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上板块对2011年日本东北9.0级地震同震滑动的控制gydF4y2Ba

自然gydF4y2Ba体积gydF4y2Ba531gydF4y2Ba，gydF4y2Ba页面gydF4y2Ba92 - 96 (gydF4y2Ba2016gydF4y2Ba）gydF4y2Ba引用本文gydF4y2Ba

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摘要gydF4y2Ba

2011年3月的东北大地震只是第二次大地震(矩震级)gydF4y2Ba米gydF4y2BawgydF4y2Ba这是近50年来发生的≥9.0级地震，也是现代地球物理技术记录的最近一次地震。现有数据对地震破裂的运动学有高分辨率的限制gydF4y2Ba1gydF4y2Ba这些研究挑战了先前关于断层在一次地震中可以滑动多少的知识，以及部分耦合的大型逆冲界面的地震潜力gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．但目前还不清楚是什么物理或结构特征控制了这次地震的破裂程度或滑动幅度。本文利用残留地形和重力异常对日本东北部近海逆冲(上)板块的地质结构进行了约束。这些数据揭示了在上板块构造中一个突然的西南-东北走向的边界，重力模型表明，在这个边界上，覆盖在大逆冲断层上的岩石密度从南向北增加了150-200公斤/立方米。我们认为这一边界代表了中位构造线的近海延伸，该构造线在陆地上并置了由花岗岩基岩(北部)和增生复合体(南部)组成的地质地体。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba．中位构造线以北的大逆冲带处于地震锁定状态gydF4y2Ba2gydF4y2Ba美国历史上发生过18次大地震gydF4y2Ba米gydF4y2BawgydF4y2Ba>自1896年以来的7)，并在东北地震中产生了超过40米的峰值滑移gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．相比之下，该边界以南的大型逆冲构造具有更高的震间蠕变速率gydF4y2Ba2gydF4y2Ba没有发生过地震gydF4y2Ba米gydF4y2BaJgydF4y2Ba> 7级(日本气象厅估计的局地震级)，2011年经历了相对较小的同震滑动(如果有的话)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．我们认为，逆冲板块的结构和摩擦特性控制了日本东北部的大逆冲耦合和发震行为。gydF4y2Ba

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图1:日本东北部俯冲带的弧前异常。gydF4y2Ba
图2:简化的地质gydF4y2Ba11gydF4y2Ba主要的构造边界gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba日本。gydF4y2Ba
图3:日本东北部大型逆冲构造的滑动行为。gydF4y2Ba

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我们感谢S. Naif, C. Davies, C. Twardzik和S. Das的建议。使用通用制图工具(GMT) (gydF4y2Bahttp://gmt.soest.hawaii.edu/gydF4y2Ba)．博士获牛津大学克拉伦登奖学金、加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所地球物理与行星物理研究所绿色基金会博士后奖学金、美国国家地理空间局(HM01771310008)和斯克里普斯海底电磁联合会(gydF4y2Bahttp://marineemlab.ucsd.edu/semc.htmlgydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

作者信息gydF4y2Ba

作者及隶属关系gydF4y2Ba

  1. 斯克里普斯海洋研究所，美国加州拉霍亚92093gydF4y2Ba

    丹·巴塞特，大卫·t·桑德威尔和尤里·费阿尔科gydF4y2Ba

  2. 牛津大学地球科学系，南公园路，英国牛津gydF4y2Ba

    安东尼·b·瓦茨gydF4y2Ba

作者gydF4y2Ba
  1. 丹巴gydF4y2Ba
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    您也可以在gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  2. 大卫·t·桑德威尔gydF4y2Ba
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  3. 尤里FialkogydF4y2Ba
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  4. 安东尼·b·瓦茨gydF4y2Ba
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贡献gydF4y2Ba

D.B.和A.B.W.构思了这项研究，并进行了网格处理。d.b.和D.T.S.计算密度异常。Y.F.进行了地震周期的数值模拟。d.b.， D.T.S.和Y.F.写了最初的手稿。所有作者讨论了结果并对手稿进行了评论。gydF4y2Ba

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2Ba丹巴gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

道德声明gydF4y2Ba

相互竞争的利益gydF4y2Ba

作者声明没有相互竞争的经济利益。gydF4y2Ba

扩展的数据图形和表格gydF4y2Ba

扩展数据图1地球上最大地震的破裂区域和同震滑动振幅gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba41gydF4y2Ba，gydF4y2Ba42gydF4y2Ba，gydF4y2Ba43gydF4y2Ba，gydF4y2Ba44gydF4y2Ba，gydF4y2Ba45gydF4y2Ba，gydF4y2Ba46gydF4y2Ba，gydF4y2Ba47gydF4y2Ba，gydF4y2Ba48gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

