引用本文
郑文俊, 王庆良, 袁道阳, 张冬丽, 张竹琪, 张逸鹏. 活动地块假说理论框架的提出、 发展及未来需关注的科学问题[J]. 地震地质, 2020,42(2): 245-270.
ZHENG Wen-jun, WANG Qing-liang, YUAN Dao-yang, ZHANG Dong-li, ZHANG Zhu-qi, ZHANG Yi-peng. THE CONCEPT, REVIEW AND NEW INSIGHTS OF THE ACTIVE-TECTONIC BLOCK HYPOTHESIS[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(2): 245-270.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.02.001
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活动地块假说理论框架的提出、 发展及未来需关注的科学问题
郑文俊1,2), 王庆良3), 袁道阳4), 张冬丽1,2), 张竹琪5), 张逸鹏1,2)
1)中山大学地球科学与工程学院, 广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室, 广州 510275
2)南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 珠海 519082
3)中国地震局第二监测中心, 西安 710054
4)兰州大学地质科学与矿产资源学院, 兰州 730000
5)中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029;

〔作者简介〕 郑文俊, 男, 1972年生, 教授, 博士生导师, 主要从事新构造、 活动构造、 构造地貌与地震危险性评价方面的研究工作, E-mail: zhengwenjun@mail.sysu.edu.cn。

收稿日期: 2020-02-11
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFC1500100)、第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0901)、 广东省引进人才创新团队(2016ZT06N331)和国家自然科学基金(41590861, 41774049, 41572197, 41674051)共同资助
摘要

由中国科学家提出的 “中国大陆强震受控于活动地块运动与变形”的假说, 不仅可用于解释中国大陆强震的空间分布, 同时基于其理论和定义可将中国大陆划分为6个Ⅰ级活动地块和22个Ⅱ级活动地块。 活动地块之间的边界带往往由活动构造带组成, 一般宽约几km至百余km, 是强烈地震的多发区。 活动地块假说指出, 已发生的近100%的8级以上强震、 约80%的7级以上强震震中均位于地块边界带上。 近年来, 中国大陆几次7级以上强震也都发生在活动地块边界带, 这不仅验证了活动地块假说的理论模型, 同时还预测了未来强震就发生在活动地块边界带内某些有利于应力集中的部位。 活动地块假说经过近20a的发展, 已建立并逐步完善了其理论框架, 奠定了中国活动构造与强震预测的理论基础, 正推动着强震预测由概率预测向物理预测过渡。 但就活动地块的概念和理论框架而言, 还存在的诸多问题需进一步回答和解释。 众所周知, 强震是活动地块边界带特殊构造部位应变逐渐积累、 介质突发失稳和能量释放的结果, 地震预测的突破性进展需要建立在充分理解其整个物理过程的基础之上。 因此, 以边界带断裂的活动性、 现今的变形状态、 深浅构造的耦合关系、 强震孕育环境及震源物理模型为主要研究内容, 开展针对活动地块边界带强震活动机理与预测的研究, 是活动地块理论完善和研究未来关注的重要内容和重要科学问题。

关键词: 中国大陆; 活动地块; 边界带; 构造特征; 强震活动
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)02-0245-26
THE CONCEPT, REVIEW AND NEW INSIGHTS OF THE ACTIVE-TECTONIC BLOCK HYPOTHESIS
ZHENG Wen-jun1,2), WANG Qing-liang3), YUAN Dao-yang4), ZHANG Dong-li1,2), ZHANG Zhu-qi5), ZHANG Yi-peng1,2)
1)Guangdong Provincial Key Laboratory of Geodynamics and Geohazards, School of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
2)Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai), Zhuhai 519082, China
3)The Second Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi’an 710054, China
4)School of Earth Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
5)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

The hypothesis that strong earthquakes in China mainland are controlled by the movement and interaction of active-tectonic blocks was advanced by Chinese scientists, with the remarkable ability to encompass geological and geophysical observations. Application of the active-tectonic block concept can illustrate 6 active-tectonic block regions and 22 active-tectonic blocks in mainland China and its neighboring regions. Systems of active-tectonic block boundaries are characterized by a zone of decades or hundreds of strong earthquakes. One of the greatest strengths of the modern active-tectonic block hypothesis is its ability to explain the origin of virtually all the M8 and 80% M7 earthquakes on the main continent in eastern Asia. In other words, active-tectonic block boundary stands in strong causal interrelation with recurrence behaviors of strong earthquakes and thus, it is possible to predict an earthquake occurrence in principle. After nearly two decades of development and improvement, the active-tectonic block hypothesis has established its theoretical foundation for the active tectonics and earthquake prediction, and is promoting the transition from probabilistic prediction to physical prediction of strong earthquakes. The active-tectonic block concept was tested by application to a well-documented, high-frequent earthquake area, and was found to be an effective way of describing and interpreting the focal mechanism and seismogenic environment, but there are still many problems existing in the active-tectonic block hypothesis, which confronts with rigorous challenges. Future progress will continue to be heavily dependent on the high-precision synthetic seismogram, especially of critical poorly documented settings. It is well known that strong earthquakes occur anywhere in the interactions among the active-tectonic block boundaries where there is sufficient stored elastic strain energy driving fault propagation, and then releasing the stored energy. Therefore, future studies will focus on the mechanism and forecast of the strong earthquake activity in the active-tectonic block boundary zone, with fault activity within the active-tectonic block boundary zone, quantifying current crustal strain status, upper crust and deep lithosphere coupling relation, strong earthquake-generating process and its precursory variation mechanism in seismic geophysical model as the main research contents, which are the key issues regarding deepening the theory of active-tectonic block and developing continental tectonics and dynamics in the modern earth science.

