藏南裂谷系正断层带孕震潜力和地震危险性讨论

胡贵明 ,  徐岳仁 ,  刘晗 ,  袁瑞敏 ,  陆玲玉

地球科学 ›› 2025, Vol. 50 ›› Issue (05) : 1794 -1812.

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地球科学 ›› 2025, Vol. 50 ›› Issue (05) : 1794 -1812. DOI: 10.3799/dqkx.2025.055

藏南裂谷系正断层带孕震潜力和地震危险性讨论

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Estimation of the Maximum Magnitude of Normal Faults and Seismic Risk in the Southern Tibetan Rift Zones

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摘要

青藏高原南部自西向东分布有多组近南北向的藏南裂谷系,作为块体内部重要的构造伸展区,发育了一系列的正断层和正断层型强震.自晚第四纪以来,该区域构造活动强烈,地震频繁且诱发的灾害大,例如2025年1月7日定日Mw7.1地震便呈现出“小震大灾”的特征.为了评估裂谷系内正断层的孕震能力以及了解这些正断层的致灾程度,依据断层的几何特征划分了92条正断层,并统计了每条断层的迹线长度.基于地震导致断层沿地表迹线全段破裂的假设,结合全球正断层地震破裂尺度与矩震级的关系经验公式,估算了藏南裂谷系内各正断层潜在的最大震级.研究结果表明,这些正断层的孕震上限介于Mw6.5至Mw7.5.这些正断层普遍具有较强的孕震能力,但也呈现出东强西弱的特征.裂谷系内的正断层带被南北两侧大型断裂带所围限且南侧主边界断裂带和块体内部存在多个历史地震空区,考虑到2015年尼泊尔Mw7.8强震加快了临界断层库仑应力加载过程和边界主断裂带上的强震可能存在联动或触发效应的背景下,该地区雅鲁藏布江以南的正断层,尤其是定日‒聂拉木一带、雄曲断层未来具有较高的强震危险性.

Abstract

In the southern Tibetan rift zones, there are several approximately north-south trending rifts distributed from west to east. As important tectonic extensional zones within the blocks, these rifts have developed a series of normal faults and experienced multiple strong earthquakes. Since the Late Quaternary, this region has exhibited intense tectonic activity with frequent earthquakes causing serious disasters. For instance, the January 7, 2025 Mw7.1 (CENC: Ms6.9) Tingri earthquake demonstrated the characteristics of “small earthquake with major disaster consequences”. To assess the seismogenic potential of normal faults within the rift zones and understand their disaster-inducing competence, this study divides 92 normal fault zones based on geometric characteristics and statistically analyzed fault trace lengths. Under the assumption of full-length surface rupture along fault traces during earthquakes, combined with empirical relationships between normal fault rupture length and moment magnitude, we estimated the maximum potential magnitudes of normal faults in the rift zones. Results indicate that these normal faults have upper seismogenic limits ranging from Mw6.5 to Mw7.5, with numerous historical seismic gaps. While generally demonstrating strong seismogenic competence, they exhibit an eastward-increasing strength pattern. Bounded by major fault zones to the north and south, and considering multiple historical seismic gaps along the southern magethrust (particularly in the context of accelerated Coulomb stress loading following the 2015 Nepal Mw7.8 earthquake and potential interaction/triggering effects between major boundary faults), the normal faults south of Yarlung Tsangpo River, especially those in the Tingri-Nyalam and Xiongqu fault, show high potential for future strong earthquakes.

Graphical abstract

关键词

藏南裂谷系 / 正断层 / 最大震级 / 地震 / 联动和触发效应 / 构造地质.

Key words

southern Tibetan rift system / normal fault / maximum magnitude / earthquake / linkage and triggering effect / tectonics

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胡贵明,徐岳仁,刘晗,袁瑞敏,陆玲玉. 藏南裂谷系正断层带孕震潜力和地震危险性讨论[J]. 地球科学, 2025, 50(05): 1794-1812 DOI:10.3799/dqkx.2025.055

