- 历届内陆大地震震中附近裸露断层地质调查
- 阐明由强延性变形引起的岩石中微孔的形成、生长和合并发展为地下断层破裂的案例
- 作为破坏开始的一个例子，所获得的知识可能会导致新的地震预测方法
（左）内陆断层图像。分析过去大地震震中附近的岩石。 （右）由于延性变形导致断层破裂的过程概念图。触发破坏的微腔的最小尺寸小于几百纳米。
*原论文中的数字被引用或修改。
米乐m6官方网站 (AIST) 活断层和火山研究部，地震构造研究小组 重松纪雄 首席研究员，Yeo Thomas 研究助理（研究时，目前是筑波大学研究员），材料测量标准研究部 纳米结构测量标准研究小组 小林庆太 主要研究人员是东京大学研究生院地震学研究科 Simon Wallis 教授东京大学研究所与项目研究员张春杰和筑波大学生命与环境科学系教授氏家幸太郎合作，揭示了一次内陆大地震震中附近的强延性变形导致地下断层破裂的案例。
沿活动断层发生的内陆大地震的震中大多位于10公里左右的深度。在这样的深度，当施加力时，高温会导致岩石拉伸和延展变形。在三重县，沿着日本列岛最大的断层——中位构造线，过去大地震震中附近的断层构造裸露在地面上。关于那里收集的岩石延性变形引起的应变微腔体积分数的结果是，微孔体积分数随着延性变形强度的增加而增加，当它超过75%时，就会沿着地下断层发生断裂。
这项研究的结果揭示了一个例子，即由于沿断层的延性变形而形成的微空洞，导致在多次发生内陆大地震的地区发生破裂现象。同样，对于由于延性变形而产生微孔而导致断裂的金属，如果能够了解微孔的发展状态，则可以预测断裂。因此，这次获得的知识有望实现基于大地震震中附近信息的短期预测技术。
此研究结果的详细信息将于 2025 年 5 月 6 日发布。地球物理研究杂志：固体地球
过去，日本列岛各地多次发生由活动断层引起的内陆大地震，造成巨大损失。大地震预报是一个重要的社会问题，为了减少地震造成的损害，保障人民群众的安全，人们正在对活动断层发生地震的可能性进行长期评估和强地震动评估。另一方面，如果我们能够捕捉到可被视为内陆大地震震中破裂开始的行为，那么它对于短期预测可能比目前正在进行的活动断层的各种评估更有用。
沿活动断层发生的内陆大地震的震中大多位于10公里左右的深度。在这样的深度，温度达到约 300 至 350 °C 的高温，当对岩石施加力时，它们会以延性方式拉伸和变形。当金属以延性方式强烈拉伸和变形时，微孔洞的形成以及孔洞的生长和合并导致强度下降，最终导致断裂。在这种情况下，如果能够了解微腔的发育状况，就可以预测断裂。如果同样的情况也适用于地下岩石，那么原则上就有可能预测发生内陆大地震震中附近至少部分破坏的情况。
AIST 开展研究，从地质角度阐明地震和火山现象。我们认为，阐明内陆大地震发生的过程并建立基于此的预测方法是一个重要的社会问题。 AIST 一直在调查三重县的中位构造线作为断层，提供震中附近的信息。这次，作为前期研究的延伸，我们发现，在许多内陆大地震震中所在的地方，震中附近的强烈延性变形会导致引发地震的断层破裂。
沿着三重县的中位构造线，有内陆大地震震中附近的断层构造裸露在地表的地方（图1），变形最强烈的部分是超糜棱岩的细粒岩石组成。晶粒尺寸小于 1 µm。超糜棱岩由多晶石英层（以下简称“石英层”）和含有大量长石的细粒多重矿物层（以下简称“细粒多重矿物层”）组成，它们被拉长形成平面结构（图2a）。此外，在三重县中线构造线的超糜棱岩中，经常观察到与平面构造大致平行的断裂构造（图2b、c）。
图1 三重县中位构造线测区岩石变形状况及位置图。从北侧最接近岩性边界的地区分布有300℃以下变形的脆性断层岩、350℃左右变形的糜棱岩、400℃左右变形的糜棱岩。本研究主要针对在350 ℃左右变形的糜棱岩。白圈是确认了与极糜棱岩的平面结构平行的断裂结构的点。
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图2 超糜棱岩的光学显微照片 (a) 超糜棱岩没有明显的断裂结构。对角裂缝（棕色区域）是由于后来的地质变形造成的。 (b, c) 断裂结构大致平行于表面结构。 (b)和(c)显示了在不同位置观察到的断裂结构。
