本所退休教授蔡永恩与应急管理部国家自然灾害防治研究院谢周敏博士合作，揭示了日本2011年东北大地震前后断层破裂区综合力学环境和震源凹凸体成因，研究成果论文（Integrated mechanical environment of pre‑ and post‑rupture fault and asperity origin of the 2011 giant Tohoku‑Oki earthquake）于近日在Scientific Reports杂志发表。

  地震的孕育、发生与断层的力学环境密切相关。因此探讨地震预报离不开断层震源力学环境的研究。影响断层力学环境的因素很多，主要有构造应力场、断层的几何形态、断层带物性、摩擦特性、孔隙压力等。由于同震应力变化直接受断层的力学环境控制，因此如果能知道地震断层处的同震应力变化，有可能恢复导致地震的断层力学环境。

  以往地震断层力学环境的定量研究工作很少，多数是定性的、单一力学因素的和非耦合的简单理论模型探索或数值模拟。论文基于他们以前反演得到的这次大地震断层破裂区的同震应力降（图1）、岩石破裂准则以及震源机制、GPS观测数据等，建立了一个具有不等式约束的、多未知量耦合的非线性规划问题，由此分别求得了这次地震的震前和震后3小时断层破裂区内的综合力学环境（图2），即有效主应力的大小和方向、摩擦系数、Skempton系数（B值）的空间分布。至今，未见有关这种定量的综合力学环境的报道。

  从恢复的断层破裂区的综合力学环境，他们得到了这次地震前后的绝对主应力的大小和方向、断层的孔隙压力（见文章的补充材料）、断层面上的绝对剪应力和有效正应力大小和方向、有效摩擦系数（图3）和孔隙压力比。他们发现力学环境变量在断层破裂区分布极不均匀，存在4个高有效主应力异常区（图2）和一个由两个剪应力和正应力异常区组成的大的应力“凹凸体”（图3），这个结果可以分别用他们得到的该处的孔隙压力低和摩擦系数、正应力高解释。这次地震和该区有关大地震的地震反射剖面揭示俯冲带的上表面存在地台-地堑地质构造，它有可能提供这个凹凸体存在的地质环境。地台处是火成岩，由于该处B值高（意味裂隙发育或孔隙率高）导致孔隙压力低，形成高有效应力区，在地堑处是沉积岩，由于该处B值低（意味裂隙欠发育或孔隙率低），形成低有效应力区。正是这种地质和力学环境孕育了这次9级海啸大地震。

  恢复的力学环境不但定量地解释了这次大地震导致的出乎意料的巨大海底位移和海啸；而且还定量地证明了前人有关断层区地震前后的主应力方向变化的定性分析，即最大主应力由震前接近水平方向变成震后近垂直方向，同时还给出了相应的应力在垂直方向增加值（12MPa）和水平方向减少值（16MPa）。 此外，他们还从力学上定量地解释了地震的孕育过程的剪应力变化和断层剪应力过冲（stress overshoot）现象。

  文章结果表明，恢复的断层综合力学环境不但能够提供同震的断层应力降（误差仅有0.1MPa）、还能够给出大洋钻探计划（IODP）震后得到的浅部断层处水平最大应力大小和方向以及前人得到的震前断层平均有效摩擦系数。这些结果表明，他们提出的利用断层同震应力变化恢复大地震断层力学环境的方法是可行的和有效的。

    文章链接：https://www.nature.com/articles/s41598-022-25433-6