王冠禾,刘绍文, ,祝文婧
1.南京大学 海岸与海岛开发教育部重点实验室、地理与海洋科学学院,南京 210023;2. 中国南海研究协同创新中心,南京 210093
“一带一路”建设是新时期中国为推动国际合作共赢提出的重大倡议,其中“21世纪海上丝绸之路”(以下简称“海洋丝路”)是该倡议面向东南亚的重要组成部分。李克强总理在参加2013年中国—东盟博览会时强调,铺就面向东南亚地区的海上丝绸之路,打造带动腹地发展的战略支点,有利于促进中国和东盟各国的经济繁荣与合作。近几十年来,东南亚经济发展迅速,已成为世界经济增长的新热点地区。但该区生态环境较为脆弱,地震灾害频发,对该区域经济社会发展和对外交流合作带来了严重威胁(Dong et al., 2015;李昌珑和蒋长胜,2020)。科学认识东南亚地震灾害的时空分布规律,提高防灾减灾能力,促进灾害风险管理等领域的合作,是建设“海洋丝路”的重要举措之一(崔鹏,2017,2020)。
Gutenberg和Ritcher(1944)首次提出使用震级—频度(M-N)的经验公式(lgN=a-bM)来描述世界各地区地震活动性的差异,现已被广泛应用于地震预报和地震危险性分析(时振梁,1991;Amitrano, 2003;易桂喜等,2010,2013;刘静伟和吕悦军,2016)。前人对东南亚地区的地震活动特征及发震机制研究,主要集中于根据区域大地构造演化解释该区的地震时空分布(Hall, 1998, 2001,2017;Singh, 2011;刘书生等,2018);或采用单一的数据和方法来分析区域b值特征(Nishikawa and Ide, 2014; Nugraha et al., 2016; Zhou and Xia,2020),地震危险性研究水平较低(李昌珑和蒋长胜,2020),缺乏探讨该区地震时空分布与b值特征的耦合关系。地震累计频度—震级关系公式中的b值表示该区地震数量和震级大小的比例。Schol(1968)通过岩石模拟实验发现了影响b值的主要因素是介质的不均匀性和应力场差异,这为地震研究中b值的变化提供了物理学解释。确定b值对区域内的地震研究具有重要意义,它反应了区域地质背景下地震构造特征,有助于更好地理解区域孕震机制,预测未来地震活动趋势和确定潜在震源区的地震活动参数(段华琛和范长青,1995;Wiemer and Benoit, 1996;Mishra et al., 2007;吴果,2014)。一般地,b值越高的地区,其大地震所占比例越低,但会有更多的小震级地震发生;而b值越低的地区,大地震所在比例越高,指示该区更有可能发生大地震。研究表明,b值在较小尺度上的变化更为明显,局部地区的b值异常反应了区域地质背景下详细的地震构造特征差异(Frohlich and Davis, 1993;Wiemer and Wyss, 1997;刘力强等,2001;Schorlemmer et al., 2004),可 能 受所在区域内大地震事件、俯冲带年龄、活动断裂带和震源深度等因素影响(Tsapanos, 1990; Mori and Abercrombie, 1997; Tormann et al., 2012; El-Isa and Eaton, 2014; Zhou et al., 2018; Zhou and Xia, 2020)。针对具体的研究区域而言,需要结合相关资料,深入分析影响该区b值的主要因素。
本文基于1900年以来东南亚地区发生的M≥5地震数据,并将该区5个地震灾害较为集中且与人类经济活动息息相关的地震活跃区作为整体进行研究,综合地质和地球物理学资料,使用ArcGIS空间分析工具揭示该区地震活动的时空分布特征。在此基础上计算区域b值,分析不同因素对b值异常的影响,探讨地震活动规律,进一步指出各区b值的分布特点。上述成果以期为我国顺利推进“海洋丝路”工程建设、建立统一的“一带一路”防灾减灾对策提供科学支撑。
