火山地震带板块示意图

刘　辉1，^[2]　洪汉净1　冉洪流1　沈繁銮2　赵　波1　陈会仙1

1.中国地震局地质研究所，北京，100029

2.海南省地震局，北京，570203

摘要：分析世界火山分布图发现，琼北火山群分布在一南北向的火山带上，应用有限元方法模拟计算双俯冲作用下海南岛所在的雷琼—越东火山带的形成机制，结合海南岛精确定位的地震数据和形变观测结果，认为琼北地区可能存在岩墙侵入或张性断裂膨胀，并根据地震数据模拟分析了岩墙侵入对区域应力场及形变的影响。琼北地区精确地震（2000—2006）定位结果表明地震主要集中在一个垂直面上，并且地震带两端有分叉现象。通过地震时空分布特征推测存在岩墙侵入，并通过数值模拟很好地解释了琼北地区地震的分布特征（狗骨头状）以及地表垂向形变东升西降的特征。

关键词：双俯冲；岩墙侵入；海南岛；有限元；火山

1　引言

琼北火山群位于欧亚板块的东南缘，受到菲律宾板块、印度板块运动和南海海盆扩张的联合作用与影响，构造运动、火山活动和地震活动强烈。琼北地区所在大地构造位置属于华南褶皱系，包含五指山褶皱带和雷琼断陷两个二级构造单元，基底主要是中元古界和古生界变质岩及中生界白垩系砂砾岩。白垩系的沉积盆地主要受北东向构造的控制。在燕山运动之后，由于近东西断裂的作用形成了新生代断陷盆地。古近纪末，该区曾发生过准平原化；新近纪初，琼北地区上地幔隆起，地壳发生拉张使原有的断裂继承性地活动，主要以近东西向断裂的强烈活动为主，整体地貌呈阶梯状向北下降，海水广泛侵入，重新形成近东西向断陷盆地；盆地内部由于北西向断裂的切割，形成垒堑相间的条块构造；新近纪末，盆地上升，发生海退，伴随有多次火山喷发；第四纪，地壳以断块差异升降活动为主，继承性断裂地活动，伴随有大量火山喷发和多次地震活动；现在地壳运动仍然以近东西向和北西向的差异运动为主。

1605年7月13日在海口琼山发生了7.5级大地震，震后又陆续发生了十余次6级左右的余震，琼北沿海地区普遍发生沉陷，72个村庄沉入海中，沉陷面积超过100km2，沉陷深度一般为3—4m，最深达10m。全球自有历史地震记载以来，这是唯一一次有如此大面积塌陷和如此多的强余震的大地震。

近年来，很多学者利用不同的研究思路和方法对海南岛地区进行了深入研究。嘉世旭等（2006）认为雷琼地区地壳厚度的减薄以及低波速异常可能与地幔对地壳底部的底侵、拆层和地壳仍处于相对温热状态相关。区域地震层析成像显示，在海南岛下方600km深度之上存在明显的低波速异常。丁志峰等（2004）认为琼北火山区的中下地壳波速偏低，上地幔中的低波速异常区则集中在琼州海峡。胡久常和白登海（2005）通过大地电磁测深认为海南岛下方存在饼状地幔柱。雷建设（2007）通过层析成像的方法认为海南岛下方存在直径为80 km的地幔柱。刁桂苓等（2007）通过精确地震定位发现一个南北向的地震带，且该地震带的端部有分叉的分布现象。可见通过地球物理手段得到了在海南岛下方存在地幔柱的认识，然而该区域下方地幔柱形成的动力学机制是什么？对海南岛的火山和地震活动有何影响？

火山与地震的相互作用是目前研究的热点。研究琼北火山群形成的动力学机制有助于理解南亚的构造特征以及陆内火山成因机制。本文旨在应用数值模拟的方法对琼北火山群的形成机制进行探讨，对琼北区域地震现象的新认识和模拟研究可以为该区地震的成因和机理以及现今该区域的活动性提供参考。

2　琼北火山群形成的动力学机制

琼北火山群位于琼北—越东火山带上，该火山带与腾冲—缅甸火山带和台湾—菲律宾火山带基本平行（图1a），而后两个火山带的位置恰恰是俯冲带的位置。以往研究对于俯冲区域形成的火山带成因有较为一致的认识，然而板内火山带的成因目前争议很大。为了探讨琼北火山群所处火山带的成因，本文设计了双俯冲有限元概念模型（图1b，模型参数见表1），本构方程见式（1）、（2）。模型尺度（长、宽、高）为3600km×1500km×670km，模型中共有9000个单元，10626个节点，模型垂向介质分两层（表1），浅部地壳为较硬层，深部为较软层，模型底面、顶面垂向固定，两个俯冲带均给定10mm/a的俯冲速度。模拟结果（图1c）显示形成了两个俯冲对流环，同时双俯冲作用使得两个俯冲带中间区域深部物质上涌，为海南岛所处的板内火山带的成因提供了一种解释。

其中，G为剪切弹性模量，η为黏滞系数，υ为泊松比，E为Maxwell体杨氏模量。由于在模拟对流时模型顶面垂向固定，因此通过应力和形变的关系（式（3））得出地表地形（图1d），模型表层中部存在隆起区。