Keyword: China mainland; active-tectonic block; active boundary zone; tectonic characteristics; strong earthquake activity
0 引言

板块构造学说的建立是20世纪最伟大的地球科学创举。 该学说不仅解释了地球上众多的地质地貌现象, 同时也成功地解释火山、 地震的分布特征、 形成机制和活动, 以及资源矿产的生成和分布等(McKenzie et al., 1967; Le Pichon, 1968; Morgan, 1968; 傅承义, 1972; 李春昱, 1986)。 对地震机理的解释而言, 一方面, 各大板块边界带上分布着全球85%的浅源地震、 全部的中源和深源地震, 板块构造学说可以很好地解释这些板缘地震发生的原因和动力特征(张国民等, 2000), 也可据此对未来可能发生地震的类型及特征进行判断; 另一方面, 板块构造学说建立的主要基础是海洋板块以及海洋板块与大陆板块碰撞边界带上的一些地质地球物理证据, 并以此为基础在全球划分出多个地震带(李善邦, 1981; 吴佳翼等, 1988)。 但因海洋板块与陆地板块的特征差异, 发生在大陆板块内部的一些大型、 特大型地震却很难用板块构造学说的理论去解释(张国民等, 2000; 张培震等, 2003)。

中国大陆地处地中海-喜马拉雅地震带和环太平洋地震带的交会部位, 是全球大陆地震最频繁、 地震灾害最严重的地区之一, 仅20世纪的百年中, 占全球陆地面积7%的中国大陆地区就发生了全球35%的7级以上大陆地震(张国民等, 1999; 张培震等, 2003)。 在地震风险趋势方面, 中国大陆有53%的面积、 近二分之一的城市、 三分之二百万以上人口的城市位于Ⅶ 度以上的地震高烈度区(徐锡伟, 2006; 徐锡伟等, 2016; 邓起东等, 2018), 近百年来地震造成的直接死亡人数达50万以上(张国民等, 1999; 张培震等, 2003)。 随着全球经济快速发展、 人口快速增长、 城市快速扩张以及大型、 特大型区域性重大工程的建设, 地震灾害造成的损失也呈现加速趋势(王根龙等, 2006; 吴吉东等, 2018; 李昌珑等, 2019)。 近20a来, 发生在中国大陆的几次大地震造成了巨大的人员伤亡和经济损失, 其中经济损失呈现明显的上升趋势(刘双庆等, 2010; 刘金龙等, 2012)。

在当今全球性地震灾害活动加速发展的趋势下, 中国作为全球强震活动最频繁、 地震灾害最严重的国家, 所面临的防震减灾形势更为严峻和突出(张国民等, 1999)。 20世纪初期以来, 中国大陆发生的一系列7级以上破坏性地震均属板块内部地震, 同样也很难用板块构造的理论解释, 而在无法对中国大陆的强震机理进行合理解释的情况下, 就很难对强震的趋势进行科学的判断。 20世纪后期, 在国家重点基础研究发展计划(973)项目的支持下, 中国科学家基于地震地质、 地球物理、 大地形变、 地震活动性等资料, 在总结和延续前人研究成果的基础上(邓起东, 1980; 卢演俦等, 1985; 丁国瑜等, 1986; 丁国瑜, 1991; 邓起东等, 1994, 2002), 提出了 “ 中国大陆强震受控于活动地块运动与变形” 的假说, 用于解释中国大陆强震活动的空间分布特征、 活动规律和机理(张国民等, 1999, 2000; 张培震等, 2003)。 经过近20a的发展, 逐步建立和完善了活动地块假说的理论框架, 由此奠定了中国活动构造与强震预测的理论基础, 并推动着强震预测由概率预测向物理预测过渡。 但是, 就活动地块的概念和理论框架而言, 还存在诸多问题需要进一步去回答和解释。

1 活动地块假说的前世

Wegener(1929)和Vine(1977)提出大陆漂移假说后, 受到了多方质疑, 这些质疑主要集中在其立论依据方面, 如地质和大地测量证据、 漂移机理等。 随后, 该学说受到了几十年的冷落并在一段时间内销声匿迹。 在第二次世界大战期间, 因军事需要获得了大量的海底探测资料后, 20世纪60年代初期, Dietz(1961)和Hess(1962)提出了海底扩张假说, 其主要观点认为刚性岩石圈驮在软流圈上移动, 对流发生在软流圈中, 由此回答了大陆漂移假说所面临的最受质疑的问题。 海底扩张假说的提出, 解释了大陆漂移和产生板块扩张边界的机制, 也随之引起了科学家们对沉寂近40a的大陆漂移假说的关注。 20世纪60年代后期, 不同学者分别通过板块之间的运动、 转换断层、 板块间相对运动速率等研究提出了板块构造学说, 成功地解释了地球大地构造演化、 岩浆活动、 矿产富集、 地震活动等现象和过程(McKenzie et al., 1967; Le Pichon, 1968; Morgan, 1968; 傅承义, 1972; 李春昱, 1986)。 在地震活动特征及机理方面, 大量地震学资料不仅为板块构造学说的建立提供了直接证据, 也验证了板块构造学说的一些预测, 同时, 板块构造理论也为地震学的研究提供了新的、 合理的框架(Isacks et al., 1968; Cox, 1973)。

在这个时期, 中国科学家也开展了针对中国大陆构造演化过程与特征的研究, 并与国际地球科学观点和思想进行了联合和衍生, 先后提出了多个具有一定影响的大地构造学说: 李四光运用力学理论研究地壳构造与运动规律, 在构造体系概念基础上建立了地质力学理论(Li, 1933; 李四光, 1945; 1973); 在吸收和集成槽台学说理论的基础上, Huang(1945)和黄汲清等(1962)提出了多旋回构造学说, 陈国达(1956, 1959, 1965, 1986, 1996)提出了地洼学说; 在地球收缩说思想的基础上, 张伯声提出了地球波浪状镶嵌构造学说(张伯声, 1959, 1962, 1965, 1966; 张伯声等, 1980); 随着板块构造学说的提出以及中国科学家对中国大陆构造的研究进展和认识的提高, 张文佑组织对中国大地构造单元进行了划分(中国科学院地质研究所大地构造编图组, 1959, 1974)并提出了断块构造学说(张文佑, 1983, 1984)。 这些学说不仅解释和建立了中国大陆区域的构造框架, 同时也对中国大陆的矿产资源、 构造作用和岩浆活动、 地形地貌特征等进行成因解释和预测。 此外, 也对这一时期发生的强烈地震灾害的成灾机理进行了解释(张文佑等, 1973, 1977; 中国科学院地质研究所大地构造编图组, 1974; 邓起东等, 1978, 2009; 马宗晋等, 1980; 张伯声等, 1980; 张文佑, 1980; 张德成等, 1984; 曾秋生, 1986; 李安然, 1992)。

