近年來全球地震與火山活動分析＊

洪漢凈

研究員，中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

1990年日本云仙岳火山和1991年菲律賓皮那圖博火山噴發(fā)，引發(fā)了菲律賓海板塊西緣的活動。全球板塊運動以及相應(yīng)的地震、火山活動進入一個新的階段，特大地震活動以南半球為主，發(fā)生了2004年蘇門答臘Mw9.1大震（Mw是矩震級），2010年智利Mw8.8級大地震?；鹕交顒右灿蓄愃票憩F(xiàn)，兩個VEI≥5（VEI是火山爆發(fā)指數(shù)）的噴發(fā)都發(fā)生在南半球。2011年日本仙臺東發(fā)生Mw9.1級大震造成巨大的災(zāi)難，也影響了世界地震活動的格局?？紤]到1933年日本三陸大震后的圖像，日本弧大震可能沒有完全改變?nèi)蚧顒痈窬帧?/p>

1 引言

為了解釋1906年舊金山大地震的觀測資料，Reid提出了彈性回跳理論，認為造成地震的力不在震源附近，而是來自非常遠的地方，在幾百至幾千年的周期內(nèi)，這些遠場力導(dǎo)致了彈性能的積累［1］?，F(xiàn)在大家都認為這種力來自板塊運動。地震和火山的發(fā)生都與板塊邊界有明顯的關(guān)系［2］，特大地震的孕育和發(fā)生是一種涉及板塊運動的應(yīng)力積累釋放的力學(xué)過程，火山大噴發(fā)也與板塊的俯沖運動有關(guān)。近年來許紹燮院士強調(diào)研究震情必須采用大尺度的視野，認為大地震發(fā)震結(jié)構(gòu)可以具有全球規(guī)模的大尺度［3］。

造成災(zāi)害的地震不僅僅是巖石的破裂，而是巖石斷層破裂粘滑失穩(wěn)，在破裂貫通時才產(chǎn)生失穩(wěn)應(yīng)力降，大地震與平直斷層有關(guān)［4］。斷層突發(fā)錯動失穩(wěn)的發(fā)生必須具備勻阻條件，只有經(jīng)歷一系列小錯動，鏟平斷層面。從而實現(xiàn)勻阻化［5］。通過數(shù)值模擬證明，具有較長的勻阻段是發(fā)生大震的首要條件［6］。

火山和地震都是現(xiàn)今地球動力學(xué)的表象，地震主要反映構(gòu)造機械能的集中與釋放，而火山主要反映巖漿熱能的集中與釋放。安藝敬一（2009）認為火山和地震不僅在預(yù)測策略上，而且在物理模型上都可以很相似［7］。實際上地震與火山的基本的破裂機制是類似的，地震活動中破裂促使斷層兩側(cè)塊體的錯動，而火山活動中，破裂使高壓的巖漿有溢出的通道，證明了火山和地震前的應(yīng)力和破裂是類似的，同屬于一個新的地球物理學(xué)分支［8］。

地震活動時間分布上最顯著的特征是可以用互相交替的活躍期與平靜期來描述，而且地震的群體活動及其運動學(xué)特征直接反映著各個板塊的基本動態(tài)［9］。Mogi（1974）研究了全球大地震的緯度特征，劃分了主要地震帶的平靜期與活躍期［10］。馬宗晉院士根據(jù)我國地震圖像的變化提出了活躍期與主體地區(qū)相關(guān)聯(lián)的概念［3］。

