孙 尧,吴中海,安美建,龙长兴
(中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081)
在新生代(特别是晚第四纪)印度板块与欧亚板块持续碰撞的动力学背景下,川滇地区的地壳运动十分明显,发育了众多规模、类型和活动性等都各不相同的活动断裂,是我国现今最为显著的强震活动区。川滇地区的地震活动频度高、强度大,有记载以来发生过32次7级以上地震,其中2次超过8级。由于这些地震以浅源的走滑型地震为主,震源深度在10~15km[1],容易造成重大财产人员损失。因此对川滇地区地震活动性进行研究是非常重要的。
为向地震灾害频繁的发展中国家传授地震危险性评定技术,最大限度地减少地震所造成的生命损失及财产、社会经济的破坏,经国际大地测量和地球物理联合会(IUGG)与国际地质科学联合会(IUGS)共同倡议,并由联合国教科文组织和国际科学联合会理事会(ICSU)资助,1992年国际岩石圈计划(ILP)提出了“全球地震危险性评估(1992—1999)”项 目 (Global Seismic Hazard Assessment Program,以下简称 GSHAP)[2-4]。该项目首先将有历史记录以来的地震活动汇编成地震目录;然后利用来自地震目录、地震构造学、古地震学、地貌学、活断层成图、地壳形变的大地测量值、遥感及地球动力学模型等数据,建立描述地震时空分布的主震源模型;再结合地震造成破坏的直接测量结果和地面运动的仪器测量值,并考虑地震波在不同地质构造环境中的传播效应,建立起一个与地震震级和震中距有关的地面振动函数;最后对某一给定时期内发生地面振动的概率进行计算,绘制地震危险性图,并给出相关的不确定性范围。基于已有地震目录、地震构造和震源带、强震地面运动资料及地震危险性计算,GSHAP提供了第一个定量的21世纪前50年内的全球地震危险性图,描述了可能会或不会被超出的地面运动水平。
GSHAP计划中公布了川滇地区的地震危险性(图1)[5]。图中四川盆地以西地区均被纳入峰值地面加速度超过0.8m/s2的中等危险性区域,其中澜沧江断裂、小江断裂、红河断裂、鲜水河断裂等所经过的一些区域峰值地面加速度超过4.8m/s2,为地震危险性很高的区域。
图1 川滇地区的GSHAP图(数据来自http://gmo.gfz-potsdam.de/index.html)Fig.1 GSHAP map of the Yunnan-Sichuan area
自GSHAP项目于1999年结束至今的十多年时间里,川滇地区发生了一定数量的地震活动。对预估的和实际发生的构造活动进行对比,不但有益于深入认识地震活动的规律性,也有益于更加深入地了解区域构造活动特征。本文将GSHAP预测结果与近10年来川滇地区实际地震活动强度进行对比,同时参照历史地震与现有活动断裂资料对川滇地区的构造活动性进行阐述。
川滇地区活动构造体系在李四光的地质力学理论中曾被称为“歹字型”构造体系,在构造体系中可以看作由川滇外弧带和滇西内弧带两个断裂体系构成。
川滇地块外弧带的主体为玉树—鲜水河—小江弧形断裂系,是一级构造边界带,包括甘孜—玉树断裂、鲜水河断裂、安宁河断裂、则木河断裂、普雄断裂带、小江断裂带、会理—易门断裂、普威—红格断裂、曲江断裂、石屏—建水断裂、杨武断裂及奠边府断裂,断裂的运动性质多为左旋走滑活动,少数为右旋走滑,大多数的活动性被认为是中等或强烈。
甘孜—玉树断裂带是青藏高原内部巴颜喀拉块体的西南边界,走向为NW,倾向以NE为主,倾角70°~85°,断层的运动性质为左旋走滑活动[6-7]。该断裂过去50ka内的平均左旋走滑速率为(12±2)mm/a[8],不同的GPS监测数据显示现今的位错速率分别为9~12mm/a[9]、12mm/a[10]和14.4mm/a[11]。沿此断裂在1854年、1866年、1896年发生过超过7级的大地震[8,12]。鲜水河断裂带位于青藏高原东部川滇菱形块体东北边界,巴颜喀拉地块南边界东段,走向NW。第四纪以来断裂带北西段表现出偏张性的左旋走滑活动性,中段表现为偏压性的左旋走滑运动,南东段以张性的左旋走滑运动为主[13-15]。在此断裂附近共发生过9次7级以上的地震,最新一次为1973年的炉霍7.9级地震,造成了长达90km的地表破裂以及最大6m的断层面位移。小江断裂是川滇地块与华南地块的边界,总体走向为近NS向。其北段以拉张或张剪性破裂为主[16],自东川向南分为2条支断裂,其间发育多条NE向或NEE向的次级断裂,形成网状的断裂带[17-18],近期活动表现为左旋走滑为主的压扭性[19]。小江断裂带周边自1500年以来共发生过6.5级以上地震15次,其中1833年的嵩明8.0级地震造成的破裂长约80km,最大水平左旋错距达5.8m[20]。