板块构造理论于20世纪70年代初期被逐步引入中国(傅承义, 1972, 1976; 尹赞勋, 1973), 并经历了不断发展。 此后, 中国科学家也针对中国大陆的板块构造体系和特征, 对中国大陆板块构造进行了划分和探讨(郭令智等, 1984; 李春昱, 1986)。 但是, 由于中国大陆是典型的陆内板块, 板块间及板块内部的活动特征很难用板块构造学说的理论予以诠释。 基于海洋板块与陆地板块之间的差异, 以及块体间运动特征差异导致的活动性差异, 张文佑提出中国大陆构造存在明显的活动分区, 并逐步建立了断块构造理论(中国科学院地质研究所大地构造编图组, 1959, 1974; 张文佑, 1983, 1984)。 该理论认为岩石圈被断裂分割成大小不等、 深浅不一和发展历史不同的断裂块体, 这种构成岩石圈的多层、 多级和多次发展的断块构造, 不仅解释了中国大陆地层发育、 岩浆活动等的关系和特征, 同时也为发生在中国大陆及邻区的一系列地震给出了较为明确的解释(中国科学院地质研究所大地构造编图组, 1974; 张文佑等, 1978; 张文佑, 1983)。 断块构造的理论框架按年代及成因特征的不同, 以断块、 断拗和断褶3个类型为主, 整体上将中国大陆分为多个断块区(中国科学院地质研究所大地构造编图组, 1974), 并在后期研究和综合的基础上进行了补充和完善(张文佑等, 1978; 张文佑, 1983)。

关于断块构造与地震之间的关系, 前期的断块构造学说认为, 新构造运动时期, 中国大陆华夏、 西域、 西藏3个断块区进一步形成和发展, 其边界受不同类型构造所控制, 沿这些断块边界, 构造运动和地震活动均比较强烈, 如20世纪早中期的多次特大地震均发生在这些边界带上。 另外, 提出3大断块区内部次一级的活动断块边界是一系列浅源地震活动的位置(中国科学院地质研究所大地构造编图组, 1974)。 但这种断块的划分方式主要考虑的是岩石圈尺度上的断层分区, 断裂以深大断裂为主。 基于断块构造的活动特征, 邓起东(1980)认为在大陆板块内部存在不同规模和不同活动特征的块体, 中国大陆地区新生代断块构造活动就是板块进一步细划的一个重要证据。 其基于地震活动特征和断裂构造活动提出了活动断块的说法, 认为活动断块是被晚第四纪120~100ka BP以来的活动断裂带、 活动褶皱带和活动盆地带等围限的块体, 它们反映了最新构造活动(邓起东, 1980; 邓起东等, 1994, 2002), 并明确提出了活动断块的特征和活动性质等。

此外, 研究的另一个主要方面就是块体的运动状态。 卢演俦等(1985)依据鄂尔多斯周缘地震断层的错动方向, 探讨了块体相对运动的特征, 认为板内地块边界带的构造变动可能严重地受到地块间相对运动的制约。 丁国瑜等(1986)对中国现代板内运动进行了初步探讨, 用块体的概念讨论了中国大陆内部的变形速率, 并在后续的研究中提出了新构造块体的概念, 探讨了块体之间的运动规模(丁国瑜, 1991; 周硕愚等, 1998; 秦小军等, 1999)。 在此基础上, 田勤俭等(1998, 2002)针对典型的新构造块体边界带— — 青藏高原东北缘地区, 利用似三联点构造特征讨论了块体接合区的构造演化和运动平衡, 并在建立地震构造模型的基础上, 结合地震活动性和其它前兆资料, 对研究区进行更科学的强震预测。

前人大量的研究和探索为后来活动地块理论框架的形成奠定了重要基础, 同时也指导和引领了中国20世纪70— 80年代的地震地质、 地震预测和强震机理研究。

2 活动地块理论框架的提出

前已述及, 板块构造学说为占全球地震总数80%的板缘地震找到了合理的解释, 但对全球成灾性最大的大陆地震进行解释时却遇到了困难(张国民等, 2000)。 在老一辈中国科学家大量的研究工作和成果(如张文佑(1984)提出的断块构造理论, 马杏垣(1987)、 丁国瑜(1991)提出的活动亚板块、 构造块体理论以及邓起东等(1994)提出活动断块理论等)的基础上, 综合活动构造、 现今地壳运动、 地球物理观测和地震活动等成果, 提出了活动地块假说, 用于描述中国大陆现今构造变形的特征和机制, 探索大陆强震的发生机理和预测方法(张国民等, 1999, 2000; 张培震等, 2003)。

大量研究表明, 活动地块是中国大陆新生代构造变形与现今构造变形最基本的单元, 活动地块运动是变形最主要的特征(邓起东, 1980; 马杏垣, 1987; 丁国瑜, 1991; 邓起东等, 1994; 马瑾, 1999, 2009; 张培震, 1999; 张国民等, 2000)。 活动地块是被形成于晚新生代、 晚第四纪10ka BP至现今强烈活动的构造带所分割和围限、 具有相对统一运动方式的地质单元(张培震等, 2003; 张国民等, 2004)。 该定义不仅对活动地块的时间域进行了限定, 即晚新生代、 晚第四纪活动强烈且现今仍在活动, 并着重强调与未来地震活动密切相关的现今阶段, 同时也在空间域上进行了限定, 即边界带的位置和宽度决定于构造活动的特征和性质, 特别强调了边界带在活动地块划分和理论框架建立中的重要性。 一般认为, 活动地块边界构造活动强烈, 绝大多数强震都发生在其边界的活动构造带上, 地块边界可与地质历史上的地质块体相一致, 也可具有新生性, 与老构造块体的边界不一致(张培震等, 2003)。

