通过b值图像对比分析进行首先破裂的南海海槽地震东部地区研究.docx

通过b值图像对比分析进行首先破裂的南海海槽地震东部地区研究南海海槽未来地震的发生将会首先被高灵敏度地球物理监测网观测到,如Hi-net1,GEONET2,DONET3和GPS-A4,5等地震发生前预计会出现各种前兆现象6-10例如,2011年日本东北部的9级大型逆冲地震就报道了各种前兆现象,如板间耦合弱化、地震平静和活跃、潮汐触发以及大小地震事件相对发生的变化为了探测这些现象,对地震活动和地壳运动进行稳定而强烈的监测是必不可少的由于大型逆冲地震是由板间耦合驱动的,许多研究旨在识别强耦合区域,以确认这些区域应该是未来灾害性地震释放能量的主要来源6,11-18历史地震震源区被认为位于板块边界高滑动亏损速率(SDR)区域周围19,20,这里差应力比较高21,22因此,最重要的是寻找高SDR区和高应力区Yokota等23通过分析GPS-A和GEONET获得的海底和陆地大地观测数据,阐明了南海海槽俯冲带SDR的分布b值分析显示了差应力的空间分布震级大于或等于M的地震累积次数近似遵循古登堡—里克特定律24:log10N=a-bM,其中a和b为常数(即,高b值表示小地震的比例较大,反之亦然)b值时空变化可以反映地震带结构的非均匀性、强度和温度22,25-27。

在实验室以及实际地壳观测,也广泛认为b值与差应力成反比28,29由此而论,b值作为应力的一个表征值,可以帮助标识未来可能发生破裂的板块边界上凹凸体或高应力段21,22,30与Nanjo等21和Tormann等22的研究相似,我们应用b值分析未来预计可能发生大型走滑地震的菲律宾海和阿穆尔板块之间的板间区域虽然b值在空间上是不均匀的,但我们发现b值在1944年东南海和1946年南海M8地震的震源区较低综合SDR与b值,我们认为1944年和1946年地震的东部地区是应力最大区域此外,我们认为这是下一个大事件最可能的成核区,与报导的历史破裂相一致图1b值图（原图为彩色图——译注）该图左上角的地震数据用来制作这幅b值图（另请参考“数据与来源”）利用ZMAP47软件包构建密集的空间网格（0.05°×0.05°），以采样半径r=35km的圆形重叠体进行地震采样，并绘制由EMR46方法计算的b值图点线描绘了预测的东海地震震源区14实线和虚线表示1946年南海和1944年东南海地震造成的预估大型滑移区域（分别为大于2m和4m)12灰点表示低频地震红色曲线代表深度等高线40-43（另请参考“数据与来源”）。

插图：由A和B分别表示的r=35km的标注区域和滑移区域（大于4m）的频度—震级分布1、结果1.1南海俯冲带b值图像图1为整个南海海槽的b值图像有关地震数据处理和制图程序的详细信息,请参考“方法”部分和补充材料的图1～6,它们提供了相关方法的全面信息,并进行了灵敏性检查,以确认所呈现结果的稳定性从该b值图上看,四国岛北部至伊势湾北部有一条低b值条带(b<0.7,红色),俯冲板块的深度在30km左右或更低这条地震带的位置在1944年东南海地震和1946年南海地震震源区的较深的一侧,代表了南海海槽地震的最后一个序列有趣的是,低b值区与地震发生频次低区重叠31,32板块边界处的有效差应力很小,并且大量的来自俯冲板块流体的存在,导致容易发生剪切滑动,因此常发生低频地震33,34另一方面,在那些可以取出流体的板块内,孔隙压力低导致有效差应力高,在排水条件下可能发生“普通”地震,这应该是低b值条带与低频地震区重叠的原因这种在耦合区较深一侧的重叠似乎是南海海槽的一个独特的特征,在2011年日本东北大地震的下倾侧没有发现这种重叠现象22沿海槽轴线区域中的相对较高b值色块(b>1蓝色标识)表明这些区域处于差应力较低的状态。

