劉　輝1，^[2]　洪漢凈1　冉洪流1　沈繁鑾2　趙　波1　陳會仙1

1.中國地震局地質(zhì)研究所，北京，100029

2.海南省地震局，北京，570203

摘要：分析世界火山分布圖發(fā)現(xiàn)，瓊北火山群分布在一南北向的火山帶上，應(yīng)用有限元方法模擬計算雙俯沖作用下海南島所在的雷瓊—越東火山帶的形成機制，結(jié)合海南島精確定位的地震數(shù)據(jù)和形變觀測結(jié)果，認(rèn)為瓊北地區(qū)可能存在巖墻侵入或張性斷裂膨脹，并根據(jù)地震數(shù)據(jù)模擬分析了巖墻侵入對區(qū)域應(yīng)力場及形變的影響。瓊北地區(qū)精確地震（2000—2006）定位結(jié)果表明地震主要集中在一個垂直面上，并且地震帶兩端有分叉現(xiàn)象。通過地震時空分布特征推測存在巖墻侵入，并通過數(shù)值模擬很好地解釋了瓊北地區(qū)地震的分布特征（狗骨頭狀）以及地表垂向形變東升西降的特征。

關(guān)鍵詞：雙俯沖；巖墻侵入；海南島；有限元；火山

1　引言

瓊北火山群位于歐亞板塊的東南緣，受到菲律賓板塊、印度板塊運動和南海海盆擴張的聯(lián)合作用與影響，構(gòu)造運動、火山活動和地震活動強烈。瓊北地區(qū)所在大地構(gòu)造位置屬于華南褶皺系，包含五指山褶皺帶和雷瓊斷陷兩個二級構(gòu)造單元，基底主要是中元古界和古生界變質(zhì)巖及中生界白堊系砂礫巖。白堊系的沉積盆地主要受北東向構(gòu)造的控制。在燕山運動之后，由于近東西斷裂的作用形成了新生代斷陷盆地。古近紀(jì)末，該區(qū)曾發(fā)生過準(zhǔn)平原化；新近紀(jì)初，瓊北地區(qū)上地幔隆起，地殼發(fā)生拉張使原有的斷裂繼承性地活動，主要以近東西向斷裂的強烈活動為主，整體地貌呈階梯狀向北下降，海水廣泛侵入，重新形成近東西向斷陷盆地；盆地內(nèi)部由于北西向斷裂的切割，形成壘塹相間的條塊構(gòu)造；新近紀(jì)末，盆地上升，發(fā)生海退，伴隨有多次火山噴發(fā)；第四紀(jì)，地殼以斷塊差異升降活動為主，繼承性斷裂地活動，伴隨有大量火山噴發(fā)和多次地震活動；現(xiàn)在地殼運動仍然以近東西向和北西向的差異運動為主。

1605年7月13日在?？诃偵桨l(fā)生了7.5級大地震，震后又陸續(xù)發(fā)生了十余次6級左右的余震，瓊北沿海地區(qū)普遍發(fā)生沉陷，72個村莊沉入海中，沉陷面積超過100km2，沉陷深度一般為3—4m，最深達(dá)10m。全球自有歷史地震記載以來，這是唯一一次有如此大面積塌陷和如此多的強余震的大地震。

近年來，很多學(xué)者利用不同的研究思路和方法對海南島地區(qū)進行了深入研究。嘉世旭等（2006）認(rèn)為雷瓊地區(qū)地殼厚度的減薄以及低波速異常可能與地幔對地殼底部的底侵、拆層和地殼仍處于相對溫?zé)釥顟B(tài)相關(guān)。區(qū)域地震層析成像顯示，在海南島下方600km深度之上存在明顯的低波速異常。丁志峰等（2004）認(rèn)為瓊北火山區(qū)的中下地殼波速偏低，上地幔中的低波速異常區(qū)則集中在瓊州海峽。胡久常和白登海（2005）通過大地電磁測深認(rèn)為海南島下方存在餅狀地幔柱。雷建設(shè)（2007）通過層析成像的方法認(rèn)為海南島下方存在直徑為80 km的地幔柱。刁桂苓等（2007）通過精確地震定位發(fā)現(xiàn)一個南北向的地震帶，且該地震帶的端部有分叉的分布現(xiàn)象?？梢娡ㄟ^地球物理手段得到了在海南島下方存在地幔柱的認(rèn)識，然而該區(qū)域下方地幔柱形成的動力學(xué)機制是什么？對海南島的火山和地震活動有何影響？