与前人提出的相关理论和假说(张文佑, 1984; 马杏垣, 1987; 丁国瑜, 1991; 邓起东等, 1994)相比, 除了前面强调的时间和空间上的限定外, 活动地块还具有如下的特点: 1)同一活动地块内部的现代构造活动特征相同和相近, 同一活动地块内部深部一定范围内的结构相似和相近, 变形呈相似或相近的规律性; 2)划分活动地块的边界可以是复活的地质历史上的老边界构造带, 也可以是新生的活动构造带; 3)地块边界带的构造活动强烈, 是活动断裂、 活动盆地、 活动褶皱和现代中强地震的集中分布带, 也是应力应变的集中区和快速变化的梯度带; 4)边界构造带可以有不同的切割深度, 并与地壳和岩石圈内不同深度滑脱带或拆离带共同控制断块的厚度, Ⅰ 级活动地块的边界构造带往往也是深部结构分层的边界, Ⅱ 级活动地块的边界构造带往往与新生构造和地壳尺度或更浅尺度的边界相关; 5)由于活动地块边界带的构造复杂程度不同, 其宽度常有很大的差别, 包括单一断裂、 数km到几十km的宽断裂带或构造带, 以及百km宽的变形带或构造带; 6)有的活动地块内部结构完整、 构造活动微弱, 有的活动地块内部仍有一定的构造活动, 可以划分出次级活动地块, 不同级别的活动地块内构造活动、 地表变形和深部地球物理特征有一定的区别(陈化然等, 2003; 李延兴等, 2003; 马宏生等, 2003, 2006; 张培震等, 2003, 2013; 张国民等, 2004, 2005; 邵志刚等, 2008)。 这些特点有些是活动地块所特有的, 如限定地块范围的边界带断裂的活动时间、 地块边界带和内部的地震活动特征等, 强调的是与地震活动的关系, 而大多特征是在前人提出的相关理论基础上的延续和总结, 而这些特征也在活动地块研究中得到了验证。

以往的大量研究表明, 影响现今中国大陆构造格局、 地貌形态、 环境演变和自然灾害分布的主要构造活动均起始于晚新生代(邓起东, 1996; 邓起东等, 2002, 2003, 2009; 张培震等, 2003, 2013, 2014; 刘百篪等, 2008; Yuan et al., 2013; Zheng et al., 2013; 郑文俊等, 2016, 2019)。 同时, 主要是晚第四纪到现今活动的构造带控制着强震的发生, 活动相对较弱的地质构造与强震活动没有直接关系(邓起东等, 2002; 张培震等, 2003, 2013, 2014; 张国民等, 2004, 2005; 郑文俊等, 2016, 2019)。 因此, 根据活动地块的定义、 性质以及边界构造带活动的特点, 张培震等(2003)提出中国大陆及邻区的活动地块可在整体上划分为2个级别: Ⅰ 级活动地块区(简称地块区)和Ⅱ 级活动地块(简称地块), 将中国大陆及邻区划分为青藏、 西域、 南华、 滇缅、 华北和东北亚6个Ⅰ 级活动地块区以及拉萨、 羌塘、 巴颜喀拉、 柴达木、 川滇、 滇缅、 滇西、 滇南、 塔里木、 天山、 准噶尔、 阿尔泰、 萨彦、 阿拉善、 兴安-东蒙、 东北、 燕山、 鄂尔多斯、 华北平原、 鲁东-黄海、 华南、 南海等22个Ⅱ 级活动地块(图1), 并在此基础上总结了Ⅰ 级地块区的构造活动、 地震、 变形或应变、 地球物理特征等。 同时, 张国民等(2004)指出, 一些Ⅱ 级地块内还存在多个Ⅲ 级次级活动地块, 并对华北等部分规模较大的活动地块进行了特征细化。 在活动地块之间存在明显的边界带, 即中国大陆内部重要的活动构造带。 张培震等(2003)提出的划分方案中给出了26个主要的活动地块边界带, 其中Ⅰ 级活动地块区边界带的宽度可达100km量级, Ⅱ 级活动地块边界带的宽度从几km至几十km不等, 这些活动地块的边界带也是强震主要发生的区域。

图 1 中国大陆及邻区活动地块划分方案
活动地块划分方案据张培震等(2003, 2013)修改, 断层分布据邓起东等(2002)、 张培震等(2013)和郑文俊等(2019)修改Fig. 1 Division of active-tectonic blocks in China mainland and its adjacent regions.

活动地块假说的提出和逐步完善奠定了中国活动构造研究的理论框架和基础, 同时对中国大陆强震中长期预报具有指导性的意义和作用, 特别是在活动地块边界带强震危险性判定中起到了关键性作用(易桂喜等, 2004, 2005, 2006, 2008; 张晓东等, 2004; 闻学泽等, 2007; Wen et al., 2008)。 活动地块假说的提出推动并加快了中国活动构造研究的发展, 提升了中国大陆强震中长期预测的水平和准确性, 但活动地块假说要发展和完善成为真正具有物理意义的理论体系, 还需要一个漫长而复杂的过程。

3 活动地块理论的应用与发展完善
3.1 活动地块理论在强震中长期预测中的应用

活动地块假说指出已经发生的近100%的8级以上强震、 约80%的7级以上强震都位于地块的边界带上, 此外, 一半以上的6级地震均发生在活动地块边界带内(马宏生等, 2003, 2006; 张培震等, 2003; 张国民等, 2004; 邵志刚等, 2008)(图1)。 活动地块假说提出后, 众学者针对活动地块边界带的强震活动基于不同方法开展了探索和研究。