其中，Z为地表垂向位移，σzz为有限元计算结果中模型Z方向主应力，Δρ为深层和浅层介质密度差异，g为重力加速度。

表1　有限元模型参数

3　区域地震活动性分析

林纪曾等（1980年）分析了海南东南沿海地区70个震源机制结果，认为该区现代构造应力场的主压应力轴具有扇形分布的特征。东、西两部分的震源错动方式截然相反。对于雷琼区——包括雷州半岛、海南岛、广西合浦地区及附近海域，主压应力轴的优势方位为近南北向，震源错动方式为北东向节面呈左旋，北西向节面呈右旋、琼北地区最大主应力近南北向（刁桂苓等，2007），并对琼北地震进行了精确定位（图2），同时得出了最大主应力方向为近南北向，精确定位地震数据有明显特征，主要体现在地震的分布以及地震随时间的变化方面。地震震中分布为近南北向线状分布（图2a），我们可以称之为一个南北向的地震带，该地震带的端部有分叉的分布现象；地震震源分布为南北方向宽、东西方向窄的特征（图2b）；如果不考虑分叉部分，地震带几乎在一个垂直面上；随时间的变化地震发生是从深到浅的过程。我们初步认为该地震带区域可能存在岩墙侵入或张性断裂膨胀。为了深入了解该地震带的应力特征，我们绘制了琼北地震震源机制的结果，从P轴（图2c）和T轴（图2d）结果可以看出，虽然挤压和拉张的方向较为复杂，然而还是有部分的统一性，沿着地震带，挤压以近南北向为优势，拉张则为近东西向，显示本区受到了构造应力场的影响，之所以错综复杂，说明本区域的地震成因不是简单的构造应力积累所致，还有其他因素影响。琼北地区以近北北西向和近东西向的断裂为主，形成了网状断裂体系，导致浅部地壳介质裂隙较为发育，比较适合深部岩浆向浅部运移。因此，我们认为海南岛东北部的地壳中存在岩墙侵入或张性断裂膨胀，而且是在历史事件中形成并已存在。如果是正在形成的张性断裂膨胀，那么地震的数量会远远超过现在的水平。为了分析在构造应力场作用下，岩墙侵入或张性断裂膨胀对该区域稳定性的影响以及未来的活动趋势，我们建立了该区域的模型并进行了分析计算。

图1　平行火山带与双俯冲模型

图2　地震分布与震源机制

4　地震现象的模拟与解释

目前，库仑破裂准则是被广泛接受的用于定义岩石中破裂的一个准则，其方程如下：

其中τβ是剪应力，σβ即是正应力（挤压为正），P为孔隙流体压力，μ为摩擦系数。如果断层方向为β，可以利用最大、最小主应力来表示正应力和剪应力：其中σ1和σ3分别为最大、最小主应力。公式（4）可写为：

根据第3节对地震时空分布的分析和推断，我们设计了琼北的岩脉侵入模型，考虑到周边断层的存在会直接或间接地影响地震带的活动性，我们在模型中考虑周围几条主要断裂，并且根据地震带的空间分布认为这条近南北向的张性断裂带赋存深度位于8—20km，模型如图3，区域主应力场方向为北北西（北偏西10°）。断层面的摩擦系数均为0.4，初始条件为张性断裂的膨胀，给定了内部1m的膨胀宽度，利用基于matlab平台coulomb的程序进行计算。

图3　主要断裂与张性断裂膨胀模型

剪应力分布如图4，可以看出在区域应力场的控制下，在岩墙侵入或张性断裂膨胀区域形成了“狗骨头”状的应力增强区，这也很好地解释了地震带南北两端部存在地震分布的分 叉现象，并在应力抑制区地震稀少的现象。图4左上角的示意图为Hill（1977）提出的岩脉诱发地震模型，本模型的结果可以很好地吻合岩脉模型。另外，实测的形变结果显示该区域存在以长流—仙沟断裂为分界东部抬升西部下降的趋势。从垂向位移模拟结果可以看出（图5），图东部明显抬升，而西部地区则有微弱的下沉趋势，基本以长流—仙沟断裂为分界，东升西降。这个结果与实际观测结果基本吻合。

图4　剪应力分布图

图5　张性断裂膨胀导致的地表垂向形变

5　结论与讨论

（1）大陆内部的火山成因有很多（裂谷火山、陆缘碰撞区域火山以及热点火山等），双俯冲模式很好地解释了腾冲—缅甸火山带、雷琼—越东火山带、台湾—菲律宾火山带这三条平行火山带的成因，为陆内火山成因提供了一种可能的机制，利用数值模拟的方法得到了印证。双俯冲的作用会导致两俯冲带中间区陆内部的火山成因有很多（裂谷火山、陆缘碰域的深部热物质上涌），也可以说是海南岛所处的构造背景下特有的陆内火山成因。

（2）通过分析该区域地震的时空分布，结合该区域所处火山带的大背景，认为可能存在岩墙侵入或张性断裂膨胀。数值模拟结果不仅能解释研究区域的地震分布特征，而且能很好地解释琼北地区的形变特征。

（3）目前该区很多的地球物理资料都不尽相同或存在误差较大的问题，有待更详细的验证。本文仅给出了初步模型，对岩脉侵入、重力作用以及地壳介质分层有待大地测深以及精细地壳速度结构等结果出来后进一步计算。

致谢　成文过程中得到了蔡军涛博士、陈化然研究员、孙谦副研究员、陶玮副研究员、陈晓雨博士和杜龙等的有益讨论和帮助，审者对本文提出了很多有益的意见，在此一并致谢！

参考文献

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［2］洪汉净，等.琼北火山探查及喷发危险性研究，中国地震局地质研究所科研报告，2003

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【注释】

[1]本文发表于《地球物理学报》第51卷第6期。

[2]刘辉，男，中国地震局地质研究所硕士毕业生，主要研究方向为地震与火山方面的地球动力学与数值模拟等。