琉球－马尼拉海沟的构造背景及发震能力评估

李正芳 周本刚 肖海波

1）中国地震局地质研究所，中国地震局地震与火山灾害重点实验室，北京 100029

2）中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024

0 引言

在2011年3月11日日本地震（下文简称“3·11”地震）海啸引发福岛核事故后，中国沿海核电站是否存在类似的可能受到地震海啸影响的问题受到了全社会的广泛关注。根据以往专业部门对沿海核电厂址进行的地震海啸影响评价结果，中国沿海不具备发生大规模地震海啸的条件，但为了更加充分地汲取日本“3·11”地震海啸引发福岛核事故的经验与教训，在中国沿海核电站潜在海啸影响早期评估工作中，业内学者和专家结合构造背景、历史地震资料对近海海啸及其对核电站的影响进行了分析，目前已有明确的结论，但对琉球海沟、马尼拉海沟等区域的地震引发海啸的潜在风险及可能引发的最大潜在地震仍未系统地考虑。因此，本文将结合琉球海沟和马尼拉海沟的地震构造背景及相关震源参数来评价两大海沟的发震能力。

1 构造背景

日本“3·11”地震震中位于西太平洋板块俯冲带的日本－千岛海沟构造段，琉球－马尼拉海沟同样属于西太平洋板块俯冲带，二者是否具有相同的构造背景和条件是评估琉球海沟和马尼拉海沟是否同样具备发生9级地震潜在能力的关键因素。环太平洋俯冲带属地球上构造活动最活跃的地区，火山活动及地震频繁。太平洋板块向W 的俯冲作用可分为两大段落，分别为北部千岛海沟—日本海沟段和日本海沟以南段。在北部千岛海沟—日本海沟段，太平洋板块向北美板块俯冲；日本海沟以南段又可分为2支：东支为伊豆－小笠原海沟、马里亚纳海沟和Yap Palau Ayu海沟；西支为南海海槽、琉球海沟、马尼拉海沟和菲律宾海沟（图1）。从图1中可以看出，琉球海沟和马尼拉海沟为菲律宾海板块与欧亚板块的俯冲带，太平洋板块在该段不直接与欧亚板块发生作用。

图1 西太平洋、东印度洋板块的构造格局Fig．1 Tectonic framework of the west Pacific and east Indian Ocean p lates．1千岛海沟；2日本海沟；3伊豆－小笠原海沟；4马里亚纳海沟；5 Yap Palau Ayu海沟；6南海海槽；7琉球海沟；8马尼拉海沟；9菲律宾海沟

从搜集到的俯冲带资料（图2）显示的俯冲带特征来看，千岛—马里亚纳海沟为深俯冲带，其中千岛岛弧和日本岛弧的海洋板块俯冲前锋深度约达400km，为低角度俯冲（图2中的AA′、BB′剖面）；伊豆－小笠原海沟的俯冲深度约达500km，倾角相对较大（图2中CC′的右侧剖面）；马里亚纳海沟的俯冲深度约达660km，倾角较大（图2中的DD′剖面）；而琉球海沟的俯冲深度较浅，最深仅约200km，倾角大（图2中CC′的左侧剖面）。几个海沟整体的俯冲深度、倾角变化以及所处的构造位置表明，琉球海沟—马尼拉海沟俯冲带与东侧太平洋板块俯冲带的特征存在明显差异。

图2 千岛—马尼拉海沟俯冲P波反演剖面线的位置及俯冲带的形态（Lu et al．，2001）Fig．2 Location of P wave inversion profile lines and geometry of subduction zones from Kuril Trench to Manila Trench（Lu et al．，2001）．

目前获取到的各个板块的相对缩短速率显示，太平洋板块西侧千岛—马里亚纳海沟板块的相对缩短速率为102～107mm／a，菲律宾海板块西侧的琉球海沟为40～63mm／a、马尼拉海沟为65～80mm／a（图3）。对上述3个海沟的板块相对缩短速率进行对比可发现，整个太平洋板块西侧的千岛—马里亚纳海沟板块的相对缩短速率大于菲律宾板块西侧的琉球海沟和马尼拉海沟，表明菲律宾海板块西侧俯冲带的缩短变形小于东侧的马里亚纳俯冲带，出现这种现象一方面与俯冲带的低角度逆冲有关，另一方面与其所处的构造位置也有很大关系。

