全球地震和火山活動(dòng)分布特征

全球地震和火山活動(dòng)分布特征

0全球地震、火山構(gòu)造區(qū)帶的劃分地震和火山的大部分特征是板塊運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，是當(dāng)前地球動(dòng)力學(xué)過程的一個(gè)重要現(xiàn)象（phetal.，1986；m宗金等人，1986）。近年來,火山與地震之間的關(guān)系得到越來越多的重視,例如Berryman等(2006)認(rèn)為新西蘭陶波地塹的地殼大斷層和20km內(nèi)的大規(guī)模流紋巖噴發(fā)存在某種耦合關(guān)系。Walter等(2007)研究了全球4個(gè)9級(jí)大震后的火山噴發(fā),認(rèn)為地震引起巖漿系統(tǒng)的減壓將導(dǎo)致火山噴發(fā)。地震是巖石的破裂,嚴(yán)格地講是斷層的粘滑失穩(wěn)。只有在破裂貫通時(shí)才產(chǎn)生失穩(wěn)和壓力降(馬瑾,1989)?；鹕絿姲l(fā)涉及部分熔融,巖漿匯集到巖漿囊,圍巖破裂與通道的形成,巖漿上升與脫氣(囊泡化)碎裂化而失穩(wěn)爆發(fā)(洪漢凈等,2003)。雖然地震與火山具有非常不同的機(jī)制,但它們絕大多數(shù)都與板塊邊界活動(dòng)有關(guān)(Bird,2003),最強(qiáng)烈的地震和火山都發(fā)生在俯沖帶上。全球地震、火山構(gòu)造區(qū)(帶)的劃分,是研究全球地震、火山等的時(shí)空分布特征,研究全球構(gòu)造以及現(xiàn)今動(dòng)力學(xué)過程的一個(gè)重要前提。陳培善等(1994)進(jìn)行了全球地震地理分區(qū)。馬宗晉等(2003)將全球現(xiàn)今活動(dòng)構(gòu)造劃分為環(huán)太平洋、大洋脊和大陸三大構(gòu)造系統(tǒng),并分別論述了它們的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征。認(rèn)為環(huán)太平洋地震最集中、最強(qiáng)烈,最大特點(diǎn)是海溝、島弧和弧后體系;大洋脊無(wú)特大地震和深源地震,強(qiáng)度比其它2個(gè)構(gòu)造系統(tǒng)低;大陸構(gòu)造系地震活動(dòng)集中在北半球,沿緯向環(huán)帶展布,4個(gè)地震區(qū)的東西半?yún)^(qū)呈反對(duì)稱,震源淺,震源機(jī)制以水平力為主。三大構(gòu)造體系的劃分為進(jìn)行全球地震分區(qū)和研究現(xiàn)今動(dòng)力學(xué)奠定了重要基礎(chǔ)。洪漢凈等(2003)將全球火山活動(dòng)分為三大區(qū):西太平洋火山活動(dòng)區(qū),東太平洋火山活動(dòng)區(qū),以及大西洋火山活動(dòng)區(qū)。為了進(jìn)一步理解全球地震活動(dòng)和火山活動(dòng)的關(guān)系,本文在對(duì)美國(guó)國(guó)家地震信息中心地震目錄NEIC(2009)①和Smithsonian研究所全球火山數(shù)據(jù)(Siebertetal.,2002)統(tǒng)計(jì)研究的基礎(chǔ)上,應(yīng)用三大構(gòu)造系統(tǒng)的概念,進(jìn)一步研究了火山分布與地震分布的關(guān)系。在分小區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,認(rèn)為可以分為碰撞帶、大陸區(qū)和大洋區(qū)。幾乎所有震源深度>70km的地震都位于碰撞帶內(nèi)(圖1)。惟一例外的區(qū)域是南大西洋的大洋中脊附近的桑威奇板塊(Sandwech)(Bird,2003)內(nèi)有<300km的中深源地震。