鉆孔回收的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明，東北地區(qū)近海地震破裂基本上發(fā)生在與由測井和采樣孔所識別的板塊邊界斷層相同的深度上（圖S1）[13]?；谖覀兊臉?gòu)造解譯的空間復(fù)原原則，我們估計(jì)在鉆探地點(diǎn)橫跨板塊邊界斷層的累積位移約為3.2km。

板塊邊界斷層的頂部可以通過改變巖性、沉積年齡、測井特征和從電阻率成像測井確定的順層方向來進(jìn)行識別[7]。在海底之下275m到約820m的巖層內(nèi)，層理伴隨正常的板塊會聚方向從30°傾斜到70°。海底之下690～820m的巖芯采樣包含著上新世到更新世的放射蟲類。海底之下820m以下，層理普遍傾斜＜10°，且呈現(xiàn)出高伽瑪射線特征（圖2）。巖芯采樣中的放射蟲化石證實(shí)，微微傾斜且呈現(xiàn)出高伽瑪射線的地層是晚中新世泥巖和白堊紀(jì)深海粘土。海底之下835m處，巖層的高電阻率和低伽瑪射線的過渡代表從深海粘土到白堊紀(jì)角巖的過渡。低于水平線的地層（海底之下約820m以下）在巖性上與所記錄的位于太平洋板塊外緣大約260km至深海鉆探計(jì)劃（Deep Sea Drilling

Project）Leg 56中日本海溝橫斷面東北436點(diǎn)位置基部的沉積物相似[14]（圖1）。因此，我們可以辨別板塊邊緣斷層頂部，位于海底之下約820m處的俯沖板塊的變形弧前楔的斜理層和平伏的基部沉積物的接觸部位（圖2）。

（a）紅點(diǎn)表示海底鉆探點(diǎn)，紅星表示日本東北地區(qū)近海地震的震中。等高線表示由多種數(shù)據(jù)集推斷的同震滑動，虛線表示1896年明治三陸海嘯地震的大致破裂區(qū)[6，8－9，23]。太平洋板塊相對于日本本州（北美板塊，NAM[28]）的運(yùn)動方向如圖所示。紅線表示嵌入的地震剖面HD33B的大致方向[29]。DSDP表示深海鉆探計(jì)劃（Deep Sea Drilling Project）。（b）部分嵌入的地震剖面（HD33B）顯示鉆孔的位置，弧前楔和海溝，正斷層基底深海沉積物和海底玄武巖，板塊邊界斷層定位和沉積物中的相關(guān)斷層。mbsl表示海水面下的深度，以米為單位；V.E.為縱向放大比例。（c）地震數(shù)據(jù)表明存在微弱但持續(xù)的反射，可用來解釋在鉆孔內(nèi)識別的板塊邊界斷層[11]，該反射繼續(xù)向東到地壘基底頂部以上并嵌入填充沉積物的海溝地塹中圖1　JFAST鉆點(diǎn)的位置和構(gòu)造背景（本文所有圖件均為彩圖）

板塊邊界斷層區(qū)由一層具有獨(dú)特的鱗狀結(jié)構(gòu)的褐色粘土組成，這在巖芯的其他部分并未發(fā)現(xiàn)（圖2）。在海底之下821.5～822.65m處的巖芯17R（343＿C0019E－17R－1）中發(fā)現(xiàn)了大約1m的鱗狀粘土。在鱗狀粘土和沉積物邊界之間的巖芯中并未獲取到，但是，在增加17R的長度和鄰近未獲取樣本的基礎(chǔ)上，認(rèn)為鱗狀粘土層的總體厚度小于4.86m（圖2）。

通過鉆井采樣，根據(jù)測井特征、巖性、化學(xué)差異和構(gòu)造組份將巖芯17R的鱗狀粘土與其他沉積物區(qū)分開來（圖S3）。與其他巖芯樣本相比，鱗狀粘土富含豐富的鉀、鋁和錳（圖S3），與436點(diǎn)的基礎(chǔ)參考剖面相比，認(rèn)為鱗狀粘土是早第三紀(jì)的深海粘土，在斷層帶內(nèi)因滑動等地質(zhì)構(gòu)造變化而運(yùn)移到現(xiàn)在的位置。小剪切帶數(shù)量（暗縫和條帶[7]）和鱗狀粘土層體積密度的增加可劃分出一個(gè)≤10m厚的斷層相關(guān)變形帶（圖2）；橫跨斷層帶的電阻率仍然相當(dāng)穩(wěn)定，表明缺乏開放

