日本俯冲带的地震活动与中国

日本俯冲带的地震活动与中国

Thinkman 发表于 2011-3-14 21:25 Monday 自然与科学 超过5131围观 0条评论

日本俯冲带的地震活动与中国

嵇少丞

【内容提要】: 太平洋板块的俯冲自 1 亿 8 千万年( 180 Ma) 以来一直影响着中国东部,中国东部的岩浆活动、火山喷发、地震活动、裂谷形成、岩石圈减薄无不与此有关。 2011 3 11 日日本发生的 9.0 级地震不过是太平洋板块向欧亚大陆之下亿万年的俯冲又迈出了一小步。俯冲板块的先头部队早已穿越上 - 下地幔边界( 660 千米深)并深达核 - 幔边界( 2900 千米深)。郯庐断裂与日本海沟俯冲带的地震活动具一定的相关性。但不别担心由太平洋俯冲板块在中国境内形成的直接的地震,因为它们都是些深源地震,主要分布在吉林省珲春 - 汪清一带,震源深度高达 500-660 千米,这样的深源地震对地面工程建筑破坏性较小。

1. 所幸不是直下型地震

   所谓“直下型地震”系指地震的震源位于城市直下方的地壳内,或者说,城市直接建在断裂带上。直下型地震对城市造成的危害最大。例如, 1995 1 17 日日本大坂-神户地震、 1999 8 17 日土耳其伊兹米特地震、 1999 9 21 日台湾集集地震、 2001 1 26 日印度古吉拉特邦地震等都是城市直下型地震,因此都造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失。

    3 11 日的日本 9.0 级地震的震源所幸不是位于仙台等城市的直下方,否则,后果更是不堪设想。

    震源位于据仙台海岸以东 130 公里的太平洋板块俯冲带上,震源深度 24 公里,震中位于 38.322 ° N, 142.369 ° E ,发震断裂为向西缓倾的逆断层,其倾角还不到 15 度。岩石的摩擦系数约为 0.75 ,倾角 26.5 度左右的断层最易活动。这次发震断裂的倾角还不到 15 度,故需更大的差应力才能启发地震。地震还触发新燃岳火山爆发。太平洋板块向西强烈推挤着欧亚板块,激烈冲突的前沿阵地就是日本海沟及其向西倾斜的俯冲带,双方就这样互不相让地挤压着、僵持着、几十年、几百年甚至上千年,俯冲带内的岩石在痛苦地支撑着来自双方的应力,应力越积越高,震源体处的岩石终于支撑不住了,瞬时间彻底崩溃了,断裂迅速滑移,释放出巨大的能量,其中约 90% 的能量耗散于岩石破裂、碎裂、摩擦、升温 ( 形成一种由极细的岩石碎屑和熔浆混合而成的假熔岩 ) 等,另外 10% 左右的能量以地震波的形式迅速传遍全球,震撼整个日本岛国,掀起滔滔海啸,无情的吞噬沿途的一切。这次巨灾使得城镇夷平,江河易容,美丽的家园满目疮痍,鲜活的生命瞬间凋零……举国同悲 , 全球震惊。

         日本历史上曾记载数次大地震,例如, 1707 年发生的约 8 4 级的宝永地震, 600 公里的范围内都感到摇晃。死亡人数至少 6 万以上,房屋倒塌 6 万户以上。地震带来的海啸袭击日本太平洋沿岸,海浪吞噬了大约 2 万户人家。这次地震使地下有岩浆的地壳被压缩和能量积蓄,导致一个月后富土山火山爆发。 日本历史上地震死亡人数最多的可以说是 1923 9 1 日发生的 7 9 级的关东大地震。该地震发生在日本首都所在地东京,由于人口密集和木结构房屋集中以及地震引起的火灾等原因,死亡和去向不明人口达 142807 人,受灾人口 340 万人,烧毁房屋 44 7 千户。 2011.3.11 这次地震死伤人员还有待统计。

2. 太平洋板块俯冲与中国郯庐大断裂的地震活动

    3 11 日的 9.0 级日本地震使得太平洋板块相对欧亚板块一瞬间下插了 5-6 米,中国大陆如何响应这一巨变?突然间的板块俯冲能否触发中国东部特别是郯庐大断裂的连锁反应,我们只能拭目以待。

