中國東北地區(qū)深震和淺震活動特征及其對歐亞板塊活動的影響

中國東北地區(qū)深震和淺震活動特征及其對歐亞板塊活動的影響

0深震與淺震相關(guān)活動的研究西太平洋的板塊向西傾斜，形成一個在日本海形成的彎曲帶，稱為日本海彎曲帶。其周邊地區(qū)位于中國東北的王清和穆棱地區(qū)。震源深度約為540.590km，日本海彎曲帶彎曲角約為29，彎曲角為1177km。它是世界上最大、最寬的彎曲帶。日本海俯沖帶的地震活動有深震與淺震呼應(yīng)發(fā)生的特點,并對東亞地區(qū)的淺源強(qiáng)震有一定的影響,這種深震與淺震相關(guān)活動的特點已成為一個熱點,引起廣泛的注意。Mogi(1973)研究了日本海深震與日本列島淺震的關(guān)系,指出淺源大震前后,深震活動增強(qiáng);吳佳翼等(1979)發(fā)現(xiàn)日本海溝發(fā)生7～8級大地震序列后,日本海西部發(fā)生h≥300km的深震,隨后中國華北地區(qū)發(fā)生M≥6.0的強(qiáng)震;孫文斌等(1985)研究了日本海西部深震與中國東北地區(qū)淺震的相關(guān)性,認(rèn)為深部板塊的俯沖作用引起地幔物質(zhì)上涌,從而激發(fā)了東北地區(qū)的淺震。本文在此基礎(chǔ)上,著重分析中國東北地區(qū)地震活動的成組性及其深震、淺震相關(guān)活動的時空特點,探討西太平洋俯沖帶的形態(tài)特征及其對歐亞板塊地震分布的影響程度,并分析了1999年以來深震強(qiáng)烈活動后東北地區(qū)的淺源地震形勢。1東北地震活動特征1.1內(nèi)蒙古東部地區(qū)中國東北地區(qū)淺源強(qiáng)震區(qū)為120°～135°E,38°～55°N,包括東北3省及內(nèi)蒙古東部地區(qū);中國東北及鄰近海域深震區(qū)為129°～133°E,38°～45°N,資料來源于東北大陸歷史強(qiáng)震編目(東北歷史地震考察與研究專題組,1991)(1900—1977年)、《中國地震臺網(wǎng)觀測報告》1(1978—2003年)。1.2中國東北地震活動的成組特征1.2.1對比分析的深震活動特征張國民等(1985)在研究華北地區(qū)強(qiáng)震時間序列時發(fā)現(xiàn)大震具有非線性加速現(xiàn)象,并用指數(shù)函數(shù)擬合:t=t0+klnSS=1,2,3,?(1)t=t0+klnSS=1,2,3,?(1)式(1)1中S為強(qiáng)震序列的序號,t為相應(yīng)序號地震發(fā)生的時間,單位為年,t0,k為常數(shù)。若依次發(fā)生的一串強(qiáng)震序列S及其時間t滿足式(1)1(顯著性水平α<0.05),則定義這一串強(qiáng)震為“強(qiáng)震組”。利用上述方法,我們研究了20世紀(jì)以來中國東北及鄰近地區(qū)mb≥6的深震活動特征,分析深震序列S及其與時間t的關(guān)系,根據(jù)其指數(shù)函數(shù)的相關(guān)性,劃分了5個“強(qiáng)震組”,各“強(qiáng)震組”均在顯著性水平α=1%下通過檢驗,證明深震活動具有成組性特征(表1、圖1)。由表1的活動分期可知,強(qiáng)震組活動時段約15a左右,發(fā)生6級以上深震的次數(shù)約為7次左右,平靜時段約為7a左右。各強(qiáng)震組活動時段持續(xù)時間、平靜時段持續(xù)時間以及發(fā)生深震的次數(shù)均比較接近,表明深震活動具有比較穩(wěn)定的動力因素。第5次深震活動周期已發(fā)生6次深震,表明本次活動基本結(jié)束,即將轉(zhuǎn)入平靜期。1.2.2淺震活動顯著性20世紀(jì)以來中國東北地區(qū)MS≥5.0的淺震也具有成組性活動特征,分析淺震序列S及其與時間t的關(guān)系,根據(jù)其指數(shù)函數(shù)的相關(guān)性,劃分了4個“強(qiáng)震組”,均在顯著性水平α=1%下通過檢驗,表明淺震活動也具有成組性(表2、圖1)。