雖然根據(jù)歷史記錄得到的全球地震、火山活動的分布的主體地區(qū)與形態(tài)隨著時間的變化有明顯的變化，然而根據(jù)古地磁、冰后回跳，以及現(xiàn)代GPS測量得到的板塊運動速度矢量大致相同［11］，說明板塊運動幾個百萬年以來是穩(wěn)定的。Anderson（2003）指出由于熱膨脹、傳導(dǎo)和粘滯系數(shù)具有很強的非線性，高壓下的地幔對流是緩慢的而且是大尺度的［12］。Dewey（1986）認為，研究大陸碰撞構(gòu)造的一個基本問題是如何將板塊位移方向與速率轉(zhuǎn)化為板塊邊界的應(yīng)變與較小地塊的位移［13］。研究地震、火山活動格局的一個基本問題是如何將時空大尺度的板塊運動轉(zhuǎn)化為時空小尺度的斷層活動。由于板塊運動及其相關(guān)的地幔對流是大尺度和緩慢的，與歷史記錄的地震、火山活動格局的轉(zhuǎn)換只是一種微動態(tài)。只有在理解這種小尺度的構(gòu)造活動微動態(tài)之后，我們才能了解地震、火山活動格局轉(zhuǎn)換的機理。為此首先我們從實際資料中研究微動態(tài)格局的變化。本文搜集的火山活動數(shù)據(jù)主要是根據(jù)Smithsonian Institution的資料［14］，地震目錄主要根據(jù) NEIC目錄［15］，國內(nèi)地震依據(jù)鄭大林研究員提供的強震目錄加以修正。

2 20世紀全球地震與火山活動

20世紀以來，全球地震、火山活動經(jīng)歷了由強而弱，又再次加強的過程［16－17］。20世紀初期，有一次地震、火山活動的高潮期。1900年以來全球火山噴發(fā)6級以上（VEI≥6）的總共3次，就有兩次發(fā)生在20世紀初。與此同時全球8級以上地震數(shù)目有一個明顯的高峰（圖1），爾后在總體減弱的趨勢上，40—50年代有一個較低的峰值，1970年左右又有一次更低的峰值，80—90年代全球活動最弱，之后開始出現(xiàn)上升的趨勢。相鄰 M8地震之間時間間隔的變化也可以看到，20世紀初間隔最短（1年左右），至1985年左右最長（接近5年），之后又逐漸變短，大致1年半左右。

世紀之交（1990—2010年），全球地震、火山活動都開始增加，M8以上地震平均每年1.43次。1991年在近80年后又發(fā)生一次VEI 6的噴發(fā)（皮那圖博火山）。

全球大火山噴發(fā)分布與深震（d≥300km）分布顯示西太平洋板塊邊界的活動有一個從北向南的遷移趨勢，1900—1913年火山活動集中在阿拉斯加—日本弧，而1900—2010年主要在菲律賓—印尼一帶。與此同時，亞洲的大陸的淺震也顯示了類似的趨勢，1900—1913以帕米爾—貝加爾帶為特征，而1900—2010年在昆侖山—印度一帶。

（1）1900—1913年

20世紀初，全球地震、火山活動相當強烈，M8以上地震平均每年3.6次，火山活動集中在北半球，特別是西半球北部，1902和1912年發(fā)生中美洲圣瑪利亞火山和阿拉斯加萬煙谷兩次VEI 6的火山大噴發(fā)，還發(fā)生1907年堪察加蘇達奇火山VEI 5的噴發(fā)。另外還發(fā)生VEI 4的噴發(fā)7次，平均不到5年發(fā)生一次VEI 5以上噴發(fā)。

環(huán)太平洋地震以中美洲—南美北段及菲律賓板塊東西邊緣為主，千島—日本弧主要是7級地震，活動相對較弱，而1914年以后千島—日本弧8級地震活躍。菲律賓海板塊周緣都有8級地震。中南美地區(qū)加勒比板塊附近地震活躍，這在之后兩個時期都沒有出現(xiàn)。

20世紀上半葉亞洲大陸顯示了歷史上最強的地震活動，青藏高原附近顯示出以帕米爾—貝加爾、喜馬拉雅、以及南北帶為三個邊的大三角。其中西北邊主要在1900—1913年期間在帕米爾—貝加爾帶上發(fā)生了7個8級大震。大三角的東邊（南北帶）主要活動在1914—1953年。1954年后，所謂大三角的形態(tài)基本解體。

