下?lián)P子地區(qū)與西太平洋俯沖帶地震相關(guān)性研究及動(dòng)力學(xué)背景探討

郭 斌， 王 斌， 張?jiān)螺x

(1.江蘇省鹽城市地震局，江蘇 鹽城 224001；2.江蘇省鹽城地震臺(tái)，江蘇 鹽城 224005）

0 引言

下?lián)P子地塊位于中國(guó)大陸東部，毗鄰西太平洋板塊西緣，其地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)有多條深大斷裂通過(guò)，地質(zhì)歷史上經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加[1]，是中國(guó)東部地區(qū)中強(qiáng)震較為多發(fā)地區(qū)。該地區(qū)人口密集、經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，僅1990年常熟5.1級(jí)地震就造成了近1.6億元損失[2]。該地區(qū)主要以中強(qiáng)震為主，歷史上最大地震為1846年8月4日發(fā)生于南黃海的7.0級(jí)地震。

地震活動(dòng)是對(duì)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的反映，通過(guò)研究不同地區(qū)地震活動(dòng)的相關(guān)性，是揭示地震發(fā)生的動(dòng)力學(xué)背景的一種重要方法。中國(guó)大陸主要受印度洋板塊碰撞和太平洋板塊俯沖運(yùn)動(dòng)影響[3]，綜合前人對(duì)下?lián)P子地區(qū)地震及地動(dòng)動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)果，根據(jù)板塊構(gòu)造理論以及板緣驅(qū)動(dòng)力源學(xué)說(shuō)，本文以琉球島弧、日本島弧、喜馬拉雅碰撞帶等板塊邊界地區(qū)為對(duì)象（圖1），分析其對(duì)下?lián)P子地區(qū)中強(qiáng)震的影響，并通過(guò)區(qū)域構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征等探討下?lián)P子地塊地震活動(dòng)動(dòng)力學(xué)背景。

根據(jù)對(duì)不同板塊邊界構(gòu)造性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)特征以及地震活動(dòng)性特征的綜合分析，并盡可能的考慮的地震目錄的完整性因素，本文對(duì)不同的研究區(qū)域取不同震級(jí)下限，其中下?lián)P子地塊取M≥4.7級(jí)，琉球島弧帶取M≥6.5級(jí)，日本島弧帶取M≥7.0級(jí)，喜馬拉雅帶取M≥6.0級(jí)，選取地震資料時(shí)間區(qū)間為1900～2012年。本文地震資料取自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的“全球地震目錄MS7.EQT”、“全國(guó)地震目錄MS1.EQT”和“美國(guó)國(guó)家地震信息中心NEIC1.EQT”。

圖1 研究對(duì)象區(qū)域位置圖Fig.1 The location map of study area

1 地震活動(dòng)特征

圖2 M-T對(duì)比圖Fig.2 M-T comparison chart

不同研究對(duì)象區(qū)域的M-T時(shí)間掃描結(jié)果如圖2所示。1970年以前的下?lián)P子地區(qū)M≥4.7級(jí)地震和喜馬拉雅帶M≥6.0級(jí)地震其活動(dòng)頻度明顯低于后期，表明其地震目錄可能并不完整。而1970～2012年其時(shí)間區(qū)間相對(duì)較短，因此對(duì)不同研究地區(qū)的地震活動(dòng)周期的對(duì)比存在困難。即便如此，仍然可以通過(guò)個(gè)別 （或某一時(shí)間段內(nèi)）地震事件發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)之間的相互關(guān)系，比如日本島弧區(qū)1998～2012年M≥7.0級(jí)地震較為活躍，而此期間下?lián)P子地區(qū)M≥4.7級(jí)地震活動(dòng)處于相對(duì)平靜階段，琉球島弧在此期間也較為平靜，喜馬拉雅帶地震較為活躍。1972～1996年下?lián)P子地區(qū)中強(qiáng)震較為活躍，發(fā)生M≥6.0級(jí)地震至少3次，在此期間琉球島弧發(fā)生M≥7.0級(jí)地震至少4次，日本島弧發(fā)生M≥7.5級(jí)地震僅2次，喜馬拉雅帶發(fā)生M≥7.0級(jí)地震2次。由此可以概略的看出下?lián)P子地塊與琉球島弧帶地震活動(dòng)關(guān)系相對(duì)較為密切。

圖3 蠕變對(duì)比圖Fig.3 Comparison chart of creep

2 地震相關(guān)性

相關(guān)系數(shù)又稱(chēng)為線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)，是說(shuō)明兩個(gè)現(xiàn)象之間關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)。樣本相關(guān)系數(shù)用r表示，其取值范圍為[-1，1]，|r|值越大，誤差Q越小，變量之間的線(xiàn)性關(guān)系程度越高，|r|值越接近0，誤差Q越大，變量之間的線(xiàn)性相關(guān)程度越低。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)樣本量較大，并對(duì)r進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義時(shí)，|r|＞0.7時(shí)表示兩個(gè)變量高度相關(guān)；0.4＜|r|≤0.7表示兩個(gè)變量之間中度相關(guān)，0.2＜|r|≤0.4時(shí)則兩個(gè)變量低度相關(guān)。相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