由表2的活動分期可知,淺震強(qiáng)震組活動時段約11a左右,平均發(fā)生5級以上淺震約8次左右;平靜時段約8a左右,第4次與第5次平靜時段間隔較長為13a。淺震成組性活動與深震成組性活動具有較好的呼應(yīng)關(guān)系,在發(fā)生時序上淺震成組性活動滯后于深震成組性活動,淺震成組性活動的起始時間約在深震成組性活動的后期(圖1)。1.3中國東北的深部地震與平坦地震1.3.1深震前中國東北地區(qū)淺震序列及深震特征作者1995年提出用深震(mb≥6.0)能量速率(孫文斌,1995)(logE/ΔT)來描述深震活動的強(qiáng)烈程度,并與本世紀(jì)以來中國東北地區(qū)發(fā)生的淺震進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明,中國東北地區(qū)淺震大多發(fā)生在深震強(qiáng)烈活動之后,當(dāng)深震能量速率>20時,中國東北地區(qū)均伴隨有中、強(qiáng)淺震序列,如1922年鴨綠江口6.5級地震,1940年黑龍江綏化、內(nèi)蒙古通遼4次6.0級地震,1962年吉林榆樹5.1級地震以及1973年遼寧海城7.3級等強(qiáng)烈地震前,深震能量速率均有高值顯示。統(tǒng)計顯示中國東北地區(qū)有18%的淺震發(fā)生在深震能量速率高值前的1～2a時間內(nèi),64%的淺震發(fā)生在深震能量速率高值后的8a時間內(nèi)(表3,圖2),也就是說東北地區(qū)82%的淺震發(fā)生在深震能量速率高值的前后,證明了東北地區(qū)深震與淺震在發(fā)生時間上存在著明顯的相關(guān)性。1.3.2深震能量速率與淺震震級的關(guān)系深震能量速率高值(logE/ΔT≥20)與其后中國東北地區(qū)首次發(fā)生的MS≥5.0淺震震級具有相關(guān)性,深震能量速率越大,未來東北地區(qū)首次發(fā)生的淺震震級就越大(表3,圖2),深震能量速率與淺震震級的相關(guān)性又從地震能量釋放的角度證明了二者之間的內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)已有數(shù)據(jù)推算,東北地區(qū)未來淺源強(qiáng)震震級水平為M6.3。1.3.3區(qū)域地震分布1900年以來深震(mb≥6.0)的緯度遷移與中國東北地區(qū)淺源強(qiáng)震(MS≥5.0)的空間分布具有一定的相關(guān)性,當(dāng)深震在北緯43°以北活動時,日本海溝地震主要集中在南部,中國東北地區(qū)淺源強(qiáng)震活動主要分布在松遼盆地周邊地區(qū),如第1深震強(qiáng)震組發(fā)生在北緯43°以北的地震比例為80%,第1淺震強(qiáng)震組發(fā)生在松遼盆地周邊地區(qū)的地震比例為88%,相繼發(fā)生了鴨綠江口、黑龍江伊春、內(nèi)蒙古布特哈旗、內(nèi)蒙古阿榮旗、黑龍江黑河等5級以上中、強(qiáng)震;第2深震強(qiáng)震組發(fā)生在北緯43°以北的地震比例為100%,第2淺震強(qiáng)震組發(fā)生在松遼盆地周邊地區(qū)的地震比例為75%(圖3a),相繼發(fā)生了黑龍江綏化、內(nèi)蒙古通遼以及遼寧丹東南海域等6級以上地震。當(dāng)深震在北緯43°以南活動時,日本海溝地震主要集中在北部,東北地區(qū)淺源強(qiáng)震活動主要分布在郯廬斷裂帶附近,如第3深震強(qiáng)震組發(fā)生在北緯43°以南的地震比例為67%,第3淺震強(qiáng)震組發(fā)生在郯廬斷裂帶附近地區(qū)的地震比例為63%,相繼發(fā)生了吉林榆樹、黑龍江虎林、黑龍江蘿北、吉林懷德、黑龍江興凱湖等5級以上中、強(qiáng)震;第4深震強(qiáng)震組發(fā)生在北緯43°以南的地震比例為88%,第4淺震強(qiáng)震組發(fā)生在郯廬斷裂附近地區(qū)的地震比例為64%(圖3b),主要是1975年2月4日的遼寧海城7.3級強(qiáng)烈破壞性地震;第5深震強(qiáng)震組由前期在北緯43°以南活動轉(zhuǎn)為后期在北緯43°以北活動,由此,應(yīng)當(dāng)警惕淺源強(qiáng)震向北緯43°以北松遼盆地周邊地區(qū)遷移的可能性。