大洋區(qū)主要地震活動(dòng)與大洋中脊活動(dòng)有關(guān),還有相當(dāng)部分遠(yuǎn)離中脊的強(qiáng)震活動(dòng)。1區(qū)域地震活動(dòng)分布大陸地震以其片狀的分散分布而不同于板塊邊緣的帶狀分布(馬瑾,1989)。大陸火山與大洋火山的區(qū)別在于不同厚度、不同年齡的大陸巖石圈的存在(Menziesetal.,1990)。由于不均勻的大陸巖石圈構(gòu)造,大陸應(yīng)力場(chǎng)的變化更加明顯,大陸火山活動(dòng)比大洋火山更受應(yīng)力場(chǎng)的影響,如大陸裂谷主要是由于巖石圈引張而形成的。(1)歐亞大陸:歐亞大陸是全球最大的大陸,這里的地震活動(dòng)是除4個(gè)環(huán)太平洋俯沖地震區(qū)外全球第5強(qiáng)的地震活動(dòng)區(qū)。絕大部分地震活動(dòng)分布在中國(guó)及其鄰區(qū)(洪漢凈等,2003)。全新世火山分布在東亞、貝加爾南、戈壁、南海,主要為大陸玄武巖噴發(fā),只有少數(shù)硅鋁質(zhì)噴發(fā)。(2)北美洲:北美大陸中部為穩(wěn)定的加拿大-格陵蘭地盾和中央臺(tái)地組成的地臺(tái),西部為科迪勒拉褶皺帶。北美洲板塊主要地震活動(dòng)位于西部,即在北美板塊和太平洋板塊交界附近。而又被胡安德?？ò鍓K分為南北兩區(qū)。由于圣安德列斯斷層的右旋走滑,將門多西諾三聯(lián)點(diǎn)向北推。三聯(lián)點(diǎn)向北運(yùn)動(dòng)的速度大約為3～4cm/a(Underwoodetal.,1999)。這里的火山鏈有喀斯喀特、蛇河平原、胡安德富卡、加利福尼亞和阿拉斯加?xùn)|(Woodetal.,1993)。(3)非洲:非洲大陸是岡瓦納古陸的一個(gè)重要部分(Chorowicz,2005;Calaisetal.,2006),古近紀(jì)末以來,東部非洲在區(qū)域隆起的基礎(chǔ)上出現(xiàn)裂谷運(yùn)動(dòng)。裂谷西支規(guī)模比較小,發(fā)生過一系列7級(jí)大震。東支火山活動(dòng)比較廣泛,未記錄到M7以上的地震活動(dòng)。東支向北的紅海裂谷,主要地震活動(dòng)發(fā)生在裂谷之北的死海轉(zhuǎn)換斷層上,這里的火山以大陸玄武巖為主。雖然也有一些巨大的層狀火山,如尼拉貢戈火山,也是以玄武巖為主。非洲西部喀麥隆火山線是一條自三疊紀(jì)至今的地殼弱活動(dòng)帶,分布著大量的瑪珥湖和玄武巖火山渣錐,主要是堿性火山巖。2其他方面的地震活動(dòng)大洋區(qū)地殼具有新、薄和相對(duì)均勻的特征,地震活動(dòng)相對(duì)較弱。巖漿活動(dòng)主要是平靜的巖漿溢出與洋中脊的擴(kuò)張,沒有形成火山噴發(fā)。有記錄的火山噴發(fā)主要來自深部地幔的熱柱,與海島有關(guān)。(1)太平洋:太平洋的地震活動(dòng)在大洋里面相對(duì)最弱,主要與東太平洋洋脊以及一些海嶺有關(guān)。夏威夷火山代表著下部地幔的地幔柱活動(dòng)(Paresetal.,2005),此外還有厄瓜多爾西面的科隆群島的玄武巖盾狀火山。(2)印度洋:在大洋中印度洋地震活動(dòng)最強(qiáng),而火山活動(dòng)最弱。印度洋的地震活動(dòng)除三叉形的印度洋洋脊的軸線附近外,在Bird(2003)劃分的印度與澳大利亞板塊邊界有一系列地震活動(dòng),特別值得提出的是在澳大利亞西側(cè),橫穿上述板塊邊界還存在一條NW向的稀疏的地震線,由一系列間隔1500km左右的M8、M7地震或M6震群組成,向南可以延伸到澳大利亞西南珀斯、南極洲附近,向西北延伸到印度的古吉拉特邦,其地震能量占到整個(gè)印度洋地區(qū)的4/5。這條地震帶的原因還有待研究。(3)大西洋:主要地震火山活動(dòng)沿大西洋中脊分布,冰島的地震火山活動(dòng)最顯著(Geirssoetal.,2006)。除橫貫大西洋的中脊外還有一些橫向構(gòu)造,南大西洋有分割南極洲板塊和南美板塊的板塊邊界。