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在超糜棱岩中扫描电子显微镜是啊透射电子显微镜晶界等观察到两种类型的微腔（图3）。一个是空腔（图3a、c），另一个是部分或完全充满绿泥石（图3b）。这些微腔的最小尺寸约为 10 nm（图 3 c、d）。微腔的石英层中不含任何物质（图 3a）。在细粒多矿物层中，大于 500 nm 的微腔充满绿泥石（图 3b），但不包含任何更小的东西（图 3c）。已经有一些关于由于延性流动而用次生矿物填充微腔的报道，我们认为在本研究中填充绿泥石的微腔中也发生了类似的现象。另外，使用扫描电子显微镜背散射电子衍射法的分析使用透射电子显微镜观察揭示了导致石英层和细粒多重矿物层发生延性变形的物理过程。
图 3 在超糜棱岩中发现的微腔 (a) 石英层中不含任何物质的微腔 (b) 细粒多重矿物层中部分或完全被绿泥石填充的微腔 (c) 使用扫描电子显微镜获得的细粒多重矿物层中小于数百纳米的微腔的二次电子束图像 (d) 微腔的透射电子显微镜明场图像小于几百纳米的细粒多个矿物层
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
接下来，微腔形成延性应变，并在断裂结构不显着的位置研究与断裂的关系。首先，我们关注超糜棱岩内应变的异质性，并将其划分为多个区域，在这些区域中应变可以被视为几乎恒定（图 4）。接下来，我们计算每个区域中微腔的体积分数以及石英层中微腔的体积分数。动态重结晶新生成的颗粒与动态再结晶之前存在的颗粒的比率（以下简称“再结晶分数'')（图5）。已知再结晶分数具有随着延性应变而增加的一定关系，并且可以用作表示由于变形而产生的应变的量。尽管再结晶分数是在石英层中测量的，但已证实细粒多重矿物层与石英层一起发生延性变形，并且石英的再结晶分数可以被认为代表了每个区域中的应变大小。
图 4 超糜棱岩被分为多个区域，在这些区域中应变可以被视为几乎恒定。 (a)通过背散射电子衍射测定的各晶粒的晶粒取向分布(GOS)值，以及(b)基于GOS值区分动态再结晶粒子新生成的粒子和原本存在的粒子(残留粒子)的结果。纵轴和横轴是背散射电子衍射测量时的位置坐标。
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13470_13731延性断裂此外，在中位构造线走向至少 7 km 范围内观察到与极糜棱岩平面结构几乎平行的裂缝（图 1）。
如上所述，在金属中，了解由于延性变形而产生的微腔的发展可以预测断裂。这些结果表明，在地下岩石中，就像在金属中一样，由于强延性变形而形成的微腔会导致断层破裂。换句话说，人们认为，原则上，至少可以用与金属相同的方式来预测内陆大地震震中附近的一些破坏。此外，沿着中位构造线，经常观察到与超糜棱岩平面结构大致平行的裂缝，这表明这里报道的现象是内陆大地震震中附近的常见现象。未来，研究地震的空间传播、是否存在地震破裂痕迹以及对引发内陆地震的整个断层的影响将非常重要。
图5 在超糜棱岩的多个区域中测量的石英的再结晶分数（应变当量）与微腔体积分数之间的关系。微腔体积分数随着石英再结晶分数的增加而增加，超过75%的微腔体积分数仅在靠近裂缝的位置观察到。误差线是微腔体积分数和石英重结晶分数的 95% 置信区间。
*原始论文中的数字被引用或修改。
我们目前正在验证此次发现的与强延性变形相关的破裂现象的空间扩散情况，以及是否存在引起破裂的地震痕迹。通过展示这些，我们可以研究与延性变形相关的断裂以及作为其前兆的微腔的发展如何影响引起地震的整个断层。
已出版的杂志：地球物理研究杂志：固体地球
论文标题：发震带底部地壳尺度断层中纳米空腔到延性断裂的演化
作者：Thomas Yeo、Norio Shigematsu、Simon R Wallis、Keita Kobayashi、Chunjie 张和 Kohtaro Ujiie
DOI：101029/2024JB029868