地震是在区域构造应力作用下,应变在活动断裂带上不断积累并达到极限状态后而突发失稳破裂的结果(Scholz,1990、1998)。地球上85%的地震发生在岩石圈板块边缘,属于板缘地震(张国民等,2000)。而除中国台湾、吉林东部、新疆帕米尔和滇西南的部分中、深源地震通常是板缘地震外,中国的绝大多数地震属于板内地震(汪一鹏,1979)。受太平洋板块、菲律宾海板块向西或NW向俯冲以及西伯利亚地块向南的挤压,中国大陆东部成为板内构造的活跃区域(丁国瑜等,1986;丁国瑜,1991),因此可将中国大陆东部作为研究板内地震活动的典型地区之一。
中国大陆东部人口稠密、经济发达,历史上曾发生多次破坏性地震,据统计1976年河北唐山MS7.8地震造成24.25万人死亡,直接经济损失高达132.75亿元(温玉婷等,2010);同时,6级左右的地震对中国大陆东部的经济和社会秩序的影响也不可轻视,如1998年1月10日河北张北MS6.2地震导致49人死亡,4.4万人无家可归,毁坏房屋173.8万m2(曹志诚等,2004)。对于历史地震目录(MS≥5.0),中国大陆东部在1500年以后基本完整(徐伟进等,2014),丰富的地震资料有利于开展中国大陆东部强震活动特征的研究。
傅征祥等(傅征祥等,1990、1997;傅征祥,1991)认为中国大陆东部MS≥6.0地震存在10~20年尺度的异常集群(幕式)活动特征,且强震在空间上呈不均匀分布,有93%的MS≥6.0浅源地震发生在19°~25°N和30°~42°N两个纬度带;章纯(2007)采用有限元数值模拟方法解释了中国大陆东部地震活动空间分布不均的原因,模拟结果指出剪应力等值线图存在明显的梯度,同时剪应力的大小同中强地震的活动水平呈正比关系,剪应力高值区对应19°~25°N和30°~42°N两个纬度带,而剪应力低值区对应26°~29°N纬度带;中国大陆东部强震活动空间分布的差异是不同区域应力状态的直接反映,华北、东北的主压应变方向均为EW向,这是受太平洋板块自东向西对欧亚板块俯冲影响的结果,而华南受菲律宾海板块在中国台湾和东南海域NW向俯冲的结果导致主压应变方向向西偏转为SW向(李延兴等,2003);20世纪20年代以来华北至东北部分地区(30°~55°N)MS≥6.0地震在空间上迁移,受断层系统内各个断层相互耦合作用和应力转移过程的制约,成组强震活动发生在一条或多条临近的活动构造带上(傅征祥等,2005)。在众多学者重点关注中国大陆东部强震活动空间分布与区域构造应力关系的同时,该地区强震活动的时空演化过程,尤其是不同地震活动区强震活动特征的差异很值得研究。
本文使用的地震目录来源于国家地震局震害防御司(1995)、中国地震局震害防御司(1999)和中国地震台网中心测定的速报目录①。在活动地块理论框架下,依据地质构造背景和地震活动强度的显著差异,对中国大陆东部地震活动区进行划分,在此基础上研究中国大陆东部不同地震活动区强震活动的时空分布特征,并提出对未来强震活动趋势的估计。
① http://10.5.160.18/console/index.action.
