全球地震和火山活动分布特征

全球地震和火山活动分布特征

0全球地震、火山构造区带的划分地震和火山的大部分特征是板块运动的结果，是当前地球动力学过程的一个重要现象（phetal.，1986；m宗金等人，1986）。近年来,火山与地震之间的关系得到越来越多的重视,例如Berryman等(2006)认为新西兰陶波地堑的地壳大断层和20km内的大规模流纹岩喷发存在某种耦合关系。Walter等(2007)研究了全球4个9级大震后的火山喷发,认为地震引起岩浆系统的减压将导致火山喷发。地震是岩石的破裂,严格地讲是断层的粘滑失稳。只有在破裂贯通时才产生失稳和压力降(马瑾,1989)。火山喷发涉及部分熔融,岩浆汇集到岩浆囊,围岩破裂与通道的形成,岩浆上升与脱气(囊泡化)碎裂化而失稳爆发(洪汉净等,2003)。虽然地震与火山具有非常不同的机制,但它们绝大多数都与板块边界活动有关(Bird,2003),最强烈的地震和火山都发生在俯冲带上。全球地震、火山构造区(带)的划分,是研究全球地震、火山等的时空分布特征,研究全球构造以及现今动力学过程的一个重要前提。陈培善等(1994)进行了全球地震地理分区。马宗晋等(2003)将全球现今活动构造划分为环太平洋、大洋脊和大陆三大构造系统,并分别论述了它们的运动学和动力学特征。认为环太平洋地震最集中、最强烈,最大特点是海沟、岛弧和弧后体系;大洋脊无特大地震和深源地震,强度比其它2个构造系统低;大陆构造系地震活动集中在北半球,沿纬向环带展布,4个地震区的东西半区呈反对称,震源浅,震源机制以水平力为主。三大构造体系的划分为进行全球地震分区和研究现今动力学奠定了重要基础。洪汉净等(2003)将全球火山活动分为三大区:西太平洋火山活动区,东太平洋火山活动区,以及大西洋火山活动区。为了进一步理解全球地震活动和火山活动的关系,本文在对美国国家地震信息中心地震目录NEIC(2009)①和Smithsonian研究所全球火山数据(Siebertetal.,2002)统计研究的基础上,应用三大构造系统的概念,进一步研究了火山分布与地震分布的关系。在分小区进行统计的基础上,认为可以分为碰撞带、大陆区和大洋区。几乎所有震源深度>70km的地震都位于碰撞带内(图1)。惟一例外的区域是南大西洋的大洋中脊附近的桑威奇板块(Sandwech)(Bird,2003)内有<300km的中深源地震。大洋区主要地震活动与大洋中脊活动有关,还有相当部分远离中脊的强震活动。1区域地震活动分布大陆地震以其片状的分散分布而不同于板块边缘的带状分布(马瑾,1989)。大陆火山与大洋火山的区别在于不同厚度、不同年龄的大陆岩石圈的存在(Menziesetal.,1990)。由于不均匀的大陆岩石圈构造,大陆应力场的变化更加明显,大陆火山活动比大洋火山更受应力场的影响,如大陆裂谷主要是由于岩石圈引张而形成的。(1)欧亚大陆:欧亚大陆是全球最大的大陆,这里的地震活动是除4个环太平洋俯冲地震区外全球第5强的地震活动区。绝大部分地震活动分布在中国及其邻区(洪汉净等,2003)。全新世火山分布在东亚、贝加尔南、戈壁、南海,主要为大陆玄武岩喷发,只有少数硅铝质喷发。(2)北美洲:北美大陆中部为稳定的加拿大-格陵兰地盾和中央台地组成的地台,西部为科迪勒拉褶皱带。北美洲板块主要地震活动位于西部,即在北美板块和太平洋板块交界附近。而又被胡安德福卡板块分为南北两区。由于圣安德列斯断层的右旋走滑,将门多西诺三联点向北推。三联点向北运动的速度大约为3～4cm/a(Underwoodetal.,1999)。这里的火山链有喀斯喀特、蛇河平原、胡安德富卡、加利福尼亚和阿拉斯加东(Woodetal.,1993)。