中大西洋,北緯20°左右有西面加勒比板塊延伸出來的波多黎各海溝,北緯36°左右有阿爾卑斯斷裂向西延伸與亞速爾微板塊連接的橫向構(gòu)造——亞速爾海嶺。叢集的火山群從北到南有冰島、亞速爾、加那利、佛得角和桑威奇。噴發(fā)物主要是海島玄武巖。冰島火山主要是被稱為冰島巖的安山玄武巖。3外來地震活動(dòng)的組織這里有最強(qiáng)烈的地震活動(dòng)與火山噴發(fā),地震活動(dòng)與強(qiáng)烈的板塊擠壓有關(guān),而火山噴發(fā)與俯沖脫水/固相線降低以及島弧變形有關(guān)?？赡茏钪匾氖前鍓K碰撞在這里產(chǎn)生巨大的能量,同時(shí)通過地震和火山表現(xiàn)出來。(1)地中海:從興都庫(kù)什到伊比利亞,為特提斯海關(guān)閉過程中殘留的俯沖帶。愛琴海有一個(gè)直達(dá)200km的俯沖帶,以東主要以淺源地震為主,西側(cè)的撒丁灣有一個(gè)亞德里亞向西南、非洲板塊向北的俯沖帶(Papazachos,1973)。最西部的直布羅陀俯沖帶以27°傾角向北俯沖,深度為110km左右,但在600km處地震重新出現(xiàn)。主要火山鏈有意大利火山鏈和愛琴海火山鏈。(2)中美洲:從中美洲到加勒比板塊西緣。包括墨西哥、危地馬拉、薩爾瓦多、尼加拉瓜到哥斯達(dá)黎加,西部與中亞美利加海溝Cocos板塊向東北俯沖有關(guān)(DeMets,2001),東部與大西洋板塊向西俯沖有關(guān)。震源深度<300km。主要火山鏈有小安的列斯、哥倫比亞、加勒比和墨西哥。(3)南美洲:納茲卡板塊向東俯沖對(duì)這里的地震火山分布起著主要的控制作用(Pilger,1984)。在中北部俯沖深度可達(dá)670km左右,然而在300～500km深處均存在震源間斷層。從北到南,發(fā)育哥倫比亞-厄瓜多爾、北智利、中智利火山鏈,而它們之間明顯缺失火山活動(dòng)。(4)阿留申:太平洋板塊北緣的俯沖帶,包括阿留申與西阿拉斯加,震源深度<300km。阿留申群島弧后,東部為水深<300m的白令海陸架,西半部是阿留申盆地(Spence,1977)。由于這里太平洋的運(yùn)動(dòng)方向與島弧有一些斜交,在太平洋周緣的俯沖帶中活動(dòng)相對(duì)較弱。主要火山鏈有西阿拉斯加、東阿留申、中阿留申、西阿留申,在西阿留申盆地的弧后,火山活動(dòng)基本缺失,西段地震活動(dòng)也相對(duì)較弱。(5)西北太平洋:最北面是千島弧,太平洋板塊以每年8～9cm的速率向千島群島下俯沖,可達(dá)600km。從NE向SW逐漸加寬,震源深度也由淺變深(Stauderetal.,1976)。從北到南有堪察加、千島、北海道3條火山鏈,火山活動(dòng)的強(qiáng)度有所減弱。千島弧之南的日本弧(Uyedaetal.,1974)大至呈SN方向的帶狀分布。該俯沖板塊以25°～27°傾角向西俯沖一直插入中國(guó)東北大陸之下,深度達(dá)620km。這里有著名的日本火山鏈。伊豆-小笠原弧,地震帶從北向南由寬逐漸變窄,這意味著俯沖帶的傾角從NW向NE由小變大。這里有伊豆和小笠原火山鏈。與馬里亞納火山鏈并列的馬里亞納弧(Karig,1971),其深源地震呈向東凸出的幾乎對(duì)稱的弧形分布,由北向南震源深度由深變淺,均以>80°的高角度俯沖,最大深度可達(dá)660km。密克羅尼西亞位于卡羅林與太平洋和菲律賓板塊的結(jié)合帶,缺失深震活動(dòng)和火山活動(dòng)。(6)西南太平洋:位于澳大利亞板塊的東北緣,火山活動(dòng)和強(qiáng)震活動(dòng)都很強(qiáng)烈。西部由新幾內(nèi)亞、所羅門的島弧組成,是澳大利亞板塊向北(偏東)俯沖的結(jié)果;中部斐濟(jì)是新赫布里底、瓦努阿圖向東(偏北)俯沖的結(jié)果(Colleyetal.,1984);而東部湯加-科馬德克-新西蘭是太平洋板塊向西俯沖的結(jié)果。