琉球－馬尼拉海溝的構(gòu)造背景及發(fā)震能力評估

李正芳 周本剛 肖海波

1）中國地震局地質(zhì)研究所，中國地震局地震與火山災(zāi)害重點實驗室，北京 100029

2）中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024

0 引言

在2011年3月11日日本地震（下文簡稱“3·11”地震）海嘯引發(fā)福島核事故后，中國沿海核電站是否存在類似的可能受到地震海嘯影響的問題受到了全社會的廣泛關(guān)注。根據(jù)以往專業(yè)部門對沿海核電廠址進行的地震海嘯影響評價結(jié)果，中國沿海不具備發(fā)生大規(guī)模地震海嘯的條件，但為了更加充分地汲取日本“3·11”地震海嘯引發(fā)福島核事故的經(jīng)驗與教訓(xùn)，在中國沿海核電站潛在海嘯影響早期評估工作中，業(yè)內(nèi)學(xué)者和專家結(jié)合構(gòu)造背景、歷史地震資料對近海海嘯及其對核電站的影響進行了分析，目前已有明確的結(jié)論，但對琉球海溝、馬尼拉海溝等區(qū)域的地震引發(fā)海嘯的潛在風(fēng)險及可能引發(fā)的最大潛在地震仍未系統(tǒng)地考慮。因此，本文將結(jié)合琉球海溝和馬尼拉海溝的地震構(gòu)造背景及相關(guān)震源參數(shù)來評價兩大海溝的發(fā)震能力。

1 構(gòu)造背景

日本“3·11”地震震中位于西太平洋板塊俯沖帶的日本－千島海溝構(gòu)造段，琉球－馬尼拉海溝同樣屬于西太平洋板塊俯沖帶，二者是否具有相同的構(gòu)造背景和條件是評估琉球海溝和馬尼拉海溝是否同樣具備發(fā)生9級地震潛在能力的關(guān)鍵因素。環(huán)太平洋俯沖帶屬地球上構(gòu)造活動最活躍的地區(qū)，火山活動及地震頻繁。太平洋板塊向W 的俯沖作用可分為兩大段落，分別為北部千島海溝—日本海溝段和日本海溝以南段。在北部千島海溝—日本海溝段，太平洋板塊向北美板塊俯沖；日本海溝以南段又可分為2支：東支為伊豆－小笠原海溝、馬里亞納海溝和Yap Palau Ayu海溝；西支為南海海槽、琉球海溝、馬尼拉海溝和菲律賓海溝（圖1）。從圖1中可以看出，琉球海溝和馬尼拉海溝為菲律賓海板塊與歐亞板塊的俯沖帶，太平洋板塊在該段不直接與歐亞板塊發(fā)生作用。

圖1 西太平洋、東印度洋板塊的構(gòu)造格局Fig．1 Tectonic framework of the west Pacific and east Indian Ocean p lates．1千島海溝；2日本海溝；3伊豆－小笠原海溝；4馬里亞納海溝；5 Yap Palau Ayu海溝；6南海海槽；7琉球海溝；8馬尼拉海溝；9菲律賓海溝

從搜集到的俯沖帶資料（圖2）顯示的俯沖帶特征來看，千島—馬里亞納海溝為深俯沖帶，其中千島島弧和日本島弧的海洋板塊俯沖前鋒深度約達400km，為低角度俯沖（圖2中的AA′、BB′剖面）；伊豆－小笠原海溝的俯沖深度約達500km，傾角相對較大（圖2中CC′的右側(cè)剖面）；馬里亞納海溝的俯沖深度約達660km，傾角較大（圖2中的DD′剖面）；而琉球海溝的俯沖深度較淺，最深僅約200km，傾角大（圖2中CC′的左側(cè)剖面）。幾個海溝整體的俯沖深度、傾角變化以及所處的構(gòu)造位置表明，琉球海溝—馬尼拉海溝俯沖帶與東側(cè)太平洋板塊俯沖帶的特征存在明顯差異。

