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中國大陸地震構造與現代地球動力學的若幹問題。

葉弘陳國光郝崇濤周青

(中國地震局地質研究所,北京100029)

在現今地球動力學體系下,中國大陸板塊的構造活動表現為六個各具特色的壹級塊體(青藏塊體、甘新塊體、東北塊體、華北塊體、華南塊體和東南沿海塊體)。中國大陸的地震活動和現代構造運動受特提斯-喜馬拉雅構造帶和西太平洋構造帶的影響。中國大陸西部現代構造運動的力源主要來自印度板塊和歐亞板塊的碰撞,而中國大陸東南部和東北部地區分別主要受菲律賓海板塊和太平洋板塊的影響。華北的情況更復雜。太行山以西的華北西部主要受特提斯-喜馬拉雅構造帶影響,郯廬帶以東的華北東部主要受西太平洋構造帶影響。兩者之間的華北中部可能是混合影響的過渡帶。大陸板塊內部塊體之間的邊界呈現多段彌漫變形的特征,相互之間的相對運動幅度有限,與巖石圈板塊之間的相對運動和變形方式有很大不同。在上述塊體中,應變能的釋放主要沿原構造薄弱帶進行。最重要的構造薄弱帶是中國大陸東部各地塊中的古裂谷或被動大陸邊緣的地殼頸縮帶。在中國大陸西部,古生代以來壹些褶皺帶的主要邊界斷層或中央斷層仍是主要的構造薄弱帶。大地震往往沿上述構造薄弱帶呈帶狀分布。板內大地震復發間隔的統計結果表明,中國大陸板內塊體運動和變形的速度比板塊邊界小壹兩個數量級,這是板內塊體運動學模型的壹個重要局限性。

地震;構造地球動力學;中國大陸

1簡介

自從E.Argand在本世紀初首次提出喜馬拉雅大陸碰撞的觀點以來,中國大陸的地球動力學研究經歷了幾代中外學者的努力。迄今為止,這仍是世界地球動力學研究的熱點。各種科學基金和國際合作組織競相爭取項目,世界各地的地球科學家蜂擁而至,都想在中國大陸的地球動力學研究中占有壹席之地。

中國大陸的這種科學魅力首先來自於它在全球構造框架中獨特的構造位置(圖1)。從全球構造的角度來看,中國大陸位於世界上兩個最大的全球規模的巨型擠壓構造帶的結合部:特提斯-喜馬拉雅構造帶和環太平洋構造帶。特提斯-喜馬拉雅構造帶代表了南北大陸在全球範圍內的匯聚和碰撞。它自西向東橫跨歐洲、亞洲和非洲,在中國大陸東經104附近突然終止。這個巨型構造在這裏的突然終結,顯然是因為它受到了近南北向的西太平洋構造帶的阻擋,它在這裏的巨大的近南北向擠壓變形,必然以某種方式與西太平洋邊緣近東西向板塊匯聚運動影響下的中國大陸東部的構造變形相協調。

圖1中國及鄰區現代板塊及板內運動示意圖。

中國大陸地質的另壹個重要特征是它復雜的鑲嵌結構。中國大陸既不同於典型的北方大陸塊(如西西伯利亞和俄羅斯),也不同於典型的南方大陸塊(如非洲、澳洲和南美洲)。它由壹些北方大陸的碎片,壹些南方大陸的碎片和幾個位於南北大陸之間的小塊陸地組成。在漫長的組裝歷史過程中,相對剛性的古陸塊周圍形成了大量相對堅韌的不同時代的褶皺帶。

中國大陸基底軟硬結構的結合,加上上述兩大超級構造動力系統的強烈對抗和協調,必然使其現代構造運動和變形呈現出獨特的復雜性和多樣性。正是在這種構造背景下,中國大陸發生了壹系列舉世矚目的地球動力學現象。比如青藏高原的快速隆升、縮短、地殼增厚和向東擠壓;天山和阿爾泰山的再生隆升與塔裏木和準噶爾盆地的快速沈降:中國北方壹系列新生代裂谷盆地的開啟與遷移:華南地塊的持續緩慢隆升和東移;臺灣省東部菲律賓海板塊與歐亞板塊的斜向碰撞和中國東南沿海的擠壓剪切變形,都與當前地球動力學體系下中國大陸軟硬塊體之間的相對運動有關。這些熱點問題的研究不僅具有區域意義,而且對於認識整個地球大陸巖石圈的構造行為和變形機制具有普遍意義。

