地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (3): 324-340
引用本文
赵根模, 吴中海, 刘杰, 张雷, 左嘉梦. 印度-欧亚板块碰撞变形区的大地震时空分布特征与迁移规律[J]. 地质力学学报, 2019, 25(3): 324-340.
ZHAO Genmo, WU Zhonghai, LIU Jie, ZHANG Lei, ZUO Jiameng. THE TIME SPACE DISTRIBUTION CHARACTERISTICS AND MIGRATION LAW OF LARGE EARTHQUAKES IN THE INDIAM-EURASIAN PLATE COLLISION DEFORMATION AREA[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(3): 324-340.
印度-欧亚板块碰撞变形区的大地震时空分布特征与迁移规律
赵根模1,2,3 , 吴中海1,2 , 刘杰4 , 张雷5 , 左嘉梦1,2     
1. 活动构造与地壳稳定性评价重点实验室, 北京 100081;
2. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
3. 天津地震局, 天津 300201;
4. 国家测绘地理信息局地图技术审查中心, 北京 100036;
5. 防灾科技学院, 北京 101601
摘要:印度板块与欧亚板块在新生代期间的持续碰撞和挤压过程导致亚洲大陆发生了强烈的弥散式板内变形,并形成了一个以贝加尔湖为顶点,以喜马拉雅带为底边的近似三角形的变形区与强震活动区,即新-藏三角区。基于固体刚塑性变形平面结构,结合滑移线场网络模型,对该区历史强震活动的大范围离散式空间分布特点进行了分析解释。结合1505-1976年以来历史强震空间迁移的实例,归纳了该区历史强震活动与地震应变释放从印度板块边界→新-藏地块→两侧大陆的顺序性及定向性迁移特征,并根据对地震空间迁移规律的认识,进一步探讨了区域未来强震危险性问题。结果显示,从2000-2018年间,印度板块边界和新-藏三角区已多次发生M7.9~9.1大地震,但其东、西两侧的区域大陆地区却异常平静,没发生过7级以上大地震。依照区域强震活动的顺序性迁移特点,推测在未来几到几十年,亚洲大陆东部与中部以及喜马拉雅带东段等区域的大地震危险性较大。
关键词印度-欧亚板块碰撞    断块塑性变形    地震时间序列    强震迁移    地震危险性评价    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.03.030     文章编号:1006-6616(2019)03-0324-17
THE TIME SPACE DISTRIBUTION CHARACTERISTICS AND MIGRATION LAW OF LARGE EARTHQUAKES IN THE INDIAM-EURASIAN PLATE COLLISION DEFORMATION AREA
ZHAO Genmo1,2,3 , WU Zhonghai1,2 , LIU Jie4 , ZHANG Lei5 , ZUO Jiameng1,2     
1. Key Laboratory of Active Tectonics and Crustal Stability Assessment, Beijing 100081, China;
2. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
3. Tianjin Earthquake Agency, Tianjin 300201, China;
4. Map Technical Review Center, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Beijing 100036, China;
5. Institute of Disaster Prevention, Beijing 101601, China
Abstract: The continuous collision and compression between the Indian plate and the Eurasian plate during the Cenozoic period led to a strong intraplate deformation of the Asian continent, which resulted in the formation of a triangle deformation area and strong earthquake activity area, namely the Xinjiang-Tibet Triangle Area, with Lake Baikal as the apex and the Himalayan belt as the bottom. Based on the plane structure of solid rigid-plastic deformation and the network model of slip line field, the characteristics of large-scale discrete spatial distribution of historical strong earthquakes in this region are explained. Combined with the examples of the spatial migration of historical strong earthquakes from 1505 to 1976, the sequential and directional migration characteristics of the historical strong earthquakes and the seismic strain release from the boundary of the Indian plate-the Xinjiang-Tibet block-the two sides of the continents are summarized, and potential risks of regional strong earthquakes on the basis of the understanding of the law of seismic spatial migration are discussed. The results show that from 2000 to 2018, the boundary of the Indian plate and the Xinjiang-Tibet Triangle Area have been hit by M7.9~9.1 earthquakes for many times; however, the east and west sides of the continent are the contrary with few earthquakes larger than M7.0. According to the sequential migration characteristics of strong seismic activities in the above seismic regions, it is believed that in the next few to decades, the east and central parts of the Asian continent and the eastern part of the Himalayan belt are at greater risk of major earthquakes.
Key words: Indian-Eurasia plate collision    plastic deformation of fault block    seismic time series    migration of strong earthquake    seismic risk assessment    
0 引言