火山與地震的相互作用是目前研究的熱點。研究瓊北火山群形成的動力學(xué)機制有助于理解南亞的構(gòu)造特征以及陸內(nèi)火山成因機制。本文旨在應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對瓊北火山群的形成機制進行探討，對瓊北區(qū)域地震現(xiàn)象的新認(rèn)識和模擬研究可以為該區(qū)地震的成因和機理以及現(xiàn)今該區(qū)域的活動性提供參考。

2　瓊北火山群形成的動力學(xué)機制

瓊北火山群位于瓊北—越東火山帶上，該火山帶與騰沖—緬甸火山帶和臺灣—菲律賓火山帶基本平行（圖1a），而后兩個火山帶的位置恰恰是俯沖帶的位置。以往研究對于俯沖區(qū)域形成的火山帶成因有較為一致的認(rèn)識，然而板內(nèi)火山帶的成因目前爭議很大。為了探討瓊北火山群所處火山帶的成因，本文設(shè)計了雙俯沖有限元概念模型（圖1b，模型參數(shù)見表1），本構(gòu)方程見式（1）、（2）。模型尺度（長、寬、高）為3600km×1500km×670km，模型中共有9000個單元，10626個節(jié)點，模型垂向介質(zhì)分兩層（表1），淺部地殼為較硬層，深部為較軟層，模型底面、頂面垂向固定，兩個俯沖帶均給定10mm/a的俯沖速度。模擬結(jié)果（圖1c）顯示形成了兩個俯沖對流環(huán)，同時雙俯沖作用使得兩個俯沖帶中間區(qū)域深部物質(zhì)上涌，為海南島所處的板內(nèi)火山帶的成因提供了一種解釋。

其中，G為剪切彈性模量，η為黏滯系數(shù)，υ為泊松比，E為Maxwell體楊氏模量。由于在模擬對流時模型頂面垂向固定，因此通過應(yīng)力和形變的關(guān)系（式（3））得出地表地形（圖1d），模型表層中部存在隆起區(qū)。

其中，Z為地表垂向位移，σzz為有限元計算結(jié)果中模型Z方向主應(yīng)力，Δρ為深層和淺層介質(zhì)密度差異，g為重力加速度。

表1　有限元模型參數(shù)

3　區(qū)域地震活動性分析

林紀(jì)曾等（1980年）分析了海南東南沿海地區(qū)70個震源機制結(jié)果，認(rèn)為該區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的主壓應(yīng)力軸具有扇形分布的特征。東、西兩部分的震源錯動方式截然相反。對于雷瓊區(qū)——包括雷州半島、海南島、廣西合浦地區(qū)及附近海域，主壓應(yīng)力軸的優(yōu)勢方位為近南北向，震源錯動方式為北東向節(jié)面呈左旋，北西向節(jié)面呈右旋、瓊北地區(qū)最大主應(yīng)力近南北向（刁桂苓等，2007），并對瓊北地震進行了精確定位（圖2），同時得出了最大主應(yīng)力方向為近南北向，精確定位地震數(shù)據(jù)有明顯特征，主要體現(xiàn)在地震的分布以及地震隨時間的變化方面。地震震中分布為近南北向線狀分布（圖2a），我們可以稱之為一個南北向的地震帶，該地震帶的端部有分叉的分布現(xiàn)象；地震震源分布為南北方向?qū)?、東西方向窄的特征（圖2b）；如果不考慮分叉部分，地震帶幾乎在一個垂直面上；隨時間的變化地震發(fā)生是從深到淺的過程。我們初步認(rèn)為該地震帶區(qū)域可能存在巖墻侵入或張性斷裂膨脹。為了深入了解該地震帶的應(yīng)力特征，我們繪制了瓊北地震震源機制的結(jié)果，從P軸（圖2c）和T軸（圖2d）結(jié)果可以看出，雖然擠壓和拉張的方向較為復(fù)雜，然而還是有部分的統(tǒng)一性，沿著地震帶，擠壓以近南北向為優(yōu)勢，拉張則為近東西向，顯示本區(qū)受到了構(gòu)造應(yīng)力場的影響，之所以錯綜復(fù)雜，說明本區(qū)域的地震成因不是簡單的構(gòu)造應(yīng)力積累所致，還有其他因素影響。瓊北地區(qū)以近北北西向和近東西向的斷裂為主，形成了網(wǎng)狀斷裂體系，導(dǎo)致淺部地殼介質(zhì)裂隙較為發(fā)育，比較適合深部巖漿向淺部運移。因此，我們認(rèn)為海南島東北部的地殼中存在巖墻侵入或張性斷裂膨脹，而且是在歷史事件中形成并已存在。如果是正在形成的張性斷裂膨脹，那么地震的數(shù)量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)在的水平。為了分析在構(gòu)造應(yīng)力場作用下，巖墻侵入或張性斷裂膨脹對該區(qū)域穩(wěn)定性的影響以及未來的活動趨勢，我們建立了該區(qū)域的模型并進行了分析計算。