东南亚位于印度—澳大利亚板块和欧亚板块之间的俯冲、碰撞交界区,是全球构造体系中大地构造背景最为复杂的地区之一(图1),属于著名的环太平洋火山地震带(Hall et al., 2008)。该地区历经晚古生代—中生代特提斯构造演化和新生代大陆碰撞造山作用,大陆岩石圈发生了拉伸、裂解及拼贴期后的大型走滑运动,在地块和边缘海洋盆之间逐渐堆积大量沉积物并塑造成各种地形地貌,具有多岛洋特征(Advokaat et al., 2017;刘书生等,2018)。
图1 东南亚大地构造格架Fig. 1 Sketch showing tectonic framework in Southeast Asia
研究区北部的中南半岛是由多个小块体及其间的缝合带组成的复杂陆块,属于中国青藏—三江带古特提斯构造的向南分支(王宏等,2015)。印度板块朝北东向运动并与欧亚大陆及巽他大陆发生碰撞,形成了缅甸弧形构造区。板块之间的右旋斜滑形成了弧形构造区内大量的走滑断裂构造带(周辉等,2013),这些断裂带区域构造活动强烈,发育一系列较大地震。研究区中部的南海是西太平洋地区最大的边缘海,海底扩张形成洋盆,其西部陆缘和南部陆缘发育大型断裂。研究区南部边缘的印度—澳大利亚板块沿安达曼海沟—苏门答腊海沟—爪哇海沟—帝汶海沟向北俯冲于欧亚大陆及其东南部的巽他大陆之下,形成了爪哇—班达岛弧、苏拉维西岛弧,以及马六甲—爪哇海—班达海弧后盆地群。研究区东侧的双向俯冲使得菲律宾群岛地形狭长而破碎,由岛弧及微陆块拼贴而成(Yumul et al., 2003; Xu et al., 2016),大致以马尼拉海沟、苏禄—内格罗斯海沟为界,划分为东、西两部分(洪文涛等,2020),西部的巴拉望—三宝颜陆块是因南海扩张而裂离于华南的微陆块(Gabo et al., 2009;Canto et al., 2012),构造稳定;而东部的菲律宾活动带地质结构复杂,地震火山活动频发(Xu et al.,2016)。
本文取 92°E~140°E、10°S~25°N 的矩形范围为研究区域,研究区包含了东南亚全部地震带。该区域的地震活动受控于板块构造演化(Michel et al.,2001),板块之间的俯冲和碰撞等强烈活动导致大型地质灾害频发,其中地震活动尤为强烈。
据史料记载,东南亚地区曾多次发生强震,但地震史料由于时间久远而缺失,一般来说时间越早,地震记录相应减少。根据地震资料的完整性研究可将地震发生的年代分为1900年以前的历史地震和1900年以后的现代地震(黄玮琼等,1994),现代地震中5级以上的地震记录较为完整,因此本文研究取震级下限为5级,时间始于1900年。此外,由于监测仪器、监测环境等原因,地震台网监测能力在1970年以前是有限的,一些小震时常被漏记,这种情况在1970年以后有了较大改善(图2)。
图2 东南亚地区M≥5的地震数据量变化Fig. 2 The amount of seismic data with M≥5 in Southeast Asia since 1900
本文的地震资料来源于美国地质调查局(United States Geological Survey, USGS) 地 震 数据库(https://www.usgs.gov/)和美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)灾害数据库(http://www.noaa.gov/),研究区内从1900年至2020年共发生M≥5的地震活动13038次(图3)。地震多以浅源和中源地震为主,深源地震较少;地震大致呈带状分布,成丛性显著。该区域典型的强震案例为2004年12月26日在印度尼西亚苏门答腊发生的9.1级强震,引发的海啸席卷印度洋沿岸的11个国家,共造成超过29.2万人死亡,这也是东南亚地区1900年以来最为严重的地质灾害。
图3 东南亚地区1900年以来M≥5的地震分布和震源深度示意图Fig. 3 Earthquakes distribution and their focal depths with M≥5 since 1900 in Southeast Asia
目前最常见的b值计算方法有最小二乘法和极大似然法,其中极大似然法的误差较小,现已在国内外被广泛使用(黄玮琼等,1989;Wiemer and Wyss, 1997;易桂喜等,2006;孟昭彤等,2021)。Aki(1965)最早提出使用极大似然法计算b值。Tinti和Mulargia(1987)推导出了的新方程式,该方法存在解析解,并可在历史地震资料不足、部分地区样本量较小的情况下估计b值的最大似然值(Tinti and Mulargia, 1987;吴果等,2019):