1954年,Gutenberg and Richter根据全球地震分布(1904—1952)[1]指出,在东亚大陆内部存在一个特殊的、独立于环太平洋带、喜马拉雅和阿尔卑斯带之外的三角形地震密集分布区(图 1),地震学家称该三角区为新—藏三角区或新—藏地块[2-4],也称新—藏亚板块。该区的面积大概相当于东亚大陆的50%左右,但特大震数量占到东亚大陆的80%左右。2001年昆仑8.1级、2003年阿尔泰7.9级,2005年10月8日克什米尔M7.8级,2015年4月25日尼泊尔M8.0级地震相继发生,在经历几十年平静后,已经开始了新一轮地震高潮活动,引起学术界关注。Molnar和Tapponnier等[2, 5]指出印度板块北向碰撞对青藏高原和整个中国大陆变形的影响。李建国[6]、许忠淮[3]、Bilham[7]、马宗晋等[8]、王绳祖[9]、汪一鹏等[4]、尹继尧等[10]、付征祥等[4]、An Yin[11, 12]、李三忠等[13]都曾从不同角度对该三角区的地震地质进行了深入研究,包括模拟实验、地震活动、喜马拉雅带的地震空区与地震危险性、GPS地面运动矢量图像、东亚大陆新生代构造变形、挤出效应和力学机制、古特提斯海的消失,三角区边界与内部地震活动性等重要内容。

图 1 亚洲大陆东部地震分布与地质构造图 Fig. 1 Seismic distribution and tectonic map of eastern Asia continent

这里主要就该区的地壳变形与地震活动特点以及当前地震活动趋势做补充研究,并通过归纳指出“印度板块边界→三角区→两侧大陆”历史强震活动的顺序性与定向迁移特征,以期为更好地认识区域强震迁移规律提供参考或借鉴。

1 陆陆板块碰撞与新—藏地块的构造变形

印度板块与欧亚板块强烈碰撞直接导致新—藏地块的构造变形、并形成了三角形地震分布区。该三角区的顶点在贝加尔湖,底边喜马拉雅带由整体呈北西西走向且连续贯通的板缘逆冲大断裂构成。该区的地震分布及地形反差都与大的断裂带完全吻合。东边界由一组近南北向断层组成,如小江断裂带、龙门山断裂带和贺兰山断裂带等,加上局部北东和北西向断裂,混合连缀成曲折但又基本协调的南北带。但西边界形态则相对更为复杂。该边界(贝加尔—帕米尔)整体走向东北,主要依据地震密集分布和地形反差所确定。沿该边界分布着众多与边界走向近似垂直的北西向大断裂。该三角形西边界与前新生代的地质构造很不协调。这种不协调应该源于印度板块向北强烈挤压所引起的新生代构造变形的出现(图 1)。

塑性力学创始人Hill[14]1950年的试验结果表明,金属材料在受到刚性体(比如模具、刀具)的切割挤压过程中会出现塑性变形。被挤压的塑性材料出现的屈服平面形态恰好是以挤压带为底边的三角形,同时在三角区内部还会出现互相垂直交错的两组剪切应力线—滑移线(图 2)。因边界条件不同等因素,不同的塑性变形滑移线可以是直线或者弧线,但三角形轮廓大同小异。在三角区中,应力主要集中在三个边界上,其次是内部的滑移线网络。这就是著名的滑移线场理论。根据实验中观测到的实物图像和标准图形(图 2),当边界条件不同时,在实验中还可以产生多种异形,比如不等腰三角形,或两边很长而顶角很小的三角形,亦或两边很短而顶角很大的三角形等等[15]。25年以后Molnar et.al.[5]利用塑性力学原理分析了印度—欧亚板块碰撞和青藏高原的隆起变形。其给出的屈服区图形两个边长很短,顶角很大且为圆弧状(用虚线表示)(图 3),说明这不是实验室图形,而是为了符合青藏高原地块实际情况而推测的。后者形态可归为类似梯形的扁平三角,可看做是塑性变形标准图像的一个异形。Hill发表的标准实验室图形,恰恰与贝加尔为顶点的地震活动区吻合。

图 2 力学实验给出的滑移线场示意图[14-16] Fig. 2 Schematic diagram of slip line field drawn by mechanical experiment[14-16]

图 3 扁平的刚性模具楔入在半无限刚塑性介质中图像[5] Fig. 3 The flat even rigidity matrix jostle rigidity-plastic pattern[5]