1 中国大陆东部地质构造背景及地震活动区的划分通常的中国大陆东部是指107°E以东的中国大陆及其临近海域(张国民,1987;马宗晋等,1999;张培震等,2013),自北向南包括东北亚、华北和南华3个Ⅰ级活动地块区(张国民等,2005)(图 1)。
Ⅰ级地块:东北亚活动地块区、华北活动地块区、南华活动地块区;Ⅱ级地块:兴安-东蒙活动地块(K1)、东北活动地块(K2)、燕山活动地块(K3)、鄂尔多斯活动地块(K4)、华北平原活动地块(K5)、鲁东-黄海活动地块(K6)、华南活动地块(K7)和南海活动地块(K8);Ⅲ级活动地块:太行山次级活动地块(K5-1)、冀鲁次级活动地块(K5-2)和豫淮次级活动地块(K5-3);Ⅰ级活动地块边界带:阴山带(D1-1)、燕山-渤海带(D1-2)、秦岭-大别山带(D1-3);Ⅱ级活动地块边界带:汾渭断陷带(D2-1)、郯庐断裂带(D2-2);Ⅲ级活动地块边界带:河北平原带(D3-1)、安阳-菏泽-临沂带(D3-2);蓝色虚线框为东南沿海地震带的范围 |
东北亚活动地块区由兴安-东蒙(K1)、东北(K2)、燕山(K3)3个Ⅱ级活动地块组成。受西太平洋板块的俯冲、挤压作用,吉林珲春和汪清一带多发深源地震(300~600km)(赵素涛等,2012);活动地块区内还发育火山地震,主要分布于大兴安岭-太行山西部和长白山部分地区(王瑜等,1999)。GPS站点观测结果显示东北亚活动地块区的变形速率较小(小于3~4mm/a),表明东北亚活动地块区与欧亚板块的稳定部分(西欧、西伯利亚)之间相对运动的差异不明显(张培震等,2002)。松辽盆地是东北亚活动地块区主要的发生浅源中强地震的构造单元;1119年前吉林郭MS
华北活动地块区以发育正断裂或正走滑断裂及其控制的地堑、半地堑盆地为主要特征(邓起东等,2002),西部为鄂尔多斯活动地块(K4),东部包括华北平原活动地块(K5)和鲁东-黄海活动地块(K6)。鄂尔多斯活动地块(K4)内部构造活动微弱,而地块周缘是第四纪构造活动强烈的活动断裂和断陷盆地,其北边界的阴山带(D1-1)和东边界的汾渭断陷带(D2-1)均发生过MS8.0巨大地震。华北平原活动地块(K5)的北边界是燕山-渤海带(D1-2)、南边界是秦岭-大别山带(D1-3),而以NNE走向为主且具有明显分段活动特征的郯庐断裂带(D2-2)构成其东边界,发生在郯庐断裂带上的1668年7月25日山东郯城MS
南华活动地块区位于秦岭-大别山带(D1-3)以南,由华南活动地块(K7)和南海活动地块(K8)组成。华南活动地块(K7)内部不发育明显的活动断裂和褶皱,地震活动较弱,且不存在明显的速度梯度带(Shen et al,2000;Wang et al,2001)。南海活动地块(K8)的主体部分位于海域,现今构造活动性和地震活动水平较低(张培震等,2003)。南华活动地块区的强震主要发生在东南沿海地震带(吕坚等,2004;李涛等,2005)(图 1中的蓝色虚线框),该地震带的强震活动受控于NE向活动断裂,主要的自沿海向内陆分布的NE向断裂带依次为滨海断裂带、长乐-诏安断裂带、政和-海丰断裂带和邵武-河源断裂带(M7专项工作组,2012),发生在滨海断裂带上的1604年12月29日福建泉州海外MS
以活动地块为基础,根据中国大陆东部地质构造背景和地震活动强度特征,可将中国大陆东部地震活动区划分为东北地震活动区(简称“东北地区”)、华北地震活动区(简称“华北地区”)、东南沿海地震带(简称“东南沿海地区”),以及华南其他地震活动区(简称“华南其他地区”);其中华北地区的范围(107°~124°E,30°~42°N)同张国民等(1988)的大华北范围一致(图 2中的红色虚线框),东北地区是华北地区以北的东北亚活动地块区的大部分范围,华南其他地区为去除东南沿海地震带的华南活动地块的剩余部分。
红色虚线框为华北地区的范围;蓝色虚线框为东南沿海地区的范围 |