图3 板块相对运动速率（Slob et al．，1998）Fig．3 The relative plate motion rates（Slob et al．，1998）．

根据美国USGS的NEIC 1973年以来的地震目录，千岛—日本海沟发生过2次9级地震，分别是1952年千岛岛弧东北的9级地震和2011年日本岛弧中部的9级地震，菲律宾海板块两侧俯冲带均没有9级以上地震的记录（图4中的红色框）。从已经发生的约9级的俯冲型地震来看，9级地震所在俯冲带类型均为海沟－岛弧型，俯冲倾角均较小，构造规模较大，海沟长度均＞2 800km（表1）。而马尼拉海沟的长度约为1 000km，琉球海沟的长度为1 400km。因此在构造规模上，琉球海沟和马尼拉海沟均比已发生9级以上地震的海沟小得多。

表1 世界俯冲带6次大地震的海啸源特征Table 1 Characteristics of the tsunami sources induced by the six subduction mega thrust earthquakes in the world

图4 俯冲带6次地震的位置分布图(1)https：∥www．eri．u－tokyo．ac．jp／。Fig．4 Location of six megathrust earthquakes along subduction zones．

琉球海沟的规模比马尼拉海沟长，但琉球海沟为典型的海沟－岛弧－弧后扩张类型（Mega watietal．，2009）。Kao等（1991，1998）给出的震源机制分析认为，琉球海沟俯冲带具有弱耦合特征（图5），不同于千岛海沟俯冲带的强耦合特点（图6），表明琉球海沟俯冲带在构造位置上与千岛海沟存在着较大差异。

图5 琉球海沟板间的弱耦合特征示意图（Kao et al．，1991）Fig．5 Schematic diagram of weak coupling characteristics between Ryukyu Trench and plate（Kao et al．，1991）．

图6 千岛海沟板间的强耦合特征示意图（Kao et al．，1998）Fig．6 Schematic diagram of strong coupling characteristics between Kuril Trench and plate（Kao et al．，1998）．

2 琉球海沟的构造分段及最大潜在地震评估

2.1 构造分段

图7 琉球海沟、冲绳海槽地区的浅源地震震源机制分区（1976年1月—1997年2月，震源深度＜50km）（Fabbri et al．，1999）Fig．7 Focalmechanisms zoning of shallow focus earthquakes in Ryukyu Trench and Okinawa Trough（1976－01—1997－02，focal depth＜50km）（Fabbri et al．，1999）．

图8 浅源震源机制差异的分界线与弧前凹陷分布（Fu et al．，2004）Fig．8 Dividing lines between differences of shallow focalmechanisms and distribution of forearc depressions（Fu et al．，2004）．

在上述分界线之间，以Tokera和Kerama 2条左旋走滑断层和震源机制分区线为界（图10）（Fuetal．，2004），结合前述边界，可进一步将琉球海沟－岛弧－盆地系统划分为5段。其中Tokera断层将海沟左旋断错26km，Kerama断层的左旋位移没有资料，不过该断层使得其南、北侧的地貌出现明显差异，北高南低。此外，根据Kizak（1986）发表的资料，在宫古岛附近发育有规模较宽的NW 向断裂带（图9），其位置与震源机制分区中的南区与中区一致。

图9 宫古岛NW 向断裂带（Kizak，1986）Fig．9 The NW trending fault zone in the miyako Islands（Kizak，1986）．

综合琉球海沟构造差异资料，自北向南将其划分为5个震源段，分别为RL1、RL2、RL3、RL4、RL5和RL6（图10），RL5与RL6的划分主要考虑了海沟走向的明显差异以及在RL6段存在明显的近SN向地震条带并与海沟交会，其构造特征与RL5段明显不同。鉴于RL1、RL2、RL3和RL4之间有明显的分段界线，这些震源段发生联合破裂的可能性较小，但尚无充分的依据证明RL5与RL6不发生联合破裂。