欧亚大陆在地质演化过程中形成了不同的地质体和大地构造单元,因此它不是标准的、均匀的金属板材,而是由许多性质不同的岩石块体组成的,其内部的变形程度显然会非常不均匀,例如塔里木等地块基本上没有达到塑性变形阶段。塑性变形过程中包括边界在内的剪切应力线与前新生代地质构造发生迭加、迁就及切割是很自然且在所难免的,并表现为边界与内部都不太协调的三角形地块。高原挤压性地壳隆起膨胀使岩石强度弱化和均匀化,塑性流动加上广布的滑移线决定了地震“遍地开花”的弥散式空间散布状态。由于最大剪切应力主要集中在边界带上,所以M≥7.8特大地震89%都集中于三个边界带。在贝加尔以南区域上主要表现为被稳定地块分割的三个构造带,由南向北分别是昆仑山及以南的青藏高原中南部(包含喜马拉雅、藏南裂谷区、羌塘高原及巴颜喀拉地块区),天山—祁连山构造带和阿尔泰—杭爱山构造带。三者中间分别隔以塔里木—柴达木,准格尔—阿拉善相对稳定地块。因此,该区空间上显示为比较典型的梯形板状弥散变形区。这一区域加上北部的贝加尔裂谷区,则从宏观上表现出了近似三角形的形态,从而被称为“新—藏三角区”。

2 板块构造活动与地震发生的顺序性

自中生代晚期到新生代以来,印度板块向北移动并与欧亚板块碰撞和向北俯冲,青藏地块显著隆起并向南仰冲,同时还出现了青藏地块物质向东的挤压,又称为横向挤出效应。通过地质调查、构造应力场的模拟和GPS形变场的观测,已经基本证实了Molnar等[5]学者关于青藏高原乃至东亚大陆内部地壳变形方式与机制的一些基本观点和理论(图 4图 5)。当印度板块持续向北运移并遇到欧亚板块阻遏后,已不可能以原有速度连续性北移,因在其北部和东西边界都遇到了很大阻力,并迫使其时断时续的北移,这会导致这些边界处于时而积累应力的闭锁状态,时而突然破裂滑动解锁过程。板块边界的突然滑动必然引发大地震——典型的板缘大地震。板缘大地震的发生对于北部的新—藏三角区而言,是一种突加荷载作用,必然会对三角区内部产生巨大冲击,尤其是三角区东西两侧边界会首先迅速进入临界破裂状态,继而破裂并发生大地震,这在时间上会比板块边界晚数年到数十年。而三角区如果地震破裂,则又会对其东、西两侧地块突然加载,使后者的内部断裂进入临界破裂状态,继而也发生大地震,时间上又会比三角区晚数年到数十年。这种理论上推导的板块持续挤压大陆内部的动力学过程所导致的区域地震活动的区域有序性,即从印度板块边界地震开始,进一步传递到新—藏地块,再到东西两侧大陆的有序迁移过程,就会呈现出印度板块边界(A)→新—藏三角区(B)→侧方地块(中国大陆东部和中亚)(C)的地震活动的先后顺序,这里简称“ABC时间序列模型”,这也构成了印度板块—新—藏三角区—大陆东部及中亚强震活动的基本节律。为叙述方便,把印度板块边界地震称为“A类地震”,把新—藏三角区内和贝加尔—帕米尔带与南北带地震统称为“B类地震”,而把东西两侧(中国大陆东部和中亚)地震称为“C类地震”。这三类强震活动在时空分布方面的顺序性或节律性,这里称之为“ABC节律性”。

图 4 扁平刚性模具楔入半无限刚塑性介质导致的块体侧向逃逸模式[5] Fig. 4 Block lateral escape mode caused by flat rigid die wedged into semi-infinte rigid plastic medium[5]

图 5 中国大陆1999—2009年水平运动场分布图图像(GPS)[17] Fig. 5 Map of horizontal sports fields in mainland China from 1999 to 2009(GPS)[17]

梳理分析1500—2016年间,上述三个区域的强震时间序列,可以清晰地见到这种强震活动的先后次序,阶段性很明显。并且利用大地震时空分布图可以更直观地显示出地震活动主体区域的顺序性。由于研究区范围很广,而国际上并没有统一的地震目录,各国和各时期地震标度也都不尽相同,研究区范围内涉及的地震标度主要有MSMWMukMfaMbML等。但为了验证顺序性的存在和叙述方便,对于1950年以来的仪器记录地震采用统一震级标度ML(在全文中震级标度为“M”的默为是“ML”)。A类ML≥8.0,B类ML≥7.8,C类ML≥7.5。对于1950年之前主要靠历史资料限定的震级则认为相当于ML震级。虽然历史地震记录遗漏较多,1750年以前地震资料较少,但仍一定程度上存在这种顺序性。因1750年前的大地震无仪器记录,仅根据历史文献论述推测震级,误差很大,其中有的震级比规定的小,这种情况用“M≥”号表示,仅作为参考。此处重点给出1505—1976年的8个时间序列实例,加以证明区域上强震活动空间迁移的顺序性(图 6)。