(3)非洲:非洲大陆是冈瓦纳古陆的一个重要部分(Chorowicz,2005;Calaisetal.,2006),古近纪末以来,东部非洲在区域隆起的基础上出现裂谷运动。裂谷西支规模比较小,发生过一系列7级大震。东支火山活动比较广泛,未记录到M7以上的地震活动。东支向北的红海裂谷,主要地震活动发生在裂谷之北的死海转换断层上,这里的火山以大陆玄武岩为主。虽然也有一些巨大的层状火山,如尼拉贡戈火山,也是以玄武岩为主。非洲西部喀麦隆火山线是一条自三叠纪至今的地壳弱活动带,分布着大量的玛珥湖和玄武岩火山渣锥,主要是碱性火山岩。2其他方面的地震活动大洋区地壳具有新、薄和相对均匀的特征,地震活动相对较弱。岩浆活动主要是平静的岩浆溢出与洋中脊的扩张,没有形成火山喷发。有记录的火山喷发主要来自深部地幔的热柱,与海岛有关。(1)太平洋:太平洋的地震活动在大洋里面相对最弱,主要与东太平洋洋脊以及一些海岭有关。夏威夷火山代表着下部地幔的地幔柱活动(Paresetal.,2005),此外还有厄瓜多尔西面的科隆群岛的玄武岩盾状火山。(2)印度洋:在大洋中印度洋地震活动最强,而火山活动最弱。印度洋的地震活动除三叉形的印度洋洋脊的轴线附近外,在Bird(2003)划分的印度与澳大利亚板块边界有一系列地震活动,特别值得提出的是在澳大利亚西侧,横穿上述板块边界还存在一条NW向的稀疏的地震线,由一系列间隔1500km左右的M8、M7地震或M6震群组成,向南可以延伸到澳大利亚西南珀斯、南极洲附近,向西北延伸到印度的古吉拉特邦,其地震能量占到整个印度洋地区的4/5。这条地震带的原因还有待研究。(3)大西洋:主要地震火山活动沿大西洋中脊分布,冰岛的地震火山活动最显著(Geirssoetal.,2006)。除横贯大西洋的中脊外还有一些横向构造,南大西洋有分割南极洲板块和南美板块的板块边界。中大西洋,北纬20°左右有西面加勒比板块延伸出来的波多黎各海沟,北纬36°左右有阿尔卑斯断裂向西延伸与亚速尔微板块连接的横向构造——亚速尔海岭。丛集的火山群从北到南有冰岛、亚速尔、加那利、佛得角和桑威奇。喷发物主要是海岛玄武岩。冰岛火山主要是被称为冰岛岩的安山玄武岩。3外来地震活动的组织这里有最强烈的地震活动与火山喷发,地震活动与强烈的板块挤压有关,而火山喷发与俯冲脱水/固相线降低以及岛弧变形有关。可能最重要的是板块碰撞在这里产生巨大的能量,同时通过地震和火山表现出来。(1)地中海:从兴都库什到伊比利亚,为特提斯海关闭过程中残留的俯冲带。爱琴海有一个直达200km的俯冲带,以东主要以浅源地震为主,西侧的撒丁湾有一个亚德里亚向西南、非洲板块向北的俯冲带(Papazachos,1973)。最西部的直布罗陀俯冲带以27°倾角向北俯冲,深度为110km左右,但在600km处地震重新出现。主要火山链有意大利火山链和爱琴海火山链。(2)中美洲:从中美洲到加勒比板块西缘。包括墨西哥、危地马拉、萨尔瓦多、尼加拉瓜到哥斯达黎加,西部与中亚美利加海沟Cocos板块向东北俯冲有关(DeMets,2001),东部与大西洋板块向西俯冲有关。震源深度<300km。主要火山链有小安的列斯、哥伦比亚、加勒比和墨西哥。(3)南美洲:纳兹卡板块向东俯冲对这里的地震火山分布起着主要的控制作用(Pilger,1984)。在中北部俯冲深度可达670km左右,然而在300～500km深处均存在震源间断层。从北到南,发育哥伦比亚-厄瓜多尔、北智利、中智利火山链,而它们之间明显缺失火山活动。(4)阿留申:太平洋板块北缘的俯冲带,包括阿留申与西阿拉斯加,震源深度<300km。