圖2 千島—馬尼拉海溝俯沖P波反演剖面線的位置及俯沖帶的形態(tài)（Lu et al．，2001）Fig．2 Location of P wave inversion profile lines and geometry of subduction zones from Kuril Trench to Manila Trench（Lu et al．，2001）．

目前獲取到的各個板塊的相對縮短速率顯示，太平洋板塊西側(cè)千島—馬里亞納海溝板塊的相對縮短速率為102～107mm／a，菲律賓海板塊西側(cè)的琉球海溝為40～63mm／a、馬尼拉海溝為65～80mm／a（圖3）。對上述3個海溝的板塊相對縮短速率進行對比可發(fā)現(xiàn)，整個太平洋板塊西側(cè)的千島—馬里亞納海溝板塊的相對縮短速率大于菲律賓板塊西側(cè)的琉球海溝和馬尼拉海溝，表明菲律賓海板塊西側(cè)俯沖帶的縮短變形小于東側(cè)的馬里亞納俯沖帶，出現(xiàn)這種現(xiàn)象一方面與俯沖帶的低角度逆沖有關(guān)，另一方面與其所處的構(gòu)造位置也有很大關(guān)系。

圖3 板塊相對運動速率（Slob et al．，1998）Fig．3 The relative plate motion rates（Slob et al．，1998）．

根據(jù)美國USGS的NEIC 1973年以來的地震目錄，千島—日本海溝發(fā)生過2次9級地震，分別是1952年千島島弧東北的9級地震和2011年日本島弧中部的9級地震，菲律賓海板塊兩側(cè)俯沖帶均沒有9級以上地震的記錄（圖4中的紅色框）。從已經(jīng)發(fā)生的約9級的俯沖型地震來看，9級地震所在俯沖帶類型均為海溝－島弧型，俯沖傾角均較小，構(gòu)造規(guī)模較大，海溝長度均＞2 800km（表1）。而馬尼拉海溝的長度約為1 000km，琉球海溝的長度為1 400km。因此在構(gòu)造規(guī)模上，琉球海溝和馬尼拉海溝均比已發(fā)生9級以上地震的海溝小得多。

表1 世界俯沖帶6次大地震的海嘯源特征Table 1 Characteristics of the tsunami sources induced by the six subduction mega thrust earthquakes in the world

圖4 俯沖帶6次地震的位置分布圖(1)https：∥www．eri．u－tokyo．a(chǎn)c．jp／。Fig．4 Location of six megathrust earthquakes along subduction zones．

琉球海溝的規(guī)模比馬尼拉海溝長，但琉球海溝為典型的海溝－島?。『髷U張類型（Mega watietal．，2009）。Kao等（1991，1998）給出的震源機制分析認為，琉球海溝俯沖帶具有弱耦合特征（圖5），不同于千島海溝俯沖帶的強耦合特點（圖6），表明琉球海溝俯沖帶在構(gòu)造位置上與千島海溝存在著較大差異。

圖5 琉球海溝板間的弱耦合特征示意圖（Kao et al．，1991）Fig．5 Schematic diagram of weak coupling characteristics between Ryukyu Trench and plate（Kao et al．，1991）．

圖6 千島海溝板間的強耦合特征示意圖（Kao et al．，1998）Fig．6 Schematic diagram of strong coupling characteristics between Kuril Trench and plate（Kao et al．，1998）．

2 琉球海溝的構(gòu)造分段及最大潛在地震評估

2.1 構(gòu)造分段

圖7 琉球海溝、沖繩海槽地區(qū)的淺源地震震源機制分區(qū)（1976年1月—1997年2月，震源深度＜50km）（Fabbri et al．，1999）Fig．7 Focalmechanisms zoning of shallow focus earthquakes in Ryukyu Trench and Okinawa Trough（1976－01—1997－02，focal depth＜50km）（Fabbri et al．，1999）．

圖8 淺源震源機制差異的分界線與弧前凹陷分布（Fu et al．，2004）Fig．8 Dividing lines between differences of shallow focalmechanisms and distribution of forearc depressions（Fu et al．，2004）．