    大家还记得 2004 12 26 日晨 7 59 分,印尼苏门达腊岛北部附近海域发生特大地震并引发海啸,造成印度洋周围近 30 万人死亡,其中印尼有近 24 万人,斯里兰卡有 3 万多人,印度有近 2 万人,泰国有近 9000 人。此外,缅甸、马尔代夫、马来西亚、索马里、坦桑尼亚和肯尼亚也都有人死亡。苏门达腊地震加速了印度板块向北运动。三年多之后,出于青藏高原东边界的四川汶川发生了 8.0 级地震,在龙门山地区造成大量房屋倒塌,导致 69,226 人死亡 ( 已确认 ) 17,923 人失踪 ( 尸体尚埋在废墟、塌方或泥石流之中 ) 374,643 人受伤, 4,500 多万人失去家园,导致上万亿元的财产损失。这是因为苏门达腊和龙门山同属于一个地质构造体系,即印度板块与欧亚板块汇聚碰撞的系统,系统内各断裂带彼此关联,协同合作,往往牵一线带动一片,出现多米诺骨牌式的连锁反应,某一个地块向前迈了一步,它会将应力传递给前面的地块使其前进,也会腾出空间让后面的地块往前赶一步,从而使得地震活动具丛集性,即地震在某一时间段内密集成丛发生。

    不别担心由太平洋俯冲板块在中国境内造成的直接的地震,因为它们都是些深源地震,主要分布在吉林省珲春 - 汪清一带,震源深度高达 500-660 千米,这样的深源地震对地面工程建筑破坏性较小。例如, 2002 6 29 01 19 分,在吉林省汪清县 (43.5 º N 130.6 º E) 发生 7.2 级地震,震源深度 540 千米。尽管震级较高,影响范围较大,但由于属深源地震,地震波在传播过程中,能量大大衰减,到达地面后对地表几乎没有造成破坏。

    我还是最担心郯庐断裂。前人已对中国东部地震与日本海沟地震的相关性做了初步分析,   例如,洪川、窦振亚、刘锋涛, 1996 地震, No3 ;吴佳翼, 1979 ,地球物理学报, No4 。一般认为郯庐断裂带与日本海沟俯冲带的地震活动随时间发展起伏的特点很相似,地震活动段和间震段亦一致。两者的关系虽然复杂,但也是彼此促进、相互连锁。

    中国东部的郯庐断裂和日本的海沟也同属于一个地质构造系统。仙台以东的俯冲带过去闭锁了近千年,那是因为它在前进的道路上遇到绊脚石或无法克服的巨大阻力,在这个时段内应力逐渐积累,直到 2011 3 11 日,应力终于达到斩断绊脚石的程度,岩石破裂或摩擦失稳、断层滑移,于是该构造体系又进入新一轮的活跃期。因此,对中国东部特别是巨型的郯庐深大断裂带的地震活动的研究不能仅局限于某区域或某条断层,而应把日本海沟、俯冲带作为整体的、统一的“一盘棋”看待。要研究地震在这盘“棋”上跳跃或迁移的规律。同一条断裂带上地震的“迁徙”实质是构造破裂的定向延伸,而地震跳跃于同一系统的不同断裂带实质是构造应力在不同地块之间相互传递。

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1. 亚洲活动构造简图。

    印度板块楔入欧亚大陆和太平洋向西俯冲形成两大阵营。箭头代表各地块运动方向,箭头中数字代表构造逃逸的期次。太平洋板块与欧亚板块之间相向运动的平均速率约 6-9 厘米 / 年,日本海沟向外海的迁移速率约 2 厘米 / 年。解释见文字。图引自嵇少丞 (2009 地震与中国大陆形影相随,科学出版社, 2009)

     郯庐断裂并不仅存于郯城与庐江之间,向南到湖北省长江北岸的武穴 , 向北北东方向经安徽省的宿松、潜山、庐江、嘉山、江苏省的泗洪、宿迁、山东省郯城、沂水、潍坊,进渤海,然后过辽东半岛,穿过东北三省去了俄罗斯。在中国境内长达 2400 千米,宽几十至 200 千米,总体走向北东 10-20 º,左行错距达~ 550 km

