基于地震活动分析的日本"3.11" M9地震前后震源区应力转移特征研究

The seismogenic mechanism of "3.11" Japan Mw9 earthquake is one of the most hot topics in the geodynamics for now.Taking the 6 M>7.0 earthquakes occurred in Japan Trench Subduction Zone during 8 years before M9 earthquake as example, we reproduce a progressing process of regional structual stress state and its change before M9 earthquake. Considering the uncertainties existing in stress change calculation, we improve the stress inversion algorithm based on seismicity simulation, and obtain the stress state parameters in source region for "3.11" huge earthquake and M>7 earthquakes occurred in Japan Trench Subduction Zone during 8 years before M9 earthquake, then we look into the characteristics of stress state parameters and failure stress change; to analyse focal mechanism solutions, we get the stress tensor in sub-regions of Japan Trench Subduction Zone; to applying viscoelasticity modeling, we reappear the stress evolution in Japan Trench Subduction Zone in different time scale before M9 earthquake. This project is of much importance for the further understanding of the seismogenic stress enviroment of M9 Japanese earthquake and the research on the style and mechanics of stress transfer prio to large earthquakes.

日本"3.11"M9大地震的孕震动力过程是目前地球动力学研究的热点内容之一。以日本"3.11"大地震前日本海沟俯冲带6次M7级以上地震序列为研究震例，重现M9级大地震前区域构造应力状态及其变化的演化进程。考虑应力变化计算不确定性，改进地震活动性模拟法反演构造应力状态参数的算法，以此获得"3.11" M9大震和2003-2011.3.9期间日本海沟俯冲带6次M≥7.0级以大震震源区的应力状态参数，研究日本大地震前震源区的应力状态参数和破裂应力变化的特征；结合震源机制解分析，研究区域内各分区应力张量的渐进演化特征；结合粘弹性模型分析，重现"3.11"日本大地震震前不同时间尺度应力场渐进演化的进程。该项目对于深入了解日本大地震的孕震应力环境、研究大震前应力转移方式和机制具有重要意义。

利用地震观测资料研究时间相依的大地震震源区应力场特征，是长久以来地球物理学研究所期待的。本课题利用日本海沟俯冲带大量高精度地震观测数据研究了1997年到2011年期间分阶段的三维应力场特征，并探讨了大地震前震源区应力场的应力转移机制。本课题包括如下主要内容：① 多震源模型的地震活动反演震源区构造应力状态的方法。将日本“3.11”大地震为研究震例，考虑应力变化计算的不确定性，改进地震活动性模拟反演构造应力状态参数的方法，以此反演获得MW9.0日本大地震震源区应力状态参数，并对其反演结果的稳定性进行分析；② MW9.0主震前8年日本海沟俯冲带Mj≥7.0级地震震源区应力场的渐进演化特征，结合震源机制解分析，分析应力参数和破裂应力变化的时/空渐进演化特征。研究结果表明：2011年前，MW9.0主震震源区应力场最大主应力垂直于日本海沟走向、近水平（290°∠19°），地震断层浅部有效摩擦系数低（0.2）；俯冲带地区应力状态在空间上大体趋于一致，即应力轴（P轴、σ_1轴及SHmax轴）系统性地倾向板块汇聚方向，P轴、σ_1轴倾角整体（<30°），且远离震源区及日本海沟东侧区域内的应力轴倾角普遍大于主震震源区内应力轴倾角；主震前，受2003年5月26日在宫城县北部发生的MW7.0级地震影响，位于MW9.0地震震源区西北侧的应力场出现明显扰动，σ_1轴倾向顺时针偏转150°~180°，并于之后大体恢复至震前状态，同期其它地区没有明显变化，这种情况可能和主震断层局部（深部）的前兆性滑动有关；主震后，距离震源区较远处应力场变化不大，主震震源区内应力场发生显著改变，P轴及σ_1轴均以大角度（>60°）倾伏于板块汇聚方向，SHmax轴顺时针偏转60°~90°，且在日本海沟附近普遍平行于海沟轴，正断型地震活动大幅增加，显示主震震源附近应力完全释放。本研究利用地震活动数据获得了俯冲带大地震前时间相依的应力场参数，并以时空图像的方式展示了大地震前应力场变化的特点，反映了大地震孕震过程中构造与地震的相互作用，对于理解大地震孕震过程有重要意义。