（2）1914—1953年

1914—1953年，全球地震相當強烈，M8以上地震平均每年1.9次，而1954—2011年平均每年僅有1次。淺源大震以地中?！闼麕?，以及南美最為顯著，西北太平洋的日本—千島的活動也很強烈，亞洲大陸的大震以南北帶以及印度板塊東犄角活動最突出。1914—1927年西北太平洋從堪察加—千島—日本—臺灣活動顯著，南美的地震活動局限在安第斯中—南段之間的無火山活動區(qū)；1928—1939年澳大利亞北緣巽他帶活動突出，南美的地震活動相對較弱；1940—1953年在安第斯北段、中段以及中美洲都很強烈，印度板塊東犄角以及南海周圍也有強烈活動，全球地震活動強度達到一個相對峰值（圖1）。

圖1 全球每年特大地震數(shù)目隨時間的變化

然而這一時期總體上全球火山活動較弱，1914—1953年的40年期間內(nèi)僅發(fā)生兩次VEI 5噴發(fā)，分別是1932年南美的阿祖爾火山噴發(fā)和1933年千島的春牟古丹島火山噴發(fā)。總共發(fā)生VEI 4以上的噴發(fā)19次，平均20年發(fā)生一次VEI 5以上噴發(fā)，是各個時期中最弱的階段。

（3）1954—1989年

20世紀下半葉（1954—1989年），全球地震、火山活動都相當平緩，全球沒有發(fā)生VEI 6以上的大噴發(fā)，M8以上地震平均每年0.75次。

東半球大震顯示了兩條近東西的帶，北面的是阿拉斯加—蒙古的一條大致東西向的帶，1966—1976年中國華北大震就是在這樣的背景下發(fā)生的。南面還有一條巽他帶。西半球南美洲發(fā)生了3個M8，包括世界最大的Mw9.5地震，三個大震之間間隔1600～1800km。在地中海帶向大西洋延伸的伊比利亞—亞速爾發(fā)生2個M8地震。大部分8級大震都發(fā)生在北半球高緯度帶。

菲律賓海西動?xùn)|靜，馬里亞納弧大震缺失。中美洲加勒比海板塊以及南美北部無8級地震。北美德?？ò鍓K向南北擴展，蛇河活動活躍。1980年圣海倫斯火山噴發(fā)后，美國西海岸一連串7級地震。中國地震活動集中在青藏高原東西兩側(cè)，東側(cè)較強，為南北帶和華北地區(qū)，西部較弱，主要是地中海帶延伸到帕米爾地區(qū)。顯示了印度板塊、青藏塊體與塔里木—準噶爾—阿爾泰地塊組合運動的態(tài)勢。

1979—1989年中國乃至全球都是20世紀地震活動最弱的時期，全球M8以上地震平均每年不到0.3次。這種弱勢也可能是全球活動格局改變的前奏。

圖2 全球1900—2010年不同階段淺震分布圖

3 1990年后的地震火山活動格局的演化

近20年來特大地震以南半球為主，2004年蘇門答臘大震引發(fā)大規(guī)模海嘯，導(dǎo)致20多萬人死亡，同時導(dǎo)致赤道鼓起的程度有所減輕，使得地球變得更圓。2010年2月28日智利發(fā)生8.8級大地震，導(dǎo)致地軸偏移，地球自轉(zhuǎn)因而加快?；鹕交顒右灿蓄愃品植?，VEI≥4的火山噴發(fā)也以南半球為主。兩個VEI≥5的噴發(fā)都發(fā)生在南半球。

（1）1993—1997年

1990年日本云仙岳火山噴發(fā)，1991年菲律賓皮那圖博火山噴發(fā)，都屬于菲律賓海板塊西緣琉球—菲律賓弧的活動，而琉球—菲律賓弧與巽他弧和新幾內(nèi)亞—湯加弧大致交匯于班達海，成三叉形。琉球—菲律賓弧的活動，帶動了巽他弧和新幾內(nèi)亞—湯加—新西蘭?。ㄒ彩前拇罄麃啺鍓K北邊界）的活動，進而促進了南半球板塊運動。巽他帶和新幾內(nèi)亞—湯加帶也非?；钴S。1990年印尼克魯特火山噴發(fā)，1994年新不列顛島拉包爾火山噴發(fā)，然而這一時期仍然帶有上一時期的痕跡。