灰色条形图和黑点图表示同震滑动的平均值和最大值与断层破裂区域的关系。五次地震gydF4y2Ba米gydF4y2BawgydF4y2Ba≥9级为标记，数字6-10表示地震震级较小的位置gydF4y2Ba补充表1gydF4y2Ba．注意2011年东北大地震中异常大的同震滑动量(>70 m)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．黑色箭头显示的是1906年旧金山地震时的最大滑动量。本次走滑事件破裂面积为6 × 10gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba公里gydF4y2Ba2gydF4y2Ba比这里绘制的大型逆冲断层区域小两个数量级。gydF4y2Ba

扩展数据图2网格处理方法。gydF4y2Ba

面板说明了在日本东北部俯冲带应用的整体平均和网格处理方法。区域测深网格gydF4y2Ba33gydF4y2Ba自由空气/布格校正(FA/BC)重力异常gydF4y2Ba32gydF4y2Ba均沿沟槽法向剖面采样(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba而且gydF4y2BabgydF4y2Ba)．光谱平均是从每个剖面的集合(如图所示)计算出来的gydF4y2BacgydF4y2Ba而且gydF4y2BadgydF4y2Ba)．保持沟槽的几何形状，构造平均剖面的网格(gydF4y2BacgydF4y2Ba而且gydF4y2BadgydF4y2Ba)，并从原始数据集中减去剩余水深(gydF4y2BaegydF4y2Ba)及剩余重力异常(gydF4y2BafgydF4y2Ba)．这种谱平均技术与全球应用的方法相同gydF4y2Ba9gydF4y2Ba，gydF4y2Ba10gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

图3集成平均剖面和二维重力模型。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，整体平均地形剖面。gydF4y2BabgydF4y2Ba，整体平均重力剖面(黑色)。红色剖面为中所示二维密度结构的重力异常gydF4y2BadgydF4y2Ba．gydF4y2BacgydF4y2Ba，弧前平均密度(左)和弧前地壳厚度(右)与海沟轴线距离的关系。海沟附近的密度异常幅度较大，主要反映弧前地壳厚度的减小gydF4y2BahgydF4y2Ba尽管它们也可能在某种程度上反映了对近沟变形的不同阻力。gydF4y2BadgydF4y2Ba日本东北部俯冲带地壳结构模型。这个模型是用沟槽斜坡的平均几何构造的(见gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)和俯冲板，弧前和俯冲板(~7 km)地壳厚度的地震约束(gydF4y2Ba补充表2gydF4y2Ba)，并使用合理的地壳值(~2,800 kg mgydF4y2Ba−3gydF4y2Ba)和地幔密度(~ 3100 kg mgydF4y2Ba−3gydF4y2Ba)．中观察到的良好拟合gydF4y2BabgydF4y2Ba在整体平均重力异常(黑色)和计算重力异常(红色)之间，表明整体平均重力异常捕捉了俯冲带的广泛地壳结构，这使得去除该平均值后揭示的剩余异常能够得到解释。日本东北部前弧残余物的短波长性质表明，大部分残余物与地壳结构有关。gydF4y2Ba

图4俯冲板几何形态与弧前地壳厚度。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，活动震源广角地震剖面沿走向线性插值约束下俯冲太平洋板块的几何形状gydF4y2Ba49gydF4y2Ba，gydF4y2Ba50gydF4y2Ba，gydF4y2Ba51gydF4y2Ba，gydF4y2Ba52gydF4y2Ba，gydF4y2Ba53gydF4y2Ba，gydF4y2Ba54gydF4y2Ba，gydF4y2Ba55gydF4y2Ba，gydF4y2Ba56gydF4y2Ba．配置文件编号如中所示gydF4y2Ba补充表2gydF4y2Ba并绘制在gydF4y2Ba扩展数据图5gydF4y2Ba．红色三角形表示弧火山。gydF4y2BabgydF4y2Ba的广角剖面所约束的弧前地壳厚度gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba．虚线为俯冲板块与前弧莫霍面的交点。地壳厚度的计算方法是从弧前地壳的地震约束基底减去观测到的水深。gydF4y2BacgydF4y2Ba，如gydF4y2BabgydF4y2Ba，但弧前莫霍面深度受胜俣层析模型的约束gydF4y2Ba37gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

图5广角地震模型。gydF4y2Ba

配置文件编号为gydF4y2Ba扩展数据图4agydF4y2Ba而且gydF4y2Ba补充表2gydF4y2Ba49gydF4y2Ba，gydF4y2Ba50gydF4y2Ba，gydF4y2Ba51gydF4y2Ba，gydF4y2Ba52gydF4y2Ba，gydF4y2Ba53gydF4y2Ba，gydF4y2Ba54gydF4y2Ba，gydF4y2Ba55gydF4y2Ba，gydF4y2Ba56gydF4y2Ba．有关图形命名，请参阅图例。圆点表示剖面交叉处的板状和莫霍面位置。横轴表示模型公里。剖面5和剖面6所示的平板和莫霍几何图形是通过旅行时映射成像的反射器分布gydF4y2Ba54gydF4y2Ba．相交剖面3表明，剖面6 120 km以南的莫霍面反射面可能来自俯冲的太平洋板块顶部，弧前莫霍面约束仅包含在模型公里150以北。gydF4y2Ba

