王雙緒 朱良玉 徐晶 季靈運 蔣鋒云

中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西省西安市西影路316號 710054

0 引言

地震活動圖像是地震空間分布的直觀表象。大震前區(qū)域地震活動圖像中的“空區(qū)”、“條帶”等異常圖像（梅世蓉等，1993），或者大震后與之相關的構造區(qū)域出現(xiàn)特殊的地震活動形態(tài)，可能反映了區(qū)域構造動力環(huán)境和地殼介質應力狀態(tài)的變化。自20世紀80年代以來，我國地震專家對地震活動條帶的特征開展了大量系統(tǒng)研究。陳章立等（1981）認為7級以上大震前小震活動“條帶”的出現(xiàn)有一定普遍性；韓渭賓等（1985）、劉蒲雄等（1989、1993）給出了條帶的劃分及異常條帶的判別方法，對條帶與大震的關系進行了統(tǒng)計分析。近十多年來，隨著地震精定位、地震波形數(shù)據(jù)處理和大型計算技術的發(fā)展，在中國強震前兆地震活動圖像機理的三維數(shù)值模擬（蔣長勝等，2005；陸遠忠等，2007）、地震空區(qū)條帶和前震的地震波識別（劉文龍等，2006）研究等方面取得了諸多進展。地震活動條帶圖像被看作是地震預測研究中最常用的方法之一（劉瑩甄等，2011）。這些研究成果在我國地震預測研究與實踐中發(fā)揮了重要作用。

2015年4月25日尼泊爾發(fā)生了8.1級大震，諸多專家學者對這次8.1級地震的孕震構造背景和特征（劉靜等，2015）、地震破裂過程（張勇等，2015）、這次地震與喜馬拉雅弧的歷史地震（杜方等，2016）以及喜馬拉雅造山帶未來地震趨勢（趙根模等，2015）等開展了大量研究，取得了較多研究成果。但對此次尼泊爾8.1級大震后，在發(fā)震構造以北的青藏高原地區(qū)形成的中強以上地震活動NE向條帶及其機理，尤其是對我國西部未來地震活動影響的研究仍需深入。對此，本文將該地震活動條帶的基本特征與地質構造動力環(huán)境及以GPS水平位移為約束的數(shù)值模擬相結合，探尋了其形成機理及其對未來強震活動趨勢的預示意義。

1 尼泊爾8.1級地震后青藏高原中強以上地震活動的NE向條帶特征

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心地震目錄，2015年4月25日在印度板塊與歐亞板塊碰撞的動力邊界喜馬拉雅弧中段發(fā)生了尼泊爾8.1級大地震，在震后1年多的時間里，在發(fā)震構造以北的青藏高原地區(qū)相繼發(fā)生了2015年4月25日西藏定日5.9級、4月26日西藏聶拉木5.3級、10月12日青?，敹?.2級、11月23日青海祁連5.2級、2016年1月14日西藏安多5.3級、1月21日青海門源6.4級、5月11日西藏丁青5.5級、5月22日西藏定日和定結兩次5.3級、10月17日青海雜多6.2級和12月5日西藏聶榮縣5.1級等10余次中強以上地震，震中主要分布在從西藏南部開始朝NE方向橫穿青藏高原內部多個次級構造單元到達青藏東北緣的狹長地帶（圖1，表1），表明中強以上地震群體性活動表現(xiàn)為典型的條帶狀。

初步分析認為，該地震活動條帶有如下基本特征：①其空間分布主要表現(xiàn)為地震活動沿著印度板塊擠壓青藏高原的NE向主動力作用方向展布，且其形態(tài)大體上與1996年前后西藏榭通門-包頭NE向6級左右及以上地震活動條帶（圖2；趙振才等，1999；李永林等，2000）相似。②其在發(fā)育形成過程中地震的震中位置呈跳變特征，而非嚴格意義上的由南向北擴展遷移。③條帶內地震活動強度隨著時間呈波動性起伏變化，而非簡單的增強或衰減（表1）。