圖1　平行火山帶與雙俯沖模型

圖2　地震分布與震源機制

4　地震現(xiàn)象的模擬與解釋

目前，庫侖破裂準(zhǔn)則是被廣泛接受的用于定義巖石中破裂的一個準(zhǔn)則，其方程如下：

其中τβ是剪應(yīng)力，σβ即是正應(yīng)力（擠壓為正），P為孔隙流體壓力，μ為摩擦系數(shù)。如果斷層方向為β，可以利用最大、最小主應(yīng)力來表示正應(yīng)力和剪應(yīng)力：其中σ1和σ3分別為最大、最小主應(yīng)力。公式（4）可寫為：

根據(jù)第3節(jié)對地震時空分布的分析和推斷，我們設(shè)計了瓊北的巖脈侵入模型，考慮到周邊斷層的存在會直接或間接地影響地震帶的活動性，我們在模型中考慮周圍幾條主要斷裂，并且根據(jù)地震帶的空間分布認(rèn)為這條近南北向的張性斷裂帶賦存深度位于8—20km，模型如圖3，區(qū)域主應(yīng)力場方向為北北西（北偏西10°）。斷層面的摩擦系數(shù)均為0.4，初始條件為張性斷裂的膨脹，給定了內(nèi)部1m的膨脹寬度，利用基于matlab平臺coulomb的程序進行計算。

圖3　主要斷裂與張性斷裂膨脹模型

剪應(yīng)力分布如圖4，可以看出在區(qū)域應(yīng)力場的控制下，在巖墻侵入或張性斷裂膨脹區(qū)域形成了“狗骨頭”狀的應(yīng)力增強區(qū)，這也很好地解釋了地震帶南北兩端部存在地震分布的分 叉現(xiàn)象，并在應(yīng)力抑制區(qū)地震稀少的現(xiàn)象。圖4左上角的示意圖為Hill（1977）提出的巖脈誘發(fā)地震模型，本模型的結(jié)果可以很好地吻合巖脈模型。另外，實測的形變結(jié)果顯示該區(qū)域存在以長流—仙溝斷裂為分界東部抬升西部下降的趨勢。從垂向位移模擬結(jié)果可以看出（圖5），圖東部明顯抬升，而西部地區(qū)則有微弱的下沉趨勢，基本以長流—仙溝斷裂為分界，東升西降。這個結(jié)果與實際觀測結(jié)果基本吻合。

圖4　剪應(yīng)力分布圖

圖5　張性斷裂膨脹導(dǎo)致的地表垂向形變

5　結(jié)論與討論

（1）大陸內(nèi)部的火山成因有很多（裂谷火山、陸緣碰撞區(qū)域火山以及熱點火山等），雙俯沖模式很好地解釋了騰沖—緬甸火山帶、雷瓊—越東火山帶、臺灣—菲律賓火山帶這三條平行火山帶的成因，為陸內(nèi)火山成因提供了一種可能的機制，利用數(shù)值模擬的方法得到了印證。雙俯沖的作用會導(dǎo)致兩俯沖帶中間區(qū)陸內(nèi)部的火山成因有很多（裂谷火山、陸緣碰域的深部熱物質(zhì)上涌），也可以說是海南島所處的構(gòu)造背景下特有的陸內(nèi)火山成因。

（2）通過分析該區(qū)域地震的時空分布，結(jié)合該區(qū)域所處火山帶的大背景，認(rèn)為可能存在巖墻侵入或張性斷裂膨脹。數(shù)值模擬結(jié)果不僅能解釋研究區(qū)域的地震分布特征，而且能很好地解釋瓊北地區(qū)的形變特征。

（3）目前該區(qū)很多的地球物理資料都不盡相同或存在誤差較大的問題，有待更詳細(xì)的驗證。本文僅給出了初步模型，對巖脈侵入、重力作用以及地殼介質(zhì)分層有待大地測深以及精細(xì)地殼速度結(jié)構(gòu)等結(jié)果出來后進一步計算。

致謝　成文過程中得到了蔡軍濤博士、陳化然研究員、孫謙副研究員、陶瑋副研究員、陳曉雨博士和杜龍等的有益討論和幫助，審者對本文提出了很多有益的意見，在此一并致謝！

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【注釋】

[1]本文發(fā)表于《地球物理學(xué)報》第51卷第6期。

[2]劉輝，男，中國地震局地質(zhì)研究所碩士畢業(yè)生，主要研究方向為地震與火山方面的地球動力學(xué)與數(shù)值模擬等。