在上述分界線之間，以Tokera和Kerama 2條左旋走滑斷層和震源機制分區(qū)線為界（圖10）（Fuetal．，2004），結(jié)合前述邊界，可進一步將琉球海溝－島弧－盆地系統(tǒng)劃分為5段。其中Tokera斷層將海溝左旋斷錯26km，Kerama斷層的左旋位移沒有資料，不過該斷層使得其南、北側(cè)的地貌出現(xiàn)明顯差異，北高南低。此外，根據(jù)Kizak（1986）發(fā)表的資料，在宮古島附近發(fā)育有規(guī)模較寬的NW 向斷裂帶（圖9），其位置與震源機制分區(qū)中的南區(qū)與中區(qū)一致。

圖9 宮古島NW 向斷裂帶（Kizak，1986）Fig．9 The NW trending fault zone in the miyako Islands（Kizak，1986）．

綜合琉球海溝構(gòu)造差異資料，自北向南將其劃分為5個震源段，分別為RL1、RL2、RL3、RL4、RL5和RL6（圖10），RL5與RL6的劃分主要考慮了海溝走向的明顯差異以及在RL6段存在明顯的近SN向地震條帶并與海溝交會，其構(gòu)造特征與RL5段明顯不同。鑒于RL1、RL2、RL3和RL4之間有明顯的分段界線，這些震源段發(fā)生聯(lián)合破裂的可能性較小，但尚無充分的依據(jù)證明RL5與RL6不發(fā)生聯(lián)合破裂。

圖10 琉球海溝不同震源段的劃分（圖中地震資料據(jù)ISC目錄）Fig．10 Seismic source partitioning in Ryukyu Trench（The earthquake data are fromiSC catalogue）．

2.2 破裂段的劃分與震級估算

俯沖帶震級的判定主要依據(jù)3個方面：1）McCaffrey等（2007）研究了全球俯沖帶大地震的發(fā)生規(guī)律，認為目前的證據(jù)不能排除俯沖帶發(fā)生9級或更大震級地震的可能性。Rong等（2014）的研究表明，分析環(huán)太平洋俯沖帶是否能發(fā)生9級地震不僅需要評估其構(gòu)造條件，還需要評估其復(fù)發(fā)的時間尺度。故本文在估算地震時考慮其不確定性，采用聯(lián)合破裂計算的值作為最大震級的估算結(jié)果（Rongetal．，2014）。2）Papazachos等（2004）基于全球俯沖帶傾滑數(shù)據(jù)給出了震級與破裂長度的統(tǒng)計關(guān)系式（式（1）），該關(guān)系式在海嘯震源參數(shù)評價中得到了廣泛應(yīng)用，本文破裂源震級主要依據(jù)該關(guān)系計算獲得。3）根據(jù)破裂段上的歷史最大地震進行修正，計算得到的震級。

根據(jù)上述對琉球海溝構(gòu)造差異的分析，自北向南將其劃分為RL1、RL2、RL3、RL4、RL5和RL6 6個破裂段（表2，圖11）。其中RL1和RL2的分界線為Tokera左旋走滑斷層與海溝的交會處，該斷層將海溝錯移26km；RL2和RL3的界線為Oki Daito海嶺，且為震源機制的分區(qū)界線；RL3和RL4的界線為橫切海溝－島弧－弧后盆地的NW 向Kerama斷層，該界線以北的地形明顯高于南側(cè)；RL4和RL5為震源機制分區(qū)界線，且有規(guī)模較大的NW 向?qū)m古島斷層帶，兩側(cè)地形有明顯差異。RL6段的構(gòu)造特征之所以與RL5段不同，主要在于其附近發(fā)育一系列近SN向的橫向斷層（Fuetal．，2004）。

圖11 琉球海溝破裂段的分布（L代表分段的點位，RL代表破裂段）Fig．11 Distribution of rupture segments in Ryukyu Trench（L represents the segmentation point，RL represents the rupture segment）．

表2 琉球海溝的破裂段劃分與震級Table 2 Segmentation of ruptures and earthquakemagnitude in Ryukyu Trench