2 青藏高原地區(qū)NE向地震活動條帶的構造動力環(huán)境與機理分析

2.1 青藏高原NE向地震活動條帶的地質構造動力環(huán)境簡析

在中國大陸周邊板塊邊界的動力作用中，印度板塊對中國大陸的作用最為重要（張國民等，1994）。近年來，我國西部邊鄰印度板塊北推碰撞邊界動力源區(qū)，接連發(fā)生了2015年4月25日尼泊爾8.1級、10月26日興都庫什地區(qū)7.8級、12月27日塔吉克斯坦7.4級、2016年4月10日阿富汗7.1級和4月13日緬甸7.2級等7級以上強烈地震，反映了印度板塊北推動力作用增強。尤其是2015年4月25日尼泊爾8.1級大地震的發(fā)震構造位于印度板塊北推碰撞歐亞大陸形成的喜馬拉雅造山帶中段，由于印度板塊長期向北推擠青藏高原，二者相接觸的動力邊界地帶應力積累極高。尼泊爾8.1級大地震的低角度逆沖錯動，很快就觸發(fā)了西藏南部地區(qū)近SN走向、正斷層張性活動的定日5.9級（2015-04-25）和聶拉木5.3級（2015-04-26）地震。這表明越是接近上述動力邊界地帶，對大震事件的反映越敏感。隨著尼泊爾8.1級大震后時間的推移，在青藏高原中部地區(qū)1年多時間里發(fā)生了10余次中強以上地震，形成了從西藏南部開始沿著NE向主動力作用方向橫穿青藏高原內部的拉薩地塊、羌塘地塊、巴顏喀拉地塊、柴達木-祁連地塊等次級構造單元的地震活動NE向條帶（圖1）。初步認為，這一方面與尼泊爾大地震低角度逆沖錯動、地殼應力應變能向北傳遞有關；另一方面反映了目前在印度板塊北向推動力環(huán)境增強背景下，青藏塊體本身具有較高的應力水平。

圖1 2015年4月25日尼泊爾8.1級地震后青藏高原中強以上地震活動的NE向條帶分布

表1 2015年4月25日尼泊爾8.1級地震后青藏高原NE向地震條帶中強以上地震活動統(tǒng)計結果

圖2 1996年前后青藏高原及東北部鄰區(qū)6級以上地震的NE向條帶狀分布

2.2 以GPS水平位移為約束的數(shù)值模擬與NE向地震活動條帶的機理初探

尼泊爾8.1級地震后青藏高原形成了NE向中強以上地震活動條帶宏觀特征和構造動力環(huán)境。由于印度板塊向北推擠是我國西部產生構造形變與地震活動的主要動力來源（丁國瑜等，1991），而從青藏高原及周緣2009～2015年GPS水平運動速度場（圖3，資料截止2015年尼泊爾8.1級地震后）可以清楚地看到，青藏高原中部的主體運動方向為NE向，與地質時期青藏高原擴展及前述的NE向地震活動條帶展布的方向大體一致。這就使我們想到，在青藏高原現(xiàn)今地殼運動動力背景下，是否能夠在高原內部形成NE方向的高應力／應變帶呢？對此，我們采用二維彈塑性有限元技術，以GPS水平運動速度場為邊界約束，對青藏高原地殼應變狀態(tài)進行數(shù)值模擬分析。

首先，我們在建模思路上，根據(jù)青藏高原運動變形以活動地塊為主，依據(jù)斷層滑動、地塊旋轉與內部變形相共生的特征（張培震，2003、2008），除用摩擦邊界描述斷層運動特性外，主要用彈塑性模型描述地塊內部變形和旋轉，認為各次級地塊的屈服強度有差異，這種差異不僅導致地殼應力分布不同，也使應力在地塊之間傳遞時的優(yōu)勢方向有差異。進而通過對各次級地塊的塑性強度進行模擬測試，分析其對青藏高原內部塑性應變分布的影響。

圖3 尼泊爾8.1級地震后青藏高原及周緣M S≥5.0地震分布與2009～2015年GPS水平運動速度場（相對于歐亞大陸）

其次，依據(jù)青藏高原不同級別構造建立二維平面有限元幾何模型（李煜航，2014）。將青藏高原周邊區(qū)域（印度板塊，塔里木地塊，阿拉善地塊，華南地塊和桑達地塊）假設為參數(shù)一致的彈性介質，彈性模量取90GPa、泊松比為0.25；內部設為塑性變形區(qū)，將其劃分為5個二級地塊和15個三級地塊。由于各地塊所處構造和介質不盡相同，其屈服強度也是差異顯著，基于此，我們用由整體到局部、逐次漸近的方法來分析各地塊強度差異的影響。①以圖3中一級塊體邊界來建立有限元幾何模型，這樣只需要測試一個屈服強度參數(shù)即可粗略估計青藏高原塑性變形的屈服強度；②據(jù)二級地塊邊界建立幾何模型；③利用三級地塊邊界建立幾何模型，進一步細化研究三級地塊強度差異對整個構造變形的影響。