式中,Mi为震级,N为震级≥Mi的地震个数,MC为最小完整震数,a为回归系数。b值的标准差为(Aki, 1965):
相应地,参数a为(De Santis et al., 2011):
为尽可能消除1970年以前地震数据量较少的影响,本文采用极大似然法进行计算,研究数据始于1900年,起始震级MC为5级,震级间隔为ΔM为1/2。根据地震实际的密集程度,使用ArcGIS空间分析工具在地震统计区内选出半径r值为150~250 km的地震密集分布区域作为局部计算区至少取30个事件计算b值,并计算统计区b值均值。同时采用误差分析法修正计算结果,剔除质量较差的数据以保证结果的准确性(Knopoff, 2000;Borgohain et al., 2018;姜佳佳和冯建刚,2020)。
现代地震中7.5级以上大震的记录基本完整(黄玮琼等,1994)。东南亚M≥7.5地震事件的震级—时间(M-T)分布如图4所示,该区地震活动整体呈活跃期与平静期交替的特征。自1900年以来,该区一共经历了以下4个地震活跃期:1907~1918年、1931~1950年、1963~1979年和1989~2010年。
图4 东南亚地区地震活动的震级—时间分布Fig. 4 Magnitude-time distribution of seismic activities in Southeast Asia
第一个活跃期从1907年到1918年,共有7个震级大于7.5级的地震记录;1918年到1931年只有2次大于7.5级的地震记录,为相对平静期;第二个活跃期从1931年到1950年,共记录到7.5级以上地震17次;1950年到1963年的13年间为平静期,未发生7.5级以上地震;第三次活跃期从1963年到1979年,共有12个震级大于7.5级的地震记录;1979年至1989年这10年间未发生7.5级以上地震,说明该时间段为平静期;1989年到2010年,是该区的第4个地震活跃期,一共有22个震级大于7.5级的地震记录。自2010年以来,该区进入第4个平静期,目前只发生过1次7.5级以上地震。
东南亚地区的地震活动表现出显著的空间集群分布特点。本文根据多岛弧盆系构造体系划分原则(潘桂棠等,2009;刘书生等,2018),结合发震构造环境差异和地震活动的地缘分布特点(周本刚,2004;高战武等,2014),将东南亚陆域地震活动性较强且与人类经济活动最相关的地震集中区域划分出5个地震区(表1),自西向东分别为:缅甸陆块地震区(I区)、横断山—印支造山系地震区(II区)、印尼—马来多岛弧盆系地震区(III区)、菲律宾群岛地震区(IV区)和新几内亚陆块地震区(V区)。上述地震区以外的其它地区,由于地震数量稀少或与人类经济活动相关性较低,本文不做深入研究。总的来说,该区地震活动受板块相互作用和区域构造格架控制,大致呈带状分布,成丛性显著(图3)。其中印尼—马来多岛弧盆系地震区(III区)和菲律宾群岛地震区(IV区)是东南亚地震活动最为活跃的地区,地震分布密集且震级较高(图5)。
图5 东南亚不同地震分区的5级以上地震活动情况统计Fig. 5 Histogram of seismicity (M≥5.0) for different regions in Southeast Asia
表1 东南亚地震区划分及相应的地震活动特征Table 1 Seismic sub-division in Southeast Asia and corresponding seismic characteristics
缅甸陆块地震区(I区)包括缅甸西部地区和安达曼群岛,该区位于板块碰撞构造前缘,受印度—澳大利亚板块和欧亚板块挤压作用,属于东喜马拉雅构造区,是典型的大陆—大陆板块碰撞带,东侧以潘隆断裂带为界与II区相隔,南至安达曼群岛南端与III区相隔。从震源机制结果看,该区地震活动以沿大型断裂系分布的中、深源地震为主。中源地震主要分布在19°N~27°N之间的西部褶皱构造带,呈N-S向带状分布,最大震源深度超过200 km,其余地震多为浅源地震,自1900年以来记录到的5级以上地震654次。