张国民等(2005)通过系统研究地块边界带的构造变形和强震活动, 给出了边界带强震活动水平与构造活动速率之间的线性关系和强震复发期与构造活动速率的反向变化关系, 揭示了边界带的构造形变对中国强震的控制作用, 并在分析各边界带地震应变释放的基础上得到一些中国大陆的地震活动规律, 同时推测了活动地块边界带强震的活动规律。 马宏生等(2006)基于上述研究成果, 根据各边界带的地震活动参数(a, b)推算出强震活动强度和复发周期, 并依据边界带地震的发生为泊松过程的特点, 探讨了各边界带的地震活动水平及其危险程度, 进而讨论了各边界带的强震危险程度及其分期、 分区的活动特征, 从而揭示了中国大陆活动边界带上强震活动的差异及其动力源。 邵志刚等(2008)通过计算多条活动地块边界带上地震过程的变异系数, 分析了各边界带的地震活动类型, 认为中国大陆不同地区的地震活动表现出不同的活动过程和特征, 其物理机制也存在差异, 并在以往研究的基础上, 基于对数正态分布函数计算了各边界带目前地震发生的累积概率以及未来5a内发生地震的条件概率, 继而探讨了各活动地块边界带的危险程度等。 同时, 也有大量研究工作对不同活动地块边界带的地震活动特征和规律进行了研究, 探讨了活动地块边界带强震活动的规律和机理, 预测了未来强震活动的规律(易桂喜等, 2004, 2005, 2006, 2008; 张晓东等, 2004; 闻学泽等, 2007; Wen et al., 2008; 张浪平等, 2010; Zhang et al., 2013), 指导了中国强震的中长期预测工作。

自活动地块假说提出以来, 其预测了未来的强震就发生在活动地块边界带内某些有利于应力集中的部位上(张培震等, 2003)。 1998年以来中国大陆发生了20余次6级以上地震, 震中分布情况(图2)清楚地显示, 几乎所有7级以上地震和大多数6级以上地震都发生在活动地块边界带上, 验证了基于活动地块假说提出的预测。

图 2 1998年以来中国大陆发生的5级以上地震与活动地块的关系
活动地块划分据张培震等(2003; 2013)修改Fig. 2 Earthquakes of M≥ 5 since 1998 and active-tectonics blocks in China mainland.

3.2 活动地块边界带强震机理模型的探讨与细化

虽然2008年汶川8级地震等强烈地震的发生在某种意义上验证了活动地块假说的预测, 但同时也对活动地块假说的理论证据提出了新的挑战(张培震, 2008; 张培震等, 2008)。 不同学者结合地质、 地球物理、 大地测量等结果, 提出了不同的强震机理模型。 Zhang 等(2010)对汶川地震的同震地表破裂、 余震分布、 地壳形变等进行了考察, 并对震前构造变形进行了研究, 提出了汶川地震孕育和发生的多单元组合模型, 认为块体边界两侧的岩石圈结构及性质的差异造成了它们在变形方式和应力积累上的差异, 其共同作用导致了边界断裂带应力的高度积累和突发释放, 形成了汶川特大地震。 Xu等(2009)通过地表破裂带调查, 结合已有资料, 利用平衡剖面技术构建了汶川地震三维构造模型, 认为龙门山山麓构造由多条叠瓦状逆断层组成, 调节、 吸收了龙门山区的地壳缩短, 汶川地震破裂包含了沿叠瓦状推覆构造带内部多个断层段不同类型的滑动, 联结了不同地震破裂段, 并认为这是汶川地震震级如此大的构造原因。 其他学者也从不同的角度解释了汶川地震的成灾机理(Li et al., 2008; Hubbard et al., 2009; Liu-Zeng et al., 2009; Zhang et al., 2013), 但总体都认为, 汶川地震是发生在块体边界带上的1次巨大地震, 其孕育和发生是块体之间相对运动和块体边界带控制断层活动的结果。 但是, 利用这些模型解释发生在活动块边界带的汶川地震的孕育和发生机理存在很大的争议, 都不能较全面、 合理地解释这次地震的成因和破坏过程。 因此, 对活动地块假说理论框架的完善而言, 就需要继续对边界带进行深入和细化研究, 这也是摆在科学家面前的一个亟待解决的问题。

基于不同方法的大量研究表明, 对于范围较宽的活动地块边界带, 其强震活动也存在一定的特征和规律。 位于青藏高原东北缘的阿尔金-祁连山-六盘山是中国大陆内部规模最大的活动地块边界带之一, 它不仅是与几个Ⅰ 级活动地块相互关联的部位, 同时两侧存在多个活动性差异明显的Ⅱ 级活动地块(张培震等, 2003)(图1)。 边界带内的活动断裂研究结果表明, 该区域内的断裂活动性复杂, 3组不同走向的活动断裂组成其内部构造结构, 而其整体处于阿尔金和祁连-海原2条大型走滑断裂的控制下, 二者之间和走滑断裂的端部是逆冲构造发育的区域, 这些不同类型的构造共同控制着该区域的构造变形和强震的孕育、 发生(Yuan et al., 2013; 张培震等, 2013, 2014; Zheng et al., 2013; 郑文俊等, 2016, 2019)。 天山南、 北两侧和内部也是在复杂断层系统控制下的强震孕育系统(张培震等, 2013; Wu et al., 2016; 郑文俊等, 2019)。

对于华北活动地块内部主要的Ⅱ 级活动地块— — 鄂尔多斯活动地块, 其内部的构造活动相对微弱, 四周边界带的性质差异明显, 周边的地震活动却十分强烈, 控制了有历史记载以来的19次7级以上强震的发生(图3)。 其西边界为祁连山-六盘山边界带, 发生过包括1920年海原8 ½ 级地震等多次强烈地震; 西北边界的银川地堑发生了1739年宁夏平罗8级地震; 南部边界与秦岭边界带相接, 其中华山山前断裂上发生了1556年陕西华县8级大地震; 东部的山西断陷带是华北活动地块内部次级活动地块的分区边界, 发生了1303年山西洪洞8级地震(国家地震局 “ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; 国家地震局地质研究所等, 1990)。 不同边界的震源机制解及GPS形变结果显示, 鄂尔多斯地块的构造变形表现为整体运动特征(许忠淮等, 2000; 范俊喜等, 2003; Liang et al., 2013; 高彬等, 2016; Hao et al., 2019; 詹慧丽等, 2020), 不同边界带上的地震孕育和发生机制各不相同, 西侧以挤压型地震为主, 其它3个边界以拉张型为主。

图 3 鄂尔多斯周缘现今运动状态与历史强震活动
GPS数据来源于中国大陆构造环境监测网络CMONOC二期, 相对于欧亚框架下的速率结果据Zheng 等(2017); 断层数据据邓起东等(2002)和郑文俊等(2019)修改; 活动地块边界带据张培震等(2003, 2013)Fig. 3 Current movement(GPS)and historical strong earthquake activity around Ordos active-tectonic block.