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盆岭构造是地壳伸展构造系统的一种典型表现,其是在拉张伸展构造动力学环境下形成的构造‒地貌单元,内部主要的控盆断层类型为正断层,是地震孕育的重要场所,历史时期在该类型地貌单元内曾发生过多次著名的正断层大震事件(DePolo et al., 1991Hou et al., 1998Xu et al., 2018).这种构造地貌单元在全球范围内发育较为常见,包括美国西部盆岭省,欧洲南部爱琴海、亚平宁山脉等(如Eaton, 1982Anderson and Jackson, 1987Jackson, 1994).这些地区绝大部分发育正断层体系,且地震活动频繁,例如美国西部科迪勒拉山系的盆岭区,全长约3 000 km,历史上就曾发生过1915年Mw6.9和1872年Mw7.8大震,孕震能力高(Doser and Smith, 1989Hough and Hutton, 2008).我国的鄂尔多斯块体东南缘和北缘也是张性盆岭构造区(徐锡伟和邓起东,1988),历史时期也曾发生1303年洪洞M8和1556年华县M8.25地震(Hou et al., 1998; Xu et al., 2018).因此,盆岭构造单元是研究正断层发震能力和孕震背景等构造环境的理想场所.
藏南裂谷系是青藏高原中南部的构造伸展变形区,发育有一系列近南北向正断层带及其围限的盆地、山谷,是典型的盆岭构造体系,构造活动强烈,强震多发,如1411年羊八井M8地震、1952年当雄M7.5地震和2025年定日Mw7.1地震(USGS;国家地震局地质研究所,1992;石峰等,2025;邵延秀等,2025).该裂谷系南缘紧邻青藏高原弧形构造带,其南缘主前锋逆冲断裂带是现代强震的多发区域.已有研究表明,藏南弧形构造带的孕震环境和发震过程对自身及周边地区的断层活动与演化具有深远影响(吴中海,2024).目前,该弧形构造带存在多个历史地震空区,一些历史地震离逝时间较长,如1505年木斯塘地震已离逝520年,达到了历史地震重现期阈值,预示着未来存在极高的地震危险.自1990年以来,该区域已发生6次 Mw≥6.5的地震,其中包括2015年尼泊尔Mw7.8地震.分析认为,自2015年以来,青藏高原处于能量缓慢释放阶段,且已持续近十年(吴中海,2024).因此,下一轮快速释放的时间和未来地震危险性备受关注.若该弧形构造带上的历史地震空区发生强震,将对藏南裂谷内的正断层产生何种影响?这些断层一旦被触发,可能诱发的震级上限是多大?这些问题的答案对于藏南裂谷系内未来地震灾害的防治和风险评估至关重要.
2025年1月7日,西藏自治区日喀则市定日县发生Mw7.1地震(CENC: Ms6.9;图1).本次地震的发震断层为藏南裂谷系中的申扎‒定结裂谷系南段的登么错断裂,并在该断裂中北段产生约25~35 km的同震地表破裂带(石峰等, 2025; 邵延秀等, 2025).研究表明,青藏高原弧形构造带与邻近断层带上的大震之间存在显著的时空关联,如2015年4月12日尼泊尔Mw7.8地震所导致的应变是否纵向迁移影响了该区域,改变了申扎‒定结裂谷系南段孕震环境(Chen et al., 2024).
因此,本文将结合前人研究成果和卫星遥感影像解译等手段,通过藏南裂谷系内断层迹线的几何特征与全球地震矩震级经验公式,估算藏南裂谷系内正断层系统孕震上限,加深对该构造地貌单元内正断层的发震潜力和危险性的理解,以及以2025年1月7日定日Mw7.1地震为例,讨论喜马拉雅弧形构造带强震环境对藏南裂谷系正断层型强震的潜在影响.

1 研究区地质背景

新生代以来,印度板块与欧亚板块的碰撞引发了青藏高原的隆升、地壳的缩短与增厚,以及广泛的高原变形,这些过程成为控制中国西部构造变形的主要动力学机制.在青藏高原中南部(78°~94°E),藏南裂谷系作为一个重要的近东西向构造伸展变形区,被北缘和东缘的走滑断层系统以及南侧的喜马拉雅弧形构造系统所围限.该裂谷系东西延伸约1 100 km,构造活动强烈,地震频发,其第四纪伸展速率约为10 mm/a(Armijo et al.,1986),与当前GPS数据揭示的约13~15 mm/a的速率大致相当(Chen et al., 2004Zheng et al., 2017Wang et al., 2019).这表明该地区的伸展活动强度较大,反映了印度板块与欧亚板块碰撞的持续影响.因此,研究藏南裂谷系内造山伸展活动的发展和演化历史,对于深入理解大陆碰撞过程中高原的演化具有重要意义.

在上述构造背景下,藏南裂谷系内发育了一系列主要的近南北向地堑型裂谷系.这些裂谷中的大部分地堑型盆地受到正断层的控制,其走向主要为北北东(NNE)、北北西(NNW)或近南北向(N⁃S).这些正断层多为高角度断层,倾角通常在40°~60°(Elliott et al., 2010,2022).统计显示,这些断层的活动性显著或较为显著,尽管存在空间差异和明显的分段性,但绝大多数全新世断层活动强烈,晚更新世断层活动强度中等,藏南裂谷系内的活断层的强震风险较高(黄婷等, 2024).关于藏南裂谷系及其内部正断层的成因多样,包括地壳增厚导致的重力垮塌、块体挤出和侧向逃逸等观点(Molnar and Tapponnier, 1978Molnar et al., 1993Royden et al., 1997),但这些观点均强调了印度板块与欧亚板块快速汇聚进一步导致藏南裂谷系断层活动增强,促进了地震的频繁发生.