横断山—印支造山系地震区(II区)位于缅甸、泰国和老挝三国交界处,由临沧—清莱弧盆系和思茅—彭世洛地块构成(李兴振等,2004),属于大陆—大陆板块碰撞带,地震数量稀少且较为分散,震源深度在5~35 km之间,自1900年以来记录到5级以上地震45次。
印尼—马来多岛弧盆系地震区(III区)包括印度尼西亚的大部分地区,以及马来西亚、文莱和东帝汶全境,东北部以马尼拉海沟增生楔为界与IV区相隔,东南部以班达岛弧构造带为界与V区相隔。该区位于大洋—大洋板块俯冲带,构造运动强烈,地震活动较为频繁、震级较大,且大多引发海啸,总体沿印度尼西亚前锋弧分布,震源深度一般为15~150 km。自1900年以来记录到的5级以上地震7196次,其中8级以上巨震基本分布在岛弧南边的深海沟附近,受澳大利亚板块向北的俯冲作用影响。
菲律宾群岛地震区(IV区)地处大洋—大洋板块交界处,东部属于菲律宾海板块的俯冲带,中部存在一条转换断层:菲律宾断层,西部属于亚欧板块俯冲带(臧绍先,2002),东南部以索龙断裂带为界与V区相隔。该区地震活动较为频繁,地震分布的方向平行于板块俯冲带,表现出一定的迁移性。区内菲律宾海沟增生楔附近的震源深度一般在150 km以内,中菲律宾断裂带等主要断裂带和软弱带有180~300 km的深源地震活动,自1900年以来记录到的5级以上地震3088次。
新几内亚陆块地震区(V区)位于新几内亚岛中部,属于大洋—大洋板块俯冲带,北接吕宋—北新几内亚岛弧带,以索龙断裂为界。区内火山活动强烈(Hall, 2011),地震活动以中强震为主,震源深度一般为10~250 km,自1900年以来记录到的5级以上地震1103次。
基于以上数据和方法,本文根据东南亚地区地震的聚类特征,在5个地震统计区选取采样段,通过历史资料的统计拟合计算出地震b值,得到以下结果(表2):
表2 东南亚5个地震区的b值Table 2 The average b-values of five seismic regions in Southeast Asia
总体而言,5个地震区的b值普遍偏低,其中I区、III区、IV区和V区的面积较大,b值区间较为稳定,在0.70~0.91之间;II区的面积小且地震较少,但6级以上地震占比大,因此b值也更低(~0.417)。东南亚其它地震低频度地区(如泰国、柬埔寨、马来西亚等地),应力积累较小,b值一般在1.0以上。
本文给出了东南亚地区地震活动的时空分布特征及地震b值整体情况。需要指出的是,该区的早期历史地震数据因获取不便且其准确度方面也存在一些疑虑,受资料收集的限制,本文仅利用了东南亚地区过去100年以来有仪器记录的地震数据,因此讨论区域地震活动的时间尺度上尚显不足。下面重点结合区域地质条件,讨论该区地震b值时空变化特征及其相应的主控因素以及对今后地震活动预测的意义。
结合东南亚地区1900年以来的地震灾害要素时空分布特点和b值计算结果,基于陆域地震灾害的聚类特征和局部地区计算,我们发现该区b值在较小空间尺度上的变化更为显著,具有明显的时间和空间差异性。因此本文考虑了各种可能因素进行分析,并将其与对应采样段的b值计算结果相比较,以确定区域b值异常是否与之有关。
5.1.1 b值与大地震事件
东南亚部分区域内b值在大地震发生前后的一定时间内,表现出明显的差异性。如图6所示,IV区8级以上强震均集中在棉兰老岛东南部,最近一次地震为1972年12月发生的8级地震,在该地震发生前十年其b值为0.68,地震发生后十年明显升高为0.84,且6.5级以上大地震数量变少;1982~2002年b值回落为0.81~0.70,且大地震数量增加,2002~2012年不再发生6.5级以上大地震,b值重新升高至0.79。III区于2004年发生在苏门答腊岛西北部的9.1级巨大地震,是近百年来东南亚发生的震级最大的地震,在该地震发生前20年区域内b值较稳定为0.83,但在地震发生后区域内b值下降至0.55。