在边界带不同深度的地球物理结构研究方面, 近期研究的热点区域主要集中在青藏高原东部和北部边缘, 如龙门山、 祁连山-六盘山和天山等, 主要研究方向集中于深部结构, 特别是壳幔结构的探测方面(Zhao et al., 2003; Jia et al., 2006; Ye et al., 2015; Guo et al., 2016; Shen et al., 2017)。 近年来, 尽管在鄂尔多斯周缘布置的大量观测设备已进行了多期观测, 但由于台站数量相对有限, 目前的工作主要还是集中在整体结构的建立方面(李松林等, 2002; Huang et al., 2003; Bai et al., 2010; Li et al., 2010; 任枭等, 2012; 陈兆辉等, 2018; Pei et al., 2019), 而边界带的详细结构还有待进一步的深入细化研究。

3.3 活动地块假说理论体系的发展与完善

地球科学是一门综合性学科, 一个假说的提出到理论体系的完善需要一个较为漫长的过程。 活动地块假说从总结历史和现代地震活动特征入手, 综合构造活动、 大地测量及深部结构等资料和成果, 提出了中国大陆强震受控于活动地块变形和运动的观点(张国民等, 1999, 2000, 2004; 张培震等, 2003)。 与其相关的后期工作研究和探讨了活动地块的整体特征和边界带结构, 并初步建立了其理论体系(张培震等, 2003, 2013, 2014; 张国民等, 2004; 邓起东等, 2014; 郑文俊等, 2016, 2019)。 张培震等(2013)总结了活动地块假说提出十多年以来的一些认识和进展, 特别是对一些区域地震孕育和发生机理进行了解释, 指出中国大陆强震主要发生在天山、 青藏高原和华北地区, 其它地区7级以上破坏性强震相对较弱的特征。

天山的强震主要发生在山体两侧的前陆逆冲推覆带上, 即天山活动地块边界带上, 而天山山体内部虽为1个次级地块, 但存在多条构造带, 同样也发生构造变形并控制着一系列中强地震的发生(Burchfiel et al., 1999; 邓起东等, 2000; Molnar et al., 2000; 张培震等, 2003, 2013; Selander et al., 2012; Wu et al., 2016, 2019; 郑文俊等, 2019)(图4)。

图 4 天山南、 北两侧地震活动与活动地块边界带的关系
断层分布据Wu等(2016, 2019)、 Selander等(2012)和郑文俊等(2019); 活动地块划分据张培震等(2003, 2013)略做修改Fig. 4 Seismicity and active-tectonic block boundary zone on the south and north sides of Tianshan.

华北活动地块包括西部的鄂尔多斯、 中部的华北平原以及东部的鲁西-黄海3个次级地块, 鄂尔多斯地块内部的构造活动性微弱, 但周边的地震活动却十分强烈(图3); 华北平原的强震主要发生在平原内部NNE走向的隐伏断裂上, 特别是这些NNE走向的隐伏断裂与燕山南缘张家口-渤海断裂带的交会部位, 常有大地震发生; 东部的鲁西-黄海一带, 地震主要发生在郯庐断裂渤海湾段(国家地震局 “ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; 国家地震局地质研究所等, 1990; 许忠淮等, 2000; 江娃利, 2001; 许才军等, 2002; 范俊喜等, 2003)。

中国大陆地震最活跃的Ⅰ 级活动地块是青藏高原, 其强震的发生虽然也与活动地块边界带及块体内部次级块体的边界活动有关, 但总体上该区域的活动断裂分布和强震发生均与海拔高度相关: 逆冲断裂和逆冲型强震主要发生在高原周边的低海拔区(Ⅰ 级活动地块边界带上)(张培震等, 2013; 邓起东等, 2014; 郑文俊等, 2016, 2019), 高海拔的高原内部则以拉张性质的SN向正断裂和共轭走滑断裂为主(Ⅱ 级活动地块的边界带和部分活动地块内部)(Armijo et al., 1986; 张培震等, 2013), 走滑断裂发育在高原不同海拔的不同部位(Ⅰ 、 Ⅱ 级活动地块的边界带上), 但北部为左旋走滑运动, 南部为右旋走滑运动(Molnar et al., 1989; Copley et al., 2007; Elliott et al., 2010; Yuan et al., 2013; 张培震等, 2013; Zheng et al., 2013; 郑文俊等, 2016, 2019)。

整体而言, 中国大陆的强震具有分布广泛、 西强东弱、 动静交替和分块成带的特征(张国民等, 2000; 邓起东等, 2002; 张培震等, 2003, 2013; M7专项工作组, 2012), 形成这种地震活动图像的原因是中国大陆的强震受控于活动地块的运动和变形, 特别是Ⅰ 、 Ⅱ 级活动地块边界带。 活动地块假说理论体系逐步完善, 对地震的发生和孕育过程进行了更多的剖析, 同时也给出了活动地块控制地震的动力学框架模型, 在板块挤压、 板内地幔对流等动力作用下, 大陆活动地块发生相对运动和变形, 上地壳的刚性地块运动和非刚性连续变形都是深部黏塑性流动的地表响应, 中国大陆的现今构造变形可以用耦合的地块运动和连续变形模式来描述, 活动地块的运动和变形是 “ 陆内变形” 的重要方式之一(王琪等, 2001; Huang et al., 2003; 张先康等, 2003; Gan et al., 2007; Liang et al., 2013; 张培震等, 2013; Zhang et al., 2013)。