1993年北海道東南和北海道西南分別發(fā)生M7.8，西北太平洋活動集中在千島弧，同時，1995年薩哈林M 7.6地震。鄂霍次克板塊西緣、日本海東緣平靜多年后又開始活躍。向南馬里亞納，新幾內(nèi)亞，到湯加也都有8級地震活動。

1997年5月10日伊朗東北M7.7，M7.5地震，加上新疆伽師1997年1—5月的一連串震群，在阿富汗、帕米爾周圍形成一個包圍圈。1996—1997年中亞地震活躍，顯示阿富汗地塊向南推擠，并向東擴展的態(tài)勢。1997年11月8日發(fā)生西藏瑪尼7.9級大震。另外1997年5月在印度南北分界附近發(fā)生兩個M6。預(yù)示印度板塊開始受力。

（2）1998—2001年

1998年后全球大震活動圖像已經(jīng)改變，M8大震集中在印度—澳大利亞板塊北緣。在中亞地塊向南壓下和印度板塊向北運動的作用下，發(fā)生昆侖山和印度庫奇大震，同時對應(yīng)的板塊邊界——印度—澳大利亞北界逐漸活躍。

西太平洋M7分布顯示了日本弧為主的三角形俯沖，尖端指向中國東北琿春，結(jié)果2002—2005年長白山火山出現(xiàn)擾動異常。這說明西太平洋板塊邊界主要是向下的深部俯沖。班達海三叉帶繼續(xù)活動，北支菲律賓海西緣的活動向北發(fā)展，發(fā)生了1999年臺灣集集M7.7，東支2000年11月俾斯麥板塊發(fā)生2個M8和多個M7地震。西支蘇門答臘附近發(fā)生兩個M8大震。

地中海帶1980—1992年期間大震活動頻繁，喜馬拉雅東、中段卻很平靜，有人認為這里嚴重缺震。然而1993年后并沒有在這里填補，相反大震卻整體向北遷移，挪到昆侖山帶上。2001年1月印度庫奇7.8地震，與近東西向斷裂的逆沖有關(guān)，顯示了印度南部經(jīng)受巨大的南北擠壓。然而這一時期印度板塊北部與喜馬拉雅、岡底斯、羌塘以及川滇等地塊組合在一起，印度—歐亞板塊之間的變形主要表現(xiàn)在青藏中部巴顏喀拉地塊的活動：1997年11月8日地塊南側(cè)瑪尼Ms 7.9（Ms是面波震級），以走滑為主的左旋－逆斷層；2001年上半年破壞性地震局限在昆侖山—川滇北緣以南，11月14日地塊北側(cè)昆侖山北西西向左旋走滑，發(fā)生8級大震。

（3）2002—2007年

大震活動雖然分布在環(huán)太平洋，但是本期的活動格局完全不同于1993—1997年。較大火山噴發(fā)（VEI＝4），包括2002年厄瓜多爾的萊溫塔多爾火山噴發(fā)、2005年新幾內(nèi)亞的馬納姆火山噴發(fā)、2006年拉包爾火山噴發(fā)，都在南半球。這一時期，通常地震活動較弱的東非裂谷西支發(fā)生了兩個7級大震。2005年9～10月，阿法爾達巴胡火山2.5 km3熔巖溢出，也是罕見的巖漿活動。

圖3 巴顏喀拉地塊周圍地震活動系列

太平洋板塊西緣活動，千島弧和日本發(fā)生M8大震，然而菲律賓海板塊周緣已經(jīng)沒有M8大震，特大地震顯示西太平洋活動以南部為主，明顯地不同于上一期M7顯示的日本弧三角形俯沖。巽他弧的蘇門答臘附近卻強烈活動，2004年12月26日發(fā)生蘇門答臘Ms 8.7特大地震，逆沖帶右旋走滑，GPS測量顯示中國西南被拉向西南。

