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  • CN 62-1091/P
  • ISSN 1001-8166
  • 月刊 创刊于1986年
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地球科学进展, 2019, 34(6): 629-639 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0629

研究论文

喜马拉雅造山带地震活动及其相关地质灾害

白玲,1,2, 宋博文2,3, 李国辉2, 江勇2,3

1. 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心,北京 100101

2. 中国科学院青藏高原研究所大陆碰撞 与高原隆升实验室,北京 100101

3. 中国科学院大学,北京 100049

Seismic Activity in the Himalayan Orogenic Belt and Its Related Geohazards

Bai Ling,1,2, Song Bowen2,3, Li Guohui2, Jiang Yong2,3, Dhakal Sanjev2,3

1. Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China

2. Key Laboratory of Continental Collision and Plateau Uplift,Institute of Tibetan Plateau Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China

3. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

收稿日期: 2019-01-14   修回日期: 2019-04-10   网络出版日期: 2019-07-01

基金资助: 国家自然科学基金项目“2015年尼泊尔地震相关地质灾害的地震学成因”(编号:41761144076)和“第二次青藏高原综合科学考察研究”.  2019QZKK0701

Received: 2019-01-14   Revised: 2019-04-10   Online: 2019-07-01

作者简介 About authors

白玲(1973-),女,辽宁北镇人,研究员,主要从事青藏高原地区地震发生机理、地球内部结构及地震危险性分析等研究.E-mail:bailing@itpcas.ac.cn , E-mail:bailing@itpcas.ac.cn

摘要

喜马拉雅造山带是地球上海拔最高、规模最大的陆陆板块俯冲碰撞带。在这条长达2 500 km的板块边界上,近年来多次发生破坏性地震,造成大规模的滑坡、房屋倒塌等次生灾害,给人民生命和财产安全造成严重的威胁。分别选取尼泊尔喜马拉雅、喜马拉雅东构造结和喜马拉雅西构造结地区近期发生的3个地震震群作为研究实例,基于中国科学院青藏高原研究所在研究区架设的区域流动地震台站记录的波形资料,对地震的震源位置和震源机制解进行计算。结果表明,在尼泊尔喜马拉雅地区,主喜马拉雅逆冲断裂是大地震的主要发震构造;东构造结地区的地震以逆冲和走滑型为主,表明印度板块向北东方向的逆冲推覆和青藏高原向东南逃逸的侧向挤出是该地区的主要构造背景;西构造结地区中深源地震多发,揭示了高角度大陆深俯冲的几何形态。

关键词: 喜马拉雅造山带 ; 地震活动 ; 构造意义 ; 地质灾害

Abstract

Himalayan orogenic belt is the highest and largest continental collision and subduction zone on the Earth. The Himalayan orogenic belt has produced frequent large earthquakes and caused several geohazards due to landslides and housing collapse, having an impact on the safety of life and property along a length of over 2500 km. Here we took three earthquake clusters as examples, which occurred at Nepal Himalaya, eastern Himalayan syntaxis and western Himalayan syntaxis, respectively. Here we calculated the earthquake locations and fault plane solutions based on the waveform data recorded by seismic stations deployed in source areas by the Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences. We found that at the Nepal Himalayan, the Main Himalayan Thrust is the major tectonic structure for large earthquakes to occur. At the eastern Himalayan syntaxis, most earthquakes are of the reverse or strike-slip faulting. The major tectonic feature is the combination of the NE-dipping thrust with the southeastern escape of the Tibetan plateau. At the western Himalayan syntaxis, intermediate-depth earthquakes are active. These observations reveal the geometry of the deep subduction of the continental plate with steep dipping angle.

Keywords: Himalayan orogenic belt ; Seismic activity ; Tectonic implications ; Geohazards.

