Amurian板块旋转模型及其沿郯庐断裂带二级划分

李拴虎，高立新，韩晓明，陈立峰，梁沙沙

（内蒙古自治区地震局，呼和浩特市 010010）

0 前言

在国际地球参考框架（ITRF）下的全球板块运动模型NUVEL-1A内，Amurian板块并没有从欧亚板块内整体剥离出来[1-2]，然而，从Zonenshain等人的研究开始，Amurian板块被认为是一个单独的构造单元，之后的专家学者都做过类似的研究。按照定义，岩石圈板块的变形是整体刚性移动的，近年来基于GPS的大地变形测量已经证实其存在[3]。但东部边界一直没有达成共识（图1），最初东边界沿库页岛一直向南，通过北海道沿日本海岸线展布。后来通过地震活动性的分析，从库页岛南部开始分离，沿日本北海道西海岸并通过本州岛，与南部海沟重合[4-6]，南部边界的争议相对较小，主体为通过渤海，与东西向的阴山-燕山断裂带重合。Gatinsky根据公开发表的数据，定义了从渤海开始，沿郯庐断裂带一直到库页岛的最北端的边界，单独划分出了日本-朝鲜半岛（KJ）板块，主要包括朝鲜半岛，日本海，中国东海、黄海和渤海的部分，中国东北郯庐断裂带的一部分，以及日本岛西南地区。Imaev[7]同样认为Amurian板块是一个南边界通过郯庐断裂带的刚性块体。Malyshev[8]根据东亚岩石圈的减薄判定锡霍特-阿林造山带位于Amurian板块的东边界区域。

图1 Amurian板块边界不同的划分方式Fig.1 Different dividing ways of the Amurian Plate boundary

欧亚板块与Amurian板块的分界带同样存在争议，其中一派沿着贝加尔地震带和斯塔诺沃依地震带以北地区划分。斯塔诺沃依地震带分为两支，北支沿着斯塔诺沃依山脉至乌达湾（鄂霍次克海），南支通过 Tukuringra-Dzhagdy（T-D）山脊[9-10]。Petit认为板块北边界从从乌达湾开始，穿过阿尔丹地盾南部和贝加尔裂谷（BRZ）东北边缘，后沿着贝加尔盆地一直往西到达蒙古北部盆地。Malyshev的研究认为北部边界是一个隆起的软流圈条带，从贝加尔裂谷向东延展，通过杰尔图拉克断裂，阿尔丹-斯塔诺沃依地盾南缘，结雅等一系列中新生代盆地，一直延伸到鄂霍茨克板块。Imaev认为北部边界是一个缓冲型的地震条带，缓冲区北缘对应奥莱克马-斯塔诺沃依地震带，南缘对应蒙古-鄂霍茨克断裂带。本文通过研究Amurian板块的动力学过程，试着确定其南部边界，并借助GPS、地质和地球物理数据来研究其东部和北部边界与其它板块的相互作用。

1 Amurian板块旋转模型

根据板块构造理论，地壳运动形式符合球体的运动规则。

式（1）中，Vi为地面运动观测速度；ω为块体旋转角速度；ri为测点旋转半径。

也就是说，在球体上的刚性块体的运动可以根据它的旋转中心和旋转速度来确定，旋转中心的坐标是根据最基本的转换断层的走向来计算的，板块的相对位移速度主要通过二个参数来确定，第一是根据海洋磁异常推断；第二是使用利应用越来越广泛的GPS测量相对运动的绝对值速度场来计算。

虽然Amurian板块属于欧亚板块内部的二级块体，但仍可以使用公式（1）中的理论来计算其相对旋转中心。为了计算相对准确，选取了中国东北地区的17个GPS站点的速度场，其中郯庐断裂带WS部的11个站点参与计算；断裂带ES部的6个站点作为参考站点（图2）。通过GPS速度场可以看出，速度方向由ES向逐渐向EN向偏转，形成一个明显的旋转弧；速度值在郯庐断裂带附近异常变小，且速度方向有重新向ES向偏转的趋势，说明郯庐断裂带二侧的块体在速度上并不同步，运动方向亦不同步，这符合郯庐断裂带右旋走滑的基本特点。