2002年興都庫什深震，2005年巴基斯坦大震，顯示中亞又開始新的動作。為下一時期中國昆侖山的活動做好了準備。

（4）2008—2010年

千島的薩里切夫火山、冰島的埃亞菲亞德拉火山、以及印尼的默拉皮火山發(fā)生較大噴發(fā)（VEI＝4），前兩個都在高緯度，只有默拉皮在赤道附近。

1993年后中國及其鄰區(qū)地震活動出現(xiàn)了新的格局，顯示了一種新的地塊活動組合。印度板塊和喜馬拉雅、岡底斯、羌塘以及川滇等地塊組合在一起，印度和歐亞板塊之間的變形主要表現(xiàn)在青藏中部昆侖山北西西向構(gòu)造的左旋走滑。2008年3月21日巴顏喀拉地塊西界新疆于田發(fā)生Ms 7.3地震，顯示受到NWW－SEE引張，可能為巴顏喀拉地塊的向東運動提供了條件。接著就是2008年5月12日地塊東界汶川發(fā)生Ms 8大震。然而這種格局并沒有就此結(jié)束，2010年4月14日晨玉樹發(fā)生7.1級地震。直到2010年底，印尼蘇門答臘附近的7級地震仍然不斷，意味著原來的構(gòu)造格局可能還要維持一陣子。

1985年后8級地震發(fā)生的頻率不斷增大。今后幾年的活動頻度還會增大。M8.5地震在緯度有一個總體向南移的趨勢。2009年湯加8.2級，2010年智利8.8級與大部分7級大震都發(fā)生在南半球。

4 特大地震對全球活動的影響

2011年3月11日本仙臺東發(fā)生9級大震造成巨大的災(zāi)難，也可能改變了世界地震活動的格局。新的地震、火山的活動可能呈現(xiàn)新的圖像。

日本大震可能是全球1900年以來第四大地震［18］。特大地震后，發(fā)震板塊的彈性應(yīng)變能瞬間釋放，在幾年內(nèi)該板塊附近沒有大震：比如1960年智利特大地震發(fā)生后，直至2010年2月27日再發(fā)生M8.8地震。納斯卡板塊無8級大震。1964年3月28日阿拉斯加威廉王子灣 Mw9.2震后，阿拉斯加—阿留申無7級地震。2004年蘇門答臘地震后，雖然蘇門答臘附近強烈活動持續(xù)很長時間，但是印支—南海板塊無大震。1952年11月4日堪察加Mw9震后幾年內(nèi)堪察加板塊無大震，直至1956年10月11日發(fā)生7級地震，1958年11月6日發(fā)生8級大震。

最大地震后，大震發(fā)生在哪里？1960年智利特大地震發(fā)生后，1960年6月—1966年6月全球M≥8地震都發(fā)生在遙遠的太平洋對岸。2004年蘇門答臘地震后，全球2005—2009年的大震依然分布在西南太平洋和亞洲東南。1952年11月4日堪察加 Mw9震后，1953—1958年全球大震主要分布在阿留申—日本—蒙古成一弧線。除了大震的影響外，還要考慮的是（可能更重要）當時的全球地震形勢，或者說板塊微動態(tài)格局。

2011年3月11日本Mw9震后，全球大震分布的格局是否改變呢？2011年3月11日至今時間不長，還沒有出現(xiàn)可以依據(jù)的圖像。我們只能參考歷史資料來推測。與“311”地震類似的地震有兩次，一次是1933年距離“311”震中220km處的三陸地震，另一次是1707年日本南海海槽ML8.6地震（ML是地方性震級）。