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本文引用格式

白玲, 宋博文, 李国辉, 江勇. 喜马拉雅造山带地震活动及其相关地质灾害. 地球科学进展[J], 2019, 34(6): 629-639 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0629

Bai Ling. Seismic Activity in the Himalayan Orogenic Belt and Its Related Geohazards. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(6): 629-639 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0629

1 引 言

印度—欧亚板块的相互碰撞是地球历史上发生的最重要的造山事件,形成了海拔最高的喜马拉雅造山带(以下简称造山带)[1]。这里地形复杂,岩石圈各圈层发生了强烈的物质交换,变形—变质作用及岩浆活动目前仍在大规模进行,是研究造山带构造演化过程的天然实验室。在这个长达2 500 km的板块边界地区,频发的大地震是山地国家和地区面临的主要自然灾害之一。据美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)地震目录记载,近50年来共发生5.0级以上地震约2 500次,包括中深源地震约1 000次,浅源地震约1 500次。自1000年以来共发生了15次7.5级以上地震,其中有10次为浅源地震,有历史地震记录以来中国发生的最大地震——1950年8月15日Ms8.6墨脱地震,即发生在造山带东部地区(图1)。

图1

图1   青藏高原—喜马拉雅地区1960年以来发生的Mw5.0以上浅源和中深源地震和1000年以来发生的Mw7.5以上浅源地震的分布[2]

Fig.1   Distribution of shallow and intermediate-depth earthquakes of Mw5.0 since 1960 and shallow earthquakes of Mw7.5 since 1000 in the Himalayan-Tibetan region[2]

黑色和灰色分别表示震源深度大于和小于50 km深度的地震;白色大圆圈表示1 000年以来造山带上发生的7.5级以上浅源地震分布图;数据主要来自于美国地质调查局(USGS)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)地震目录

Black and gray circles show earthquakes with focal depths greater than and less than 50 km, respectively. Large white circles are shallow earthquakes of Mw≥7.5 occurred since 1000. Data are mostly taken from United States Geological Survey (USGS) and National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) earthquake catalog


经过国内外科学家近30年的努力,对于造山带地下结构和地震发生机理的认识取得了突破性研究成果。以近E-W向的弧形断裂带[主前锋逆冲断裂(Main Frontal Thrust,MFT)、主边界逆冲断裂(Main Boundary Thrust,MBT)、主中央逆冲断裂(Main Central Thrust,MCT)和藏南滑脱带(South Tibet Detachment,STD)]为边界,自南至北将造山带分为4个主要构造单元:次喜马拉雅、低喜马拉雅、高喜马拉雅和特提斯喜马拉雅[3]。从地震的深度分布来看,造山带中部主要以浅源地震为主,中深源地震主要分布在高原东西两翼,形成帕米尔—兴都库什和缅甸山弧2个深源俯冲带[2,4]。这些研究结果表明,与青藏高原内部相比,造山带前缘不同构造单元的分布更加密集,结构的横向差异更加显著。

作为该地区大地震的主要发震断层,主喜马拉雅逆冲断裂(Main Himalayan Thrust, MHT)的三维几何形态引起了广泛关注。横贯地表的MFT,MBT和MCT等断层在地下汇聚,形成MHT这一北倾的大型低角度逆冲滑脱带。MHT这一概念由Ni等[5]基于10~20 km深度地震的震源参数首次提出。2002—2006年以中美合作为基础开展的穿越喜马拉雅山南北向剖面的宽频带地震观测(Hi-CLIMB地震探测项目),获得了关于MHT浅部俯冲边界的几何形状[6,7,8]。基于地电、地质和地形变等多种不同研究手段获得的观测资料,进一步揭示了MHT界面呈现出断坪—断坡(flat-ramp)交替出现的特点[9,10,11],其空间位置和几何形态与大地震的初始破裂点、破裂分布范围及其高海拔地表隆升过程具有明显的相关性[12,13,14]

由于其特殊的自然环境和地理位置,近距离观测台站分布比较稀疏,研究基础相对比较薄弱。本研究首先按照地震的活动规律将造山带分为3个区域:造山带中部、东喜马拉雅构造结和西喜马拉雅构造结,并简单回顾不同研究区域的地震活动性。我们选取2015年尼泊尔Mw7.8(矩震级)地震、2017年米林Ms6.9(面波震级)地震和2015年巴基斯坦—阿富汗交界Mw7.5地震作为研究实例,基于中国科学院青藏高原研究所在研究区域架设的宽频带地震台站波形资料,结合中国地震台网及国内外相关地震台网的波形、到时数据,对地震的震源参数进行重新确定。在此基础上结合震源区断层分布和历史地震活动性,揭示地震活动规律,探讨相关地质灾害的危险性,为山地国家和地区防震减灾服务。