(7)巽他:緬甸—北蘇門答臘是印度-澳大利亞板塊向東北俯沖的產(chǎn)物(Wiedickeetal.,2002),震源深度不超過300km。南蘇門答臘—巴厘—佛羅里斯—班達(dá)是澳大利亞板塊向北運(yùn)動(dòng)時(shí)同歐亞板塊最東南端碰撞之處,俯沖可達(dá)上地幔底部。火山鏈有蘇門答臘、巴厘、佛羅里斯、班達(dá)海、緬甸。(8)菲律賓:菲律賓板塊西緣俯沖帶,北段為向西俯沖的琉球弧,南段為菲律賓弧。菲律賓島弧東西均存在海溝,北支為向東俯沖的馬尼拉弧,南支為向西俯沖的菲律賓弧(Newhalletal.,1996)。火山鏈有九州、琉球、臺(tái)灣、菲律賓、蘇拉威西、馬魯古。4島弧火山活動(dòng)的區(qū)域分析(1)地震和火山都反映了地球表層的構(gòu)造活動(dòng),因而地震活動(dòng)區(qū)往往也是火山活動(dòng)區(qū)。俯沖帶的火山弧和強(qiáng)震活動(dòng)帶基本都相伴生。大角度俯沖的弧后火山活動(dòng)最強(qiáng),當(dāng)板塊運(yùn)動(dòng)方向與板塊邊緣走向成小角度相交時(shí),缺少正面俯沖的動(dòng)力,火山活動(dòng)相對(duì)平靜。歐亞大陸區(qū)地震基本上都發(fā)生在東部,而東部也是全新世火山活動(dòng)地區(qū)。這種地震和火山活動(dòng)同區(qū)的情況在北美大陸也可看到,全新世火山活動(dòng)和強(qiáng)震基本上都發(fā)生在美國(guó)西部。(2)火山與地震強(qiáng)烈活動(dòng)的大多在大地水準(zhǔn)面(Geoid)異常高的區(qū)域(圖2)。具有中深源地震的俯沖碰撞帶基本上都在Geoid高區(qū)(Ahern,2004),中美洲俯沖帶和巽他的西北段在高區(qū)邊緣。大部分VEI≥4的火山噴發(fā)也發(fā)生在Geoid高區(qū),Geoid低區(qū)只有中美洲和東非裂谷的火山。然而M≥8的地震發(fā)生在Geoid低區(qū)卻占了28%,大部分發(fā)生在中國(guó)大陸、中美洲和美國(guó)大陸。地震層析成像結(jié)果表明低階(1=2～3)Geoid高區(qū)相當(dāng)于下地幔低速區(qū)(Hageretal.,1985),Vermeersen等(2006)認(rèn)為高階Geoid高和淺部低速層的重力均衡調(diào)整有關(guān)。這種物質(zhì)流動(dòng)可能是產(chǎn)生強(qiáng)烈地震火山活動(dòng)的原因。(3)俯沖帶上有>500km深震的地段,火山活動(dòng)較弱,往往沒有歷史火山噴發(fā),或者缺失VEI≥4的大噴發(fā)。(4)島弧火山鏈走向大致與主壓應(yīng)力正交,而裂谷型火山鏈走向大致與主壓應(yīng)力平行。亞洲大陸內(nèi)部火山鏈,如貝加爾南北火山鏈、五大連池、長(zhǎng)白山等所處的東亞火山鏈,都與主壓應(yīng)力垂直,說明這些都是與地殼擠壓有關(guān)。5大陸地區(qū)與火山根據(jù)NEIC地震目錄,分4個(gè)時(shí)期統(tǒng)計(jì)了各區(qū)1902—2006年M6以上震級(jí)的地震能量(圖3),從各區(qū)地震能量分布曲線隨時(shí)間的變化看,各區(qū)地震能量釋放是很不均勻的,而且是不斷變化的。全球地震活動(dòng)能量分配格局有實(shí)質(zhì)性的變化,總體上碰撞俯沖帶的能量最大,然而各帶的份額變化很大。第1期西南太平洋和南美洲最大,而第2,3期卻是西北太平洋最大,第4期又是西南太平洋最大。大陸地震活動(dòng)的份額百年來逐漸減小,在1953年之前歐亞大陸區(qū)活動(dòng)強(qiáng)烈非常引人注目,特別是在1902—1920年,歐亞大陸的地震活動(dòng)甚至高于所有俯沖碰撞帶。