除了以上3条主要构造边界外,川滇外弧带构造活动强烈的长断裂还包括安宁河断裂和则木河断裂。安宁河断裂的总体走向为近NS向,以左旋走滑活动为主,具有明显的分段活动特征,中段活动性最强,北段次之,南段活动性最弱[21]。在断裂附近的西昌地区历史记载过1536和1850年2次7.5级以上的地震,但最近150多年来,除1952年冕宁以南有一次6.5级地震外,没有更大地震的发生[22-23]。则木河断裂位于安宁河断裂和小江断裂带之间,走向为NW,第四纪以来的运动性质以左旋走滑运动为主[24-25]。自公元624年以来西昌附近发生的5次超过6级的地震均与该断裂相关,其中有2次地震超过7级,而1850年西昌7.5级地震至今的160年间则未发生过超过6级的地震[26-27]。
滇西内弧带位于青藏高原东缘,从北面的理塘断裂一直延伸到南面的南汀河断裂,构造变形强烈,西临构造活动强烈的一级构造边界带实皆断裂系[28]。川滇地块内弧带包括理塘断裂、剑川断裂、程海—宾川断裂带、丽江—大理裂陷带、马登—巍山裂陷带、畹町断裂、南汀河断裂以及孟瑙断裂,多为左旋走滑活动,少数为拉张性的正断层,构造活动性被认为是中等。
北部理塘断裂是川滇块体内部的一条与鲜水河断裂近于平行展布的全新世走滑活动断裂,作为松潘—甘孜造山带内部的造山带主体和西部碰撞结合带的边界;走向为NW向,运动性质为左旋走滑[29],GPS资料反演得到其现今的走滑运动速率为(4.4±1.3)mm/a[30-31];1948年理塘曾经发生过7.3级大地震。程海—宾川断裂带走向为近NS向,第四纪以来的运动性质表现为左旋走滑兼正断层,是次级构造单元丽江台缘褶皱带与川滇台背斜的分界线[32-33];断裂带历史上5级以上地震发生频率较低,自1500年以来共发生过7次,其中1515年发生于永胜县的大地震超过7级,为有文字资料记载以来该断裂发生过的最大地震[33-34],最近一次的强震为2001年10月发生在永胜县的6.0级地震[32,35]。丽江—大理裂陷带走向为NW—NS—NW,历史震源机制解显示该断裂带的运动性质为正断层,表明该地区应力场为拉张性,断陷盆地发育主要受近NS向左行剪切—拉张活动控制[36];该地区地震活动频繁,最近一次强震为1996年2月的7.0级地震,地震时断层活动以倾滑为主,伴有一定的左旋扭动,是玉龙雪山山前断裂活动的结果[37-38]。有研究通过断裂性质及地表观察等证据认为哈巴和玉龙雪山东麓断裂带为同一条断裂带[39-40]。畹町断裂位于中缅边界,为次深断裂,在蚌冬以东为NE走向,以西为近EW走向,倾角60°~80°。断裂早期主要受到压扭性应力,第四纪以来则表现为以左旋走滑活动为主[41-43];断裂晚第四纪活动性显著,然而现有的台网资料及微地震监测显示该断裂近期的地震活动性不强,而且历史上也没有强震记录。
除内外弧带两大断裂体系外,川滇地区的主要构造边界带还包括龙门山断裂带、红河断裂带、澜沧—景洪断裂带等。龙门山断裂带处于川滇地块外弧带的外围,总体走向NE向,是由一系列压性、压扭性断裂及褶皱组成的逆冲断裂带,是川滇地块及华南地块的边界断裂,第四纪至今一直在活动[44]。汶川地震前的历史资料记载中,龙门山断裂北段北川以北未发生过6级以上地震,断裂中南段曾发生过4次6级以上地震,1657年发生于汶川的6.5级地震是2008年以前有记载以来该断裂发生过的最大地震[45]。2008年汶川地震前的GPS监测显示,龙门山断裂带现代构造活动总体表现为以挤压作用为主,兼有走滑性质,由北向南逐渐由走滑挤压变化为伸展走滑,北段的运动速率大于南段[46]。