图6 棉兰老岛东南部的b值变化Fig. 6 Variation of the b-value with time in Southeastern Mindanao
固定区域内b值波动可能与大地震事件有关。大地震前、后b值的时间变化对应震间应力集中和震后的重分布,反映了这些地震引起的区域应力场变化(Nakaya, 2006; Tormann et al., 2012)。Smith (1981)认为地震前b值随时间变化可用于地震预报。因此监测东南亚地区b值的时间变化和低b值现象,有助于进一步研究该区未来发生地震的震级变化,判断地震活动异常并预测大地震。
5.1.2 b值与板块年龄
前人研究表明局部地区的b值异常可能受俯冲带年龄的影响(Zhou and Xia, 2020),但东南亚地区的情况相对比较复杂。一方面,我们的结果表明,在相同构造环境下,俯冲带一些分段的b值与板块年龄确实呈现较为明显的正相关。如图7所示,III区苏门答腊岛西北部的板块较年轻为50 Ma,其b值在0.70~0.78之间;而向东南方向逐渐延伸的地区板块年龄增大至90 Ma,b值也随之升高至0.85。在b值与板块年龄正相关性较为明显的地区,俯冲板块的年龄决定了俯冲带的地震规模(Ruff and Kanamori, 1983)。年轻且有浮力的板块在板间产生较高的正应力和剪切应力,导致板间耦合程度上升,使大地震增加,故b值降低;年老且重的板块会降低板间的正应力和剪切应力,导致板间耦合减弱,大地震发生的频率减少,故b值升高。然而,b值与板块年龄之间这种相关关系并不适用于所有地区。例如,I区南部安达曼群岛的板块年龄与b值却呈现负相关性,板块年龄自北向南逐渐降低,b值却从0.68升高至0.80;在V区,板块年龄自西向东逐渐增大,b值也从0.68降至0.63。相比之下,在其它地区,如III区小巽他群岛和IV区棉兰老岛附近,b值与板块年龄没有明显的相关性。可见,上述东南亚地区的板块年龄与b值的多样性可能与该区复杂的构造活动有关。
图7 苏门答腊岛的b值随板块年龄变化Fig. 7 Variation the seismic b-value with plate ages of Sumatra Island
5.1.3 b值和活动断裂带
地震活动是由多种因素共同控制的复杂动力学过程,其中断层是地震的载体,断裂带易于应力在局部范围内积累。将东南亚断裂带分布(图1)与地震活动(图3)叠加后可以看出,两者有着密切联系。计算后发现,I区与缅甸境内那加断裂带重合的地区,b值较高在0.74以上;II区位于班公—怒江—马江断裂带附近的地区,b值明显偏低且在0.49左右;IV区沿从陆域延伸至海域的中菲律宾断裂带分布的地震带,b值较高在0.75~1.00之间;V区索龙断裂带附近的地震b值较低为0.65左右。
位于活动断裂带的地震区b值一般较高。俯冲带的结构不规则性对地震活动产生了显著影响,阻止了大地震的发生,使得b值上升;但在高应力下的活动断裂带有时又会伴随低b值,并频发中强震(Schorlemmer et al., 2005; Goebel et al., 2013)。同时,区域内断层类型及其震源机制也对b值有显著影响,一般走滑断层和正断层对应中、高b值,逆断层则对应低b值(Gulia and Wiemer, 2010;Chen et al., 2016;孟朝彤等,2021)。以III区为例,龙目岛南部断层性质以正断层为主,b值较高为0.74;而向西至爪哇岛西南部断层性质转为逆断层,b值下降为0.63。同时,这也解释了为什么同样在火山地震活跃带,III区逆断层地区b值仅在0.67~0.80之间,而IV区走滑断层地区的b值在1.02左右。此外,不同断裂带构造对地震活动的影响不同,东南亚地区断裂带构造的复杂程度也在一定程度上导致了b值异常(Tsapanos, 1990)。历史研究表明,西太平洋岛弧区高b值与复杂的岛链有关(Nishikawa and Ide, 2014),扩张中心、逆冲断裂带等异常构造环境也会影响b值的空间变化,较低或较高的b值展现了复杂构造特征对俯冲带地震活动的影响。