地震構造分析壹直是研究地球動力學的重要方法。從構造地質學的角度來看,地震是巖石圈構造變形過程中的破裂-錯動事件。目前已有日益成熟的地震地質學和地球物理學方法來系統研究地震與構造的關系,包括每次地震的構造力學背景、震源破裂過程和近期地質歷史中地震活動的時空分布。這些研究成果對於認識大陸當前的地球動力學過程,特別是大陸內部塊體的相對運動和內部變形無疑具有重要意義。

近十年來,中國與聯合國10國際減災計劃合作,在地震區劃、重大工程和城市地震風險分析等方面開展了廣泛的工作,涉及壹系列地震構造基礎研究。大量的研究成果是我們進壹步了解當今中國大陸地球動力學過程的新依據。本文利用近年來在地震區劃和工程地震工作中積累和收集的地震活動、震源機制、古地震、地表破裂和形變帶等資料,對中國大陸的地震構造特征進行了再分析。在此基礎上,從地震構造的角度簡要討論了中國大陸地球動力學研究中大家關心的壹些問題。

2中國地震構造分區和大陸板內塊體。

地震的空間分布曾經是確定現代巖石圈板塊邊界的重要依據。同樣,大陸板塊內部現代構造運動的塊狀性也反映在地震的空間分布上。但由於板內地震分布分散,情況更復雜,研究方法也應有所不同。對於巖石圈板塊,壹般根據巨型地震帶的分布,可以相當清晰地劃分板塊邊界,而對於板內塊體,除了考慮地震的空間分布外,還需要從地震構造的區域特征進行分析,即首先需要進行地震構造分區。

根據地震的空間分布和地震構造的區域特征。我們將中國劃分為以下10地震構造帶(圖2):甘新地震構造帶、青藏地震構造帶、喜馬拉雅地震構造帶、東北地震構造帶、華北地震構造帶、華南地震構造帶、東南沿海地震構造帶、臺灣省中西部地震構造帶、臺灣省東部地震構造帶和南海地震構造帶。

在上述10地震構造帶中,有兩個地震構造帶,即喜馬拉雅地震構造帶和臺灣省東部地震構造帶,分別對應喜馬拉雅板塊碰撞帶和臺灣省東部板塊碰撞帶。另外還有兩個地震構造帶,即臺灣省中西部地震構造帶和南海地震構造帶,可視為板塊邊緣和板內構造帶的過渡。其他六個地震構造帶具有板內地震構造帶的性質。

將這六個板內地震構造帶的位置與前寒武紀結晶基底的分布進行對比,可以看出,大部分板內地震構造帶都是以壹兩個前寒武紀古陸塊為中心,壹般圍繞著古生代以來的褶皺帶。如華北地震構造區以著名的中朝地臺為中心;東北地震區以松嫩地塊為中心,周圍為古生代褶皺帶。華南地震構造區以揚子地臺西部為中心,東側被古生代褶皺帶所包圍。東南沿海地震構造區以華夏古陸塊為核心延伸;甘新地震構造區由塔裏木地臺、準噶爾地塊和它們之間的古生代褶皺帶組成。青藏地震構造區的情況比較特殊,主要由古生代以來不同時期的褶皺帶組成,但也夾雜著壹系列較小的古陸塊,如柴達木地塊、羌塘地塊、岡底斯地塊、松潘-碧口地塊等。上述每個地震構造區都有自己獨特的現代構造應力場、地殼形變、地震能量釋放方式和塊體運動方向特征。因此,在現代構造運動體系下,它應被視為中國大陸板塊中的壹級塊體。

圖2中國震中分布和地震構造分區。

ⅰ-甘新地震構造區;ⅱ-青藏壹級地震構造區;ⅲ-喜馬拉雅地震構造區;ⅳ——東北壹級地震構造區;ⅴ ——華北地震構造區;ⅵ-華南地震構造區;ⅶ ——東南沿海壹級地震構造區;ⅷ ——臺灣省中西部地震構造區;ⅸ ——臺灣省東部地震構造區;ⅹ ——南海地震構造區

這些板內地塊的邊界壹般遵循先存的斷裂帶或古陸塊的縫合線,但不壹定與以前的構造單元的邊界重合。

與板塊邊界不同的是,板塊內塊體邊界的地震活動在許多段落上表現出明顯的分散性,地震活動的強度也很不均勻。根據地震活動的強度和分布特征,板塊內壹級塊體的邊界可分為三種類型:

(1)線性快速移動邊界。比如青藏塊體的北邊界,沿阿爾金斷裂和祁連山山前斷裂發生了大規模的走滑運動,地震分布密集。這種板內塊體邊界類似於板塊邊界,邊界兩側塊體之間的相對運動速率相對較高,最大可達1cm/a量級。

(2)擴散運動邊界。如青藏塊體東緣、華北塊體與華南塊體邊界西段,地震沿多條斷層呈寬頻帶分布,塊體間的相對運動壹般可能有相當大的振幅,但位移不是沿壹條或兩條主斷層發生的,而是由相當寬度的分布變形實現的。

(3)弱運動邊界。如華北地塊與東北地塊的邊界,華北地塊與華南地塊邊界的東部,華南地塊與東南沿海地塊的邊界,地震活動弱,地塊間相對運動弱。

板內塊體邊界地震活動的這些特征表明,大陸板塊內部塊體的相對運動與板塊之間的相對運動在活動強度和方式上有很大不同。

3中國大陸板塊的壹級塊體運動模型

在現今的地球動力學體系下,中國大陸所有的板內塊體都以不同的方式經歷著相對運動和內部變形調整。

目前,我國通過野外地震地質調查發現並確定年代的全新世史前地震遺跡有近百處[6]。通過多處精細的海溝勘探,證實了史前地震事件的重復,並利用14C、熱釋光、ESR等多種測年方法估算了大地震的重現間隔。

從表1所列史前地震的復發間隔可以看出,青藏塊體及其周邊地區大地震的復發間隔壹般為1000 ~ 2000 a;甘新塊體地震的復發間隔約為2000~3000 a;華北地塊大地震的重現間隔壹般為2000 ~ 5000 a或更長,與板塊邊緣地震帶相差壹兩個數量級,僅為100 ~ 200 a,這壹事實,加上前面提到的板塊內部塊體邊界運動的分散性和微弱性,表明大陸板塊內部塊體的相對運動速度和規模是有限的。在周圍板塊的推動下,中國大陸地塊之間存在壹定範圍的相對運動,這可以用來調節板塊之間的運動。但是,是否存在像國外壹些學者認為的水平運動年速率高達厘米的大陸逃逸,似乎很有爭議。

表1中國大陸史前地震事件重復間隔

從大地震復發的間隔來看,可以認為中國大陸年速率為厘米的板內塊體水平運動是非常罕見的。壹般板內壹級塊體的邊界和其中的主要活動斷裂具有毫米級的水平運動速率,西高東低。同時,毫米級以下的緩慢或極緩慢的板內斷裂活動在中國大陸東部相當普遍。需要指出的是,這裏的“慢”或“極慢”只是相對於板塊邊緣的活動速率而言的。這些“慢”或“極慢”的板內斷裂活動也能引發破壞性地震,留下各種構造痕跡,但其復發周期相對較長,時間非線性特征更為復雜。這是板內地震預測和工程地震安全性評價的難點。

6結論

地球動力學研究的進展在很大程度上取決於觀測技術的發展。某種意義上甚至可以說,有什麽樣的觀測技術就會有什麽樣的地球動力學。

雖然近十年來人們在深部探測、地球物理資料解釋、空間技術應用、地球化學和地質定年技術等方面取得了許多重要進展。但是,應該看到,總的來說,我們探測地球深處和追溯地質歷史的能力仍然相當有限。觀察能力存在很多“盲區”和“模糊區”。在這種情況下,目前的很多推論和解釋(包括本文提出的壹些認識)都只是具有階段性意義,有些可能在未來被證明是基於信息不充分的誤解。

未來兩三十年,地球動力學研究能取得多大進展,並不完全取決於地球科學家的努力,很大程度上取決於人類整體科技水平能給地球科學家提供的技術支撐能力。但是,作為壹名地球科學家,我們不應該只是坐等其他學科的發展給我們帶來新的“技術利劍”,而應該積極在其他學科的武庫中尋找,積極跟蹤其他學科的技術發展前沿,或者加上自己的“創造力”,集結地球科學新壹代的“專家”和“莫邪”。

鳴謝本文得到了國家自然科學基金(編號:49572155)和中國地震局重點項目(編號:85-07-01和95-05-02)的資助。作者感謝丁國宇、、王、鄧啟東、、石、等多年來對地震地質工作的支持和幫助,感謝北京大學錢祥林先生對中國區域構造和大陸結晶基底的熱情建議。此外,還有周泳東、楊文龍、張華等。都不同程度地參與了這項工作,在此表示誠摯的感謝。

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