图6弧前密度异常计算。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，观测到的剩余重力异常。黑色等高线表示弧前地壳厚度(5公里增量)。gydF4y2BabgydF4y2Ba，由弧前密度异常分布计算的合成重力异常gydF4y2BacgydF4y2Ba．gydF4y2BacgydF4y2Ba，密度异常分布。在海床与俯冲板顶部或弧前莫霍面(以较浅者为准)之间延伸的10 km × 10 km垂直棱镜内，密度对比是恒定的。每个棱镜的初始密度对比是使用每个棱镜的已知厚度直接从剩余重力异常中估计出来的，观测到的和合成的剩余重力异常之间的差异同样应用于更新模型参数。插入到gydF4y2BabgydF4y2Ba显示模型参数每次更新时均方根失配的减少情况。经过12次迭代，均方根失配<1 mGal。gydF4y2BadgydF4y2Ba，观测残馀重力异常与合成残馀重力异常之差。gydF4y2Ba

图7弧前地壳厚度不同约束条件下计算的密度异常。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，平板和弧前莫霍面有源地震约束计算密度异常(gydF4y2Ba扩展数据图4a和bgydF4y2Ba)．gydF4y2BabgydF4y2Ba，利用太平洋板块俯冲几何上的主动震源地震约束计算密度异常，但使用了胜俣的层析模型gydF4y2Ba37gydF4y2Ba约束前弧莫霍面(gydF4y2Ba扩展数据图4cgydF4y2Ba)．gydF4y2BacgydF4y2Ba，密度异常采用SLAB1.0计算gydF4y2Ba36gydF4y2Ba假定在主动震源地震模型确定的平均深度(25 km)处存在平面弧前莫霍面。使用这些不同的模型参数化计算的密度模型的差异为10-20 kg mgydF4y2Ba−3gydF4y2Ba．所有面板都显示出在弧前段边界(红色虚线)上密度异常明显地从北向南减少，我们对这种对比的解释并不依赖于用于约束弧前地壳厚度的观测。残馀重力异常推断的弧前构造与弧前地震速度结构的比较gydF4y2Ba57gydF4y2Ba显示在gydF4y2Ba补充图1gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

扩展数据图8 2011年3月东北大地震同震滑动模型。gydF4y2Ba

图中显示了受残余重力异常约束的逆冲板块结构与东北地震中滑移分布之间的相关性。这些模型是使用不同的数据类型和反演策略构建的。在所有图中，灰色虚线和红色虚线分别表示沟槽轴线和弧前段边界。等高线间隔被标记，最外层的等高线为0。gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba, MinsongydF4y2Ba等gydF4y2Ba．gydF4y2Ba1gydF4y2Ba；gydF4y2BabgydF4y2Ba西蒙斯,gydF4y2Ba等gydF4y2Ba．gydF4y2Ba58gydF4y2Ba；gydF4y2BacgydF4y2Ba亚扪人,gydF4y2Ba等gydF4y2Ba．gydF4y2Ba59gydF4y2Ba；gydF4y2BadgydF4y2Ba乐与乐gydF4y2Ba60gydF4y2Ba；gydF4y2BaegydF4y2Ba，梅尔加和博克gydF4y2Ba61gydF4y2Ba；gydF4y2BafgydF4y2Ba,佐藤gydF4y2Ba等gydF4y2Ba．gydF4y2Ba62gydF4y2Ba；gydF4y2BaggydF4y2Ba,小泽gydF4y2Ba等gydF4y2Ba．gydF4y2Ba63gydF4y2Ba(允许在沟内滑倒);gydF4y2BahgydF4y2Ba,小泽gydF4y2Ba等gydF4y2Ba．gydF4y2Ba63gydF4y2Ba(在沟渠施加防滑条件);gydF4y2Ba我gydF4y2Ba,藤井裕久gydF4y2Ba等gydF4y2Ba．gydF4y2Ba64gydF4y2Ba．在所有样地中，大的同震滑动集中在弧前段边界以北的残馀重力异常区。大多数模式还显示，在前弧段边界上，从北到南的滑动幅度急剧减小。这种模型集合所代表的广泛的数据类型和反演策略表明，上述确定的共同特征可能是东北地震破裂的稳健特征。gydF4y2Ba