b值空间分布差异性反映出不同断裂带应力积累水平的差异,进而反映东南亚地区地震危险性的空间差异,为地震预报提供信息服务。同时利用b值计算结果与应力水平的比值关系,可以进一步研究该区断裂带分布特征和活动习性。
5.1.4 b值与震源深度
震源深度统计分析结果表明东南亚地区的地震主要由浅源地震组成,中源地震和深源地震相对较少,分别占比72.9%、23.5%和3.6%,这些震源深度的差异反映了地震活动性差异(图3)。计算结果显示,IV区震源深度70 km以内的浅源地震b值分布范围在0.69~2.00之间;当深度变大时,震源深度在70~300 km之间的中源地震数量显著降低,其b值也随之升高,在0.84~2.50之间。
震源深度在b值区间的差异上呈现出两个特征:震源深度较小的地区,其b值较低,震源深度较高的地区b值也较高;同一区域内不同深度的地震b值表现出较为明显的空间变异性(Zhou et al., 2018),因此在垂直剖面上,大地震最有可能发生在断裂带的下部。此外,俯冲带上的浅源地震和深源地震的b值分布差异较大,这与上、下层应力状态的不同有关。但学界对此现象的解释尚无统一定论,一般认为是由板块温度差异导致的(Zhan, 2017)。
东南亚上述5个地震区的b值普遍偏低,与上述区域较大的应力积累和地震震源较浅有关(Nakaya, 2006; Heeszel et al., 2008)。同时,5个地震区的b值异常特征反映了区域地质背景下孕震差异,主要与大地震事件、俯冲带年龄、活动断裂带及震源深度等因素有关。具体而言,b值与区域构造具有以下特征:I区地处印度板块和欧亚板块的碰撞前缘,b值异常主要受区内那加断裂带影响,且安达曼群岛b值受板块年龄影响。II区受区域内班公—怒江—马江断裂带影响,b值明显较低。III区内延苏门答腊岛分布的地震带b值受板块年龄影响,沿爪哇岛北部分布的地震带b值受震源深度影响。IV区最重要的特点是,受区域内各断裂带的震源深度不同引起的b值异常影响。V区沿索龙断裂带分布的地震b值较低。由此可见,不同区域的b值受控于不同的构造因素。此外,大地震事件前、后10~20年的时间内,上述5个区域均产生了b值异常现象,一般表现为b值降低,发生更多中小级地震。孟朝彤等(2021)也指出,地震b值随时间的变化比较复杂,但同时认为地震前b值随时间变化是地震预测的重要前提。
b值异常可被用作指示地震标度关系和地震潜在性评估的工具,高b值表示发震区会有更多的中小级地震发生,低b值表示大地震最可能的发震区。大量研究表明应力与b值呈反比关系,b值越低,应力水平越高(Wiemer and Wyss, 1997;易桂喜等,2006,2010,2013;孟朝彤等,2021)。通过监测区域b值异常并与该区地球物理性质的历史平均值进行对比,可以提高对地震危险性的评估精度。如果监测到的b值与预期值相差较大,可以解释为地壳中的应力积累发生变化,预示未来的地震震级格局发生改变。此外,进一步提升地震资料的精度和完整性,是地震b值研究的关键(孟昭彤,2021)。随着东南亚地震台站数量和监测能力的逐步提升,未来对区域精细b值空间扫描的研究将会增加,地震数据的精度和完整性改善将会更好地服务于b值研究以及地震危险性评价等工作。
东南地区地震活动在时间上表现出活跃期与平静期交替变化的特征。该区自1900年以来共经历了多个地震活跃期和平静期。该区地震活动在空间分布上表现出较强的聚集效应,成丛性显著,据此划分出5个地震活跃区,空间分布整体呈N-S和W-E向条带状分布,与区域板块俯冲活动相关。
东南亚地区地震b值的时空分布亦存在差异,主要受大地震事件、俯冲带年龄、活动断裂带和震源深度等众多因素影响。地震b值异常可用于地震危险性评价和大地震预测的工具,高b值发震区会有更多的中小级地震发生,低b值发震区可能孕育大地震。不同b值区间的地区,应考虑大震发生概率,有针对的提出防灾减灾措施。
致谢:南京大学地理与海洋科学学院李香兰博士协助绘制了图1,数理统计工作得到了李龑博士的帮助。地震资料来源于美国地质调查局(USGS)地震数据库(https://www.usgs.gov/)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)灾害数据库(http://www.noaa.gov/)。