由于印度板块与欧亚板块的低角度俯冲,喜马拉雅弧上的强震,作为印度‒欧亚板块边界的地震活动,其发震断层或余震已经影响到中国内陆地区,这些强震震源深度多在10~30 km,属于浅源地震,直接影响表现为对近场相邻构造区的触发作用(邓起东等, 2010; 吴中海等,2014; Liu⁃Zeng et al., 2015,2020; 张培震等, 2022).藏南裂谷系南侧被喜马拉雅弧形逆冲型断裂带所围限,据不完全统计(吴中海, 2024; 图1),1990年以来,该弧形主前缘逆冲断裂带上共发生了6次Mw>6.5的地震,包括2015年4月12日和5月12日尼泊尔Mw7.8和Mw7.3地震.就藏南裂谷系而言,自1264年以来共发生了53次M>6的地震,其中包括1411年羊八井M8地震和1952年当雄M7.5地震(西藏自治区科学技术委员会, 1982).自1900年以来,该地区共发生了19次Mw>6.5的地震,最近的一次为2025年1月7日的定日Mw7.1地震.

2 研究方法

断层的孕震能力是地震危险性评估的关键因素,因此估算断层能够产生的最大地震震级至关重要.过往研究提出了多种估算地震震级的方法(Wells and Coppersmith, 1994Di Giacomo, 2020),例如通过断层破裂长度与地震经验公式来预估地震震级(Wells and Coppersmith, 1994).震级的标度可分为面波震级、体波震级和矩震级.通常认为MMs代表面波地震,体波震级包括mmb等.Mw代表矩震级,因其与地震破裂的物质性质相关且震级不会饱和,本文用其标定正断层孕震上限.当前研究认为,以往用M标定的震级可能导致历史地震震级被高估,且中国陆内多数强震面波震级高于矩震级,面波震级系统性偏大,这是受中国陆内的板内强震的特征影响(刘静等,2023;许月怡和张勇,2023).因此,重新评估现今地震目录中历史地震的震级是必要的.本文将结合1411年羊八井M8地震和1952年当雄Ms7.5地震,在后文中对此问题进行详细讨论.

针对藏南裂谷系中正断层的最大地震震级,本文采用了断层破裂长度与全球地震矩震级经验公式进行估算,并假设最大地震会导致断层沿迹线全段破裂.尽管大多数大地震并不会导致断层全段破裂,而是呈现分段破裂的特征,但在地震灾害风险管理、预防以及重要基础设施建设等工作中,基于断层几何特征并考虑断层全段破裂来计算断层震级上限仍具有重要的科学和现实意义.文中统计的断层起止点和断层长度数据部分参考了前人的研究成果,并结合卫星影像资料、地质地貌位置、古地震调查和构造不连续性的概念进行断层划分和断层长度统计(DePolo et al., 1991; 吴中海等, 2008; Wu et al., 2011Ha et al., 2019a; 徐心悦, 2019; 黄婷等, 2024).最终,依据Wells and Coppersmith(1994)基于全球历史地震统计拟合的地表破裂尺度与全球正断层地震矩震级经验关系公式,计算可能的震级上限: Mw=4.86+1.32×lg(SRL,本文选用断层迹线长度),研究表明,主边界断裂与块体内的断裂具备联动或触发效应,主边界断裂的强震会加速块体内部的应力加载过程,促进块体内部地震的发生(吴中海等, 2016; 刘静等, 2015; 徐晶等, 2016; 张培震等, 2022).藏南裂谷系北侧被几条大型NW走向的走滑断层围限,如改则洞错断裂、格仁错断裂和嘉黎断裂等,这些走滑断裂带上的强震与裂谷系北侧的正断层地震之间是否存在联动关系需要格外注意.南侧紧邻青藏高原弧形超大型逆冲构造带,构造活动强烈,现代大震和历史大地震频繁(表1).靠近弧形超大型逆冲构造带现代大地震(如2015年尼泊尔Mw7.8地震)和历史地震空区(尤其是超过重现期阈值,如1505年M8.2地震)的地区要格外关注未来强震危险性.本文将借助2025年定日Mw7.1地震和2015年尼泊尔Mw7.8地震来讨论藏南地区主边界断裂与块体内次级正断裂地震触发的可能性.对于文中地震空区和强震危险区的划定,我们参考了以下原则:

地震空区通常是指地震活跃带中长期未发生显著地震的段落.由于这些区域长期缺乏能量释放,可能已积累了大量应变,因此被认为是未来潜在大地震的高风险区.本文所指的地震空区判断依据一是根据前人在研究区古地震研究结果来确定的.这些地区的地震显著超出该断层段平均复发周期却未发生大地震.二是周边断层已有M≥7地震的发震历史,而地震空区已长期没有M≥7地震记录,即被历史地震破裂区所包围.