由于地震活动性较低,在四国岛以南很远地区的b值图像是空白的,那里被认为1946年南海地震时没有发生滑动12海槽轴线附近高b值是南海海槽和日本东北部俯冲带具有的共同特征22俯冲板块顶面深度在10～30km之间的中间区域,b值图像的颜色从橙色、黄色到绿色和青色在该深度范围内,1944年东南海和1946年南海地震的大型滑移区域(大于4m)之间的纪伊海峡南端识别出一个相对较高的b值区(b值约为0.9),表明这两个大型逆冲地震的震源区基本上是分离的b值的变化沿穿越两次地震的预估大型滑移区的轴线,表明这些区域之间各部分的b值显著偏高,超过了不确定性水平的程度(见补充材料的图6)高b值区对应于Yokota等23在图2中标记的低SDR区域C1944年东南海地震和1946年南海地震的破裂都是从高b值区开始的,前者的破裂向东推进,后者的破裂向西延伸至四国岛以南南海海槽俯冲带中存在两个明显的低b值区及高b值区是很独特的,表明两个大型逆冲地震可能以单独发生的方式分割了板块界面,从而破坏了每一段这种b值的空间分布特征22与日本东北俯冲带(太平洋板块俯冲到北美板块之下)形成鲜明对比1.2b值与SDR之间的关系图2展示了一个有趣的特征,即b值和SDR之间存在明显的反比关系(SDR的数据处理参考“方法”部分)。

在计算b值时,以半径为r的圆柱体为单元,选取落在其内的地震事件,以每个节点为中心,并赋予其SDR值取半径r为6km和8km绘制b-SDR关系图的详细步骤,请参考“方法”部分和补充材料中的图7～9图2a为沿南海海槽的整个耦合区的结果,能够看出b值与SDR成反比,表明在高SDR区差应力较大这一特征在半径r较小时更为明显因为从较大的样本集中进行抽样,以此消除不同SDR的b值差异,这是合理的我们使用随机目录检验了观察到的b值与SDR间的反比关系是否能够偶尔发生,证明这种可能性很小(参考“方法”部分和补充材料的图9)众所周知,历史上南海海槽地震东部和西部破裂往往是独自发生的6,11-14为了验证东、西部的b值与SDR之间的反比关系是否存在差异,我们以135°E为界将整个区域划分为两个子区域,这样1944年东南海地震和1946年南海地震的震源区就分开了图2b和图2c为每个子区b值与SDR之间的关系图,据此,我们观察到两个子区得到的b值与SDR之间的反比关系(见补充材料的图7)然而,值得注意的是,较大SDR值低于板块汇聚速率(SDR≤0.065m/a)时,东部b值低于西部b值图3突出了b值的这种差异,该图给出下限SDRLL以上SDR的b值,分别为0.05m/a,0.055m/a和0.06m/a)。

为获得该结果,我们收集了M≥0的地震,使用采样半径r=8km,以SDR≥SDRLL的每个节点为中心,避免了相同事件的重复计数对于较大的SDRLL,这种差异更为明显当采用小半径r=6km时,由于数据不足,无法进行计算(见补充材料的图10)另一方面,对于较大的采样半径r=10km,东部和西部之间的差异并不显著,可能因为b值被周边较小SDR值的点的干扰平滑了图2b值与SDR的关系图(原图为彩色图——译注)灰色的水平和垂直条分别表示滑动窗口(宽度为0.014m/a)和自举误差误差条表示自举抽样分布的一个标准差我们分别用绿色和蓝色表示半径:r为6km和8km最小二乘回归曲线用相应的颜色表示R:95%置信区间上下括号内的相关系数;P:显著性检验的P值我们把整个区域a分成135°E以西的区域b和135°E以东的区域c图3几种SDRLL的b值(原图为彩色图——译注)灰色竖线表示自举误差，表示自举不确定性的一个标准差我们使用半径为r=8km的样本星号表示135°E以西区域的结果，菱形表示135°E以东区域的结果插图：SDRLL=0.06m/a的频度—震级分布2、讨论我们发现,对于大型SDR地区,东部b值明显低于西部b值(图3),这一发现有点耐人寻味,因为它表明东部地区凹凸体上差应力高于西部地区,即使SDR在凹凸体上是相同的。