第三，鑒于塑性變形區(qū)的塑性參數(shù)一般取決于屈服準則，為了減小模型參數(shù)過多的影響，本文采用參數(shù)最少的Von-Mises應力屈服準則。該準則認為：當某一點應力狀態(tài)達到某一定值時，該材料處于塑性狀態(tài)，且應力狀態(tài)始終保持不變（王平等，2006）。因此在模擬過程中只需設置臨界應力狀態(tài)即可模擬塑性變形。Von-Mises應力屈服準則一般將應力張量的第二應力不變量表示為

其中，σx，σy，σz，τxy，τyz，τzx為應力分量。這樣設置臨界應力狀態(tài)（第二應力不變量）之后，就確定了塊體的屈服強度，即可模擬塑性變形。在設置模型邊界條件時，對于一級塊體邊界區(qū)域用2009～2015年GPS作速度場內插獲得；將一級塊體之外的區(qū)域設置為自由邊界，通過地質學方法確定的一級活動塊體第四紀歐拉極來計算出模型邊界的滑動速率（許才軍，2002）。

圖4 基于二維彈塑性有限元模擬的等效總塑性應變與2015年4月～2016年12月研究區(qū)內M S≥5.0地震分布

分析大量的數(shù)值模擬測試結果發(fā)現(xiàn)，在青藏高原現(xiàn)今的邊界動力環(huán)境下，高原內部的次級地塊當中，當松潘-甘孜地塊的塑性強度較其它所有次級塊體小時，青藏高原中部產生的等效總塑性應變優(yōu)勢分布方向呈NE向（圖4中的高塑性應變帶A），這與Huang et al（2006）通過地震層析成像技術獲取的中國大陸P波速度結構中反映的青藏高原內部松潘-甘孜地塊相對較低的速度結構一致。因此，我們可以認為強度相對較弱的松潘-甘孜地塊對青藏高原內部物質的NE向遷移具有重要作用，可能是控制形成現(xiàn)今應變場高應變帶的主要因素之一，也在一定程度上解釋尼泊爾8.1級大震后在青藏高原內部出現(xiàn)中強以上地震活動NE向條帶分布的現(xiàn)象。進而認為，在青藏高原獨特的內部構造和外部動力作用下，高原內部存在的NE方向高塑性應變條帶具有較高的地震活動背景。如前所述的尼泊爾8.1級大震后青藏高原內部NE向地震條帶的三個基本特征，尤其是條帶內發(fā)震位置的來回跳變與震級強度的起伏變化，反映了大的構造動力環(huán)境作用增強、以及動力邊界大震事件的疊加效應對青藏高原內部構造應力變化影響的復雜性。因而，這種NE向地震活動條帶不僅是統(tǒng)計學現(xiàn)象，也可能是高原內部地球動力學過程的反映。

另外，從青藏高原東緣現(xiàn)今活動斷裂的展布上來看，在甘孜-玉樹-鮮水河斷裂帶以北主要發(fā)育近似EW向的走滑斷裂，而在該斷裂以南的區(qū)域主要發(fā)育近SN向的走滑斷裂（Tapponnier P et al，2001），這也說明該斷裂兩側的川西地塊與松潘-甘孜地塊在強度上有一定差異，且因松潘-甘孜地塊的相對柔性區(qū)，阻斷了高原東部SN向斷裂的北向延伸，這與本文中模擬的高塑性應變帶在SN方向也只延伸到松潘-甘孜地塊的結果類似。還有，塑性應變高值區(qū)除了沿著NE向延伸之外，在青藏高原東部-南北地震帶上的川滇交界地區(qū)也有較為顯著的分布（圖4中黃色矩形區(qū)域B），反映在該區(qū)域依然具有較高的塑性應變背景，在喜馬拉雅碰撞帶發(fā)生大地震造成應力擾動的情況下很容易觸發(fā)強震。