图2 利用GPS数据计算Amurian板块的旋转中心Fig.2 The rotation center of the Amurian plate calculated by using GPS data

依据GPS速度场计算得到Amurian板块的旋转中心位于 E118.4°±2.4°， N57.5°±1.2°， 旋转速度为0.08°±0.020/百万年。在已有的研究中，依据GPS数据计算Amurian板块旋转中的研究主要分为二个派，其中一派给出旋转中心位于E120°±3°，N57°±3°附近（斯塔诺沃依山脉）；另一派给出的旋转中心偏差比较大， 位于 E150°~E150°， N45°~E60°附近（鄂霍次克海）（表1）。造成旋转中心坐标不一致的主要原因是选择了不同的GPS站点来计算板块的运动特征，同时受限于Amurian板块内部的GPS站点相对较少且分布不均匀的影响。例如Prawirodirdjo[11]和Sella[12]只用了3个站点的数据来计算Amurian板块的旋转参数，Kreemer[13]使用了6个站点的数据，Jin[14]从11个站点数据中计算出了旋转中心，Apel[15]综合了公开发表的论文数据，共搜集到32个站点的数据，Timofeev使用了12个站点数据（6个在外贝加尔地区，6个在远东地区）。Amurian板块最具代表性区域是阿穆尔-结雅河流域，Ashurkov在此区域内布设了测量点，这将大幅度的提高Amurian板块旋转参数的计算精度。

表1 Amurian板块的旋转参数Table1 Rotation parameters of the Amurian Plate

贝加尔湖南部观测扩张速率为2.3 mm/a，而贝加尔湖北部盆地扩张速率只有1.25 mm/a，具有显著的线性下降趋势，主要因为边界南北板块的运动模式转变，贝加尔裂谷带是Amurian板块旋转的起始点，同时也是旋转运动得以维持的发力点。

通过比较贝加尔地震带和斯塔诺沃依地震带了最大压应力的水平方位角和震源滑动矢量，并参考已有关于Amurian板块旋转参数的各项研究，在Amurian板块北部边界，有一个明显的应力变化带，分别为贝加尔裂谷带的NW-SE向的拉伸应力，奥莱克马-斯塔诺沃依山脉至T-D山脊区域的NNE-SSW向的挤压应力。Shevchenko认为T-D山脊是欧亚板块斜向俯冲到Amurian板块下挤压隆升，或者是Amurian板块斜向推覆挤压欧亚板块形成的。Imave依据地质、构造和地震数据，推断出挤压和拉伸应力转变区域位于约E121°E的奥莱克马河中游。根据Amurian板块北边缘震源滑动矢量推断出了板块的旋转中心，结果很好的体现了边界带挤压与拉伸应力的转换关系（图3）。本文计算结果和其中一派别的计算结果很好的吻合了Amurian板块北边界BRZ区域的的拉伸矢量方向，同样吻合了奥莱克马-斯塔诺沃依山脉和T-D山脊的挤压矢量方向， 同时对中国东北地区的断裂构造也有了较好的解释[16]。其中另一学派派别代表给出的中心距离E121°E的位置太远，所以不能很好的解释整个Amurian北边界的挤压与拉升应变效应。

2 Amurian板块沿郯庐断裂带二级划分

2.1 朝鲜半岛的归属性

为了研究朝鲜半岛是否属于Amurian板块，引用Jin的数据[17]，使用x2（卡方检验）测试不同模型计算结果和数据的相关性，x2是一个加权速度差的平方值：

式（2）中， vo（i）是站点 i的观测速度， vm（i）是站点i在旋转模型内的计算速度，σ2o（i）是观测速度的方差值，n是GPS站点的个数。

要检查朝鲜半岛是否属于Amurian板块的一部分，引入F自由度系数：

首先假设Amurian板块分为二个独立的块体，沿郯庐断裂带以北设为Amurian板块（简写AM），以南设为朝鲜半岛（简写KP）。plate1模型假设KP是AM的一部分，plate2模型假设为KP和AM是相互独立的旋转块体，通过比较F系数来对比模型的符合性[18]。