如果我们注意到Yokota等23的图2,就可以理解这一发现即东部高SDR区的尺度小于西部(见补充材料的图8),这表明东部地区凹凸体上应力上升幅度将大于西部地区东部凹凸体上差异应力上升率较高,其原因可能是历史上一系列大型逆冲地震中东部地区首次破裂中观测到的趋势6,11-14基于大地测量数据的SDR模型23阐明了南海海槽耦合条件的空间特征,区分了强耦合(高SDR)区和弱耦合(低SDR)区另一方面,我们通过图1中的b值分布图展示了差应力高(b值低)和差应力低(b值高)虽然这两种方法基于不同的数据和观点,但我们发现b值与SDR相关:SDR越大,b值就越低(图2)Wiemer等35证明:东海地区,特别是南海海槽带东部的沉降速率中瞬态变化,与地震的发生率和大小分布的变化,即b值有关他们推测闭锁应力的增加,即“慢滑移事件”,与所有观察结果一致Ghosh等36观察到哥斯达黎加下俯冲科科斯板块的b值与闭锁成反比关系圣安德烈斯断层帕克菲尔德段的观测结果显示,相对于断层的未闭锁段,在未发生地震事件瞬变期间,b值有显著差异27Tormann等37对这一现象进行了更详细的研究,他们证明了b值的时间序列与蠕滑速率的变化之间存在相关性。

当考虑到所有观察结果时,我们有理由认为,在较大SDR区域的b值较低,说明凹凸体上的差应力较大俯冲板块10～30km深度内东、西部高应力凹凸体(低b值)分别与1944年东南海地震、1946年南海地震的大型滑移区基本一致尽管本研究中分析的周期是地震周期的1/10或更短,但我们认为高应力凹凸体的分离是南海海槽俯冲带的内在特征,并可能解释为什么在历史上一系列大型逆冲地震中破裂常被分割为东西两部分6,11-14我们发现东部的大SDR差应力高于西部(图3),这可能表明在未来一系列地震中,东部地区的破裂也会早于西部地区,尽管我们不能判定时间间隔是多长Nanjo等21表明2011年日本东北M9地震的大型滑移区的b值在地震发生前显著降低凹凸体的尺寸约为1°×1°,其中b值在地震前降至小于0.5目前,在南海海槽耦合区(深度范围在10～30km之间),类似的b值连续减小区域没有被识别出来虽然b值图像的定量预测能力有时受到质疑,比如2003年日本十胜近海M8地震22,但可以肯定的是,2011年日本东北M9地震时,b值变小了21毫无疑问,b值的瞬态变化提供了关于板块耦合区应力演化的重要信息,并且b值下降是下一次板间地震的一个预先前兆。

因此,我们认为监测b值和SDR对于评估未来南海海槽地震是否来临是必不可少的3、方法3.1地震数据处理日本气象厅(JMA)的目录包括1923年以来的地震(参考“数据与来源”)为了对自身监测网络进行补充,日本气象厅于1997年开始对日本各个大学和研究机构的其他监测网络的波形数据进行实时处理日本西南部和东北部地区的监测网改造,差不多分别在2000年和2002年完成1,382000年以来,南海海槽俯冲带监测能力达到与其他地区一致的水平目前,日本气象厅与教育、文化、体育、科学和技术部合作,处理来自北海道大学、弘前大学、日本东北大学、东京大学、名古屋大学、京都大学、高知县大学、九州大学、鹿儿岛大学、横滨市、青森县、静冈县、东京都政府、日本气象厅、日本地理空间信息管理局、国家地球科学和抗灾研究所、日本国家先进工业科学技术研究所、日本海洋地球科学技术厅、地震预报发展协会和神奈川县温泉研究所的网络波形数据2004年,菲律宾海板块发生了M7.4和M7.1地震,该地震位于海槽轴线附近的纪伊半岛,这是一个非常不寻常的位置这些地震之后是余震活跃,这些余震的b值变化不是稳态的为了构建b值分布图,我们不考虑b值的时间变化,也没有包括大地震发生前后地震的时间活动。

为了实现这一目标,我们使用了2006年以来的数据集进行b值分析(图1)使用该时期的数据进行SDR分析(见“SDR的数据处理”一节)在描述耦合带b值的空间变化时,我。