3 青藏高原NE向地震活動條帶對未來強震趨勢的預示意義

據(jù)已有研究結果，與構造相關的地震活動條帶等典型地震活動圖像具有整體性“場”的含義（陳章立等，1981；劉蒲雄等，1993），是大的構造動力環(huán)境和區(qū)域應力場變化的反映。近年來，我國西部邊鄰印度板塊北推碰撞的邊界動力源區(qū)，接連發(fā)生了喜馬拉雅弧中段的2015年4月25日尼泊爾8.1級大地震，喜馬拉雅西部弧頂附近的2015年10月26日興都庫什7.8級、12月27日塔吉克斯坦7.4級和2016年4月10日阿富汗7.1級地震以喜馬拉雅東部弧頂附近的2016年4月13日緬甸7.2級等強烈地震，反映了我國大陸西部鄰區(qū)正處于印度板塊北推碰撞作用增強背景下的強構造活動動力環(huán)境之中。而印度板塊與歐亞板塊碰撞的動力邊界-喜馬拉雅弧東、西二弧頂及整個喜馬拉雅弧應力積累進而發(fā)生大震，能夠引發(fā)西藏謝通門至內蒙包頭的NE向地震活動條帶的地震活動，觸發(fā)南北地震帶、新疆天山地震帶和青藏地區(qū)的地震活躍（李永林等，2000）。若將2015年4月25日尼泊爾8.1級大地震后，青藏高原內部形成的NE向中強地震活動條帶與1996年前后西藏榭通門-包頭NE向6級左右及以上地震活動條帶（圖2）相比較，可以看出二者形態(tài)上既有一定的相似之處——都是沿印度板塊擠壓碰撞的NE向主構造動力方向展布，又有不同之處——1996年的條帶規(guī)模、震級水平都較近期的條帶要高。尤其值得注意的是1996年前后西藏榭通門-包頭NE向6級左右及以上地震條帶形成前，強震活動主體區(qū)域基本上以喜馬拉雅東部弧頂影響域為主，相繼發(fā)生了1995年7月中緬邊界7.3級、1995年10月云南武定6.5級、1996年1月云南姚安6.5級、1996年2月麗江7.0級等強烈地震；而這一條帶形成后，強震活動則向其西側遷移，接連發(fā)生了1996年11月喀喇昆侖7.1級、1997年11月西藏瑪尼7.5級、1998年新疆伽師6.8級強震群和阿圖什6.9級以及2001年昆侖山口西8.1級等強烈地震。反映了沿NE向主構造動力作用方向形成典型地震活動條帶圖像，對未來強震活動趨勢變化具有一定的預示意義。再考慮趙根模等（2015）的研究結果：2015年尼泊爾8.1級地震后，未來大震可能沿喜馬拉雅帶的走向發(fā)生縱向遷移，將在喜馬拉雅帶東段發(fā)生更大的地震，也可能沿著與喜馬拉雅帶走向垂直的方向向北遷移（即橫向遷移），喜馬拉雅一帶發(fā)生大震后，中國西南地區(qū)緊隨其后也要發(fā)生大地震，也應該同時關注新藏三角區(qū)、帕米爾-貝加爾帶的震情發(fā)展。因而未來我國西部地震趨勢可能呈現(xiàn)為在上述青藏高原NE向中強地震條帶附近強震活動的“填空性”（與1996年前后的條帶相比，地震活動強度還不夠），以及該條帶東（南北地震帶）、西（青藏高原西部-天山構造區(qū)）兩側大范圍強震活動的增強特征。

4 初步結論

綜上分析可以得出如下初步結論：

（1）2015年4月25日發(fā)生于印度板塊北邊界中段的尼泊爾8.1級地震后，青藏高原中部形成了沿著印度板塊擠壓青藏高原的NE向主動力作用方向展布、形態(tài)大體上與1996年前后西藏榭通門-包頭NE向6級以上地震活動條帶相似的NE向地震活動的條帶分布特征。

（2）上述NE向地震活動條帶，不僅是統(tǒng)計學現(xiàn)象，也可能是青藏高原內部地球動力學過程的反映。它是印度板塊北推擠壓動力作用增強環(huán)境下，動力邊界以北青藏高原NE向構造應力變化引起的構造活動響應，與尼泊爾大地震低角度逆沖錯動、地殼應力應變能向北傳遞有關。同時，高原內部存在著NE方向高塑性應變條帶，本身具有較高的應力水平。

（3）尼泊爾8.1級地震后青藏高原內部沿NE向主構造動力作用方向形成的典型地震活動條帶圖像，對我國大陸中西部強震活動趨勢變化具有一定的預示意義。未來我國西部地震趨勢可能呈現(xiàn)為在青藏高原NE向中強地震條帶附近強震活動的“填空性”、以及該條帶東、西兩側較大范圍強震活動的增強特征。今后應密切關注南北地震帶、青藏西部及新疆天山構造區(qū)強震的發(fā)生。

需要說明的是，由于認識水平所限，上述研究結果是很初步的。然而，對于我國大陸板塊邊界動力源區(qū)顯著大地震發(fā)生后，我國內陸相關構造區(qū)域出現(xiàn)的典型地震活動圖像及其預測意義的研究和探索，仍有待繼續(xù)深入。