2 地震定位与震源机制解反演

地震定位和震源机制解反演是地震学中最基本的问题。从目前全球现有的地震和台站分布来看,俯冲带地区地震多而大,但是台站分布比较稀疏,给人们认识地震发生规律、地下地质结构带来了困难与挑战。不同地震目录的对比揭示了目前地震定位的误差水平。国际地震中心全球标准地球模型(International Seismological Centre-Global Earthquake Model,ISC-GEM)项目对1900年以来全球发生的5级以上地震进行了重新定位,这些较大地震主要位于俯冲带地区,经纬度和深度的定位精度在90%的置信区间内高达20 km[15]。青藏高原—喜马拉雅地区地震的研究结果大体在同样的误差水平。在地震观测台站比较稀疏的青藏高原地区,与中深源地震[3]相比,浅源地震[4]震源深度定位误差更大。地震台站的分布密度和速度结构的复杂程度等因素,都会给震源参数的确定带来误差。

本研究采用4个步骤对震源参数进行重新计算:基于近震直达波的初至方向和波形确定震源机制;利用远震地表反射波(pP波和sP波)等深度震相确定地震的震源深度;基于近震观测的到时数据确定地震的绝对震源位置;以步骤获得的震源参数作为约束进一步确定群发地震的相对和绝对震源位置。目前,波形拟合是确定震源深度和震源机制解的有效方法[16]。直达P波后续的pP波和sP波,从震源出发后,沿着近垂直的方西向地表传播,与P波的走时差主要取决于地震的震源深度[17]。地震绝对定位采用Hyposat方法实现[18]。Hyposat方法是把地震走时在震源初始位置附近作泰勒展开,然后取一级近似,将非线性方程线性化,并通过最小二乘原理求解。当一群地震的分布比较集中时,可以应用双差地震定位法[19],消除整个射线路径上速度模型的不确定性引起的误差。为了将该方法推广至区域地震和远震,我们发展了多尺度双差定位法(Multi-scale double-difference earthquake relocation, i.e., Multi-DD)[3],将相对定位法和各种不同震中距深度震相的优点相互结合,实现对群发地震的高精度地震定位。

3 尼泊尔喜马拉雅地区

2015年4月25日在尼泊尔廓尔喀(Gorkha)地区发生了Mw7.8大地震(以下简称为2015年尼泊尔地震,图2),震中位置靠近尼泊尔首都加德满都。此次地震是继1934年比哈尔Mw8.0地震以来在尼泊尔东部地区发生的又一次破坏性事件[21],造成近9 000人死亡,20 000余人受伤,震中地区大部分建筑物被毁,中尼国际公路一带及中国藏南地区发生了严重的滑坡和雪崩等地质灾害。

图2

图2   2015年尼泊尔地震序列(红色圆圈)、滑坡分布(黑色圆点)、加德满都盆地(黑色正方形)和青藏高原所架设台站的位置(红色三角形)[20]

Fig.2   The 2015 Gorkha earthquake sequence (red circles), landslides (black dots), the Kathmandu Basin (black squre), and seismic stations deployed by ITPCASred triangles[20]

2个五角星分别表示Mw7.8和Mw7.3地震,灰色大圆圈表示历史大地震,红色空心圆圈表示主震至2018年7月发生的4.5级以上余震的位置;MFT:主前锋逆冲断裂;MBT:主边界逆冲断裂;MCT:主中央逆冲断裂;STD:藏南滑脱带;ITS:雅鲁藏布缝合带

Two stars are the Mw7.8 and Mw7.3 earthquakes. Larger gray circles are large historical earthquakes in history, small circles are aftershocks of

Mw≥4.5 occurred until July 2018. MFT: Main Frontal Thrust; MBT: Main Boundary Thrust; MCT: Main Central Thrust;STD: South Tibet Detachment; ITS: Indus-Tsangpo Suture


本次地震虽然滑坡规模总体不算很大,但是滑坡体较为集中,主要分布在尼泊尔向青藏高原过渡的高喜马拉雅地区,具有区域性密集分布的特征。蓝塘(Langtang)地区发生的雪崩和滑坡,掩埋了登山者聚集的村庄,造成约350人死亡。吉隆口岸附近发生的多处大型滑坡,堵断了中尼国际公路等重要生命线[22,23]。相比而言,在余震区及其以南的低海拔区域,地质灾害分布较少,只有加德满都南部的MFT和MBT附近有少量出现,具有十分显著的受断层活动控制的特征。同时从房屋受损的分布情况来看,震源区东北部受灾较为严重,同样结构的建筑物灾害分布情况具有较大的空间差异性[24]