地震高危险区的划定参考了地震空区的概念.这些高危险区紧邻弧形主边界断裂的历史地震空区.一些历史地震已超过历史地震复发周期阈值,且危险区长期没有M≥7地震记录,但断裂具备M≥7发震能力;区域上紧邻2015年Mw7.8地震破裂区.基于2015年尼泊尔地震后的库仑应力变化和2025年定日地震的余震序列分析,2025年定日Mw7.1地震并没有完全释放这些累积的应力,相邻区域依旧是高危险区;对于像1714年M8.2历史地震空区且紧邻弧形主边界断裂的区域,根据古地震、历史地震和断裂滑动亏损速率等研究,未来具有发生强震的风险.

3 结果分析

3.1 藏南裂谷系正断层孕震上限与危险性分析

基于断层几何特征、构造背景以及前人研究(吴中海等, 2008; Wu et al., 2011Ha et al., 2019a,2019b; 徐心悦, 2019; 黄婷等, 2024),本文在藏南裂谷系共划分了92条正断层.这些断层的长度范围~20~130 km不等.其中,最长的为亚东‒谷露裂谷系北侧由1411年M8.0产生的地表破裂带.通过应用Wells and Coppersmith(1994)提出的正断层破裂长度与震级的经验公式,假设断层全线破裂,整个藏南裂谷系内各正断层的孕震上限介于Mw6.5至Mw7.5.其中,49条断层具有孕育Mw≧7.0级地震的能力,这表明藏南裂谷系内正断层的孕震能力普遍较强.

在申扎‒定结裂谷系以东的裂谷中,Mw≥7.0级地震的占比为66%(表2).错那‒沃卡裂谷系内的三条正断层的震级上限均具有Mw>7.0的能力.根据史料记载(西藏自治区科学技术委员会,1982),错那‒拿日雍措断层(编号1)和沃卡断层(编号3)可能分别在1806年和1915年发生过 M≥7.0级地震,这进一步证明了该裂谷带内具备Mw>7.0的发震能力.该裂谷内的邛多江断层(编号2)控制的盆地自公元1800年以来没有 Mw>7.0的地震记录,被认为是明显的地震空区(图2; 吴中海等,2008).但应力积累的时间越长,诱发的震级就越大,因此依旧具有较高的危险性.

亚东‒谷露裂谷是藏南裂谷系中东侧孕震能力很强的区域.除冲巴雍错断裂带(编号6)和羊易断裂带(编号10)具有发生Mw6.8级地震的能力外,其余6条断裂带均具有发生Mw>7.0级地震的能力(表2).其中,北侧的念青唐古拉山东麓断层在历史时期孕育了两次M≥7.5级地震.其南侧的帕里‒羊易区域在历史时期没有Mw≥7.0级地震的记录,是历史地震的空区(图2).亚东‒谷露裂谷南侧的正断层具备与北侧一致的大震孕育潜力(Ha et al., 2019a).尤其是多庆错地堑一带(编号5)的正断层目前具有极高的地震风险(Wu et al.,2019).此外,该裂谷北侧紧邻崩错走滑断裂和嘉黎走滑断裂,这一区域断层之间可能也存在相互触发效应,如1951年的崩错Mw7.3地震和1952年当雄Mw7.2地震之间的关系.南侧紧邻喜马拉雅弧形断裂带的1714年历史地震空区(图2),因此也是一个非常危险和需要重点关注的区域.

申扎‒定结裂谷系正断层的孕震能力介于Mw6.6至Mw7.3,其中最大的为郭加东断层北段(编号16; 表2).该裂谷南侧没有历史强震的记录,但紧邻尼泊尔中部‒比哈历史地震空区.该地区于1934年12月在申扎北发生了M7.0(可能的最大震级为Mw7.2,大于实际地震)地震,并造成~60 km 的地表破裂(Armijo et al., 1986; 杨攀新等, 2010),南侧的登么错断裂于2025年1月7日发生了Mw7.1级地震,因此该地区是强震危险区(图2),要持续关注地震诱发的应力变化以及未来再次发生强震的可能性.

经统计(表2),申扎‒定结裂谷系以西的正断层孕震能力Mw>7.0的占比为 45%,这表明该区域的正断层孕震能力同样较高但明显弱于东侧.岗嘎‒当惹雍错裂谷系和聂拉木‒措勤裂谷系内的正断层孕震震级介于 Mw6.6 至 Mw7.4.这两个裂谷系在历史时期 Mw≥6.0 以上的地震极少(西藏自治区科学技术委员会, 1982; 图1),但断层的危险性不容忽视(高扬等, 2024).例如,前人对佩枯措盆地开展的古地震研究认为,该盆地内的断层地震重现期约为6~7 ka,且最近一次地震的离逝时间已超过 6 ka,未来具备发生Mw6.8以上地震的可能性(Gao et al., 2024).这两个裂谷系紧邻的喜马拉雅弧形构造带上发生过6次M>7.0级地震,且靠近尼泊尔中部‒比哈历史地震空区(见图1和图2).目前虽未发生破坏性强震,但应力积累时间长短与地震震级大小呈正相关,因此,帮色曲‒苦塘嘎一带、佩枯措‒穆林错一带需特别注意未来强震的风险(图2).