阿留申群岛弧后,东部为水深<300m的白令海陆架,西半部是阿留申盆地(Spence,1977)。由于这里太平洋的运动方向与岛弧有一些斜交,在太平洋周缘的俯冲带中活动相对较弱。主要火山链有西阿拉斯加、东阿留申、中阿留申、西阿留申,在西阿留申盆地的弧后,火山活动基本缺失,西段地震活动也相对较弱。(5)西北太平洋:最北面是千岛弧,太平洋板块以每年8～9cm的速率向千岛群岛下俯冲,可达600km。从NE向SW逐渐加宽,震源深度也由浅变深(Stauderetal.,1976)。从北到南有堪察加、千岛、北海道3条火山链,火山活动的强度有所减弱。千岛弧之南的日本弧(Uyedaetal.,1974)大至呈SN方向的带状分布。该俯冲板块以25°～27°倾角向西俯冲一直插入中国东北大陆之下,深度达620km。这里有著名的日本火山链。伊豆-小笠原弧,地震带从北向南由宽逐渐变窄,这意味着俯冲带的倾角从NW向NE由小变大。这里有伊豆和小笠原火山链。与马里亚纳火山链并列的马里亚纳弧(Karig,1971),其深源地震呈向东凸出的几乎对称的弧形分布,由北向南震源深度由深变浅,均以>80°的高角度俯冲,最大深度可达660km。密克罗尼西亚位于卡罗林与太平洋和菲律宾板块的结合带,缺失深震活动和火山活动。(6)西南太平洋:位于澳大利亚板块的东北缘,火山活动和强震活动都很强烈。西部由新几内亚、所罗门的岛弧组成,是澳大利亚板块向北(偏东)俯冲的结果;中部斐济是新赫布里底、瓦努阿图向东(偏北)俯冲的结果(Colleyetal.,1984);而东部汤加-科马德克-新西兰是太平洋板块向西俯冲的结果。(7)巽他:缅甸—北苏门答腊是印度-澳大利亚板块向东北俯冲的产物(Wiedickeetal.,2002),震源深度不超过300km。南苏门答腊—巴厘—佛罗里斯—班达是澳大利亚板块向北运动时同欧亚板块最东南端碰撞之处,俯冲可达上地幔底部。火山链有苏门答腊、巴厘、佛罗里斯、班达海、缅甸。(8)菲律宾:菲律宾板块西缘俯冲带,北段为向西俯冲的琉球弧,南段为菲律宾弧。菲律宾岛弧东西均存在海沟,北支为向东俯冲的马尼拉弧,南支为向西俯冲的菲律宾弧(Newhalletal.,1996)。火山链有九州、琉球、台湾、菲律宾、苏拉威西、马鲁古。4岛弧火山活动的区域分析(1)地震和火山都反映了地球表层的构造活动,因而地震活动区往往也是火山活动区。俯冲带的火山弧和强震活动带基本都相伴生。大角度俯冲的弧后火山活动最强,当板块运动方向与板块边缘走向成小角度相交时,缺少正面俯冲的动力,火山活动相对平静。欧亚大陆区地震基本上都发生在东部,而东部也是全新世火山活动地区。这种地震和火山活动同区的情况在北美大陆也可看到,全新世火山活动和强震基本上都发生在美国西部。(2)火山与地震强烈活动的大多在大地水准面(Geoid)异常高的区域(图2)。具有中深源地震的俯冲碰撞带基本上都在Geoid高区(Ahern,2004),中美洲俯冲带和巽他的西北段在高区边缘。大部分VEI≥4的火山喷发也发生在Geoid高区,Geoid低区只有中美洲和东非裂谷的火山。然而M≥8的地震发生在Geoid低区却占了28%,大部分发生在中国大陆、中美洲和美国大陆。地震层析成像结果表明低阶(1=2～3)Geoid高区相当于下地幔低速区(Hageretal.,1985),Vermeersen等(2006)认为高阶Geoid高和浅部低速层的重力均衡调整有关。这种物质流动可能是产生强烈地震火山活动的原因。(3)俯冲带上有>500km深震的地段,火山活动较弱,往往没有历史火山喷发,或者缺失VEI≥4的大喷发。