A—印度板块边界, 绿色(M≥8);B—新藏三角区, 红色(M≥7.8);C—侧方地块(中国大陆东部和中亚),C黑色(M≥7.5) 图 6 地震时间(年)序列实例图示 Fig. 6 The seismic time-sequences patterns

① 1505—1605年(图 6a)

A类:1505—1555年,以1505年6月6日尼泊尔M8.2和1555年9月4日克什米尔M≥7.8地震代表。

B类:1515—1588年,以1515年6月27日云南永胜M7.8、1561年8月4日中宁M≥7.4和1588.8.9云南建水M≥7.2地震代表。

C类:1556—1605年,以1556年1月23日华县M8.2、1597年10月6日渤海M≥7.2、1600年9月29日南澳M≥7.2、1604年7月13日泉州M8和1605年8月3日海口M7.6地震代表。

② 1629—1725年(图 6b)

A类:1629—1669年,以1629年8月1日印度尼西亚班达海M8和1669年6月4日巴基斯坦M8地震代表。

B类:1654—1718年,以1654年7月21日甘肃天水M8.1[18]、1716新疆M≥7.6、1718年6月19日甘肃M≥7.6地震代表。

C类:1668—1725年,以1668年1月14日阿塞拜疆M7.9、1668年7月25日山东郯城M8.6、1679年9月2日河北三河M8、1695年5月18日山西临汾M8和1725年2月1日俄罗斯赤塔M8.3地震代表。

③ 1669—1761年(图 6c)

A类:1669—1750年,以1669年6月4日巴基斯坦M8.1和1750缅甸丹兑近海M8.0地震代表。

B类:1733—1742年,以1733年8月2日云南东川M7.8、1739年1月3日银川M8.1和1742年6月27日贝加尔M7.8地震代表。

C类:1761年,以1761年12月9日俄罗斯新西伯利亚M8.4地震代表。

④ 1803—1830年(图 6d)

A类:1803—1811年,以1803年9月1日印度库马翁M8.1地震代表。

B类:1812—1829年,以1812年3月8日新疆M8地震代表。

C类:1830年,以1830年6月12日河北磁县M7.6地震代表。

⑤ 1819—1853年(图 6e)

A类:1819—1833年,以1819年6月16日印度M8.3、1833年8月26日尼泊尔M8.1和1839年3月23日缅甸M8.1地震代表。

B类:1833—1839年,以1833年9月6日云南M8地震代表。

C类:1840—1853年,以1853年4月22日伊朗M7.8地震代表。

⑥ 1861—1895年(图 6f)

A类:1861—1878年,以1861年3月16日苏门答腊M8.5、1874.5孟加拉M8和1876安达曼M8.5地震代表。

B类:1879—1889年,以1879年7月1日甘肃M8.0和1889年7月11日阿拉木图M8.3地震代表。

C类:1888—1895年,以1888年6月13日渤海M7.6和1895年7月8日土库曼M8.2地震代表。

⑦ 1897—1934年(图 6g)

A类:1897—1905年,以1897年6月12日阿萨姆M8.7和1905年4月4日克什米尔M8地震代表。

B类:1902—1932年,以1902年8月22日喀什M8.3、1905年7月9日蒙古M8.4、1906年12月22日新疆M7.8、1911年1月3日阿拉木图M7.9、1920年12月16日宁夏海原M8.5、1927年5月27日甘肃古浪M8和1931年8月10日新疆M8地震代表。

C类:1918—1934年,以1918年2月13日广东M7.5和1934年2月14日南海M7.5地震代表。

⑧ 1934—1976年(图 6h)

A类:1934—1950年,以1934年1月15日尼泊尔M8.3、1935年5月30日巴基斯坦M8.1、1935年12月28日苏门答腊M8、1947年7月29日朗县M8和1950年8月15日察隅M8.6地震代表。

B类:1951—1973年,以1951年11月18日当雄M8、1957年12月4日蒙古M8、1970年1月4日通海M7.8和1973年2月6日四川炉霍M7.8地震代表。

C类:1969—1976年,以1969年8月17日渤海M7.5、1973年9月29日朝鲜罗津M7.8和1976年7月28日唐山M7.9地震代表。

从以上实例可见,研究区1500年至1976年绝大部分相应震级范围的大地震分布具有上述的“ABC节律性”。

进一步梳理2000年以来的区域强震资料发现,印度板块东边界和北边界发生了一系列A类大震。包括以东边界的2000年6月4日印度尼西亚苏门答腊南部的8级地震、2004年12月26日9.1级和2005年3月28日8.7级苏门答腊地震以及2005年10月8日巴基斯坦7.8级地震,都是A类地震;而三角区以2001年11月14日昆仑山口8.1级,2003年9月27阿尔泰7.8级,2008年5月12日汶川8级地震为代表,属B类地震。但异常的是,亚洲大陆东部和中亚目前一直未发生大地震,表明C类地震明显缺失。2015年4月25日尼泊尔8级地震为最新A类地震,所以目前不仅缺失C类地震,三角区内的B类地震也同样缺失。据此推测,未来几年至几十年内在新—藏三角区内及其两侧的中国大陆东部及中亚地区发生大地震的概率很高,应该警惕这些区域内连续出现大地震的可能性(图 7)。