1707年10月28日，ML8.6地震之后49天，富士山發(fā)生大噴發(fā)，而這次“311”仙臺地震后，有些人擔心富士山是否會再噴發(fā)。雖然日本有13座活火山的小震活動活躍，然而除了西南的霧島火山的新燃岳火山噴發(fā)外，并沒有太大的火山活動。震后4天在富士山西18 km處發(fā)生6.2級地震，卻沒有誘發(fā)富士山再次噴發(fā)。除了火山自身的原因外，1707年大震主要與菲律賓板塊俯沖有關(guān)，而2011年大震是太平洋板塊俯沖產(chǎn)生的。1707年日本地震后中國的強震主要在鄂爾多斯西緣至川滇東緣，1707—1739年發(fā)生6次7級以上大震，包括1709年中衛(wèi)7級地震，1713年四川疊溪7級地震，以及1739年銀川8級大震。

1933年3月2日發(fā)生 Mw8.4地震（日本三陸地震），雖然發(fā)生在海溝外隆，其能量積累應(yīng)該也與今年地震類似，與太平洋俯沖以及日本弧的活動有關(guān)。震后全球8級地震主要發(fā)生在特提斯帶的東段：喜馬拉雅—巽他—湯加。中國境內(nèi)發(fā)生1933年8月25日疊溪大震，1937年1月17日都蘭7級大震，以及1937年8月1日山東荷澤大震。其中疊溪與都蘭都位于巴顏喀拉地塊，與最近的地震格局類似（圖4）。而荷澤位于南華北盆地的東濮凹陷，雖然華北不會成為主體地區(qū)，然而我們需要注意零星的大震。喜馬拉雅缺震已經(jīng)很長時間，發(fā)生大震也不會令人感到意外。

圖4 近期地震分布與1933年日本地震后形勢對比

考慮到與1933年后大震格局的相似性，可能2011年日本大震并沒有完全改變?nèi)蜻\動的格局。

5 結(jié)語

構(gòu)造地震的孕育發(fā)生過程是一種與全球板塊運動有關(guān)的過程，雖然我們目前對它知之甚少，但是如果要進行地震預(yù)報，就必需了解全球板塊構(gòu)造活動的微動態(tài)。

大地震的孕育與一些板塊地塊的運動變形過程有關(guān)，一定階段的運動變形與構(gòu)造組合有關(guān)，尋找與判斷這些構(gòu)造組合及其運動過程對于分析地震活動形勢是很重要的。

火山與地震有不同的機理，但是他們存在某種聯(lián)系?；鹕酱髧姲l(fā)與大地震一樣受板塊運動的控制。如果說地震反映了板塊運動的力學(xué)過程，而火山反映了板塊運動的熱力學(xué)過程，與板塊運動相關(guān)的地幔運動也離不開熱的活動，關(guān)注火山噴發(fā)有助于全球地震活動形勢的判斷。

雖然歷史不會重復(fù)，但是有些類似的東西還是存在的。1907年和1933年日本俯沖帶大地震后，龍門山附近疊溪都發(fā)生了7級大震，1933年震后與2011年311大震前后中國大震活動都涉及巴顏喀拉地塊。

實際上地震、火山活動的格局比1900年以來的格局變化要豐富得多，比如華北1369—1730年活躍期，地震活動主體地區(qū)在山西帶，與1731年后的冀中平原帶完全不同。由于1900年前全球歷史地震資料的缺乏，全球格局肯定比1900年以來表現(xiàn)出來的多得多，今天我們所面臨的也可能是一次全新的地震格局。

許紹燮院士指出，結(jié)構(gòu)與動力匹配是發(fā)震的基礎(chǔ)，認為動力是矛盾的主要方面［19］，動力的演變是地震活動高潮低潮及其格局變化的主要原因。上述地震、火山活動格局變化是地球動力學(xué)動態(tài)演化結(jié)果的表現(xiàn)，雖然目前我們還不知道動力學(xué)演化的具體機理，但是梳理這些表象，追溯求源也是認識地震、火山背后動力學(xué)演化的一種途徑。

（2011年9月14日收到）

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