(4)岛弧火山链走向大致与主压应力正交,而裂谷型火山链走向大致与主压应力平行。亚洲大陆内部火山链,如贝加尔南北火山链、五大连池、长白山等所处的东亚火山链,都与主压应力垂直,说明这些都是与地壳挤压有关。5大陆地区与火山根据NEIC地震目录,分4个时期统计了各区1902—2006年M6以上震级的地震能量(图3),从各区地震能量分布曲线随时间的变化看,各区地震能量释放是很不均匀的,而且是不断变化的。全球地震活动能量分配格局有实质性的变化,总体上碰撞俯冲带的能量最大,然而各带的份额变化很大。第1期西南太平洋和南美洲最大,而第2,3期却是西北太平洋最大,第4期又是西南太平洋最大。大陆地震活动的份额百年来逐渐减小,在1953年之前欧亚大陆区活动强烈非常引人注目,特别是在1902—1920年,欧亚大陆的地震活动甚至高于所有俯冲碰撞带。百年来,全球总的地震能量分布是随时间变化的,选取M≥8的地震,VEI≥4的火山,分4个时期进行统计地震与火山平均纬度随时间的变化:1)1902—1920年;2)1921—1953年;3)1954—1979年;4)1980—2006年。地震与火山变化表现出同步的变化(图4)。岩石圈板块与地幔对流的相互作用与互相反馈,导致了地震活动与火山活动的分布存在某种同步性。朝鲜半岛及其附近1000—1990年间火山喷发都出现在烈度高于Ⅶ的地震数目的高峰附近(Kyungetal.,1996,)。2005年东非裂谷张开,达巴胡火山岩浆侵入,与全球南部大洋地震活动加强同步,在此前后,伴随着印尼苏门答腊9级地震的发生,全球地震活动向南迁移。然而,毕竟地震与岩石破裂有关,而火山与岩浆热活动有关,两者涉及不同的机制,也会有非常不同的表现。有时全球地震低潮期却为火山活动高潮期,如1980—1992年,全球地震低潮,而发生了3个大火山喷发。6讨论6.1wsp的控制作用地震与岩石破裂有关,而火山与岩浆热活动有关,两者表现不同,也涉及不同的机制。比如俯冲-碰撞带上地震和火山都很强烈,但是火山集中在震源深度100～150km的带上。但是,除了热点外,火山和地震都受板块运动的控制(Pressetal.,1986),都与板块相对运动能量的释放有关。世界应力图(WSP)显示了板块运动对应力场的控制作用(Zoback,1992),板块运动主要受俯冲带的板片拉力和洋脊推力作用(Stern,2007),而俯冲带的板片拉力是由负浮力产生的,与重力、热力有关,洋脊推力是地幔上涌的结果,虽然初始岩石圈引张可能是岩石圈应力场所造成的,更多的是热活动的结果。另一方面,板块运动对地幔运动有控制作用(Martinetal.,2008),如俯冲带的位置控制地幔对流下沉流的位置,裂陷活动和地壳引张最终导致了大洋中脊的形成和岩浆上升(McKenzie,1969)。根据NEIC目录统计,全球地震活动所释放的能量中,碰撞带占81.6%,大陆占13.3%,大洋区占5.1%,而根据Fisher等(1984)全球喷发的岩浆中发散的板块边界占73.2%,聚敛的板块边界占14.6%,海洋板块内部占9.8%,大陆板块内部占2.4%。发散板块边界的岩浆大部分都是平静溢出,而伴随应力释放的破裂与火山喷发都较弱。6.23板块和大陆地震活动的表现几乎所有震源深度>70km的地震都位于碰撞带内。俯冲—碰撞活动区有最强烈的地震活动与火山喷发。地震活动与强烈的板块挤压有关,主要以逆冲形式出现;而火山喷发与俯冲脱水/固相线降低以及岛弧变形有关,主要以层状火山的爆炸式喷发为主。板块碰撞在这里产生巨大的能量,同时通过地震和火山表现出来。大洋区地壳具有新、薄和相对均匀的特征,地震活动相对较弱,主