RL6段與RL5段之間不能發(fā)生聯(lián)合破裂的依據(jù)并不十分充分，應(yīng)考慮小概率情況下其發(fā)生聯(lián)合破裂的可能性。因此，從表2所示的針對琉球海溝各個研究段計算出的震級來看，其可能發(fā)生地震的最大潛在震級為8.5級。

3 馬尼拉海溝的分段及震級評估

3.1 構(gòu)造分段

馬尼拉海溝俯沖帶自北向南大體可分為4段（圖12）：1）巴士海峽段，該段的俯沖板塊為陸殼；2）北呂宋海槽段，該段的俯沖板塊為洋殼，發(fā)育北呂宋海槽；3）南海古擴張洋脊段，該段為古洋脊向下俯沖，未發(fā)育海槽，在該段北部NW 向的菲律賓斷裂與之交會，并可能使海溝左旋錯列；4）西呂宋海槽段，該段的俯沖板塊為洋殼，發(fā)育呂宋海槽，在該段以南又轉(zhuǎn)變?yōu)殛憵?。俯沖板塊不連續(xù)性最明顯的區(qū)域位于古擴張洋脊，由于俯沖板塊的橫向撕裂，使得向S板塊俯沖的傾角突然增加，形成“板片窗”（Fukao，1979；Bautistaetal．，2001；劉再峰等，2007）（圖13）。

圖12 馬尼拉海溝構(gòu)造簡圖（據(jù)Yang et al．，1996）Fig．12 Tectonic schematic diagram of Manila Trench（after Yang et al．，1996）．圖中五角星表示第四紀(jì)以來活動過的火山，三角形表示第四紀(jì)已經(jīng)停止活動的火山。ST斯圖爾特淺灘；VH維甘高地

圖13 古洋脊附近的俯沖形態(tài)（劉再峰等，2007）Fig．13 Subduction geometry near the paleo ocean ridge（after LIU Zai feng et al．，2007）．

Bautista等（2001）認為，以南海古擴張洋脊為界，以北的俯沖板塊在輕物質(zhì)的浮力作用下傾角變緩，從而形成東火山島鏈（EVC），而板塊輕物質(zhì)存在的證據(jù)是馬尼拉海溝的走向在20°N附近發(fā)生強烈彎曲，該位置為南海洋殼與歐亞板塊陸殼的過渡帶且為磁靜區(qū)，并表現(xiàn)為重力負異常（Hayesetal．，1984）。

Ku等（2009）對20°N附近布設(shè)的12條地震剖面進行了詳細研究，發(fā)現(xiàn)20°N兩側(cè)的構(gòu)造特征存在明顯差異（圖14），以MCS689－4和MCS693－6為例，在測線覆蓋的范圍內(nèi)，t0邊界層以上的海溝填充物的厚度從南到北逐漸減小。北部測線MCS689－4上的t0邊界似乎已經(jīng)被抬升，海溝不深，斷裂較淺；南部測線MCS693－6具有接收更多沉積物的能力，表明該段上地殼已經(jīng)明顯彎曲，顯示該段南海俯沖板片更容易向W 退縮。

當(dāng)前工業(yè)飛速發(fā)展，為經(jīng)濟發(fā)展帶來動力的同時也犧牲了大量的自然環(huán)境，因此目前我國為維護生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定，促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，大力倡導(dǎo)植樹造林。而造林的成活率以及造林的質(zhì)量是造林工作的重中之重，本文主要研究了黑龍江北方影響造林成活率以及造林質(zhì)量的因素，包括氣候、季節(jié)、土壤以及管理因素等，并針對這些要素提出了提高造林成活率以及造林質(zhì)量的措施，比如在前期要做好樹木的假植與栽植、要嚴(yán)格把握水源與土壤的質(zhì)量并且要注重林地栽種后期的管理工作，不但要做好專業(yè)技術(shù)人員的看管與維護工作，還要積極開展林地的病蟲害防治工作，以此來提高黑龍江北方造林成活率與造林質(zhì)量，促進生態(tài)環(huán)境的和諧以及經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