由于刚性华南板块(南华活动地块区内部的一个构造亚板块)相对于刚性阿穆尔板块(东北亚活动地块区内部的一个构造亚板块)快速东移,形成的(6.0±1.3)mm/a左旋剪切扭曲了华北平原活动地块的地壳变形,导致中国大陆东部的强震主要发生在华北地区(Zhang et al,2018);同时1815年开始华北地区处于第四活动期(马宗晋等,1982;张国民等,1988);为了与华北地区地震活动期的起始时间一致,故选取中国大陆东部1815年以来的MS≥6地震作为基础资料。考虑到中国大陆内部绝大多数地震属于浅源地震,且东北及邻近区域发生的深源地震和一般的浅源构造地震的发震机制存在差异,因此研究中舍弃东北深源地震(姜金钟,2016)。1815年以来,中国大陆东部共发生76次MS≥6地震(图 2),包括华北地区52次,东南沿海地区17次,东北地区6次以及华南其他地区1次。
2 中国大陆东部强震活动的时间分布特征地震活动的时间分布具有非平稳性,根据时间上地震活动的密集—平静交替现象,可将1个地震活动期划分为若干个10年尺度的活跃幕和平静幕(马宗晋等,1982;蒋铭等,1991)。中国大陆东部MS≥6.0地震活动期内地震幕的划分原则为:①活跃幕中应至少有2次MS≥6.0地震,同时以MS≥6.0地震作为活跃幕的开幕地震和闭幕地震;②平静幕中没有MS≥6.0地震,且平静幕的时长至少10年。以此对1815年以来中国大陆东部MS≥6.0地震活动期进行地震幕的划分,包括6个活跃幕和5个平静幕(表 1)。平静幕时长范围在10.60~20.94年,平均15.54年;活跃幕时长范围在15.01~42.18年,平均25.19年,且活跃幕内发生MS≥6.0地震的频次范围为5~28次,发生MS≥7.0地震的频次范围为1~6次,每个活跃幕时段MS≥
根据MS≥6.0地震活动的时间进程(图 3),每次MS≥6.0地震平静结束后均会出现1组MS≥6.0地震活动,2018年11月26日台湾海峡MS6.2地震标志着中国大陆东部第6活跃幕的开始,因此未来中国大陆东部进入MS≥6.0地震成组活动的可能性较大。
图 4为中国大陆东部各分区1815年以来MS≥6.0地震累积频次、累积应变释放曲线图,由图可见各分区MS≥6.0地震都经历了应变积累—应变释放的阶段;其中华北地区MS≥6.0地震从第1活跃幕开始活动,东南沿海地区MS≥6.0地震最早起始于第3活跃幕,且第3活跃幕至第5活跃幕时段东南沿海地区MS≥6.0地震和华北地区MS≥6.0地震具有同步活跃的特征,即对于同一活跃幕,东南沿海地区MS≥6.0地震的开始时间晚于华北地区,而结束时间早于华北地区;东北地区的6次MS≥6.0地震均发生在第4活跃幕,华南其他地区的1次MS≥6.0地震位于第2活跃幕。
红色圆圈和红色曲线分别对应华北地区;蓝色圆圈和蓝色曲线分别对应东南沿海地区;绿色圆圈和绿色曲线分别对应东北地区;紫色圆圈对应华南其他地区 |
将中国大陆东部各分区1815年以来MS≥6.0地震频次、年频次、应变释放、年应变释放速率进行统计(表 2)。第1活跃幕(1815年10月23日~1831年9月28日)的5次MS≥6.0地震均发生在华北地区,应变释放0.167340×109J1/2;第2活跃幕(1846年8月4日~1861年7月19日)共有8次MS≥6.0地震,其中7次发生在华北地区(应变释放0.114114×109J1/2),1次发生在华南其他地区(应变释放0.012232×109J1/2);第3活跃幕(1878年11月23日~1895年8月30日)发生6次MS≥6.0地震,其中华北地区和东南沿海地区各3次,华北地区应变释放(0.132705×109J1/2)约为东南沿海地区(0.023830×109J1/2)的5.57倍,这是由该时段华北地区发生渤海湾MS
为了更好地对比中国大陆东部各分区的强震活动,分别计算华北地区、东南沿海地区、东北地区和华南其他地区MS≥6.0地震的平均年频次和平均年应变释放速率(表 3)。华北地区MS≥6.0地震平均年频次(0.39次/a),约占中国大陆东部MS≥6.0地震平均年频次(0.53次/a)的73.6%;东南沿海地区MS≥6.0地震平均年频次(0.10次)(华北地区MS≥6.0地震平均年频次是东南沿海地区的3.9倍),占中国大陆东部MS≥6.0地震平均年频次的18.9%,说明华北地区和东南沿海地区共同构成中国大陆东部的主要活动区域。通过比较华北地区和东南沿海地区MS≥6.0地震的平均年应变释放速率可以看出,华北地区的应变积累(0.010335×109J1/2)比东南沿海地区(0.001968×109J1/2)高,地震活动性也稍强。而东北地区和华南其他地区的地震活动水平较低,平均年频次分别为0.03次和0.01次,仅占中国大陆东部MS≥6.0地震的5.6%和1.9%;平均年应变释放速率分别为0.000333×109J1/2和0.000163×109J1/2,占中国大陆东部的2.6%和1.3%。