扩展数据图9震后观测。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba3月11日至5月24日发生在俯冲界面的余震gydF4y2Ba65gydF4y2Ba．所有图均显示了沟槽轴线(灰色虚线)、弧前段边界(红色虚线)和同震滑动等高线(10 m)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．gydF4y2BabgydF4y2Ba，在东北主震发生后7个月内发生的所有余震(不同地点/机制)gydF4y2Ba米gydF4y2BawgydF4y2Ba≥5(参考。gydF4y2Ba63gydF4y2Ba)．面板gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba而且gydF4y2BabgydF4y2Ba表明东北大地震的板块间余震并没有发生在经历大同震位移的地区。绝大多数发生在主震破裂区周围，其分布支持参考的贝叶斯滑移分布。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，为同震破裂沿走向程度提供了有效的约束条件。同震滑动与余震位置的负相关关系在ref的余震位置上最强。gydF4y2Ba65gydF4y2Ba，因为它们具有较低的震级截断值(因此有更多的事件)，并且因为它们评估卡根角以将板块间余震与俯冲地壳或逆冲地壳内发生的余震隔离开来，两者都与同震破裂区没有相关性(见参考文献的图3b和c)。gydF4y2Ba65gydF4y2Ba)．所示的余震位置和分布滑移模型gydF4y2Ba扩展数据图8gydF4y2Ba表明东北大地震的大同震位移(>20 m)在MTL东南50公里处没有继续>。gydF4y2BacgydF4y2Ba, Afterslip。红色箭头表示海底GPS站点地震后一年的位移。蓝色箭头表示Sun和Wang的粘弹性模型预测的GPS矢量gydF4y2Ba24gydF4y2Ba．厚厚的灰色等高线(以米为单位)显示了余震的分布gydF4y2Ba24gydF4y2Ba．在倾斜方向上，浅层后滑移主要发生在FUKU站点的向海方向，因此位于前弧段边界以南。在沿走向方向上，预计余震斑块的北部终点将位于主破裂区以南。在南部，余震可能延伸得比图中所示的滑动斑块所描绘的更远gydF4y2Ba扩展数据图9cgydF4y2Ba并可能向南延伸至若班海山链gydF4y2Ba24gydF4y2Ba．如果前弧段边界东南区域在东北大地震中表现出速率增强的行为，那么快速后滑移的发生正是人们所期望的。gydF4y2Ba

图10具有空间非均质摩擦特性的断层服从速率-状态摩擦的地震旋回数值模型gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，假设速率依赖参数的分布gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba−gydF4y2BabgydF4y2Ba．gydF4y2BabgydF4y2Ba，假设摩擦系数的分布。gydF4y2BacgydF4y2Ba，断层滑动在时空上的演化。黑线表示每5年发生一次震间断层滑动，红色虚线表示同震滑动，时间间隔为2秒。说明空间变化对摩擦系数和速率依赖参数的影响gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba−gydF4y2BabgydF4y2Ba在地震活动模式上，我们进行了速率-状态摩擦控制断层的地震旋回模拟。我们假设了一个相对简单的情况，两个粗度(高应力，强缓速断层段)被一个弱(低摩擦系数，弱缓速断层段)分开。计算域长度为100 km，粗面特征尺寸为20 km。采用边界积分法进行仿真gydF4y2Ba66gydF4y2Ba，gydF4y2Ba67gydF4y2Ba．该断层以100公里的断层距离驱动，规定了100毫米/年的恒定速度gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba．我们假设恒定的法向应力为50mpa，滑移弱化位移为10mm。与单一速度减弱的粗糙体演化为一系列特征地震的情况不同，模拟的地震序列显示出丰富的复杂性，与东北地区地震活动的许多特征相似。有许多大小不一的子事件，主要在高强度陡坡的边界成核，但在它们发展成系统级地震之前就被阻止了。这些子事件可能类似于大型(gydF4y2Ba米gydF4y2BawgydF4y2Ba7) 2011年大地震前后发生在日本东北地区的地震。偶尔，整个区域会在特大事件中断裂(例如，累积滑移60米到70米之间)。这些事件的滑移大小由先前的滑移历史和预应力决定。该模型还预测了速度减弱斑块中部的间断性蠕变(例如，38米的累积滑移在45公里至60公里之间)，这可能与大型逆冲构造某些部分的低地震耦合有关。滑动行为的额外复杂性可能是由于不同空间波长的摩擦特性的变化，以及沿走向和下倾方向的摩擦特性的变化。gydF4y2Ba

补充信息gydF4y2Ba

补充信息gydF4y2Ba

该文件包含补充表1-3和补充表1-2。(PDF 1185kb)gydF4y2Ba

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巴塞特，D.，桑德维尔，D.，菲阿尔科，Y.。gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba上板块对2011年日本东北9.0级地震同震滑动的控制。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba531gydF4y2Ba， 92-96(2016)。https://doi.org/10.1038/nature16945gydF4y2Ba

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