尼泊尔地震是有现代地震记录以来在造山带上发生的最大地震,该地震以低角度逆冲推覆构造为主要特征,是陆陆碰撞带俯冲前缘地震活动构造的代表,为探讨这种典型的板块边界大地震的发生机理、震源区地下结构以及相关地质灾害的成因提供了宝贵的资料。中国科学院青藏高原研究所在尼泊尔和中尼边界建有加德满都科教中心和珠穆朗玛大气与环境综合观测站,以这些野外综合观测站为依托,我们在尼泊尔和中尼边界地区,从2014年起开始架设临时和固定地震台站[20],组成了良好的宽频带近震观测台阵,从而实现了对尼泊尔喜马拉雅地区地震活动的连续近震观测。

目前对于尼泊尔地震震源参数的研究取得了阶段性研究成果。余震序列[20,25]沿着构造走向分布在150 km×80 km的范围内,与主震同震破裂分布范围基本一致[12]。主震高频辐射能量主要位于震源区北部[26],造成显著的强地面运动[27]。主震和Mw7.3最大余震分别位于震源区的西部和东部边缘地区。地震活动以低角度逆冲型为主[2],主震发生在地表以下(18±2) km[海平面以下(16±2) km][25],位于低喜马拉雅和高喜马拉雅过渡地带,MHT是该地震的主要发震构造。余震大多较浅,位于MHT上盘,断层面倾角和主震相比较大,揭示了震源区断层系统的精细结构。

4 东喜马拉雅构造结地区

东喜马拉雅构造结(简称东构造结)位于喜马拉雅造山带的东段,其北部为拉萨地体,南部为南迦巴瓦变质体,中间被雅鲁藏布江缝合带(雅江缝合带)所分割(图3)。雅江缝合带是由NW-SE走向的嘉黎断裂、西兴拉断裂以及NE-SW走向的东久—米林断裂、墨脱—阿尼桥断裂[29]等一系列不同性质的断裂组成。近东西向的欧亚大陆边缘在该地区发生碰撞,随后发生了顺时针90°的突然偏转,东构造结地区成为了造山带上碰撞缩短、旋转变形和地表侵蚀最为强烈的地区。

图3

图3   东构造结地区构造背景、地震分布与青藏高原研究所架设台站位置[28]

Fig.3   Tectonicsearthquakes, and seismic stations deployed by ITPCAS in the eastern Himalayan syntaxis[28]

红色三角形表示我们在东构造结架设的宽频带地震台站位置,红色沙滩球表示米林6.9级地震震源机制解,所指红色圆圈表示重定位后的主震位置。红色细线圆圈表示中国地震台网和USGS给出的米林6.9级地震的震中位置,白色小圆圈表示1964年至今发生的4.5级以上地震,白色较大圆圈表示1000—1964年发生的6.0级以上地震,黑色沙滩球表示1964年至今较大地震的震源机制解,黄色沙滩球表示1900年以来发生的2次7级以上地震

Red triangles is the broadband seismic stations we deployed at the southeastern Tibet. The red beach ball shows the focal mechanism of the Mainling MS6.9 earthquake,the red circle shows the location of the mainshock after relocation. Red thin circles show the epicenter locations of the Mainling MS 6.9 earthquake given by CENE and USGS, white small circles show the locations of Mw≥4.5 earthquakes since 1964, white larger circles show the locations of Mw≥6.0 earthquakes between 1000 and 1964, black beach balls show the locations of relatively large earthquakes with focal mechanism available since 1964, yellow beach ball show the locations of two Mw≥7.0 earthquakes since 1900


