日本海沟楔形体非弹性变形与动态破裂-海洋声波-海啸全耦合模型：2011年东北冲地震研究

针对日本海沟沿走向沉积厚度变化与非弹性楔形变形如何影响近海沟滑移、地震辐射与海啸生成的问题，研究人员通过构建动态破裂-海洋声波-海啸全耦合模型，揭示了北部海沟区非弹性变形导致高效海啸激发与高频辐射衰减的机制，为海啸预警提供了新视角。

　　

日本海沟作为全球地震与海啸高发区，其复杂的构造环境长期困扰着科学家。2011年东北冲M_W
9.1级地震中，北部海沟区（北纬39°以北）出现的巨大海啸与微弱高频辐射的反常现象，与传统弹性位错理论预测的大浅层滑移假设矛盾。更棘手的是，差分测深数据表明该区域浅层滑移<20米，却产生了高达40米的海啸波高。这一"低频强海啸"现象，连同1896年三陆地震等历史事件，揭示了现有海啸预警系统依赖高频声波信号的潜在风险。

为破解这一谜团，研究人员基于Ma（2023）的动态破裂模型，首次构建了包含楔形体非弹性变形、海洋可压缩性和重力波的全耦合数值模型。通过对比弹性与非弹性模型的差异，系统研究了日本海沟沿走向沉积厚度变化对破裂传播、波场辐射与海啸生成的调控机制。

关键技术包括：1）动态破裂与海洋声波-海啸全耦合有限元建模；2）基于日本综合速度结构模型（JIVSM）的断层几何与速度结构构建；3）考虑莫尔-库仑屈服准则的楔形体非弹性变形模拟；4）采用线性化海面边界条件捕捉重力波频散效应。

研究结果揭示：
1. 全耦合模型验证
通过对比可压缩海洋模型与浅水模型的海啸波形，证实两种方法在模拟波长>6 km的海啸时具有一致性。非弹性模型产生的短波长抬升与三陆海岸观测的脉冲式海啸特征吻合。

2. 沿走向破裂分异
南部海沟区（北纬39°以南）弹性响应主导，破裂速度达3 km/s，浅层滑移>50米，激发强PL波（leaky P波）和海洋瑞利波；北部厚沉积区非弹性变形使破裂速度降至850 m/s，滑移<20米，但通过微裂缝陡倾滑动产生4米海床抬升，效率比弹性模型高35%。

3. 波场辐射差异
弹性模型在破裂前锋处显示强烈声波辐射（周期3-16秒），而非弹性模型中能量被耗散，高频波振幅降低60%。差分测深数据支持的这一结果，解释了北部地区地震动微弱但海啸强烈的观测矛盾。

4. 局部滑移异常
在y=50 km处，海洋声波反射导致的扩容效应与非塑性变形协同作用，产生109米的超浅层滑移斑块，但因其波长<6 km被海洋滤波，对海啸贡献微弱。

结论与意义：
该研究首次通过全耦合模型证实，日本海沟北部厚沉积层的非弹性变形是同时解释"高频辐射衰减"与"低滑移强海啸"的关键机制。这一发现挑战了弹性位错理论在沉积型俯冲带的普适性，指出现有基于PL波的海啸预警系统可能严重低估非弹性变形主导区域的风险。研究提出的"沉积厚度-非弹性度-海啸效率"关联模型，为全球类似构造环境（如巽他海沟、卡斯卡迪亚）的海啸灾害评估提供了新范式。未来海底地震-压力计阵列（如S-net）的观测数据，将有助于进一步验证这一理论框架的实际应用价值。

（注：论文发表于《Tectonophysics》，研究团队来自国外机构，模型参数详见Supplementary Material）