仲巴‒塔若错裂谷和江曲藏布‒改则裂谷系的正断层震级上限介于Mw6.6至Mw7.5,孕震能力最大的断层为布多断层(编号61和62)和雄曲断层(编号69和70;图2).从地震目录上看,这两个裂谷系震级M>5的断层发震密度集中在裂谷系中部,与这些位置断层数量较多相一致(图2).江曲藏布‒改则裂谷系北侧的霍尔巴‒仓木错裂谷被识别为地震空区(图2;胡渊等,2024),该段正断层系列具备发生Mw6.9~7.3的潜力.仲巴裂谷西侧断裂的活动性可能强于东侧(刘璐等, 2022),南侧的雄曲断层历史时期没有发生强震的记录,但西段具备发生Mw7.5地震的潜力.雄曲断裂的东段1945年曾发生M5.5级地震,江曲藏布断层(编号71)东侧1913年发生过M6.3级地震,但也属于明显的历史大地震空区.目前,这两个裂谷系均没有M>7以上的历史地震记录.仲巴和江曲藏布盆地南侧紧邻喜马拉雅弧形构造带上的1505年M8.2震级的大地震空区,该历史地震空区已积累超过500年的应力,目前已超过或处于历史地震重现期的阈值,需格外关注对毗邻断层的影响.

热布杰错‒文布当桑裂谷系位于藏南裂谷系的最西端,南北被两个走滑断层系统所围限(图1).该裂谷中的正断层孕震震级上限介于Mw6.7至Mw7.3,其中孕震潜力最大为茶里错西断裂(编号89; 图2).该裂谷系南侧正断层紧邻喀喇昆仑走滑断裂带,处于走滑断层和正断层的构造转换区,具有孕育Mw7.3地震的潜力,需关注喀喇昆仑断裂带的强震对该断裂带强震触发的潜在影响.北侧的断裂震级上限介于Mw6.8至Mw7.4,历史时期有两次M>6地震的发生,目前尚无M>7地震的记录.北侧区域也处于走滑断层与正断层的构造转换区.根据我国阿尔金断裂带与祁连山逆冲断裂带构造转换区的研究经验,这些构造转换区会出现应力的重新分配,该区域的应力变化情况和地震危险性需要持续关注.

3.2 藏南裂谷系主边界断裂与块体内部次级断裂的强震关联性

如前文所述,藏南裂谷系内的正断层普遍具备较强的孕震能力,是未来地震防范工作需重点关注的区域.其内的地震事件与主边界的强震存在怎样的时空关联?本文以2025年1月7日定日Mw7.1地震为典型案例,分析其与紧邻南侧2015年尼泊尔Mw7.8地震的关系,旨在为未来强震预防及政策制定提供参考依据.

2015年尼泊尔Mw7.8地震发生后,研究人员计算了该次强震同震和震后的库仑应力变化,一致认为此次强震加快了北侧正断层应力加载的过程,会促进藏南近南北向正断层地震的发生,并建议未来数年重点关注定日‒定结一带未来强震的可能性(刘静等, 2015;万永革等, 2015;熊维等,2015;徐晶等, 2016).从同震库仑应力结果来看,岗嘎‒当惹雍错裂谷系至亚东‒谷露裂谷系南端震后库仑应力变化极大,个别断层应力增加量超过0.01 MPa,静态库仑破裂应力结果揭示了震后藏南裂谷系北侧的走滑断裂库仑应力增加明显,格林错断裂接近触发阈值(熊维等,2015;徐晶等, 2016).从震后10年、20年和30年的应力变化模拟结果来看,岗嘎‒当惹雍错裂谷系整段、亚东‒谷露裂谷系和岗嘎‒当惹雍错裂谷系的南端应力持续增加(徐晶等, 2016),震后40年该地区的应力变化峰值可以达到0.13 MPa(熊维等,2015).所以,2025年1月7日定日Mw7.1地震很可能是由于2015年尼泊尔Mw7.8地震导致累积库仑应力加载过大触发的.此次地震的发震断层为登么错断裂,长约40 km,为定日‒定结一带较小的次级断裂,其东南侧还分布着更大的郭加断裂和定结断裂.后者的孕震潜力在Mw≥7以上,且处在历史地震空区,累积应力持续加载.从2025年定日Mw7.1余震序列上来看,此次地震在郭加断裂和定结断裂都存在余震分布,触发了这两个断裂的部分段落活动,而并没有减弱这两个断层的危险性(图3).因此,藏南断裂带内存在主边界断裂强震诱发块体内部断裂活动、块体内部的次级断裂活动会影响与之相邻的次级断裂活动的风险.未来要持续重点关注郭加断裂和定结断裂强震的可能性(图2).