A—印度板块边界, 绿色(M≥8);B—新藏三角区, 红色(M≥7.8);C—侧方地块(中国大陆东部和中亚),C黑色(M≥7.5) 图 7 2000—2017年序列图(显示B和C区异常平静) Fig. 7 The sequence pattern from 2000 to 2017 (Showing that B and C areas are remarkable quiet)
3 新—藏地块边界带大地震活动的准周期性与准同步性

新—藏三角区的最主要地震带为其三条构造边界带(图 8),这里集中了区域上约89%的M≥8特大地震。红色圆圈表示M≥8地震,两个空心圆表示M7.6~7.9地震,三个边界带有较大宽度,用绿色双线表示。

图 8 三角区及附近M≥8级地震分布图(1700—2017年) Fig. 8 The seismic distribution of the triangle area and vicinity M≥8.0 (1700—2017)

根据地震频度—震级关系式:

$ \log N = a-bM $ (1)

公式中M为震级,N为选定区域内震级大于M的地震次数,ab为待定参数。其中a值又可代表地震释放能的能级,而b值又称“地震b值”,可反应区域应力集中水平。

岩石力学实验证实,应力集中水平与地震b值成反比。因此,b值低异常时反映区域应力集中程度高,因而强震危险性相对较高。据文献[17]对1990—2000年资料进行统计,计算该三角区地震频度—震级关系结果如下:

$ {\rm{Log}}N = 8.11-0.98M $ (2)

上式中代表能级的a值很高,达到了8.11,表明该三角区的总体平均地震应变能量很大,发生8级左右特大地震的趋势甚高,但b值0.98很正常[17]。但是据文献[19]计算三角区三个边界的b值分别为0.62(喜马拉雅带)、0.65(南北带)和0.69(帕米尔—贝加尔带)[19]。远低于全区平均值0.98,处于低值异常,这表明区域构造应力主要集中在三角区边界带,未来发生特大震的危险性仍然很高。下面依次对各边界带的情况进行具体分析。

喜马拉雅造山带是新—藏三角区的南边界,印度板块北部大陆性汇聚俯冲带,走向北西—南东,为南凸弧形。东西两端各有一个北凸楔形构造,又称反射弧(顶角、构造结),并转接印度板块东西边界(缅甸弧与俾路支弧)。历史上多次发生逆冲为主的特大地震。1833—1896年平静期(63年),19世纪末到20世纪中期为活跃期。1897年东端阿萨姆发生8.7级地震。1902—1909年西端构造结帕米尔—克什米尔连续发生7.5—8级大地震。1934—1950年在中段和东段的尼泊尔到察隅连续发生8.2级(1934年)、7.9级(1947年)、8.6级(1950年)特大地震,构成一个53年活跃期,然后进入平静期,至2004年已达54年,地震危险性极高,2005年率先在西端发生克什米尔7.8级地震,宣告平静期已结束,新一轮高潮从西段开始。计算1900—2015年地震应变释放曲线,20世纪前五十年为大释放期。1950年后为长期平静期,这也意味着未来几十年将可能发生一系列大地震,而2005年克什米尔7.8级和2015年尼泊尔M8.0级地震可能仅仅是个开头,后边很可能还有更多大地震发生[20],并有可能主要发生在东段和东构造结一带[21-23]

三角区的西边界帕米尔—贝加尔带,是亚洲与欧洲两个亚板块的接触带,走向北东—南西,由帕米尔、兴都库什、天山、准格尔、阿尔泰、萨彦岑几个隆起地块边界曲折组成,东北止于贝加尔裂谷。该带没有与地震区边界走向一致贯通性深大断裂,反而有许多北西向深大断裂构造横切该边界带,边界主要依据地震密集程度的反差来确定。历史上多次发生特大地震。震源机制复杂,西南段以逆冲为主,中段以走滑为主,东北段以倾滑正断为主。该带地震与喜马拉雅带有一定的同步性。1813—1888年为平静期(75年),1889—1957年为活跃期(68年)。1957年后至2002年一直处于平静期,已达45年,计算1900—2015年应变释放曲线表明目前也处在高危险性状态。2003年北段阿尔泰发生M7.9级地震,可能标志着它的平静期结束,新的强震高潮可能会来临,推测与喜马拉雅带的地震活动具有准同步性。