郯庐断裂在侏罗世时,是一条左行走滑断裂带,当时长度也仅是武穴 ( 湖北 ) 至安丘 ( 山东 ) ,左行错断了大别 - 苏鲁超高压变质岩带近 500 千米 , 而且郯庐断裂东侧的地块发生了 15-25 º逆时针旋转。在白垩世,郯庐断裂带和河北、北京、天津、辽西、渤海等华北地区一样遭受北西西向拉张,形成地堑等断陷盆地,此时郯庐断裂带进入渤海,渤海中央成为当时的沉降中心。 4500 万年以来, 印度大陆挤入欧亚大陆、青藏高原形成和侧向扩大、大陆向东逃逸,逃逸构造造成的构造应力和太平洋向西俯冲造成的构造应力同时作用于郯庐断裂,使其转变成右行走滑断裂带,进一步向北东方向传播扩展,穿过整个东北三省最后进入俄罗斯境内 ( 1) 。现今的郯庐断裂水平滑移速率约为 2.3 毫米 / 年。

郯庐断裂具有启发巨震的能力。 1668 7 25 日晚 8 时左右 ( 清康熙七年 ) 山东省郯城和莒县之间一带发生 8.5 级大地震,震中位于( 35.1 º N 118.6 º E , 形成的同震破裂至少 130 千米长,走向北东 20-25 º,向东南倾 60-80 º , 右旋走滑位移为 7-9 米。这是发生在郯庐断裂带上的一次特大地震,也是中国东部迄今为止最强烈的地震,有感范围波及到陕西、山西、河北、河南、湖北、江西、浙江、福建、安徽和江苏等省,总面积约 100 万平方千米。地震破坏的地区约 19 万平方千米,其中破坏惨重的有山东省郯城、临沂、莒县、沂水、江苏省新沂、宿迁等地 , 最高烈度达 12 度。 1668 年郯城地震属于无前震的主余震序列,震后又发生 6.5-7.1 级余震 6 次。断裂带表现为由南向北单向扩展的特征。郯城地震造成建筑物倒塌性破坏,地面遭受强烈变形。山崩、地裂、地陷等地面形变现象主要分布于山东省大部分地区和安徽省北部 , 形变带延伸南北长达 130 千米 , 其中强破裂带大致北起莒南县板泉 , 南到郯城县归义茅茨 , 长约 70 余千米。由于地表大面积升降,平地大面积被溢出来的地下水淹没 , 苏北赣榆县海滩隆起 , 黄海海水退舍 30 余里。更由于数十个州县房屋倒毁 , 人畜伤亡十分惨重 , 按史料记载计算人口死亡在 5 万人以上 , 其中莒县死亡 2 万有余 , 临沂死亡 1.2 万以上 , 郯城死亡 8700 余人。

    据历史记载,郯城地震时空中如巨雷轰鸣 , 地下若万马奔腾,“一时楼房树木皆前俯后仰,以顶至地者连二、三次,遂一颤即倾。城楼垛口、官舍民房并村落寺观一时俱倒,塌如平地”,“城内四关六百余户尽倒,城垛全坍,周围坼裂,城楼倾尽,城门压塞,监仓衙库无存,烟灶俱绝”。当时正值夏季炎热多雨季节,随之而来的瘟疫流行。史料记载:“其时死尸遍于四野,不能殓藏者甚多,凡值村落之处,腥臭之气达于四十余里,臭不可闻”,“天灾存至,痢疾继发,号哭之声,彻于四野”,“先时自谓灾方过,谁知灾后病还来”。

    郯城地震那天,《聊斋志异》的作者——文学家蒲松龄正好在山东省临淄县 , 晚上 8 点左右他正与其表兄李笃在旅馆对烛畅饮 , 忽闻有声如雷自东南来 , 向西北去 , 众骇异 , 不解其故。紧接着桌子开始摆簸 , 酒杯倾覆 , 屋梁椽柱错折有声 , 人们相顾失色 , 呆滞了一阵才意识到是地震 , 来不及穿衣裤便急忙逃出屋外。只见远近楼阁房舍剧烈摇晃仆而复起 , 墙倾屋塌之声与儿啼女号交混鼎沸。人眩晕坐立不稳 , 河水倾泼猛涨丈余 , 鸦鸣犬吠不停 , 一个多小时始稍定。蒲松龄把自己的这些亲身体验和所见所闻 , 写成《地震》一文:“山东省南部的郯城、临沂、临沭、莒南、莒县一带灾情分外惨重。郯城城楼垛口、监仓、衙库、官舍、民房并村落寺观一时俱倒塌如平地 , 震塌房屋约数十万间。地裂处或缝宽不可越 , 或缝深不敢视 , 地陷塌处皆如阶级有层次 , 李家庄一镇并陷 , 凡数千家 , 泉水上涌二三丈高 , 遍地水流。临沂城郭宫室庙宇公廨一时尽毁 , 人无完宇。山崩地裂 , 井内水涌高数尺 , 平地水深丈余 , 州治北门外里许坍龙潭一区 , 周围阔五、六丈 , 深二丈七尺 , 水青黑。莒县官民房屋、学署、寺庙、监库、牌坊、城垣俱倒 , 周围百余里无一存屋 , 十三层塔一座崩裂一半。马蓍山崩四散 , 五庐固山劈裂一半 , 阎家固、施风朵、科罗朵、马齐山大山各裂一半。城内四乡遍地裂缝 , 或宽一尺至三尺 , 长数丈至数百步。沭河东崖裂缝宽三尺 , 自管庄至葛湖长十五里 , 裂处皆翻土扬沙 , 涌流黄水 , 城东北、北门大街三口井喷水高三四尺。”