4 讨论

4.1 正断层破裂尺度和震级估算的可靠性

本文根据此次定日地震的破裂特点,基于假设藏南裂谷系内各控盆正断层发生强震并导致各条断裂发生全段破裂的极端情况,对每条正断层潜在的最大震级进行了估算.估算结果的可靠性在一定程度上依赖于正断层的起止长度以及断层破裂的可能性.已有统计结果表明,地震发生后,破裂更倾向于在单条断裂段上独立发生,这使得断层的每个分段具有各自独立的破裂历史.然而,某些地震由于特定的断层几何结构、应力状态、摩擦性质以及震级大小等因素的影响,能够突破复杂几何结构上的“障碍体”(如阶区、断层分支、弯折、空区、双弯结构等),进而发生级联破裂(参见Rodriguez Padilla et al., 2024).此外,对于破裂尺度超过30 km或M>7级的地震,小尺度的“障碍体”也很难阻挡破裂带的传播(Zhang et al., 1991).

在一些大型走滑断裂带上,例如2023年2月6日土耳其东安托利亚断裂发生的Mw7.8和Mw7.5双强震事件中,Mw7.8地震引发了东安托利亚断裂西南端多个断裂段的级联破裂(Ren et al., 2024; 梁朋等, 2025).海原断裂带在 1920 年Mw7.9地震时,3个段落同时发生破裂(李彦宝等, 2016).2001年昆仑山口西M8.1导致400多公里的地震地表破裂主要由5条次级破裂段组成(陈杰等, 2003).此外,关于小江断裂和鲜水河走滑断裂上级联破裂引发大地震的概率问题也有相关讨论(Cheng et al., 2023).尽管在正断层和逆冲断层上研究级联破裂的案例相对较少,但根据前人研究经验,这两种类型的断层带同样可能引发级联破裂,从而形成大震并导致严重的地震灾害(Elliot et al., 2022Cheng et al., 2023Glasgow et al., 2023).

基于一些逆冲断裂和走滑断裂的震例,我国学者创新性地提出M≥7的大地震和特大地震是由多个次级断层发生级联破裂的产物(徐锡伟等, 2023).藏南裂谷系内的正断层带几何特征较为简单,具有较好的连续性和线性特征,段落之间的阶区非常窄,未出现非常明显的大型“障碍体”.但藏南裂谷系的正断层地震多为浅源地震,出现单个断裂带各分段落出现级联破裂,其破裂宽度和破裂面积都无法与走滑断层相比,这也就决定了正断层型地震是存在震级上限的.历史上,藏南裂谷系曾多次发生M≥7以上的地震(西藏自治区科学技术委员会,1982; 图1),典型案例如1411年羊八井M8地震和1952年当雄Ms7.5地震,引发了约58~130 km长的地表破裂(国家地震局地质研究所, 1992).在错那‒沃卡裂谷系和亚东‒谷露裂谷系北侧都有发生Mw≥7的历史地震事件(图1),与我们基于全段破裂的假设估算的矩震级上限大致符合.在地质地貌和古地震研究方面,通过古地震探槽获取同震位移的方法得到的古地震震级与我们采用全段破裂的方法得到的正断层孕震上限值基本一致(左嘉梦等,2020;Zuo et al., 2021Gao et al., 2024),说明地震导致盆地内发生级联破裂产生强震的现象在藏南裂谷系是存在的.另外,对于2025年1月7日定日地震,根据地震波反演,地表会出现40余千米的破裂带,推算震级Mw7.1,余震序列也揭示了地下40余千米的破裂带,与我们和前人估算的该断裂可孕育Mw>7地震的能力相一致(田婷婷和吴中海, 2023).因此,本文对藏南裂谷系内正断层带孕震上限的评估方法是合理的.

4.2 历史地震目录重新厘定的必要性

长时间尺度的地震数据是地震风险评估以及未来地震中长期预测可靠性的关键基础.然而,器测地震的时间跨度仅有几十年,鉴于此,拓展地震的时间尺度成为一项必要工作.历史地震能够将地震的时间跨度延伸至几百年,在震害预测模型中占据着极为重要的地位.历史地震震级,作为衡量地震大小与能量释放的关键参数,常被用于评估历史地震的危害程度以及未来地震的发生潜势.然而,由于早期地震仪器设备不够完善、校准标定不足、地区差异以及仪器频带问题等诸多原因,早期历史强震震级标定可能存在普遍高估的问题,这其中包含一些影响力巨大的强震,例如1920年海原Mw7.9大地震、1556年华县Mw(7.3~8.0)大地震和1303年洪洞Mw(7.1~7.6)大地震(Xu et al., 2018Feng et al., 2020Ou et al.,2020).这些系统性的震级偏差会对基于历史资料的强震风险评估可靠性产生影响,进而导致震防资源的过度浪费.因此,重新厘定历史地震的震级是十分必要的.

