日本东北冲大地震的贯穿破裂机制：基于非线性摩擦律的断层解锁与地震成核演化模拟研究

本文通过建立基于非线性摩擦律的东北俯冲带有限元模型，揭示了2011年日本东北Mw9.0地震的贯穿破裂机制。模拟结果表明：俯冲带断层解锁呈现从两侧向中心扩展的模式，摩擦强度异质性导致局部M~7地震先发释放应力，而高度闭锁的凹凸体持续积累能量，当深浅部解锁前缘汇合时最终触发巨型地震。该研究为理解俯冲带巨型地震（megathrust earthquake）的长时期成核过程提供了新视角。

Highlight

涉及巨型贯穿破裂的地震成核过程模拟

非线性粘滑摩擦定律决定了共享相同摩擦参数的节点会表现出一致的粘滑摩擦趋势。我们从所有监测节点中选取了9个代表性节点来分析断层的应力和摩擦行为。图4a显示了稳态断层强度配置（μ₀σ_n）作为模型的初始条件，凸显了摩擦系数的升高是驱动断层强度增加的关键因素。

讨论

2011年日本东北冲地震重塑了我们对俯冲带发生巨型地震的理解。观测揭示这类巨型逆冲断层地震的一个独特现象：同震位移突破了逆冲断层的整个深度，导致了区域应力场的显著变化。通过对逆冲断层摩擦滑动的详细数值模拟，我们重点揭示了导致这种贯穿破裂事件的长期成核过程。

结论

在本研究中，我们建立了东北逆冲断层的非线性有限元模型，以研究2011年日本东北冲地震的长时期成核过程。我们的模拟再现了沿逆冲断层发生的部分和完全破裂的完整序列，突出了渐进式双向解锁以及来自断层浅部和深部成核前缘汇合的重要性。异质的摩擦结构，特别是高摩擦系数区域（凹凸体）的存在，在阻碍滑动和促进应变能量积累方面起着关键作用。我们的模型表明，巨型地震的发生标志着俯冲界面完全解锁，并释放了积累的应力。这项研究增进了我们对断层解锁动力学的理解，并为俯冲带巨型贯穿破裂地震的长期孕育机制提供了新的见解。