性的斷裂（圖2和圖S3）。

巖芯回收部分的剖面（黑色）和未回收部分的剖面（白色），左側(cè)顯示巖芯區(qū)間數(shù)。其他數(shù)據(jù)表示來自俯沖帶沉積物的深度，包括巖性單元電阻率（藍(lán)色曲線）和伽瑪射線（紅色曲線；gAPI為美國石油學(xué)會伽瑪射線裝置），由電阻率圖像確定的層理傾斜（紅色圓；LWD為隨鉆測井），測得的巖芯（藍(lán)色方塊），上盤的平均計(jì)算斷層掃描（CT）數(shù)（替代密度），下盤泥巖（綠色三角）和鱗狀粘土（黃色菱形）[29]。相對于變形泥巖，粘土CT數(shù)的升高可能反映了固結(jié)和化學(xué)過程。X射線CT圖像和巖芯圖片顯示鱗狀粘土結(jié)構(gòu)。一些透鏡體粗略地表明了結(jié)構(gòu)尺度和方位（平行于透鏡體長軸）。用白色箭頭表示具有不同結(jié)構(gòu)和方向的紅褐色和暗棕色鱗狀粘土的鋒利滑動面。注意，巖芯表面由平坦向彎曲變化的曲率圖2　測井、巖芯數(shù)據(jù)和板塊邊界斷層帶樣本的圖像

鱗狀結(jié)構(gòu)定義了一種間隔排列，交織葉狀結(jié)構(gòu)，0°～30°傾斜的可變形狀和大小的不同的粘土弧前楔（圖2），與其他俯沖帶巖芯樣本中的鱗狀結(jié)構(gòu)相似[7]。鱗狀表面有光澤，且通常呈條紋狀，表明分布式的剪切力橫跨了局部表面網(wǎng)格。在巖芯17R的基部表面間距為厘米尺度，但在巖芯頂部附近則降低到毫米尺度，反映出剪切應(yīng)變向上部構(gòu)造接觸的幅度增加。鱗狀粘土是雙色的（紅褐色和暗棕色到黑色），粘土的兩種顏色并列存在表明，在上層高剪切剖面有明顯的接觸（圖2）。這種接觸在厘米尺度時(shí)以小于1mm的幅度輕微起伏，無偏向縮短的葉理不平行于接觸面。我們推斷，這種接觸記錄著地震滑動，雖然不一定是日本東北地區(qū)近海地震，因?yàn)檫@種接觸具有與大型局部滑動且在其他斷層帶的地震破裂面相似的表面特征[16－17]。其他大型局部滑動面可能位于某一深處鱗狀粘土層邊界或其中間，未能在此次鉆孔采樣中獲得，也可能是處于日本東北地區(qū)近海地震破裂的候選位置。

鉆探點(diǎn)的斷層帶與之前海洋鉆探和陸地研究的斷層帶觀測結(jié)果相比，它的鱗狀結(jié)構(gòu)較薄而且它的鄰近沉積物沒有普遍的變形[18－19]。小于5m厚的鱗狀粘土層包含的數(shù)千米的剪切位移表明，長期滑動定位標(biāo)志和粘土層在斷層活動期間與邊界的泥巖具有較弱的相關(guān)性[16，20]。事實(shí)上，在地震滑移和震間蠕變期間，巖層一定比周圍沉積物更加脆弱。這一發(fā)現(xiàn)通過鱗狀粘土樣本在高剪切速率下的滑動摩擦[21]和在低剪切速率下的類似的富粘土材料[22]的直接實(shí)驗(yàn)測量得以證實(shí)。

在西北太平洋的大部分歷史地震中，大型滑動并沒有延伸到海溝附近，但是，當(dāng)它發(fā)生時(shí)，就有巨大海嘯引起的毀滅性后果（如，1896年的明治三陸地震和2011年的日本東北地區(qū)近海地震[23－24]）。與2011年日本東北地區(qū)近海地震的淺層滑動帶類似，一些其他的俯沖帶也顯示出，插入板塊的巖石層序影響板塊邊界斷層的位置和結(jié)構(gòu)的證據(jù)（如，巴巴多斯島[25]和蘇門答臘島[26]）。JFAST鉆探點(diǎn)的板塊邊界斷層以下的深海沉積物與西北太平洋板塊上的相似[27]。由于鉆探點(diǎn)與日本北部海溝的其余部分具有相同的歷史和巖層，因此，在這里觀測到的地質(zhì)構(gòu)造和相關(guān)的機(jī)理屬性可能代表著整個(gè)地區(qū)的俯沖斷層。

補(bǔ)充資料網(wǎng)址：http：∥www.sciencemag.org/ content/342/6163/1208/suppl/DC1

文獻(xiàn)來源：Frederick M Chester，Christie Rowe，Kohtaro Ujiie，et al.Structure and composition of the plate－boundary slip zone for the 2011Tohoku－Oki earthquake.Science，2013，342（6163）：1208－1211.doi：10.1126/science.1243719

（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）

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學(xué)術(shù)論文