对于藏南裂谷系的正断层,在历史时期也曾发生过多次强震事件(图1).但由于该地区较为偏远、文字资料记录不完整等原因,可考证的震例数量有限.在20世纪90年代,国家地震局地质研究所出版的《西藏中部活动断层》一书中,记录了1411年羊八井地震和1952年当雄地震的野外考证资料.这两次地震的极震区均出现在吉达果‒雄姆错地堑内,并且经野外调查发现,地震分别造成念青唐古拉山东麓断层当雄‒羊八井盆地和多弄‒烟它段大约 136 km和57.5 km 的局部地表破裂(图4; 国家地震局地质研究所, 1992).对于1952年8月18日当雄地震,仪器记录给出的震级为面波震级Ms7.5,本文根据正断层经验公式(1)和断层破裂尺度计算得到矩震级为Mw7.2,比面波震级低0.3.基于最大垂向位移(5.5 m; 国家地震局地质研究所, 1992)与全球矩震级经验公式(Mw=6.61+0.71×lg(MD,最大同震位移)得到此次地震的矩震级为Mw7.1,与基于破裂尺度的结果基本一致.1411年羊八井地震给出的震级为M8.本文结合走滑断层经验公式(Mw=5.16+1.12×lg(SRL,本文也采用地表迹线长度), Wells and Coppersmith(1994)得到矩震级Mw7.5,低于历史震级0.5.基于最大位移(8.5 m; 国家地震局地质研究所, 1992)与全球矩震级经验公式(Mw=6.81+0.78×lg(MD,最大同震位移)得到此次地震的矩震级为Mw7.5,与基于破裂尺度的结果一致.此外,根据烈度XI值(西藏自治区科学技术委员会, 1982)和烈度与震级之间的经验公式M=0.58I0(烈度值)+1.5,可得M7.9,再根据m(体波震级)=2.5+0.63M,可得到m=7.5,使其等价于mB(体波震级),借助公式Mw=1.33×mB-2.36,得到矩震级Mw=7.6(推理公式可见 Ou et al., 2020),与基于破裂长度得到的结果也基本一致.在念青唐古拉山东麓断层全段破裂的前提下(~190 km),地震的矩震级介于Mw7.7,也小于历史地震震级M8.

从这两个历史地震震级标定结果来看,本文基于地表破裂长度填图和最大同震位移获得的震级小于历史地震目录和USGS的结果,USGS的结果与历史地震目录更为匹配.以2025年定日地震为例,根据野外地表破裂填图,目前所得到的最大的地震地表破裂长度为36.5 km(邵延秀等, 2025),带入经验公式(1),获得震级为Mw6.9.USGS根据地震波反演此次地震造成地表形成40余km的同震地表破裂,震级为Mw7.1,两者相差0.2,误差为3%.野外获得的地表破裂尺度与USGS反演的地表破裂尺度存在差异,这是导致计算结果存在差异的直接原因.但本文认为,基于详实的野外地表破裂填图估算的震级可能更符合真实的地震震级.

关于体波震级、面波震级和矩震级在震级标定的区分和优劣势,刘静等(2023)和Ou et al.(2020)有很好的概述和说明,且根据前人对历史地震的重新标定,认为以往给出的历史地震震级普遍存在高估的想象,采用矩震级重新标定后的地震级更为可靠性.因此,对于1952年强震,选用基于地表破裂填图的矩震级Mw7.2可能更合理些.对于1411年历史地震,没有地震波形资料和其他地震台资料计算震中距,无法进行体波和面波震级反演.依据地震烈度‒震级的关系公式推算的结果可能会使震级系统性偏高(刘静等, 2023).因此,基于地表破裂尺度填图计算矩震级Mw=7.5更为合理(图4).

4.3 裂谷系正断层的强震危险性以及与喜马拉雅主边界断裂潜在的强震触发效应

藏南裂谷系是青藏高原内部重要的构造伸展区,域内的正断层受控于面膨胀应变和地壳拉张作用,正断型地震多发(张培震等, 2022).如前文所述,对藏南裂谷系8条近南北向大型裂谷带的正断层孕震潜力进行统计分析得知,有超过一半(52%)的断层具备孕育Mw≥7地震的潜力(图2,表2图5a).尽管在空间上呈现东强西弱的差异,但总体来说,这些正断层的孕震能力普遍较强(Li et al., 2025图5b).经前人研究和结合历史地震资料,藏南裂谷系存在多个M>7历史地震空区(图2),可能说明这些正断层正处于应力积累的过程中,其释放的周期和应力积累的时间可能更长,这与古地震调查结果揭示的大地震重现期在5~ 7 ka左右相一致(Ha et al., 2019b; 黄婷等, 2024).

