海洋玄武岩和远洋沉积物的温度依赖性摩擦特性及其对日本海沟俯冲带地震的影响

《Tectonophysics》：Temperature-dependent frictional properties of oceanic basalt and pelagic sediments, and their implications for earthquakes at the Japan Trench subduction zone

　　

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  温度依赖性的玄武岩和远洋沉积物的摩擦特性已被揭示。
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  所有剪切带在温度 T ≥ T_tr 时都表现出潜在的不稳定滑动行为。
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  日本海沟俯冲带10–20公里深度的地震得到了解释。
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  宫城-福岛沿海发生的快速地震发生在 T_tr < 100?°C 的玄武岩或燧石中。
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  三陆沿海发生的缓慢地震发生在 T_tr ≥ 130?°C 的远洋或硅质粘土中。

引言

日本海沟俯冲带是多次大规模板块间地震的震中，包括2011年的东北地震（图1；Nishikawa等人，2023年及参考文献）。俯冲到这里的太平洋板块基底为早白垩世（约1.3亿年）的玄武岩，其上的覆盖层依次为100–120米厚的白垩纪燧石、20–35米厚的古近纪远洋粘土以及250–350米厚的新近纪硅质粘土（例如，Moore等人，2015年；Conin等人，2025年）。在日本海沟以东约6公里的板块边界逆冲断层（图2）是在综合大洋钻探计划（IODP）第343次和第405次考察中钻探发现的，该断层位于远洋粘土层中（Chester等人，2013年；Kameda等人，2015年；Kirkpatrick等人，2026年）。最近对在日本海沟俯冲的远洋沉积物进行的室温摩擦实验表明，远洋粘土在静态和动态条件下都比硅质粘土更为脆弱（Ujiie等人，2013年；Sawai等人，2014年、2017年；Ikari等人，2015年；Remitti等人，2015年），这不仅解释了为什么板块边界逆冲断层位于远洋粘土层中，也解释了2011年东北地震期间为何会有大规模的同震滑移（例如，Fujiwara等人，2011年）。然而，对日本海沟以东地区的地震反射剖面分析显示，宫城-福岛沿海的板块间沉积层相对较薄，而三陆沿海则相对较厚（图1；Tsuru等人，2002年）。对日本海沟以西地区的地震反射剖面分析还表明，太平洋板块上的覆盖层在宫城-福岛沿海较薄甚至缺失，而在三陆沿海则较为厚（Fujie等人，2016年、2020年）。这些地震反射数据表明，沿日本海沟的板块边界逆冲断层可能位于不同的岩石类型中，包括远洋粘土、玄武岩、燧石或硅质粘土。

引言

日本海沟俯冲带是频繁发生的大规模板块间地震的震中，包括2011年的东北地震（M_w 9.0级，图1；Nishikawa等人，2023年及参考文献）。俯冲到这里的太平洋板块基底为早白垩世的玄武岩（约1.3亿年），其上的覆盖层依次为100–120米厚的白垩纪燧石、20–35米厚的古近纪远洋粘土以及250–350米厚的新近纪硅质粘土（例如，Moore等人，2015年；Conin等人，2025年）。在日本海沟以东约6公里的板块边界逆冲断层（图2）是在综合大洋钻探计划（IODP）第343次和第405次考察中钻探发现的，该断层位于远洋粘土层中（Chester等人，2013年；Kameda等人，2015年；Kirkpatrick等人，2026年）。最近对在日本海沟俯冲的远洋沉积物进行的室温摩擦实验表明，远洋粘土在静态和动态条件下都比硅质粘土更为脆弱（Ujiie等人，2013年；Sawai等人，2014年、2017年；Ikari等人，2015年；Remitti等人，2015年），这不仅解释了为什么板块边界逆冲断层位于远洋粘土层中，也解释了2011年东北地震期间为何会有大规模的同震滑移（例如，Fujiwara等人，2011年）。然而，对日本海沟以东地区的地震反射剖面分析显示，宫城-福岛沿海的浅层板块间沉积层相对较薄，而三陆沿海则相对较厚（图1；Tsuru等人，2002年）。对日本海沟以西地区的地震反射剖面分析还表明，太平洋板块上的覆盖层在宫城-福岛沿海较薄甚至缺失，而在三陆沿海则较为厚（Fujie等人，2016年、2020年）。这些地震反射数据表明，沿日本海沟的板块边界逆冲断层可能位于不同的岩石类型中，包括远洋粘土、玄武岩、燧石或硅质粘土。