2008年以前的GPS监测显示龙门山断裂的整体运动速率为(1.67±2.07)mm/a,远小于鲜水河断裂的(8.67±2.65)mm/a[47-48]。红河断裂是华南与印支地块的分界线,现今的运动性质主要表现为右旋走滑运动[49-50];从历史地震活动性来看,沿着红河断裂地震集中部位分布在红河断裂带的北段大理一带,历史上有多次6级以上的地震发生,而南段则没有6级以上地震发生的记录[51]。澜沧—景洪断裂带走向为NW,断裂的运动性质现今以右旋走滑活动为主[52];1988年11月曾发生过双主震的澜沧—耿马地震,震级分别为7.6级和7.2级,并有多次超过6级的余震发生[53]。
为了对比GSHAP所预计的最大地面峰值加速度,这里分别将1970年有台网记录以来及1999年前后川滇地区的地震(数据来自中国台网目录)按照震级大小不同及影响的范围不同制作了最大震级的heatmap图(图2(a)~(c)),将2009年中国地震台网统一地震目录建立以来的地震数据用同样的方法制成最大震级的heatmap图(图2(d)),分区块对川滇地区主要断裂带的地震活动分别与GSHAP的预测进行比较。
GSHAP预测的沿龙门山断裂的地震动峰值地面加速度在0.8~4.0m/s2之间,且大部分区域都在2.4m/s2以下,属于中等危险区域,小部分为高危险性(图1),整体的危险性评级弱于鲜水河断裂、小江断裂等,因此这里是1999年之前GSHAP最主要的忽视区域。从1999年以后的heatmap图(图2(c))可以看出,从雅安一直延伸到四川与陕西、甘肃交界处整个龙门山断裂带是川滇地区在这段时间地震活动强度最大的条带状区域。这里地震密度大,5级以上强震多,震源机制以逆冲为主,有少许走滑机制(见图3),表明龙门山断裂带所处区域构造应力场的最大主应力方向为NW向。1999年以后地震活动强度(图2(c))比1970—1999年间龙门山断裂带的地震活动性(图2(b))明显增强且地震多分布在断裂东南侧,断裂西北的大地震很少,直至四川北部与甘肃交界区域才有高地震密度区域。
1999年以后沿着龙门山断裂的这个高地震密度条带基本上都是由2008年汶川地震及其余震组成。根据地震触发理论,强震会引起附近断层的库仑应力变化,从而促进或抑制未来地震的发生[54-55]。因此2008年汶川地震发生后所引起的断层面错动影响了周围断裂的地震活动。笔者使用Toda等开发的Coulomb3.3软件[56]对 MW7.9主震所引起的库仑应力变化进行简单的模拟运算,汶川地震的震源机制来源于Global CMT。对于龙门山断裂带,在10km深度得到的库仑应力变化图(图4(a))显示2013年芦山地震的震中也在汶川地震所引起的库仑应力增加的区域内,这与前人计算结果[57-59]一致。同样的,对于NW走向以走滑为主的鲜水河断裂,从10km深度得到的库仑应力变化图(图4(b))可以看出断裂的东南段(大致为道孚—康定段)在库仑应力增加的范围内,而中段和北西段则在库仑应力减小的区域内。从理论上来说汶川地震的发生增加了鲜水河断裂东南段未来发生强震的可能性,这与邵志刚等[58]的结论基本相符,而鲜水河断裂中断及西北段发生强震的可能性会降低。
与龙门山断裂的地震危险性被低估相对的是,近十多年里从玉树断裂至鲜水河断裂和小江断裂的活动并未如预测的那么强。GSHAP图里沿着玉树—鲜水河—小江断裂系峰值地面加速度值都在4.0m/s2以上,大部分高达4.8m/s2以上,显示出很高的地震危险性;断裂系两侧数十公里的区域峰值地面加速度值也都超过了2.4m/s2,为高危险性。1999年以前的地震活动(图2(b))显示沿着玉树—鲜水河—小江断裂系存在大范围的高地震密度区,大地震的震源机制(图3)多为左旋走滑;而1999年以后沿此断裂系的地震活动(图2(c))比较少,仅在3个小区域内有5级以上的地震发生,分别是炉霍、道孚与昭通市的西南地区,其余区域的地震震级都在3级以内,而像西昌、康定等历史上有多次大地震发生的地区1970年至今还未发生过6级以上的强震。因此近十年来川滇外弧带的地震活动性明显减弱,并未显示出与GSHAP相符的高地震活动性。