4 展望与未来
4.1 活动地块理论体系的逐步完善与发展

自1998年中国科学家提出中国大陆强震受控于活动地块的科学假说以来(张国民等, 1999, 2000; 张培震等, 2013), 活动地块划分的概念与方案在地震机理和预测研究中得到了广泛应用和完善。 但就活动地块的概念和假说而言, 还存在诸多的问题需要我们去回答和解释, 如发生在活动地块边界带的强震与地块运动特征之间的关系如何、 如何更精确地预测活动地块边界带上强震发生的地点和震级等。 因此, 通过细化活动地块边界带的构造特征和演化过程研究, 完善活动地块的理论, 发展以活动地块理论为指导的强震预测模型, 并在典型活动地块区开展应用研究, 不仅是对理论的创新和应用, 也是对中国科学家创造性基础前沿成果的深入发展。

若要更深入地将活动地块假说上升到理论体系, 还需要从多方面、 多学科入手, 开展细致研究。 只有选择典型的活动地块区开展精细研究, 基于活动地块及边界带构造活动特征及演化过程、 地块及边界带岩石圈的高精度三维结构、 深-浅部耦合关系以及次级活动地块的划分依据等研究结果, 揭示地块运动控制不同性质的边界构造带孕育强震的动力学机制, 发展真正具有物理意义的可预测模型, 才能更好地完善、 发展和升华活动地块理论。

4.2 活动地块边界带具有物理意义的强震动力学模型的构建

活动地块假说提出近20a以来, 在针对如何更好地将理论应用于实际的强震危险性预测研究中, 需要进一步深入探讨活动地块运动和变形如何控制边界带强震的孕育和发生过程, 并重点解决以下几个方面的关键问题:

(1)地块边界带地震构造的精细结构和古地震复发历史。 强震的孕育和发生不但受控于地壳运动加载速率的大小和作用方式, 同时也受控于活动地块边界带断层的几何结构和力学性质(卢演俦等, 1985; 丁国瑜, 1991; 邓起东等, 1994, 2002; 田勤俭等, 2002; 张培震等, 2003, 2013; 郑文俊等, 2016)。 利用多学科综合技术方法和手段查明地块边界带地震构造的精细结构及其深-浅构造耦合关系, 可以解释活动地块边界带内部的应变分配与转换, 而这也是深入认识强震孕育过程、 判断强震危险地点、 预测强震破裂行为和强地面运动特征的重要基础, 对活动地块理论的完善和发展具有重要意义。 另一方面, 地震的孕育和发生本质上是一个地壳应变能量的积累与释放的过程(张国民等, 1999; 张希等, 2010), 判定某条断裂或某一区域强震发生的危险程度或时间紧迫性, 不但需要了解其能量积累过程, 还需要知道其能量释放过程。 由于历史地震和古地震事件记录了地壳应变能量释放过程的重要信息, 因此, 利用活动构造研究前沿技术开展活动地块边界带古地震复发历史的研究, 揭示其强震复发规律, 获得强震离逝时间, 建立边界带主要断裂的强震时空分布图像, 是判定边界带强震危险紧迫程度和发震时间等相关强震预测理论的重要根基。

(2)建立完整的不同尺度的构造变形演化过程与现今三维地壳的运动状态(图5)。 根据弹性回跳理论, 地震的孕育和发生主要由地壳的三维差异运动引起(王庆良等, 2002; 郭良迁等, 2009; Zhang et al., 2010; 王双绪等, 2013; Hao et al., 2019)。 综合利用GPS、 大地水准测量、 InSAR等现代大地形变测量技术监测获取区域三维地壳运动背景速度场图像及其动态变化过程, 是深入认识大陆变形动力学机理、 开展地块边界带强震预测的基础, 其重要作用主要包括: 1)联合三维地壳运动观测资料和活断层地震地质调查资料, 可有效确定活动断裂的运动性质、 滑动速率和现今孕震闭锁状态, 为强震中长期危险性评价提供定量的参考依据; 2)现代GPS观测技术可以从全球大尺度视野, 高精度测定区域地壳在全球统一参考框架下的三维运动图像, 对科学认识大陆变形的动力来源、 揭示活动地块运动特征具有至关重要的作用; 3)利用现代大地测量资料获取的10~100a尺度的现今三维地壳运动速度场, 虽对于漫长的地质演化过程而言仅为1个瞬间状态, 但其承前启后的特殊角色是研究了解不同尺度构造变形演化过程的一把金钥匙。

图 5 中国大陆及邻区GPS水平速度场与活动地块边界划分
GPS数据来源于中国大陆构造环境监测网络CMONOC二期, 相对于欧亚框架下的速率结果据Zheng 等(2017); 断层数据据邓起东等(2002)、 张培震等(2013, 2014)、 郑文俊等(2019)修改; 活动地块划分据张培震等(2003, 2013)略做修改Fig. 5 Global Positioning System(GPS)velocity field of crustal motion and division of active-tectonic blocks in China mainland and its adjacent regions.

在对上述2个方面完善和发展的基础上, 综合利用区域地质调查、 地球物理探测和三维地壳运动观测等多源资料, 通过数值模拟等技术, 深入研究活动地块及其边界带的动力变形机制, 揭示区域活动地块的动力来源及深-浅耦合关系, 以及活动地块差异运动对强震孕育发生的控制作用, 建立具有物理意义的活动地块及边界带强震孕育动力学模型, 是活动地块未来研究和发展主要目标。

4.3 可检验的物理预测模型的建立与应用

活动地块是被晚第四纪以来到现今仍强烈活动的构造带所分割和围限、 具有相对统一运动方式的地质单元(张培震等, 2003)。 目前, 活动地块划分的主要依据是边界构造活动习性、 地震活动空间分布和GPS地壳水平运动速度场等资料(张国民等, 1999, 2000; 张培震等, 2003, 2013)。 中国大陆不同区域的变形和运动方式差异明显, 不仅存在水平差异运动, 也存在垂直差异运动(Zhang et al., 2004; Gan et al., 2007; Liang et al., 2013; Zheng et al., 2017; Hao et al., 2019)。 因此, 地块的划分必须综合考量地壳的水平和垂直运动, 不断发展和完善活动地块运动学理论模型。 另一方面, 大多数活动地块的边界带构造结构十分复杂(张培震等, 2013, 2014; 郑文俊等, 2016, 2019), 其运动变形不仅受相邻地块的二维平面动力作用影响, 同时还受区域上地幔深-浅耦合动力作用控制。