圖14 臺灣－呂宋地區(qū)地震測線（Ku et al．，2009）Fig．14 Seismic survey lines in the Taiwan Luzon region（after Ku et al．，2009）．

綜合上述2方面的因素可以推斷，20°N附近區(qū)域在俯沖板塊物質(zhì)、后溝走向、沉積層的變形方面都有較大的差異，構(gòu)成分段邊界。

3.2 破裂段劃分與震級估算

前人多次對馬尼拉海溝的海嘯破裂源進行了研究（Hayesetal．，1984；Newmanetal．，2002），其中黃慧娟（2008）對馬尼拉海溝的劃分方案是最詳細和全面的（圖15），基本代表了近幾年的研究成果。

圖15 馬尼拉海溝破裂面劃分方案（據(jù)黃慧娟，2008）Fig．15 Rupture plane partitioning in Manila Trench based on HUANG Hui juan's（2008）scheme．

本文在前人劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)最新搜集的構(gòu)造資料開展分析，也將馬尼拉海溝劃分為6個破裂面，大體與黃慧娟（2008）方案的前5個破裂面類似（圖16），考慮到洋脊段中間存在構(gòu)造窗，兩側(cè)板塊傾角在此急劇變化，故將其分為2段。

圖16 馬尼拉海溝的地震破裂源分布Fig．16 Distribution of earthquake rupture source in Manila Trench．

鑒于古擴張洋脊的構(gòu)造作用，馬尼拉海溝不太可能發(fā)生全段聯(lián)合破裂，且20°N左、右兩側(cè)俯沖板塊的性質(zhì)不同、地震活動有明顯差異、構(gòu)造變形具有顯著差別，故認為RM 1和RM 2不可能同時發(fā)生級聯(lián)破裂（Megawatietal．，2009）。但在極端情況下不能完全排除RM2和RM 3發(fā)生聯(lián)合破裂，RM 4、RM 5、RM 6發(fā)生聯(lián)合破裂的可能性。在此基礎(chǔ)上，我們給出了海溝地震破裂面的劃分及相應(yīng)的估算震級（表3）。根據(jù)表3的結(jié)果并考慮級聯(lián)破裂的可能性，將馬尼拉海溝的最大潛在地震震級定為8.8級。

表3 馬尼拉海溝破裂源的基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of rupture sources in Manila Trench

4 結(jié)論和討論

通過目前已經(jīng)搜集到的資料，獲得如下初步結(jié)果：

（1）琉球海溝和馬尼拉海溝位于菲律賓海板塊西側(cè)，在菲律賓海板塊東側(cè)還有伊豆－小笠原海溝、馬里亞納海溝—Yap palau Ayu海溝的俯沖帶，由于琉球、馬尼拉俯沖帶不屬于太平洋板塊直接與歐亞板塊的接觸帶，板塊構(gòu)造的位置與日本“3·11”地震震中所處的低角度俯沖帶的位置存在明顯差異。

（2）琉球海溝屬于海溝－島弧－弧后盆地俯沖構(gòu)造體系，島弧與海溝處于向E后退的狀態(tài)，表現(xiàn)為弱耦合特征，馬尼拉海溝的總體規(guī)模不大，且受古擴張洋脊形成俯沖板塊中的“板片窗”影響，這2個海溝帶的長度遠小于目前已發(fā)生9級以上地震的俯沖帶。

（3）根據(jù)海溝構(gòu)造、地震等資料差別，可將琉球海溝分為6個破裂段，馬尼拉海溝也可分為6個破裂段。同時，從較為保守的角度考慮了破裂段聯(lián)合破裂的可能性，其中琉球海溝破裂段RL5和RL6具有聯(lián)合破裂的可能性，馬尼拉海溝破裂段RM 2和RM 3具有聯(lián)合破裂的可能性，RM 4、RM 5、RM 6也有聯(lián)合破裂的可能性。綜上所述，俯沖帶震源的最大潛在地震的綜合估計結(jié)果為：琉球海溝，8.5級；馬尼拉海溝，8.8級。

致謝審稿專家對論文提出了寶貴的修改意見，在此表示衷心感謝！