图2 川滇地区最大震级的heatmap图Fig.2 Heatmap of maximum earthquake magnitude in Yunnan-Sichuan area
图3 川滇地区1970年以来的强震震源机制Fig.3 Focal mechanisms of strong earthquakes since 1970in Yunnan-Sichuan aera
1999年以后的Heatmap图显示在大理、楚雄之间及大理西北方向的哈巴和玉龙雪山东麓断裂带分别有2个高地震密度区(图2(d)),丽江以北的川滇交界处也有一个高地震密度区。在1999年以前的heatmap图中这些区域也是高地震活动性地区,GSHAP图中同样把这些地区的地震危险性评级设为高或很高。川滇内弧带北段的理塘断裂在1999年以前的地震密度较高,1999年以后则地震活动性明显降低,低于GSHAP对该断裂带地震危险性评价高或很高的预期;而南段的畹町断裂无论是GSHAP的预期还是近年来的实际地震活动性都很低。值得关注的是1970年以来相对于周边的高地震密度,宾川地区则是表现出低地震活动性的空区。
图4 2008年汶川地震在沿龙门山断裂(a)和沿鲜水河断裂(b)引起的库仑应力变化Fig.4 Coulomb stress change caused by 2008Wenchuan earthquake.(a)indicates change along Longmenshan fault zone;(b)indicates change along Xianshuihe fault
GSHAP的评估里将红河断裂途经的大理一带列为地震危险性很高的区域,而在东南段与小江断裂所夹的东北盘评价为地震危险性很高,西南盘的地震危险性为中等。1970年至1999年的地震密度heatmap图显示的地震密度分布与GSHAP的评估基本相符,只是覆盖面积略小;而1999年以后沿着红河断裂的地震密度明显下降,只有大理的西北方向有少量4级以上的地震分布。
澜沧—景洪断裂所经区域在GSHAP中的地震危险性评价为高,局部为很高,而1999年以后的地震密度heatmap图则显示出沿着断裂走向的地震活动性远低于预期。值得注意的是澜沧—景洪断裂与多条次级活动断裂经过的景洪地区,构造运动强烈,历史上为6级以上地震多发区,而1970年以来的heatmap图则显示地震密度低于周边(见图2(a))。此外处于GSHAP评价高危险性区域边缘的思茅地区则有超过5级的地震发生。
图5 滇西南1999年以来的最大震级heatmap图Fig.5 Heatmap of maximum earthquake magnitudes in southwestenYunnan since 1999
在小江断裂以东的曲靖—昭通一带存在高地震密度带,并分别向四川、贵州境内延伸,这个地区GSHAP给出的峰值地面加速度值为2.4m/s2以上,地震危险性评价为高,局部为很高。该地区近十多年来的实际地震活动性略微低于GSHAP给出的评价,不过2012年9月7日的彝良5.7级地震在一定程度上与GSHAP的预测相符。
滇西内弧带以西的巴塘断裂走向为NNE,现今的运动性质为右旋走滑活动,第四纪以来具有明显的活动性[29]。GSHAP的评估里该区的峰值地面加速度值在3.2m/s2以上,属于高危险性区域,而1999年以后该地区的实际地震活动性则低于预期。
龙川江断裂为近NS走向,南段主要表现为左旋走滑的性质,其第四纪以来活动性较弱[60];龙陵—瑞丽断裂走向NE,主干断裂为左旋走滑构造活动[61]。1976年在龙川江断裂与瑞丽—龙陵断裂之间的龙陵地区发生过7.4级地震[62]。GSHAP给出的地震危险性评估里龙陵及周边区域的峰值地面加速度值在3.2m/s2以上,属于地震危险性高或很高的区域,形成一个长轴近南北的椭圆形区域,而1999年以来的heatmap图则显示该地区的地震分布向近EW向延伸。