百年來,全球總的地震能量分布是隨時(shí)間變化的,選取M≥8的地震,VEI≥4的火山,分4個(gè)時(shí)期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)地震與火山平均緯度隨時(shí)間的變化:1)1902—1920年;2)1921—1953年;3)1954—1979年;4)1980—2006年。地震與火山變化表現(xiàn)出同步的變化(圖4)。巖石圈板塊與地幔對(duì)流的相互作用與互相反饋,導(dǎo)致了地震活動(dòng)與火山活動(dòng)的分布存在某種同步性。朝鮮半島及其附近1000—1990年間火山噴發(fā)都出現(xiàn)在烈度高于Ⅶ的地震數(shù)目的高峰附近(Kyungetal.,1996,)。2005年?yáng)|非裂谷張開,達(dá)巴胡火山巖漿侵入,與全球南部大洋地震活動(dòng)加強(qiáng)同步,在此前后,伴隨著印尼蘇門答臘9級(jí)地震的發(fā)生,全球地震活動(dòng)向南遷移。然而,畢竟地震與巖石破裂有關(guān),而火山與巖漿熱活動(dòng)有關(guān),兩者涉及不同的機(jī)制,也會(huì)有非常不同的表現(xiàn)。有時(shí)全球地震低潮期卻為火山活動(dòng)高潮期,如1980—1992年,全球地震低潮,而發(fā)生了3個(gè)大火山噴發(fā)。6討論6.1wsp的控制作用地震與巖石破裂有關(guān),而火山與巖漿熱活動(dòng)有關(guān),兩者表現(xiàn)不同,也涉及不同的機(jī)制。比如俯沖-碰撞帶上地震和火山都很強(qiáng)烈,但是火山集中在震源深度100～150km的帶上。但是,除了熱點(diǎn)外,火山和地震都受板塊運(yùn)動(dòng)的控制(Pressetal.,1986),都與板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)能量的釋放有關(guān)。世界應(yīng)力圖(WSP)顯示了板塊運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的控制作用(Zoback,1992),板塊運(yùn)動(dòng)主要受俯沖帶的板片拉力和洋脊推力作用(Stern,2007),而俯沖帶的板片拉力是由負(fù)浮力產(chǎn)生的,與重力、熱力有關(guān),洋脊推力是地幔上涌的結(jié)果,雖然初始巖石圈引張可能是巖石圈應(yīng)力場(chǎng)所造成的,更多的是熱活動(dòng)的結(jié)果。另一方面,板塊運(yùn)動(dòng)對(duì)地幔運(yùn)動(dòng)有控制作用(Martinetal.,2008),如俯沖帶的位置控制地幔對(duì)流下沉流的位置,裂陷活動(dòng)和地殼引張最終導(dǎo)致了大洋中脊的形成和巖漿上升(McKenzie,1969)。根據(jù)NEIC目錄統(tǒng)計(jì),全球地震活動(dòng)所釋放的能量中,碰撞帶占81.6%,大陸占13.3%,大洋區(qū)占5.1%,而根據(jù)Fisher等(1984)全球噴發(fā)的巖漿中發(fā)散的板塊邊界占73.2%,聚斂的板塊邊界占14.6%,海洋板塊內(nèi)部占9.8%,大陸板塊內(nèi)部占2.4%。發(fā)散板塊邊界的巖漿大部分都是平靜溢出,而伴隨應(yīng)力釋放的破裂與火山噴發(fā)都較弱。6.23板塊和大陸地震活動(dòng)的表現(xiàn)幾乎所有震源深度>70km的地震都位于碰撞帶內(nèi)。俯沖—碰撞活動(dòng)區(qū)有最強(qiáng)烈的地震活動(dòng)與火山噴發(fā)。地震活動(dòng)與強(qiáng)烈的板塊擠壓有關(guān),主要以逆沖形式出現(xiàn);而火山噴發(fā)與俯沖脫水/固相線降低以及島弧變形有關(guān),主要以層狀火山的爆炸式噴發(fā)為主。板塊碰撞在這里產(chǎn)生巨大的能量,同時(shí)通過地震和火山表現(xiàn)出來。大洋區(qū)地殼具有新、薄和相對(duì)均勻的特征,地震活動(dòng)相對(duì)較弱,主