鑒于1970年以前的中強(qiáng)震地震目錄完整性較差，所以在相關(guān)性分析時(shí)對(duì)四個(gè)研究區(qū)域均取1970年以來(lái)的地震資料，其震級(jí)下限同上，并應(yīng)用主震震級(jí)法刪除余震[4]，得到的地震目錄如表1所示。

表1 研究區(qū)域1970～2012年刪除余震地震目錄Table 1 The earthquake catalog of deleted aftershock earthquake in study area during1970 and 2012

相關(guān)系數(shù)及相關(guān)系數(shù)曲線(xiàn)的計(jì)算步驟如下：①應(yīng)用mapsis軟件對(duì)各個(gè)研究區(qū)域地震目錄分別進(jìn)行地震頻度參數(shù)的時(shí)間掃描分析，其時(shí)間步長(zhǎng)為1年，時(shí)間窗口分別取3～8年，并針對(duì)不同時(shí)間窗口參數(shù)分別進(jìn)行掃描分析；②將4個(gè)研究區(qū)域相同時(shí)間窗口的地震頻度數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，應(yīng)用Excel軟件中“相關(guān)系數(shù)”計(jì)算工具進(jìn)行相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算（結(jié)果如表2所示）；③分別對(duì)琉球島弧帶、日本島弧帶、喜馬拉雅帶與下?lián)P子地區(qū)地震在不同時(shí)間窗口下計(jì)算的相關(guān)系數(shù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并繪制相關(guān)系數(shù)曲線(xiàn)圖。

圖4為下?lián)P子地區(qū)與不同研究區(qū)域地震相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間窗口的變化曲線(xiàn)，由該圖可以看出當(dāng)時(shí)間窗口為4年時(shí)，琉球島弧、日本島弧、喜馬拉雅帶與下?lián)P子地塊地震的相關(guān)系數(shù)|r|都小于0.2，說(shuō)明相關(guān)性較差。而當(dāng)時(shí)間窗口大于4年后，相關(guān)性明顯上升，其中琉球島弧帶與下?lián)P子地塊地震相關(guān)系數(shù)時(shí)間窗口為5年時(shí)為|r|=0.34，表現(xiàn)為低度相關(guān)，時(shí)間窗口為6年時(shí)|r|=0.48，表現(xiàn)為中度相關(guān)，時(shí)間窗口為7年時(shí)達(dá)到最大值|r|=0.58，時(shí)間窗口為8年時(shí)|r|=0.54，曲線(xiàn)開(kāi)始下降；日本島弧帶與下?lián)P子地塊地震之間相關(guān)系數(shù)r，當(dāng)時(shí)間窗口為6年時(shí)開(kāi)始表現(xiàn)為輕度相關(guān)，至?xí)r間窗口為8年其表現(xiàn)為中度相關(guān)，但其相關(guān)系數(shù)依然小于下降過(guò)程中的琉球島弧帶相關(guān)系數(shù)；喜馬拉雅帶與下?lián)P子地塊地震相關(guān)系性最弱，最大為時(shí)間窗口6年時(shí)的0.25，僅表現(xiàn)為低度相關(guān)，之后曲線(xiàn)開(kāi)始下降。

圖4 下?lián)P子地塊與不同研究區(qū)域地震相關(guān)系數(shù)曲線(xiàn)Fig.4 The curve of correlation coefficient between the Lower Yangtze and other regional

相關(guān)系數(shù)曲線(xiàn)結(jié)果表明，下?lián)P子地區(qū)與琉球島弧帶地震相關(guān)性較好，受琉球島弧帶發(fā)生強(qiáng)震影響，在6～8年時(shí)間范圍內(nèi)下?lián)P子地區(qū)發(fā)生中強(qiáng)震概率較高。而日本島弧帶作為全球最主要的構(gòu)造應(yīng)力集中和強(qiáng)震多發(fā)地區(qū)之一，在更長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)影響著下?lián)P子地區(qū)中強(qiáng)震活動(dòng)趨勢(shì)，喜馬拉雅帶對(duì)下?lián)P子地區(qū)中強(qiáng)震活動(dòng)影響較弱。