图10 琉球海沟不同震源段的划分（图中地震资料据ISC目录）Fig．10 Seismic source partitioning in Ryukyu Trench（The earthquake data are fromiSC catalogue）．

2.2 破裂段的划分与震级估算

俯冲带震级的判定主要依据3个方面：1）McCaffrey等（2007）研究了全球俯冲带大地震的发生规律，认为目前的证据不能排除俯冲带发生9级或更大震级地震的可能性。Rong等（2014）的研究表明，分析环太平洋俯冲带是否能发生9级地震不仅需要评估其构造条件，还需要评估其复发的时间尺度。故本文在估算地震时考虑其不确定性，采用联合破裂计算的值作为最大震级的估算结果（Rongetal．，2014）。2）Papazachos等（2004）基于全球俯冲带倾滑数据给出了震级与破裂长度的统计关系式（式（1）），该关系式在海啸震源参数评价中得到了广泛应用，本文破裂源震级主要依据该关系计算获得。3）根据破裂段上的历史最大地震进行修正，计算得到的震级。

根据上述对琉球海沟构造差异的分析，自北向南将其划分为RL1、RL2、RL3、RL4、RL5和RL6 6个破裂段（表2，图11）。其中RL1和RL2的分界线为Tokera左旋走滑断层与海沟的交会处，该断层将海沟错移26km；RL2和RL3的界线为Oki Daito海岭，且为震源机制的分区界线；RL3和RL4的界线为横切海沟－岛弧－弧后盆地的NW 向Kerama断层，该界线以北的地形明显高于南侧；RL4和RL5为震源机制分区界线，且有规模较大的NW 向宫古岛断层带，两侧地形有明显差异。RL6段的构造特征之所以与RL5段不同，主要在于其附近发育一系列近SN向的横向断层（Fuetal．，2004）。

图11 琉球海沟破裂段的分布（L代表分段的点位，RL代表破裂段）Fig．11 Distribution of rupture segments in Ryukyu Trench（L represents the segmentation point，RL represents the rupture segment）．

表2 琉球海沟的破裂段划分与震级Table 2 Segmentation of ruptures and earthquakemagnitude in Ryukyu Trench

RL6段与RL5段之间不能发生联合破裂的依据并不十分充分，应考虑小概率情况下其发生联合破裂的可能性。因此，从表2所示的针对琉球海沟各个研究段计算出的震级来看，其可能发生地震的最大潜在震级为8.5级。

3 马尼拉海沟的分段及震级评估

3.1 构造分段

马尼拉海沟俯冲带自北向南大体可分为4段（图12）：1）巴士海峡段，该段的俯冲板块为陆壳；2）北吕宋海槽段，该段的俯冲板块为洋壳，发育北吕宋海槽；3）南海古扩张洋脊段，该段为古洋脊向下俯冲，未发育海槽，在该段北部NW 向的菲律宾断裂与之交会，并可能使海沟左旋错列；4）西吕宋海槽段，该段的俯冲板块为洋壳，发育吕宋海槽，在该段以南又转变为陆壳。俯冲板块不连续性最明显的区域位于古扩张洋脊，由于俯冲板块的横向撕裂，使得向S板块俯冲的倾角突然增加，形成“板片窗”（Fukao，1979；Bautistaetal．，2001；刘再峰等，2007）（图13）。

图12 马尼拉海沟构造简图（据Yang et al．，1996）Fig．12 Tectonic schematic diagram of Manila Trench（after Yang et al．，1996）．图中五角星表示第四纪以来活动过的火山，三角形表示第四纪已经停止活动的火山。ST斯图尔特浅滩；VH维甘高地

图13 古洋脊附近的俯冲形态（刘再峰等，2007）Fig．13 Subduction geometry near the paleo ocean ridge（after LIU Zai feng et al．，2007）．

Bautista等（2001）认为，以南海古扩张洋脊为界，以北的俯冲板块在轻物质的浮力作用下倾角变缓，从而形成东火山岛链（EVC），而板块轻物质存在的证据是马尼拉海沟的走向在20°N附近发生强烈弯曲，该位置为南海洋壳与欧亚板块陆壳的过渡带且为磁静区，并表现为重力负异常（Hayesetal．，1984）。