三角区东边界带南北带,由贝加尔湖经蒙古抗爱山到银川吉兰泰盆地再到滇东小江断裂带,走向近南北。历史上多次发生特大地震,震源机制以走滑为主,局部有逆冲型地震。1833—1879年为活跃期(46年),1880—1919年为平静期(39年)。1920—1927年北段连续发生8.5级和8.0级特大震。1932年发生甘肃山丹7.5级地震。1955—1970—1976年在南段连续发生7.2—7.8级特大震,为活跃期(56年)。应变曲线显示当前存在大震危险。1976—2007年为平静期(31年)。2008年中段发生汶川8.0级地震,表明新活动期已开始。但南北带北段还存在一个重要问题,在银川—吉兰泰断陷盆地北端,到贝加尔湖之间,也即在阿尔泰山脉以东,历史和现代无大地震记录,是大震空白段,长逾1200 km,研究不足,资料不足,尚难判断。总体来看,该边界带的南段和北段未来都可能有发生大震的危险性。

上述三个边界带地震M-t(图 9)和应变释放图像(图 10)表明,三个带的强震活动具有准同步特点,但南北带略滞后于其它另外两个带。总之,各边界带及内部地震的震源机制有很大差异,喜马拉雅带以逆冲运动为主,东西两边界带及内部以走滑为主,表明各带在运动学方面存在差异。而总体上,该区域的强震活动具有明显的准周期性特点,主要表现为几十年活跃与几十年平静的交替出现。

图 9 三大边界带的M-t Fig. 9 The M-t plot of the three boundary zones map

图 10 三大边界带的应变释放曲线图 Fig. 10 The ∑E1/2 release curves of the three boundary zones
4 大地震活动的大规模时空迁移特征 4.1 大地震沿构造带的纵向迁移特征

综合区域强震资料发现,新—藏三角区的历史强震活动沿着地震带或断裂带发生纵向迁移的现象最为显著(图 11),规模往往可达到上千公里,而时间可持续几十年之久。为了具体说明,现给出5个构造带纵向迁移主要实例,迁移速度分布在30~83 km/a之间(表 1)。

红色和黑色圆点代表区域上的M≥7.0历史地震事件及发生时间;圆点间直线指示地震迁移路径;箭头指示其时间顺序 图 11 新—藏三角区强震活动的纵向迁移时空图像 Fig. 11 Time Space images of the longitudinal migration of strong earthquakes in the Xinjiang-Tibet Triangle Area

表 1 新藏三角区主要地震纵向迁移带及其特征一览表 Table 1 Main seismic longitudinal migration zones and their characteristics in the Xinjiang-Tibet Triangle Area

研究区内构造复杂,特别是作为三角区底边的喜马拉雅带东西两个顶角分别与印度板块东西边界的缅甸弧、苏门答腊弧和俾路支弧构造力学关联性很强,印度板块运动加速往往是东西边界首先发生地震,继而喜马拉雅带发生地震,最后是南北带或帕米尔贝加尔带发生地震,使三个边界互相关联,甚至出现联动交叉并形成大规模迁移链现象。此外三角区内部的阿尔泰、祁连山、昆仑、玉树—甘孜和鲜水河—小江带等都属于东亚巨型反S弧形构造体系的组成部分,各带之间活动相关性很强。实例如下:

1905—1957年,从克什米尔开始沿喜马拉雅弧向东迁移,1950年到达西藏察隅,同时期从苏门答腊弧向北迁移到安达曼和缅甸弧,并汇合,激发1955年康定大地震,又北上激发1957年蒙古大震,历时52年[19, 24-25](图 12)。这个迁移链很长,可能从苏门答腊以东的巴布亚新几内亚(1934年)开始。

红色圆点代表区域大地震事件及发生时间 图 12 地震交叉迁移(1905—1957年) Fig. 12 Seismic cross migration(From 1905 to 1957)

1956—2008年,这是最近的例子。昆仑带,苏门答腊弧与南北带三带联动。1956年昆仑带地震迁移从兴都库什开始向东,2001年到达可可西里,同期地震从苏门答腊弧向北迁移到南北带,两分支交叉可能与汶川大地震发生有密切关联。历时45年。

1903—1945年,1903—1909年帕米尔—贝加尔带从东北向西南,从蒙古到兴都库什,并没有停止。继续向南激发印度板块西边界俾路支弧活动,巴基斯坦发生三个大地震,历时42年。

喜马拉雅弧、南北带、缅甸弧、苏门答腊弧、帕米尔—贝加尔带、俾路支弧以及昆仑带的地震相关及联动迁移是因为印度板块北边界和东西边界以及新疆—西藏块体边界的同步性解锁滑动所致的特殊多带联动迁移图像。尤其是当两个带地震同时迁移并汇聚,然后向一个方向迁移,可能导致能量叠加增大,速度加快,迁移距离增大。以上纵向迁移速度比较稳定在10~100 km/a范围。