近100年以来,东构造结地区共发生27次6.0级以上地震,其中最大的2次地震分别为1950年西藏察隅Ms8.6地震和1947年朗县东南Ms7.7地震。近50年来,该地区共发生2 000余次3.0级以上地震和240余次4.5级以上地震。察隅地震震中位于西藏墨脱县、察隅县与印度阿萨姆邦交界地带,也被称作阿萨姆地震或墨脱地震,发震时刻为北京时间1950年8月15日22点09分。察隅地震震中最大烈度11度,断层长度约250 km[30],断层滑移7~8 m[31],产生了严重地质灾害,造成近4 000人死亡,地震波及范围涵盖整个青藏高原及毗邻的印度平原地区。前人基于P波初动方向、余震分布和当地地质特征获得的震中位置和震源机制解表明[32],该地震属于右旋走滑型地震,震中位置为28.65°N,96.68°E,发震断层走向近NW-SE向。察隅地震序列具有分时段分区分布的特征,前震主要集中在雅江大峡谷北部,初期余震大都发生在主震震中附近,后续逐渐向南扩展到印度和缅甸等大范围区域,整体表现出NW-SE方向的顺时针旋移。前人借助面波、体波振幅信息,综合滑坡、余震的分布规律所得到的研究结果,同样显示察隅地震发生在走滑断层上[30]。也有学者基于主事件定位方法,重新定位了察隅地震主震及100个主要余震,发现余震分布不存在明显的空间方位规律,地震观测波形可以用低角度北倾逆冲断层来进行很好的解释,与米什米(Mishmi)山逆冲断裂的产状相符合[31]。考虑到早期数据资料的局限性,不同学者对该地区历史大地震的发震机理和空间分布规律仍存在很大争议。

北京时间2017年11月18日06时34分,在雅鲁藏布江缝合带顶端林芝市米林县发生了Ms6.9地震(简称2017年米林地震)(图4)。美国地质调查局地震目录和全球质心矩张量解(gCMT)给出的北倾节面走向、倾角、滑动角参数分别为303°/36°/83°和328°/66°/108°,主震震源机制解以逆冲型为主,同时兼有走滑成分。本次地震震源区地形起伏高达5 km,地势险峻,人迹罕至。震中附近房屋严重破损,山体塌方,沿江发现有沙土液化、水位上升等明显现象。美国地质调查局地震目录给出的米林地震主震震中位置位于数条主要断裂的交汇部位,地质构造背景非常复杂。

图4

图4   西构造结地区地质构造背景、地震活动[4]

Fig.4   Tectonics, seismicity in the western Himalayan syntaxis[4]

空心圆圈表示1964—2014年发生的Mw4.5以上地震的位置;浅源地震(白色圆圈)位于主要活动断裂附近,中深源地震(黑色圆圈)主要位于帕米尔—兴都库什地区,震源深度高达300 km,右下角插图表示地震重定位使用的全球地震台站分布

Open circles are earthquakes of Mw≥4.5 occurred between 1964-2014. Shallow earthquakes (white circles) are mostly located near the active faults. Intermediate-depth earthquakes (black circles) are concentrated at the Pamir-Hindu Kush region with focal depth up to 300 km. Insert in the lower right corner is global seismic stations used for earthquake relocation


中国科学院青藏高原研究所在西藏自治区林芝市鲁朗镇设有藏东南高山环境综合观测研究站(藏东南站)。自2015年起,我们在雅鲁藏布江缝合带顶端架设了固定和临时宽频带地震台站,由于该地区地下沉积层较厚、地震波信号衰减大,为此我们在藏东南站工作人员的配合下,自行设计施工,对台站的地基进行了改造,将钢钎植入深井,使台站与地下基岩之间更好地接触。利用宽频带地震台站的观测资料,我们对2017年米林地震[28]、近50年来中小地震[33]和地壳速度结构与莫霍面起伏[34]进行了研究。

研究结果表明,东构造结地区近50年的地震活动主要以中小地震为主[33,34],地震大多发生在雅鲁藏布江大拐弯顶端及北部地区,南迦巴瓦变质岩系内部地震不发育,东久—米林断裂带以西地震不活跃,墨脱剪切带东南方向与喜马拉雅主中央断裂的桑构造结和阿萨姆构造结顶端地震活动频繁。集中在雅江大拐弯顶端及北部的地震大致沿西兴拉断裂呈北西—南东向展布。2017年米林地震主震的震源深度为地表以下(10±2) km[海平面以下(7±2) km],震源破裂较大的位置主要集中在初始破裂点附近,没有明显的方向性。喜马拉雅东构造结周边的拉萨地块内普遍存在低速层,分布在20~40 km深度范围内,厚度为5~15 km,地震发震层主要位于拉萨地块上地壳。重新定位后2017年米林主震震中位于西兴拉断裂带上[(29.87°±0.01°)N,(95.02°±0.01°)E],揭示了南迦巴瓦构造结的逆冲推覆和青藏高原侧向挤出的构造背景。