图3 震源滑动向量与阿穆尔板块旋转模型Fig.3 Slip-vectors in the earthquake foci and the rotation models of the Amurian Plate

根据表2计算结果，KP和AM作为独立二个板块（KP-AM）的模型中，x2值有明显的下降，从一个板块（KP+AM）的209下降到115，F值为25.93，但远远大于99%置信水平值3.9。当假设KP属于SC 的一部分，x2值从（SC+KP）385下降到（SC-KP）128，F值增加到65.3，同样远远大于99%置信水平值3.9。通过计算可以推断，朝鲜半岛可能既不属于Amurian板块，也不属于中国南部板块，从板块动力学意义上讲，朝鲜半岛属于一个刚性的相对独立的次级板块。

2.2 郯庐断裂带能量释放

根据古登堡-里克特经验公式对朝鲜半岛及其周围的贝加尔断裂带、蒙古中部、中国东北、日本西南和库页岛6个区域地震能量释放进行估算，结果表明，1900—2014年以来的一个多世纪，此区域的外部旋转应变累积能量主要通过蒙古、中国华北和日本西南地震带释放，板块内部因旋转而产生的应变能量通过中国东北地区沿郯庐地震带释放（图4）。据估算，沿着此区域边缘发生的灾难性地震（M≥6.0）释放总能量是朝鲜半岛地震（M≥3.0）的105～106倍，日本西南地震释放了最大的能量约1026尔格，蒙古地震释放了量1025尔格，中国东北估计为1024尔格，贝加尔断裂带和库页岛地震各释放了约1023～1024尔格，而朝鲜半岛释放了约1021尔格，在量级上朝鲜半岛可以视为能量释放空白地带，加之朝鲜半岛近2000年内从未记载过灾难性的地震这将有力的说明朝鲜半岛不处在应力大量释放的边界带上，而是一个低地震活动性的 “安全岛”区域。另外Kim and Gao通过对≥4.0级地震的b值进行了系统研究，发现朝鲜半岛的b值长期稳定在约0.91左右，并没有应力累积效应的发现，这为朝鲜半岛不属于Amurian板块提供了另一个科学的依据。

3 结语

Amurian板块的边界划分问题一直有争议，整体上存在着二种大的划分方式，其每种划分方式的合理性需要更进一步的广泛研究，同时需要更为密集的区域大地测量网。郯庐断裂是中国和朝鲜半岛之间的一条重要的断裂带，它南接秦岭-大别山造山带，穿过黄海到中国东北，并延伸到鄂霍次克海。它是多年来Amurian板块东南边界划定中最为争议的地方，直接关系着朝鲜半岛是否属于Amurian板块的问题。

表2 不同板块模型的统计检验Table 2 Statistic tests of different block models

通过计算Amurian板块的GPS速度场、旋转模型应力矢量、卡方检验和能量释放等几个方面的研究，得出以下几个结论：朝鲜半岛是一个相对独立的刚性块体，即不属于Amurian板块 （AMKP模型）；即使Amurian板块的南边界绕过朝鲜半岛沿日本海划分 （AM+KP模型），也不能忽略郯庐断裂带在板块内部的地位，因其是一条能量释放的重要边界带；GPS和应力矢量的计算证明Amurian板块 （AM-KP模型）存在一个共同的旋转中心。综上所述，郯庐断裂带应该是Amurian板块的南边界 （AM-KP模型）；至少是Amurian板块的二级边界 （AM+KP模型），把Amurian板块分为北部和南部 （朝鲜半岛）二个次级板块。

图4 1900—2014年阿穆尔板块周缘地震能量释Fig.4 Energy release in the Amurian boundary during 1900 and 2014

致谢：G PS数据来源于“中国大陆构造环境监测网络”，感谢“陆态网”数据的各位数据维护及处理人员。

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