    1668 年地震外,仅全新世以来郯城和莒县之间的郯庐断裂带上,至少还有另外三次大于或等于 8.0 级的古地震。为什么这个地区多次发生大于或等于 8.0 级的巨震?肯定这个地区具有特殊的地质条件。我们认为这个特殊的条件就是强岩,只有震源区有强岩才能产生强震。郯城和莒县之间的地下正是高强度的苏鲁超高压变质岩,如长英质片麻岩、花岗岩和榴辉岩等。在郯庐断裂的某些区段上已经很长时间处于闭锁和弹性应变能积累阶段 ( 地震空区 ) ,断裂超期服役。众所周知,巨震总是发生在本该活动而又长期未活动的地震空区。

3. 太平洋板块俯冲如何影响中国大陆东部的岩浆、裂谷及构造演化?

    郯庐断裂原是一条形成于华北 - 扬子板块碰撞过程中重要的、岩石圈规模的、撕裂型剪切带,其早期( 245-230 百万年 Ma )作左旋剪切运动(位移量 <100 km )主要是为了调节扬子板块东西两侧向 NNW 汇聚速率的差异。随着华北和扬子板块碰撞挤压( 230-200 Ma )的深入发展,郯庐断裂迅速向 NE 方向传播延伸,其东侧的地块沿左旋剪切的郯庐断裂向 NE 方向逃逸,就像印支地块在 32-15 Ma 时沿东侧的红河 - 哀牢山左旋剪切带向 SE 方向逃逸一样。

    郯庐断裂的传播延伸继承和利用了华北克拉通岩石圈内部先存的薄弱带。同时,扬子板块向北强烈的碰撞挤压在华北地块内造成近东西向拉伸,类似于青藏高原近期的南北向缩短而东西向伸展。郯庐断裂的左旋 - 伸展剪切造成其南北向延伸的次级断裂主要呈伸展拉张状态,岩石圈减薄首先在这些薄弱的部位开始,因为这些薄弱带是地幔热流最集中的地方。郯庐断裂全线及其次级断层作为薄弱带成为软流圈物资上涌的首选通道。俯冲扬子板片脱水作用析出的流体以及来自软流圈富硅、富碳酸盐的熔体优先选择左旋 - 伸展剪切郯庐断裂的局部拉分地段上升。这可能就是为什么中国东部岩石圈减薄中心沿 NNE 方向分布的原因。华北克拉通东部晚三叠纪( 205-225 Ma ),碱性岩浆作用就是发生在这一减薄阶段、岩石圈地幔中熔点较低的富集组分受到局部热扰动发生部分熔融的结果。与此同时,大别 - 苏鲁造山带中超高压变质岩快速折返。目前认为超高压变质岩快速折返是由俯冲板片断离引起的。