5 西喜马拉雅构造结地区

西喜马拉雅构造结(简称西构造结)是指帕米尔、兴都库什和天山等地区。印度—欧亚板块的近南北向汇聚作用使得地壳物质在这里被大规模压缩,是一个正在进行着的大陆俯冲—碰撞造山带。地球物理、地质和地球化学等多种观测结果表明,印度板块在该地区俯冲到400 km甚至更深,与此相应,形成了世界上特有的大陆深俯冲中深源地震带(图4)。

自1964年以来喜马拉雅地区发生7级以上浅源地震5次,中深源地震6次。2015年喀什米尔Mw7.6地震是浅源地震的典型代表,造成8.6万余人死亡。中深源地震大多以高角度逆冲型为主,包括1993年8月9日(Mw7.1)、2002年3月3日(Mw7.3)和2015年10月26日(Mw7.5),平均发震间隔约为10年。其中2015年7.5级地震发生在阿富汗境内,位于阿富汗—巴基斯坦边界附近。虽然震源深度高达210 km,但是巴基斯坦、阿富汗、印度以及中国境内西藏、新疆地区均有强烈震感,造成阿富汗和巴基斯坦境内360余人死亡。

采用全球地震台网记录的到时数据,对1964—2014年发生的地震重新定位。结果表明,中深源地震的震中位置呈现S型分布(图4灰色圆圈),包括南部的兴都库什和北部的帕米尔两部分,二者在构造背景、地震的深度分布和震源机制解特征等方面具有很大的差异。在南段的兴都库什地区,地震在75~175 km深度范围内沿着近60º的倾角向北部倾斜,在175~275 km深度范围内发生角度更大的向南倾的倒转。震源机制解以逆断层型地震为主,表明该地区现今的构造应力场主要处于挤压状态,与典型的大洋俯冲带类似,支持前人提出的印度板块发生拆离并形成香肠构造的观点[35]。结合震源机制解空间分布的差异[4],发现虽然兴都库什地区的地震大多以逆断层型为主,但是震源机制解具有不同的P轴方向,分布在东西两侧不同位置和不同的深度范围,表明印度板块俯冲方向和角度在(71ºE,36.5ºN)附近发生了明显的偏转。

6 讨论与结论

20世纪90年代以来,我国地学工作者与美国和法国等多个国家合作,在青藏高原南部和喜马拉雅地区陆续开展了地震和地质等方面的野外工作,积累了宝贵资料,取得了突破性的研究成果,但是由于该地区环境特殊,观测较少,人们对地震发生规律和地下结构的认识仍然存在很多争议,主要包括如下几个方面:

(1)尼泊尔北部高喜马拉雅和特提斯喜马拉雅地区,部分中小地震震源深度高达80 km,位于俯冲的印度板块的莫霍面附近。这些地震到底是发生在上地幔还是下地壳,是喜马拉雅等地区地震学研究的热点问题。采用波形拟合的方法测定的地震的震源深度和莫霍面深度,揭示了地幔地震的证据[36,37]。另一种观点认为,印度板块俯冲过程中麻粒岩发生榴辉岩化作用,并在60~85 km深度附近形成双莫霍面[38],这些较深的地震可能发生在榴辉岩化的印度板块下地壳内[39]。对于岩石圈流变学分层结构的认识,依赖于地震震源深度与莫霍面深度测定的精度。

(2)西构造结是世界上特有的陆陆碰撞深俯冲带,在南部的兴都库什地区,地震活动在0~150 km范围内以高角度向北侧倾斜,150 km以下发生向南倾斜的俯冲的突然偏转,而北部的帕米尔地区地震活动呈现南倾的趋势,这些地震活动代表的是一个北倾俯冲带还是2个南北相对俯冲带的问题一直存在争议[40]。通常在典型的大洋俯冲带地区,地震沿着俯冲板块表面有规律地排列,震源机制以逆冲型为主,兴都库什地区的地震,主压应力轴与俯冲角度一致性较好,基本上符合印度板块北向俯冲的特征。相比而言,帕米尔地区的地震主要以走滑型为主,与典型俯冲带地震有显著的差异,这些证据表明,北倾的印度板块在帕米尔地区发生剪切作用的旋转变形,或者南倾的亚洲板块内部地震比较活跃。