Ku等（2009）对20°N附近布设的12条地震剖面进行了详细研究，发现20°N两侧的构造特征存在明显差异（图14），以MCS689－4和MCS693－6为例，在测线覆盖的范围内，t0边界层以上的海沟填充物的厚度从南到北逐渐减小。北部测线MCS689－4上的t0边界似乎已经被抬升，海沟不深，断裂较浅；南部测线MCS693－6具有接收更多沉积物的能力，表明该段上地壳已经明显弯曲，显示该段南海俯冲板片更容易向W 退缩。

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图14 台湾－吕宋地区地震测线（Ku et al．，2009）Fig．14 Seismic survey lines in the Taiwan Luzon region（after Ku et al．，2009）．

综合上述2方面的因素可以推断，20°N附近区域在俯冲板块物质、后沟走向、沉积层的变形方面都有较大的差异，构成分段边界。

3.2 破裂段划分与震级估算

前人多次对马尼拉海沟的海啸破裂源进行了研究（Hayesetal．，1984；Newmanetal．，2002），其中黄慧娟（2008）对马尼拉海沟的划分方案是最详细和全面的（图15），基本代表了近几年的研究成果。

图15 马尼拉海沟破裂面划分方案（据黄慧娟，2008）Fig．15 Rupture plane partitioning in Manila Trench based on HUANG Hui juan's（2008）scheme．

本文在前人划分的基础上，根据最新搜集的构造资料开展分析，也将马尼拉海沟划分为6个破裂面，大体与黄慧娟（2008）方案的前5个破裂面类似（图16），考虑到洋脊段中间存在构造窗，两侧板块倾角在此急剧变化，故将其分为2段。

图16 马尼拉海沟的地震破裂源分布Fig．16 Distribution of earthquake rupture source in Manila Trench．

鉴于古扩张洋脊的构造作用，马尼拉海沟不太可能发生全段联合破裂，且20°N左、右两侧俯冲板块的性质不同、地震活动有明显差异、构造变形具有显著差别，故认为RM 1和RM 2不可能同时发生级联破裂（Megawatietal．，2009）。但在极端情况下不能完全排除RM2和RM 3发生联合破裂，RM 4、RM 5、RM 6发生联合破裂的可能性。在此基础上，我们给出了海沟地震破裂面的划分及相应的估算震级（表3）。根据表3的结果并考虑级联破裂的可能性，将马尼拉海沟的最大潜在地震震级定为8.8级。

表3 马尼拉海沟破裂源的基本参数Table 3 Basic parameters of rupture sources in Manila Trench

4 结论和讨论

通过目前已经搜集到的资料，获得如下初步结果：

（1）琉球海沟和马尼拉海沟位于菲律宾海板块西侧，在菲律宾海板块东侧还有伊豆－小笠原海沟、马里亚纳海沟—Yap palau Ayu海沟的俯冲带，由于琉球、马尼拉俯冲带不属于太平洋板块直接与欧亚板块的接触带，板块构造的位置与日本“3·11”地震震中所处的低角度俯冲带的位置存在明显差异。

（2）琉球海沟属于海沟－岛弧－弧后盆地俯冲构造体系，岛弧与海沟处于向E后退的状态，表现为弱耦合特征，马尼拉海沟的总体规模不大，且受古扩张洋脊形成俯冲板块中的“板片窗”影响，这2个海沟带的长度远小于目前已发生9级以上地震的俯冲带。

（3）根据海沟构造、地震等资料差别，可将琉球海沟分为6个破裂段，马尼拉海沟也可分为6个破裂段。同时，从较为保守的角度考虑了破裂段联合破裂的可能性，其中琉球海沟破裂段RL5和RL6具有联合破裂的可能性，马尼拉海沟破裂段RM 2和RM 3具有联合破裂的可能性，RM 4、RM 5、RM 6也有联合破裂的可能性。综上所述，俯冲带震源的最大潜在地震的综合估计结果为：琉球海沟，8.5级；马尼拉海沟，8.8级。

致谢审稿专家对论文提出了宝贵的修改意见，在此表示衷心感谢！