4.2 大地震空间上的横向迁移现象

梳理区域强震资料还发现,新—藏三角区的大地震还会出现沿着与喜马拉雅带走向垂直方向向三角区内部发生横向迁移的现象(图 13),这可能是因为喜马拉雅带逆冲型大地震的位错变形激发的低频形变波,沿着与喜马拉雅带走向垂直方向往三角区腹地传播而引起地震的结果。这与西太平洋海沟—东亚大陆横向迁移现象相似[26]。目前初步发现存在高速、中速和慢速3种不同的横向迁移速度,分别约20 km/a,约80 km/a和约500 km/a(图 14)。其中高速形变波振动频率较高,衰减耗散快,传播能量不能致远,很快即结束,因此迁移距离短。而中速和低速迁移的持续时间与迁移距离较长,影响范围较大。具体实例如下(图 13图 14)。

黑色和红色圆点代表地震低速和中速迁移过程中的典型大地震事件;平行线段表示横向迁移等时线 图 13 三角区地震横向迁移平面图 Fig. 13 Plan of lateral seismic migration in Triangle Area

a—1950;b—1947;c—1934;d—1905;图中实线为低速,虚线为中速 图 14 新—藏三角地块地震横向迁移时空分布图 Fig. 14 Time space distribution of lateral seismic migration in the Xinjiang-Tibet Triangle Area
4.2.1 1950年察隅大地震

1950—2001年从南向北,历时51年,速度约18 km/a(低速迁移)。低速形变波向北传播,最后触发了2001年昆仑山口8.1级地震。

1950—1974年从南向北,历时24年,速度约76 km/a(中速迁移)。中速形变波触发了1974年新疆巴里坤7.5级地震。

1950—1952年从南向北,历时两年,速度约500 km/a(高速迁移)。高速形变波触发了1951年当雄8级地震。

4.2.2 1947年朗县大地震

1947—1997年从南向北,历时50年,速度约19 km/a(低速迁移)。低速形变波触发了1997年玛尼7.5级地震。

1947—1967年从南到北,历时20年,速度约76 km/a(中速迁移)。中速形变波触发了1951年当雄8级地震等。

4.2.3 1905年克什米尔大地震

1905—1990年从西南到东北,历时85年,速度约25 km/a(低速迁移)。低速形变波触发了1990年青海共和7级地震等。

1905—1931年,从西南到东北,历时26年,速度约75 km/a(中速迁移)。中速形变波触发了1931年新疆8级地震。

另外需要指出的是,研究区历史地震研究程度较差,且各地区情况又很不均匀,参差不齐,历史地震目录缺失严重,1900年以前只有印度与喜马拉雅带拥有较多资料和研究,青海、西藏、新疆、蒙古、中亚各国都几乎空白。这在一定程度上妨碍了更详细的地震迁移研究。尽管如此,以上提供的迁移序列实例仍然可以勾勒出其基本轮廓。涉及到大部分特大地震,而且迁移速度很集中,低速、中速迁移形变波都在Kasahara(1970年)[27],见野和夫[28]依据形变台站观测估算出的形变波速范围(10~100 km/a和20~30 km/a)之内。高速形变波机制仍有待确定,由于频率高,衰减快,传播迁移距离短。但速度很快,从喜马拉雅带迁移到西藏内地只要1年到几年时间,而且会激发7~8级大地震,极具破坏性。这一现象对西藏、青海地震防灾具有重要意义。2015年4月25日尼泊尔大地震的高速形变波在最近几年即可能激发西藏发生大地震,这是个很现实的威胁。以上与在西太平洋海沟—中国大陆发现的横向迁移速度也非常接近,同时也有一些差异,可能和两地岩石圈结构有很大差别有关[26]

5 区域近东西向地震带(或构造带)的强震活动特征

新—藏三角区的最主要动力源于印度板块向北俯冲,这基本上已被GPS形变观测的位移迹线和区域应力轨迹充分且直观的证实[3, 29-30]。上述分析显示了由南向北各地震带的地震活动存在的横向迁移现象。而依据活动块体主要边界断裂的空间分布及区域上M>7.0地震的分布可在新—藏三角区中划分出6个大的近东西向地震带(或构造带),由南向北依次:

① 喀喇昆仑—雅鲁藏布—嘉黎带

② 昆仑—巴颜喀拉带

③ 天山带

④ 阿尔金—祁连山带

⑤ 阿尔泰带

⑥ 萨彦岑—贝加尔带(包括唐努乌拉山带)