大盈江断裂的走向为NE,断裂倾角较陡,倾向以NW为主,第四纪以来活动性表现为左旋走滑活动[63-64];苏典断裂为近 NS走向,活动性质为右旋走滑,与大盈江断裂交汇于盈江盆地。在1999年以前的地震危险性评价里盈江盆地及周边的峰值地面加速度值在0.8~2.4m/s2之间,为中等危险性区域。而自2008年以来,在大盈江断裂与苏典断裂交汇区域多次发生5级以上强震,并有大量的前震及余震发生,2008年8月21日的6.1级地震为有记录以来该地区发生过的最大地震。盈江地区在heatmap图中显示为高地震密度区,震源机制多为走滑机制,该地区的高地震活动性是大盈江断裂及苏典断裂近年来持续活动的结果[65-68]。虽然1970-1999年间该地区没有5级以上地震发生,地震活动性在川滇地区并不突出(图2(b)),但1999年以后的地震密度heatmap图显示近年来盈江地区为高地震活动性(图2(c))。
从近十多年内川滇地区的地震活动heatmap图中可以看出,很多在地质上被认为断裂活动性中等或强烈的活动断裂,近些年的地震活动性并不强烈,原因可能有两种:
(1)活动断裂带上近几十或一两百年内已经发生过大地震,因而应力得到了释放,由于大地震的复发周期长达数百年甚至上千年,因此在大地震发生之后断裂带上的地震活动可能会相对减弱。例如1923年3月24日鲜水河断裂带上的炉霍、道孚一带发生过7.25级地震,1948年理塘断裂曾经发生过7.3级大地震,因而近十多年鲜水河断裂带、理塘断裂等地震活动强度较低。
(2)大地震发生前的地震空区。地震空区的概念最早由Mogi提出,并定义了两类“空区”[69]。一种主要指由一条分段性明显的活动构造带,或多条在动力学或运动学上密切联系的断裂所构成的大型活动断裂带或构造带,其大地震活动的趋势是将地震破裂填满整个断裂带或构造带。而地震空区是指断裂带上在最近一次大地震循环过程中尚未被地震破裂覆盖的段落。因此一条断裂带上的地震空区即为该断裂带上未来大地震危险性最高的地段。另一类空区指一条地震带或活动断裂带上在发生大地震前周围被众多中小地震围空的现象,即地震围空区。也就是针对特定区域,特别是处于同一构造体系中的活动构造带中,被一段时期内已发生的中—强地震活动所围限的“相对平静区段”。围空区内的活动断裂带或构造带是未来发生强震活动危险性最大的地段。例如:位于川滇内弧带南端的畹町断裂第四纪活动性显著,而历史上却没有强震记录,对比内弧带的其他段落曾多次发生7.0级及其以上大地震,因此畹町断裂带可能属于内弧带中的地震空区,有较高的强震危险性;大理、勐海等地近年来地震活动性较低,而其周边区域近年来都有强震发生,处于地震围空区,因而也有较大的发生强震可能性。
以近10多年的地震目录为基础,对比了川滇地区主要断裂带的GSHAP地震危险性评估的预期与近十多年来的实际地震活动性,总结了两者的相同点和不同点。
首先,小江断裂以东的昭通地区以及红河断裂以北的哈巴和玉龙雪山东麓断裂带近年来的地震活动性较强,这与GSHAP的评估相符。
其次,近些年来地震活动性较强区域在GSHAP危险性评估中被低估。2008年汶川地震及其余震的发生标志着龙门山断裂带为川滇地区中地震活动最强地区,而利用1999年以前资料进行的GSHAP地震危险性评估将龙门山断裂带大体上归于中等地震危险性地区。怒江断裂以西的盈江地区近年来的地震活动性也较强,而GSHAP只将该地区的地震危险性评价为中等。
最后,GSHAP中认为澜沧江断裂、小江断裂、红河断裂、鲜水河断裂是区域高地震危险性的重点地带,但在近十年的时间内其地震活动性并不像预测的那么高。其中鲜水河断裂带及小江断裂带是GSHAP所强调的最高危险区,而近十年来该区域的地震活动并不十分活跃。鉴于该区域进行的GPS观测发现该区域运动速率较高,可能该断裂现在处于不活动期,也可能该断裂自身以蠕变滑动为主而不易集聚发生大地震的能量。而通过库仑应力计算得到的鲜水河断裂东南端道孚—康定段受2008年汶川地震影响库仑应力增加,可能在未来若干年存在发生强震的可能性。红河断裂与澜沧江断裂近年来的地震活动性较弱,而怒江断裂只在南端的保山等地区有较强的地震活动性。
以上对比结果是基于近十年的地震目录得出的,但由于GSHAP的评估时间范围为未来50年,而一个灾害性大地震的活动周期可能为近千年,因此以上得到的两者相差较大的地方并不意味着GSHAP预测完全失真。
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