地震活动的空间分布具有非均匀性,不同活跃幕时段对应的强震主体活动区存在差异(张国民等,1993),且强震活动具有成组迁移的特点(宁津德治,1990)。中国大陆东部1815年以来各活跃幕时段MS≥6.0地震的空间分布如图 5所示。
第1活跃幕(1815年10月23日~1831年9月28日)5次MS≥6.0地震集中分布在华北平原活动地块,包括豫淮次级活动地块2次以及冀鲁次级活动地块、安阳-菏泽-临沂带和河北平原带各1次;该活跃幕时段中国大陆东部的最大地震为发生在河北平原带的1830年6月12日河北磁县MS
第2活跃幕(1846年8月4日~1861年7月19日)华北地区7次MS≥6.0地震中有1次地震发生在郯庐断裂带的渤海段,有6次地震均成丛分布于鲁东-黄海活动地块的黄海海域,其中1846年8月4日黄海MS7.0地震是该活跃幕时段中国大陆东部的最大地震。华南其他地区1次MS≥6.0地震(1856年6月10日湖北咸丰MS
第3活跃幕(1878年11月23日~1895年8月30日)华北地区3次MS≥6.0地震中有1次地震分布于河北平原带(1882年12月2日河北深县MS6.0地震),另有2次地震发生在继承第2活跃幕主体活动区的渤海、黄海海域,其中渤海海域(位于燕山-渤海带)发生了该活跃幕时段中国大陆东部的最大地震(1888年6月13日渤海湾MS
第4活跃幕(1906年3月28日~1948年5月23日)华北地区14次MS≥6.0地震中有6次发生在鲁东-黄海活动地块,2次在渤海海域附近(包括发生在郯庐断裂带渤海段的1922年9月29日渤海MS
第5活跃幕(1962年3月19日~1998年1月10日)是整个中国大陆东部发震频次最高、强度最大的1个活跃幕。华北地区的主体活动区位于河北平原带(6次)、燕山-渤海带(7次)、鲁东-黄海活动地块的苏南隆起和黄海海域(4次)、阴山带(3次)、安阳-菏泽-临沂带(1次)、郯庐断裂带(1次)、汾渭断陷带(1次);该活跃幕时段华北地区共发生5次MS≥7.0地震,最大地震是发生在燕山-渤海带的1976年7月28日的河北唐山MS7.8地震,同时该地震也是第5活跃幕时段中国大陆东部的最大地震。东南沿海地区5次MS≥6.0地震,包括发生在邵武-河源断裂带的1962年3月19日广东河源MS6.1地震,发生在NNE向平冈断裂和NW向洋边海断裂交会区的1969年7月26日广西阳江MS6.4地震(钟贻军等,2003),北部湾盆地南部隆起的1994年12月31日MS6.1、1995年1月10日MS6.2地震(任镇寰等,1996),以及1994年9月16日台湾海峡MS7.3地震。
第6活跃幕(2018年11月26日~)仅发生1次MS≥6.0地震(2018年11月26日台湾海峡MS6.2地震),该地震的发震构造为浅滩断裂,且距离1994年9月16日台湾海峡MS7.3地震33km。
纵观中国大陆东部1815年以来MS≥6.0地震活动的分布(表 4),华北地区MS≥6.0地震的主体活动区包括华北平原活动地块(15次)、鲁东-黄海活动地块(17次)和燕山-渤海带(9次),其中华北平原活动地块内地震活动的空间分布整体呈现2个条带状的分布格局,包括NE走向的河北平原带和NW走向的安阳-菏泽-临沂带。东南沿海地区MS≥6.0地震活动性最强的为滨海断裂带(4次)、长乐-诏安断裂带和台湾海峡(3次),他们均位于台湾海峡南部-闽赣粤交界及其近海地区,该区域的地震活动主要受于菲律宾海板块与欧亚板块挤压碰撞的强烈影响。东北地区MS≥6.0地震的主体活动区为松辽盆地,4次MS≥6.0地震均发生在NE向断裂和NW向断裂交会部位,同时NNE向或NW向断裂与SN向或EW向断裂交切是松辽盆地主要发震模式(李恩泽等,2012)。