2西太平洋板塊傾斜的基本特征2.1全球重大地震目錄西太平洋俯沖帶的研究范圍為120°～160°E,0°～60°N,資料來源于國際地震中心(ISC,1964—1998年)、美國NGDC(NationalGeophysicalDataCenter,USA)編輯的全球重大地震目錄(公元前2150至公元2003年)。2.2貝尼奧夫-日本?；顒拥膬A角西太平洋中、深源地震形成的貝尼奧夫帶整體構(gòu)成“<”形態(tài)向西凸進(jìn),千島群島是“<”形態(tài)的北翼,日本海及中國東北地區(qū)是“<”形態(tài)的前端,伊豆-小笠原及瑪里亞納是“<”形態(tài)的南翼。孫文斌(2004,待刊)計算了西太平洋貝尼奧夫帶各剖面傾角(圖4),結(jié)果表明:千島群島東北部貝尼奧夫帶傾角為47°,傾向NW,千島群島西南部貝尼奧夫帶受日本海俯沖帶向西拉動的影響傾角變緩為41°。日本海貝尼奧夫帶平均傾角為29°,傾向W,是西太平洋貝尼奧夫帶傾角最小的地區(qū)。伊豆-小笠原貝尼奧夫帶傾角較大,平均傾角為62°,瑪里亞納貝尼奧夫帶接近直立。1964—1998年國際地震中心(ISC)的mb≥4.0,h≥70km的中、深源地震三維透視圖顯示,西太平洋貝尼奧夫帶在傾角變化較大部位的北緯40°、北緯49°附近出現(xiàn)空白條帶。圖5a為日本海及伊豆-小笠原俯沖帶沿傾向看的三維透視圖,由圖可見,在40°N附近有一空白條帶;圖5b為日本海及伊豆-小笠原俯沖帶沿走向看的三維透視圖,由圖可見,由中、深源地震構(gòu)成的俯沖帶,日本海俯沖帶的傾角比伊豆-小笠原俯沖帶的傾角小。圖5c為千島群島-日本海俯沖帶沿傾向看的三維透視圖,由圖可見,在49°N附近有一空白條帶;圖5d為千島群島-日本海俯沖帶沿走向看的三維透視圖,由圖可見,日本海俯沖帶的傾角比千島群島俯沖帶的傾角小。深部空白條帶的形成,可能證明俯沖板片因傾角的變化而被撕斷開裂。2.3西太平洋沖積帶的地震分布特征2.3.1震頻次分布特征1964—1998年國際地震中心(ISC)的MS≥5.0(h≤35km)淺源中、強(qiáng)地震頻次分布表明,北緯40°～45°區(qū)間地震頻次最高,為1074次,以北緯30°為界,地震頻次呈現(xiàn)北高南低的特點(圖4);MS≥6.0(h≤35km)的地震頻次分布與MS≥5.0的地震頻次分布形態(tài)相近,也在北緯40°～45°區(qū)間呈現(xiàn)高值,為111次。2.3.2西太平洋板塊與歐亞板塊的碰撞帶分布特征利用美國NGDC(NationalGeophysicalDataCenter,USA)編輯的全球重大地震目錄,公元前2150至公元2002年,共717條,分析西太平洋板塊與歐亞板塊碰撞帶的重大地震分布特征,由圖6可見:1)西太平洋板塊與歐亞板塊的碰撞帶是重大地震分布最集中的條帶,北緯35°～45°是重大地震最集中的區(qū)域;2)沿北海島—薩哈林島有一近SN向分布的重大地震條帶;3)沿日本海板塊俯沖方向,歐亞板塊的朝鮮半島以及中國東北地區(qū)有重大地震分布;4)沿千島群島板塊俯沖方向,在鄂霍次克海有1次重大淺源地震,震中位置是北緯50°、東經(jīng)148°;5)沿小笠原及瑪里亞納板塊俯沖方向,菲律賓海沒有重大淺源地震,菲律賓海板塊與歐亞板塊碰撞帶本文不做討論。2.4逆斷層為主,抬高傾角對哈佛大學(xué)提供的3613條震源機(jī)制解的統(tǒng)計表明(表4),西太平洋俯沖帶的傾角控制了斷層類型,俯沖傾角小的區(qū)段一般以逆斷層為主,俯沖傾角大的區(qū)段一般以正斷層為主。如在日本海俯沖帶俯沖傾角最小,俯沖帶各區(qū)段除100～200km深度段外其他區(qū)段的斷層類型均以逆斷層數(shù)量占優(yōu)勢,顯示俯沖帶整體處于較強(qiáng)的擠壓應(yīng)力狀態(tài);其兩翼的千島群島以及伊豆-小笠原、瑪里亞納群島俯沖帶傾角較大,均>45°,200km以下各深度段的斷層類型均以正斷層數(shù)量占優(yōu)勢,顯示俯沖帶處于引張應(yīng)力狀態(tài)。