此外,藏南裂谷系北侧被大型走滑断裂带所围限,这些走滑断裂的活动可能也会与藏南裂谷系北侧的正断层存在相互联动的关系,如1951年崩错Mw7.3地震与震后一年在谷露盆地发生的当雄Mw7.2地震之间的关联性.藏南裂谷系南侧紧邻超大型喜马拉雅弧形主前锋逆冲断裂带,为典型的低角度逆冲断裂带,历史强震频发,绝大多数强震会伴随地表破裂且破裂尺度基本达到甚至超过百公里级别,强震造成断面的解锁加快了临近断裂应力加载的过程(图1;表1).另据GNSS十年尺度的数据分析认为,青藏高原的连续变形受控于统一的应变场,如果活动构造体系主边界断裂与块体内部的次级断裂的强震事件存在联动效应或相互触发关系,青藏高原东南缘的主逆冲断裂带上的强震加快了北侧藏南裂谷系应力加载过程,就可能会促进正断层裂谷系强震的发生(刘静等, 2015; 徐晶等, 2016; 张培震等, 2022).典型的案例为1934年1月尼泊尔东部M8.1地震后,于1934年12月在申扎北发生了M7.0(可能的最大地震为Mw7.2,大于实际地震).2015年4月尼泊尔Mw7.8强震后应力在北向增加,特别是改变了亚东‒谷露裂谷系南侧的应力环境和断层的活动速率,导致震后定日‒定结县正断层型地震数量的明显增加(万永革等, 2015;黄婷等, 2024).从震后库仑应力触发过程来看,2015年尼泊尔Mw7.8地震造成聂拉木‒定日一带应力发生显著增强,并触发了2015年定日Ms5.9和聂拉木Ms5.3级地震(万永革等, 2015).藏南裂谷系南侧包括亚东‒谷露地堑南段、岗嘎‒当惹雍错断裂和申扎‒定结断裂的南段同震库仑应力升高,其中岗嘎‒当惹雍错南端同震库仑应力变化峰值更是超过了0.01 MPa应力触发阈值(熊维等,2015).

目前,喜马拉雅弧形构造带存在多个历史地震空区,个别已超过大震500年的复发周期,如1505年历史地震空区(图1).研究也认为喜马拉雅弧形构造带上缺乏多次8级左右甚至大于Mw8.5的强震来释放已积累的能量(Ader et al., 2012Bollinger et al., 2015).基于强震联动效应或相互触发的观点,要格外关注藏南裂谷系南侧紧邻弧形构造带的一些断层,尤其是雅鲁藏布江河谷南侧的正断层的未来强震危险性.

5 结论

藏南裂谷系内发育的众多正断层以及地堑、半地堑盆地,是典型的伸展变形区域,同时也构成了盆‒岭构造‒地貌单元.自晚第四纪以来,该区域构造活动强烈且地震频发,地震震害程度较高,其中2025年1月7日发生的Mw7.1地震便是“小震大灾”的一个典型例子.因此,深入探究藏南裂谷系正断层的发震能力,对于藏南裂谷系未来的震防工作具有重要意义.

在前人研究成果以及正断层几何和构造特征的基础上,本文整理出92条裂谷系内的正断层.为了评估每条断层的孕震上限,假设地震导致断层沿迹线全段破裂,结合断层破裂长度与全球正断层震级的经验公式,对这些正断层各自的最大震级进行了估算.研究结果表明,这些正断层的孕震上限处于Mw6.5~7.5,整体展现出普遍较强的孕震能力,且最大震级上限出现在亚东‒谷露裂谷系北侧以及紧邻1505年历史地震空区的雄曲断裂.藏南裂谷系的正断层型地震震源较浅,断层破裂面积有限,因此存在断层发震上限.此外,藏南裂谷系内部和喜马拉雅弧形构造带存在多个历史地震空区,研究表明藏南裂谷系主边界断裂与块体内部次级断裂存在强震的关联性或触发联动效应.参考2015年尼泊尔Mw7.8地震对2025年1月7日定日Mw7.1地震的触发可能性以及定日Mw7.1地震后的余震序列结果,本文建议需关注雅鲁藏布江河谷南侧的正断层体系,特别是定日‒定结一带的郭加断层和定结断层的未来强震危险性.

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基金资助

国家自然科学基金青年项目(42202212)

国家自然科学基金项目(42072248)

中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项项目(CEAIEF20240302)

中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项项目(CEAIEF20250101)

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