3 動(dòng)力學(xué)背景討論

下?lián)P子地塊位于中國(guó)大陸東部，與華南地塊、華北地塊相鄰，毗鄰西太平洋構(gòu)造域，屬于我國(guó)東部海域溝-弧-盆體系，從下?lián)P子到琉球海溝依次為南黃海盆地-勿南沙隆起-浙閩隆起-東海盆地-釣魚(yú)島隆起-沖繩海槽-琉球島弧-琉球海溝（圖5）。郝天珧等綜合地震層析與重磁數(shù)據(jù)對(duì)南黃海至琉球海溝剖面進(jìn)行密度結(jié)構(gòu)擬合反演，結(jié)果表明大洋板片巖石層俯沖板片的高速帶可追溯到400 km甚至更深，一直下插到東海陸架之下[5]。中國(guó)東部海域巖石圈結(jié)構(gòu)面波層析成像結(jié)果顯示在東部海域及鄰區(qū)的中地殼存在明顯的低速層[6]，板塊俯沖與低速層的存在為板緣驅(qū)動(dòng)應(yīng)力的傳播提供了力源和可能的傳遞通道。

下?lián)P子地塊構(gòu)造主要以NE向?yàn)橹鳎琋W向次之，區(qū)域內(nèi)NE向斷裂主要表現(xiàn)為右旋走滑，NW向?yàn)樽笮呋乙詮埿詷?gòu)造活動(dòng)為主[7]。吳云等通過(guò)對(duì)中國(guó)各活動(dòng)塊體邊界的相對(duì)運(yùn)動(dòng)研究表明，下?lián)P子地塊與華南地塊之間邊界為左旋走滑（圖5），其滑移速率約為2 mm/a[8]。表明下?lián)P子地塊主體部分（蘇北-南黃海盆地）作為菲律賓板塊向中國(guó)東部海域俯沖而形成的弧后盆地，琉球島弧帶的邊界應(yīng)力對(duì)下?lián)P子地塊構(gòu)造變形與地震發(fā)生有重要影響。

圖5 中國(guó)東部構(gòu)造略圖Fig.5 Tectonic sketches of the eastern China

關(guān)于板緣驅(qū)動(dòng)應(yīng)力的傳播機(jī)制是地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象，也是眾說(shuō)紛紜的難點(diǎn)所在。王繩祖等通過(guò)對(duì)中國(guó)大陸巖石圈結(jié)構(gòu)和地震分布研究提出了巖石圈網(wǎng)絡(luò)狀塑性流動(dòng)模型與多層構(gòu)造變形理論[9]，認(rèn)為巖石圈下層的塑性（粘性）流動(dòng)對(duì)大陸構(gòu)造變形起著控制作用，而“穩(wěn)定”地體及殼內(nèi)軟弱層（低速高導(dǎo)層）對(duì)應(yīng)力的傳播具有調(diào)節(jié)作用，“穩(wěn)定”地體的調(diào)節(jié)作用使得自身構(gòu)造變形和地震活動(dòng)相對(duì)減弱，而在遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)邊界地區(qū)，軟弱層影響下層對(duì)上層的拽引作用，造成其上方應(yīng)力上升和能量積累。根據(jù)該理論模型，結(jié)合中國(guó)東部巖石圈結(jié)構(gòu)特征推測(cè)，受菲律賓板塊俯沖影響，邊界構(gòu)造應(yīng)力主要通過(guò)塑性流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳播，當(dāng)遇到相對(duì)"穩(wěn)定"的東海地體，在其調(diào)節(jié)作用下，東海地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力減弱，地震活動(dòng)性較弱。而在遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)邊界的下?lián)P子地塊，該地區(qū)地殼中的軟弱層的調(diào)節(jié)作用造成上地殼應(yīng)力上升和能力積累，促進(jìn)了下?lián)P子地區(qū)中強(qiáng)震的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)下?lián)P子地區(qū)與琉球島弧帶、日本島弧帶、喜馬拉雅碰撞帶之間地震活動(dòng)性進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)相關(guān)系數(shù)計(jì)算分析了不同板塊邊界地區(qū)地震活動(dòng)與下?lián)P子地區(qū)中強(qiáng)震的關(guān)系，并結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造、巖石圈特征以及網(wǎng)絡(luò)狀塑性流動(dòng)與多層構(gòu)造變形理論探討了下?lián)P子地區(qū)中強(qiáng)震形成的動(dòng)力學(xué)背景。研究表明，下?lián)P子地塊與琉球島弧帶應(yīng)變釋放過(guò)程趨勢(shì)性具有明顯一致性，下?lián)P子地區(qū)與琉球島弧帶地震相關(guān)性較好，受琉球島弧帶發(fā)生強(qiáng)震影響，在6～8年時(shí)間范圍內(nèi)下?lián)P子地區(qū)發(fā)生中強(qiáng)震概率較高。而日本島弧帶作為全球最主要的構(gòu)造應(yīng)力集中和強(qiáng)震多發(fā)地區(qū)之一，在更長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)影響這下?lián)P子地區(qū)中強(qiáng)震活動(dòng)趨勢(shì)，喜馬拉雅帶對(duì)下?lián)P子地區(qū)中強(qiáng)震活動(dòng)影響較弱。

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