3主要結(jié)論與未來地震形勢的分析3.1西太平洋板塊的消失模式是影響地震分布的一個決定性因素3.1.1國際和全球重大地震頻次分布日本海俯沖帶是西太平洋貝尼奧夫帶傾角最小的俯沖帶(圖4),西太平洋板塊在這一地區(qū)的俯沖消亡方式以水平向為主。日本海俯沖帶也是西太平洋地震活動頻度最高、強(qiáng)度最大的地區(qū)。1964—1998年國際地震中心(ISC)MS≥5.0的地震頻次與MS≥6.0的地震頻次分布表明,北緯40°～45°區(qū)間地震頻次最高;全球重大地震頻次分布也表明,北緯35°～45°區(qū)域是西太平洋重大地震最集中的區(qū)域。西太平洋板塊與歐亞板塊在該區(qū)劇烈碰撞,不僅在碰撞帶發(fā)生了大量強(qiáng)烈地震,而且通過日本海俯沖帶對東亞大陸造成擠壓作用,在日本海及中國東北形成NWW向主壓應(yīng)力方向(臧紹先等,1996),這種水平擠壓作用使朝鮮半島及中國東北地區(qū)也分布一些重大地震(圖6)。另外,日本海俯沖帶各深度段顯示逆斷層數(shù)量占優(yōu)勢,證明對俯沖帶也形成較強(qiáng)的擠壓應(yīng)力。3.1.2太平洋板塊和菲律賓海板塊構(gòu)造背景北緯40°以南西太平洋板塊撕裂傾角變大,至小笠原及瑪里亞納地區(qū)西太平洋貝尼奧夫帶傾角已接近直立,西太平洋板塊俯沖消亡方式以垂直向為主?，斃飦喖{俯沖帶是典型的處于衰退的俯沖帶(Uyedaetal.,1979),俯沖板塊與上覆板塊間的耦合極差,所以太平洋板塊對菲律賓海板塊沒有形成擠壓作用,200km以下各深度段斷層類型性質(zhì)均以正斷層數(shù)量占優(yōu)勢,顯示俯沖帶處于引張應(yīng)力狀態(tài)。這些地區(qū)地震活動相對較弱,不僅北緯30°以南太平洋板塊與菲律賓海板塊邊界地區(qū)的地震頻次明顯降低(圖4),而且沿俯沖帶傾向方向菲律賓海板塊海域內(nèi)沒有M≥6.0強(qiáng)烈地震(圖6)。北緯49°以北西太平洋板塊撕裂傾角變大,千島群島東北部俯沖帶平均傾角為47°,這一地區(qū)地震活動介于強(qiáng)活動區(qū)的日本與弱活動區(qū)的小笠原及瑪里亞納之間,沿俯沖方向在鄂霍次克海東經(jīng)148°、北緯50°只發(fā)生1次M≥6.0的強(qiáng)烈地震,可見該俯沖帶對上覆板塊鄂霍次克海的擠壓作用并不強(qiáng)。3.2淺震“強(qiáng)震組”的形成前已述及,日本是西太平洋地震活動最強(qiáng)烈的地區(qū),太平洋板塊通過日本海板塊小角度俯沖對東亞大陸地震活動產(chǎn)生了重要影響,這種影響主要是因為日本海俯沖帶前端不僅沒有向下彎曲的形態(tài),而且俯沖帶前端還有轉(zhuǎn)向水平延伸的趨勢。計算表明俯沖帶前端傾角為17°,這種以水平為主的板塊俯沖,在其前端強(qiáng)烈俯沖時期形成深震“強(qiáng)震組”,并激發(fā)地幔物質(zhì)的上涌,從而形成淺震“強(qiáng)震組”。東北地區(qū)深震“強(qiáng)震組”與淺震“強(qiáng)震組”表現(xiàn)的時間相關(guān)性、能量相關(guān)性、空間相關(guān)性,證明板塊的深部俯沖活動是中國東北地區(qū)淺震發(fā)生的動力條件和影響因素,圖3中日本海溝地震、日本海深震以及中國東北地區(qū)淺源強(qiáng)震活動大致呈現(xiàn)直線遷移的特點,表明影響中國東北深震以及淺源強(qiáng)震活動的主要動力來自日本海板塊俯沖。Fukao等(1992)和VanderHilst等(1991)認(rèn)為日本海俯沖帶停留在660km間斷面之上,水平展布約1000km,應(yīng)該在中國東北下部有明顯的顯示。周元澤等(2001)研究了牡丹江和海拉爾地震臺下方的地幔間斷面結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)牡丹江地震臺下方660km間斷面強(qiáng)度比海拉爾地震