(3)喜马拉雅造山带是典型的高温造山带,中下地壳发生大范围熔融,下地壳的流动造成了高原东部的隆升和向外扩展。地壳流的观点最早针对青藏高原东南缘提出,印度板块东北方向的碰撞俯冲过程使高原东部经历了强烈的地壳变形和断裂错动,然而GPS观测结果表明,龙门山和相邻的前陆盆地却不存在显著的缩短量,由此推测青藏高原东缘可能存在下地壳流,但是地壳流具体的几何形态还存在争议[41]。米林地震研究结果表明南迦巴瓦构造结顶部目前仍处于较高的构造挤压状态,南迦巴瓦变质体持续向北东方向推进,导致构造结内部块体缩短变形[42]。与青藏高原东部地区相比,造山带地区在地壳流的方向、深度分布及流体力学特征等方面均存在明显差异[43]。而地壳流低速层的深度分布范围,与岩石圈中孕震层的厚度有直接的相关性,地震震源参数的重新确定可以为该研究提供新的理论依据。

以这些研究为基础,前人针对造山带高原隆升过程提出了许多构造模型,包括隧道流模型(Channel flow)[44,45]、低喜马拉雅双重构造模型(Lesser Himalayan Duplex)[46,47]、被动楔形逆冲挤出模型(passive wedge overthrusting)[48,49]和主动反序列逆冲模型(active out-of-sequence thrusting)[50]等。隧道流模型的核心思想是地壳下部存在软弱层,高喜马拉雅结晶岩系主要来源于部分熔融的造山带中下地壳,在双倍加厚地壳的重力作用下向南流动并造成了高原的隆升。双重构造是低喜马拉雅和特提斯喜马拉雅地区重要的结构模式,由顶板逆冲断层和底板逆冲断层(MHT)及夹于其中的叠瓦式逆冲断层组成,印度板块向北俯冲过程中地壳物质在低喜马拉雅堆积并形成中间层叠瓦式逆冲断层。被动楔形挤出模式认为,高喜马拉雅岩系是一套高级变质的结晶杂岩,夹持在低级变质的低喜马拉雅和特提斯喜马拉雅之间,高喜马拉雅向下变细形成楔形体,从2个低级变质系岩中向南挤出。从断层扩展方式来看,造山带向前陆逐渐扩展的逆冲断层发育序列更为常见,而在喜马拉雅造山带前缘,新断层MFT形成之后,原有的断层(MBT和MCT)仍然活动,表现为异常序列逆冲扩展形式。这些模型的提出,揭示了造山带不同地区地下结构存在显著的差异。

综上所述,尽管从威尔逊旋回的角度来讲,大陆俯冲是大洋俯冲的继续,但大陆俯冲变形过程更加复杂。无论是浅源地震还是中深源地震,震源机制解都呈现显著的多样性,无法简单地用印度—欧亚板块的陆陆碰撞俯冲模式进行解释[51,52]。但是这些地震的发生存在很强的规律性,揭示了不同构造背景的差异(图5)。在喜马拉雅造山带南坡,

图5

图5   喜马拉雅造山带1960年以来发生的大于Mw 5.5地震的震源机制解[2]

Fig.5   Focal mechanisms of earthquakes of Mw>5.5 occurred in Himalayan orogenic belt since 1960[2]

不同颜色表示不同类型的震源机制解;黑色:逆冲型,蓝色:走滑型,红色:正断层型

Different colors represent different types of focal mechanisms; Black: Thrust fault; Blue: Strike slip fault; Red: Normal fault


地震活动以低角度逆冲型为主,表明MHT是该地区大地震的主要发震构造[53]。走滑型地震覆盖造山带北坡大部分地区,同时正断层型地震主要在造山带北坡中部地区比较发育,这些地震主要位于西藏岩石圈上地壳内,应力场呈现复杂的水平和深度方向上的变化,拉张、剪切作用伴随板块碰撞俯冲作用同时发生。

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