2018年11月26日台湾海峡MS6.2地震打破了中国大陆东部20.9年的6级地震平静以及东南沿海地区23.9年的6级地震平静(王月等,2019),同时,自1998年1月10日河北张北MS6.2地震以来华北地区MS≥6.0地震的平静时间已接近22年,超过第三和第四活动期的最长平静时间(尹晓菲等,2020;薛艳等,2020)。通过分析中国大陆东部1815年以来各活跃幕时段MS≥6.0地震的首发和次发地震的发震地点和时间间隔,从而研究未来中国大陆东部MS≥6地震活动的发展趋势。
中国大陆东部1815年以来各活跃幕时段MS≥6.0地震的首发和次发地震统计结果(表 5)显示,首发地震和次发地震的时间间隔为0.36~4.79年,平均2.84年,其中5个活跃幕时段的首发MS≥6.0地震有2次发生在华北地区,3次发生在东南沿海地区,同时次发MS≥6.0地震均发生在华北地区。2018年11月26日台湾海峡MS6.2地震位于东南沿海地区,为第6活跃幕的首发地震,根据东南沿海地区和华北地区MS≥6.0地震具有同步活跃的特征,认为下次地震发生在华北地区的可能性较大。
采用与时间过程相关的威布尔分布计算中国大陆东部未来5年发生MS≥6.0地震的累积概率,威布尔概率密度函数和累积分布函数分别为
$ \begin{array}{c} f(T)=\frac{k}{\lambda} \cdot\left(\frac{T}{\lambda}\right)^{k-1} \cdot \exp \left\{-\left(\frac{T}{\lambda}\right)^{k}\right\} \end{array} $ | (1) |
$ F(T)=1-\exp \left\{-\left(\frac{T}{\lambda}\right)^{k}\right\} $ | (2) |
其中,T为首发和次发MS≥6.0地震的时间间隔的统计样本,k(>0)为形状参数,λ(>0)为比例参数。k值的大小决定了概率密度函数的基本形态,反映地震的发生方式,即k>1时,表示地震发生呈准周期性;k=1时,威布尔分布就是指数分布,说明地震发生是随机的;k<1,则代表地震发生具有续发性(王炜等,1987;孙丽娜等,2015)。
用威布尔分布对中国大陆东部1815年以来各活跃幕时段MS≥6.0地震的首发和次发间隔进行拟合,计算得到λ=3.72,k=1.56(图 6),由于k>1,证明其地震活动存在准周期过程。拟合结果表明有近50%的次发MS≥6.0地震发生在首发MS≥6.0地震之后3年内,而首发地震之后5年内发生次发地震的累积概率可达79%(图 6(a));据此推断,2020年底前中国大陆东部再次发生MS≥6.0地震的累积概率约为32%,而2024年初中国大陆东部再次发生MS≥6.0地震的累积概率超过80%(图 6(b))。
(a)虚线为累积概率,实线为拟合结果;(b)未来几年发震概率的估计 |
本文将107°E以东的中国大陆东部地震活动区分成东北地区、华北地区、东南沿海地区和华南其他地区,并对中国大陆东部1815年以来MS≥6.0地震进行地震活跃幕和平静幕的划分,分别从时间和空间分布探讨中国大陆东部不同地震活动区的强震活动特征,获得如下认识:
(1) 中国大陆东部1815年以来可划分为6个活跃幕和5个平静幕。从时间上看,MS≥6.0地震平静结束后会出现MS≥6.0地震成组活动,2018年11月26日台湾海峡MS6.2地震打破了中国大陆东部第6平静幕的长时间平静,未来中国大陆东部存在发生MS≥6.0地震的可能;同时各分区的MS≥6.0地震活动存在差异,强震主要集中在华北地区和东南沿海地区,同时华北地区和东南沿海地区MS≥6.0地震具有同步活跃的特征;而东北地区和华南其他地区地震活动水平较低。
(2) 分析中国大陆东部各活跃幕时段MS≥6.0地震的空间分布,华北地区的主体活动区包括华北平原活动地块、鲁东-黄海活动地块、燕山-渤海带;东南沿海地区的主体活动区包括滨海断裂带、长乐-诏安断裂带和台湾海峡;东北地区的主体活动区为松辽盆地;华南其他地区仅有1次MS≥6.0地震。
(3) 根据中国大陆东部首发和次发MS≥6.0地震时间间隔,计算未来5年中国大陆东部发生MS≥6.0地震的累积概率,结果表明到2024年初中国大陆东部再次发生MS≥6.0地震的累积概率超过80%,且发震概率随时间的延迟而增大。
致谢: 感谢审稿专家提出的宝贵建议。
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