近50a以来, 国内外对强震预测进行了多方面的探索和研究, 提出了多种预测模型和方法, 但大多都集中在强震的概率性预测和经验预测方面。 现有的活动地块理论虽然预测判定中国大陆绝大部分强震将发生在地块边界带上, 但其预测结果并没有明确的时间相关性或紧迫程度的概念。 由于强震中— 长期危险地点预测的主要目的是服务震害防御工作, 具有明确的时间预测信息要求, 因此, 基于活动地块理论和多学科观测资料, 在具有物理意义的活动地块及边界带的强震孕育动力学模型上发展与时间相关、 具有明确物理意义的强震预测理论模型, 提高强震中— 长期危险地点科学判定水平, 推进地震预测由经验预测向物理预测发展过渡, 是目前国家和社会迫切需要解决的问题, 这不仅是活动地块研究的关键科学问题, 也是未来发展的目标和方向。

4.4 如何在指导中国大地构造研究的理论体系发展中发挥重要作用

活动地块假说是对板块构造在大陆内部应用的一种全新诠释, 也是对中国大地构造划分的一种新认识和新理解。 前已述及, 活动地块假说是在多个大地构造理论框架的基础上, 综合前人对发生在中国大陆的多次强烈地震的理解和解释, 结合中国大陆地震的活动特点、 活动构造发育、 地壳形变特征以及不同深度的结构构造差异等提出的。 该假说不仅可用于地震机理和地震预测的研究和探索, 同时也提出了一种新的中国大地构造单元的划分方案。 中国大陆位于欧亚板块的东南部, 挟持于印度、 太平洋和菲律宾海板块之间, 各板块之间的相互作用造就了中国大陆内部的活动构造体系和现今构造变形的复杂性(丁国瑜, 1991; 邓起东等, 2002; Hetzel, 2013; Yuan et al., 2013; 张培震等, 2013; Zheng et al., 2013; 吴中海等, 2014; 郑文俊等, 2019), 特别是新生代早期以来, 印度板块的向N推挤, 更是让中国大陆的构造复杂化和多样化(Yuan et al., 2013; Zheng et al., 2013; 张培震等, 2014; 郑文俊等, 2016, 2019)。 中国大陆现今的构造格局是地球长期历史演化过程的结果, 不仅控制着现今盆山地貌的形成和演化, 也是频繁的自然灾害, 特别是地震灾害发生的主要控制因素(张培震等, 2013, 2014; 吴中海等, 2014; 郑文俊等, 2016, 2019)。

依据活动地块假说的定义及理论框架划分的中国大陆6个Ⅰ 级活动地块区和22个Ⅱ 级活动地块(图1)显示了中国大陆最基本的构造单元, 是对中国大地构造单元划分方案的一种重新认识和理解。 目前活动地块理论仅用于解释发生在大陆内部的强震活动机理, 同时也部分地解释了地壳变形和运动特征差异的原因。 但作为一种基于大地构造尺度上的框架体系, 不仅要为与人类活动密切相关的地震等灾害建立理论框架, 同时也要在大地构造研究的理论体系中发挥作用。 因此, 以边界带断裂活动性、 现今变形状态、 深-浅构造耦合关系、 强震孕育环境及震源物理模型为主要研究内容, 开展针对活动地块边界带的精细研究, 完善活动地块理论体系, 发展活动地块理论的应用范围, 建立基于中国大陆本身的大地构造模式和框架, 是未来活动地块理论本身, 也是中国大地构造学研究和发展需要关注的重要目标和方向。

5 结语

由中国科学家提出的 “ 中国大陆强震受控于活动地块运动与变形” 的假说, 提出活动地块是被晚第四纪以来到现今仍强烈活动的构造带所分割和围限、 且具有相对统一运动方式的地质单元的基本概念。 该假说可用于解释中国大陆强震的空间分布, 同时也对中国大陆的强震预测提供了科学指导。

活动地块理论框架的建立和逐步完善, 不仅奠定了中国活动构造与强震预测的理论基础, 也推动着强震预测由概率预测向物理预测过渡。 活动地块假说指出已经发生的近100%的8级以上强震、 约80%的7级以上强震都位于地块的边界带上。 近年来, 中国大陆几次7级以上强震都发生在活动地块边界带, 在验证了活动地块假说理论模型的同时, 也预测了未来的强震就发生在活动地块边界带内某些有利于应力集中的部位上。 自活动地块假说提出以来, 发生在中国大陆内部的6.5级以上地震无一例外地发生在活动地块边界带上。

但是, 就活动地块的概念和理论框架而言, 还存在诸多问题需要进一步回答和解释。 因此, 发展和完善活动地块假说的理论体系, 建立活动地块边界带具有物理意义的强震动力学模型, 开展针对活动地块边界带强震活动机理与预测的研究, 建立和发展可检验的物理预测模型, 是活动地块理论未来关注的重要内容和科学问题。 同时, 建立基于中国大陆本身的大地构造模式和框架, 是未来活动地块理论及中国大地构造学研究和发展需要关注的重要目标和方向。

致谢 前辈科学家们在不同领域方向对活动地块假说理论研究所取得的成果是本文成文的主要基础, 也为未来地震学研究和探索提出了主要目标和方向, 限于篇幅以及作者的认识不全面等因素, 一些前辈的文献没能很好地总结在内, 在此深表歉意。 本文所用GPS数据来自中国大陆构造环境监测网络CMONOC二期, 所用地震数据目录来源于中国地震台网(www.ceic.ac.cn); 本工作得到了国家重点研发计划重大自然灾害监测预警与防范专项之 “ 鄂尔多斯活动地块边界带地震动力学模型与强震危险性研究” 项目组全体成员的支持和帮助。 在此一并表示感谢!

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