统计分析这6个带与喜马拉雅带在19世纪末期至21世纪初期的地震M-t图(图 15)和地震能累积应变释放∑E1/2(图 16),并进行比较可以发现,喜马拉雅带的应变释放非常强大,非其它地震带可以比拟。该带应变加速释放主要集中在三个时段:1890—1905年、1934—1950年、1965—2015年。而其它地震带先后在1890—1911年、1925—1934年、1949—1960年为三个应变释放加速期,这与喜马拉雅带的3个应变释放加速带互相对应,但有非常明显和直观的滞后。这种地震能快速释放的时间先后次序暗示,喜马拉雅带的特大地震对其北部各带可能存在明显影响。并且如前所述,由于地震导致的地壳或岩石圈形变波可分为快、中、慢不同速度,所以慢速影响还可能与下一个特大震的快速影响相叠加。

⑦—喜马拉雅带 图 15 三角区内近东西向断裂带M-t Fig. 15 The M-t plot of the E-W fault zone in Triangle Area

⑦—喜马拉雅带 图 16 三角区内近东西向断裂带累积应变释放图 Fig. 16 The ∑E1/2 release curves of the E-W strike faults in the Triangle Area

总体上看,全区从1950年至现在已逾50余年平静,其应变积累已很可观。因此,各带均有近期发生7~8级特大地震的可能。1965—2005年期间,喜马拉雅带开始活跃,2015年在中段发生尼泊尔地震,表明多年平静已结束,喜马拉雅开始新一轮地震高潮,这种态势已经引起很多关注[21-23]。Bilham等[7]曾指出喜马拉雅带上存在8个地震空段—危险区,主要沿克什米尔、尼泊尔和阿萨姆弧形带分布,并预测震级都在8级以上。可见喜马拉雅目前积累的应变能足以发生多个M>8.0地震。天山带与喀喇昆仑—嘉黎—雅鲁藏布江带,目前积累的应变能量也足以发生8级地震,阿尔金带则可能发生7~8级地震或更大地震。但由于历史地震资料匮乏,缺失很多,只能在有限时期及有限资料约束下分析,故以上结果可能具有一定的片面性,只有参考意义,但仍然值得注意。有必要针对重点的危险区加强研究,进而提前制订对策,早做预防,从而尽最大可能减轻地震灾害损失。已有的分析表明,由于三角区的活动断裂密度大且活断层体系复杂,在新一轮地震高潮中,大地震不仅会发生在喜马拉雅、帕米尔—贝加尔和南北带三个边界上,也必然会在三角区内部的次级地震带上发生[3, 21-23]

6 主要结论与认识

(1) 亚洲中部的新—藏三角区起源于印度板块向北碰撞欧亚板块和持续挤压引起的具有三角形轮廓的岩石圈塑性变形区。其独特的三角形地震分布区与刚塑性变形滑移线场理论一致,高原地壳隆起膨胀,岩石强度弱化,高密度的剪切应力线使得地震破裂呈大面积弥散状分布状态,但多数特大地震主要分布在三个边界带中。

(2) 1505—1976年的8个序列证据表明区域大地震呈现与板块构造相关的印度板块边界区(A)、新—藏三角区(B)、侧方地块(中国大陆东部和中亚)(C)的先后顺序,即ABC时间序列模式,进一步说明了地震活动在总体无序中存在区域有序性。即在印度与欧亚板块强烈碰撞条件下出现的地震活动有序性。利用该时间序列对中长期地震危险性趋势进行分析发现,当前的中国大陆东部和中亚未来发生大地震的概率相对很高。

(3) 新—藏三角区内各地震带存在明显的地震纵向迁移现象,据此推断当前应该重点关注2015年尼泊尔8级大地震后,其东部的不丹至阿萨姆一带发生大地震的潜在危险性。

(4) 新—藏三角区三个边界及其中次级断裂带的地震应变能释放曲线目前皆从平静转为上升阶段,暗示这些断裂带未来发生大震的概率增加,即区域强震活动正在进入强震活跃阶段。

(5) 在新—藏地块,地震分布的三角形轮廓形成机制可以刚塑性变形滑移线场理论加以解释,但是三角形西边界没有与地震分布边界走向一致的北东向大断裂,滑移线网络显示不明显,一种可能的解释为三角形刚塑性变形是新生代的产物,叠加在了前新生代的构造上,这些原有构造的深部构造过程并未停止,地质地貌特征依然如此。只能推测三角形边界与滑移线网络在今后漫长的地质时期才可能在地质和地貌上逐渐显现出来,现在是不同时代且不同走向构造的联合状态,其原有地质地形骨架上是否存在新的错断证据尚且未知,这是区域内最大的构造疑问。这些问题只能期待今后更深入地实地考察与研究。

致谢: 感谢审稿专家为提高文章质量而提出的宝贵意见和建议。

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