     160-90 Ma 时,华北克拉通东部 NNE 向的大陆裂谷系可能是一与古太平洋板块俯冲引起的、不久即遭遗弃的弧后扩张盆地。那个时期,日本海尚未扩张成海,太平洋板块快速地向 NNW 俯冲到欧亚大陆下面,郯庐断裂作左旋剪切,郯庐断裂的大部分位移量是这个阶段形成的,断裂东侧的苏鲁地块逆时旋转了 15-25 °。太平洋板块一路插到中国东部的上 - 下地幔边界。俯冲板片在地幔中脱水 , 形成的流 - 熔体从热的地幔上涌到华北克拉通岩石圈 / 软流圈的边界,然后通过一系列物理 - 化学相互作用的综合过程使岩石圈在流变学性质上发生弱化 ( 岩石圈流变厚度变薄 ) 、在化学成分上发生交代和置换(从亏损的方辉橄榄岩变成饱满的二辉橄榄岩)。与此同时,沿着 NNE 向延伸的郯庐岩石圈深大断裂及次级破裂上升的热流造成大规模的基性岩浆活动并使岩石圈作东西向伸展,形成渤海湾、松辽、冀中拉张盆地。一旦俯冲板片脱水完毕,岩石圈减薄和基性岩浆活动也随之结束。然后,随着上地幔软流圈的降温,岩石圈又会有所增厚。

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2.  东北亚地幔地震波层析解释剖面。

    阴影区是地震波速较高的异常区,主要是由于温度较低造成的,对应于下插的太平洋俯冲板块。俯冲板片在地幔过渡带中脱水 , 形成的流 - 熔体上涌到华北克拉通东部岩石圈 - 软流圈的边界,使岩石圈弱化减薄,形成晚中生代的岩浆活动。华北克拉通西部(如山西盆地)以及蒙古和俄罗斯贝加尔湖地区新生代的构造伸展和岩浆活动可能与俯冲板片在核幔边界最后脱水形成的流 - 熔体上涌有关。日本海沟每年以约 2 厘米的速度后退。图引自嵇少丞,王茜,许志琴 2008. 华北克拉通破坏与岩石圈减薄。地质学报, 82 2 ), 174-193 .

    90-75 Ma ,太平洋俯冲从 NNW 向转为 W 向,随着应力场变化郯庐断裂也从原先的左旋转变为右旋。

     2 是地震层析成像的结果,地震波穿越地球内部就像超声波穿透人体,经层析成就让我们了解地球的内部结构。过去 20 年来,地震层析成像技术突飞猛进,根据波速异常确定俯冲板块的形状及其随深度的变化。在地震波层析剖面(图 2 )上,我们可以看出,现代太平洋板块在日本列岛东侧的海沟向西缓角度俯冲,一直达到中国东北 660 km 深的上下地幔界面,然后呈“ S ”状沉入下地幔,一直达到蒙古或俄罗斯贝加尔湖下面 2900 km 深的核幔边界。俯冲到下地幔中的太平洋板片发生最后的脱水 , 形成的流 - 熔体从第三纪开始从热的下地幔上涌到华北克拉通西部的银川 - 河套地堑和山西地堑以及北边俄罗斯的贝加尔盆地下面的软流圈的顶部,流 - 熔体上涌和岩石圈减薄的地方正好也是华北地块在印度 - 欧亚大陆碰撞 - 收敛时在向东逃逸的过程中形成的拉分区域。所以,华北克拉通西部第三纪以来岩石圈减薄和盆地形成是太平洋板块向西俯冲和印度 - 欧亚大陆碰撞 - 收敛二者同时作用的综合结果。

    总之,太平洋板块的俯冲自 180 百万年以来一直影响着中国东部,这里的岩浆活动、火山喷发(如东北的五大连池火山、河北张北地区的火山)、地震活动、裂谷形成、岩石圈减薄无不与此有关。 2011 3 11 日发生的 9.0 级地震不过是太平洋板块向欧亚大陆之下亿万年的俯冲又迈出了一小步。没有地震,哪有日本列岛?无数次地震一步一步地把上千公里长的太平洋板块逐渐推进俯冲带内。俯冲板块的先头部队早已穿过上下地幔边界( 660 千米)并深达核幔边界( 2900 千米深)。俯冲板块的先头部队早已穿过上下地幔边界( 660 千米)并深达核幔边界( 2900 千米深)。

 

主要参考文献

嵇少丞,王茜,许志琴, 2008. 华北克拉通破坏与岩石圈减薄。地质学报, 82 2 ), 174-193.

嵇少丞, 2009 地震与中国大陆形影相随,科学出版社, 2009.

Ji, S.C., Wang, Q., Salisbury, M.H., 2009. Composition and tectonic evolution of the Chinese continent constrained by crustal Poisson’s ratio. Tectonophysics, 463, 15-30.

 

转自科学网嵇少丞的博客,本文一切权利与义务属于作者嵇少丞,与本个人网站无关

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