众所周知，在俯冲带，板块间断层的性质在100–150?°C的温度范围内会从稳定的无震状态转变为不稳定的地震生成状态（例如，Hyndman等人，1997年；Oleskevich等人，1999年）。在日本海沟的宫城地区也是如此，板块间地震活动的上限对应于温度约为120?°C的深度（Kimura等人，2012年）。然而，只有少数研究探讨了在日本海沟俯冲的远洋沉积物的温度依赖性摩擦特性。Sawai等人（2017年）报告称，远洋粘土剪切带在100–150?°C的温度范围内表现出从速率衰减（潜在的不稳定滑动）到速率增强（稳定滑动）的转变。相比之下，Kanagawa等人（2026年）报告称，类似在日本海沟俯冲的蛋白石燧石的剪切带在温度≤100?°C时表现出从速率增强到速率衰减的转变。在这里，我们报告了在日本海沟俯冲的海洋玄武岩和远洋沉积物的温度依赖性摩擦特性。我们在150?MPa的围压、50?MPa的孔隙水压以及25–200?°C的温度下，对这些材料的剪切带进行了三轴摩擦实验，轴向位移速率在0.1、1和10?μm/s之间逐步变化。我们的实验结果以及对实验后样品的微观结构观察为理解日本海沟俯冲带的地震提供了重要见解。

章节片段

实验样品

在本研究中，我们使用了四个岩芯样品进行摩擦实验。我们使用的不是来自太平洋板块的玄武岩样品，而是来自菲律宾海板块的玄武岩样品，该样品在IIODP C0012站点（位于纪伊半岛下611.5米处）采集（图2）。这种玄武岩上覆盖着18.9–20.4?Ma的渐新世沉积物（Expedition 322科学家团队，2010年）。其细粒基质的斑晶为斜长石和单斜辉石，粒度为200–500?μm。

实验方法

我们使用氩气介质，在千叶大学地球科学系安装的三轴测试装置（Kanagawa等人，2024年）上，对玄武岩、燧石、远洋粘土和硅质粘土剪切带进行了摩擦实验，实验条件与Kanagawa等人（2026年）对蛋白石剪切带的实验相同，即围压（P_c）为150?MPa，孔隙水压（P_H2O）为50?MPa，温度（Ts）为25、50、100、150和200?°C（表S1–S4）。我们还应用了...

摩擦行为

所有剪切带在D_sliding = 0.3–1.0?mm时均表现出摩擦屈服现象，随后在每次实验结束时出现滑移硬化（图5、图6、图7、图8）。下面我们将描述每个剪切带的摩擦行为。

玄武岩剪切带显示，随着温度T的升高，在T ≤ 50?°C时其μ略微增加，在50?°C ≤ T ≤ 100?°C时略微减小，然后在T ≥ 100?°C时再次增加（图5）。其在V_axial = 1?μm/s时的最大μ分别为约0.54、0.56、0.54和0.59（在T = 25、50、100时）。

玄武岩和远洋沉积物的温度依赖性摩擦强度

燧石、玄武岩、硅质粘土和远洋粘土剪切带的μ_ss值分别为0.57–0.72、0.50–0.59、0.37–0.64和0.25–0.45（图9e、10e、11e和12e；表S1–S4）。在T = 25?°C时，硅质粘土和远洋粘土剪切带的μ_ss值与之前在同一V_sliding范围内进行的室温摩擦实验所得结果相当（Ikari等人，2015年；Sawai等人，2017年）。燧石、玄武岩、硅质粘土和远洋粘土剪切带最初分别含有约6%、15%、35%和约58%的粘土。

结论

我们在P_c = 150?MPa、P_H2O = 50?MPa、T = 25–200?°C的条件下，对海洋玄武岩和远洋沉积物的剪切带进行了三轴摩擦实验，轴向位移速率V_axial在0.1、1和10?μm/s之间逐步变化，以研究这些剪切带的温度依赖性摩擦特性及其对日本海沟俯冲带地震的相关性。我们的实验结果以及对实验后样品的微观结构观察使我们得出以下结论：

• 稳态...

Kyuichi Kanagawa：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿起草，监督，项目管理，方法学研究，资金获取，数据整理。 Sayumi Sagano：研究，正式分析。 Tomoya Nakanishi：研究，正式分析。 Junya Fujimori：研究，正式分析。 Michiyo Sawai：研究，正式分析。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Kyuichi Kanagawa表示获得了日本学术振兴会的财务支持；Kyuichi Kanagawa还获得了日本文部科学省的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢T. Shimamoto设计三轴装置并提供实验建议，感谢K. Oohashi、K. Hoshino和K. Abe协助使三轴装置正常运行，感谢T. Hayashi、E. Intou、T. Hiramatsu和S. Wada在摩擦实验中的协助，以及感谢T. Togo制作抛光试样。我们还要感谢Y. Zhou和一位匿名审稿人对手稿的宝贵建议，以及P. Ayarza在编辑方面的帮助。本文中的数据可应要求提供。