青藏科考

揭秘喜马拉雅大地震

文章来源 :
2020-04-26 10:15

喜马拉雅山堪称世界上最雄伟的山脉,每年吸引着无数的登山爱好者来此探秘,接受来自四面八方的印度教和佛教信徒来此朝拜。喜马拉雅山脉横贯亚洲大陆,其崇山峻岭是印度板块与欧亚板块发生强烈碰撞挤压的产物。在两个板块持续地挤压过程中,不断孕育和爆发大大小小的地震。

2015年4月25日,喜马拉雅山脉中部腹地尼泊尔廓尔喀(Gorkha)地区发生了7.8级(矩震级)地震(简称廓尔喀地震)。科学家们通过地震台站收集信息,逐步揭开喜马拉雅山脉深部结构的神秘面纱。


喜马拉雅-青藏高原地区

地震频度是高还是低?


印度板块与欧亚板块的碰撞挤压是地球演化历史上最具有代表性的造山事件。迄今为止,这里的岩石圈结构与地质地貌和地表生态环境仍在发生强烈的相互作用,地震、冰崩、滑坡等自然灾害频现。每年在喜马拉雅-青藏高原一带,4级以上有感地震会发生约300次,比邻近的东欧国家和我国东部地区更多。


事实上,从整个欧亚板块的构造背景来看,太平洋板块与欧亚板块碰撞带地震活动频度比喜马拉雅-青藏高原高得多(图1)。然而,从地震危害性的角度来看,地震活动造成的直接财产损失和人员伤亡,喜马拉雅-青藏高原地区位居世界之首。例如1920年8.5级的海原地震导致23万人遇难;2005年7.6级的巴基斯坦地震和2008年7.9级的汶川地震分别有约7万人失去生命;1950年8.6级察隅地震是世界上有史以来记录到的最大的内陆型地震,震中区地表破坏程度达到最大烈度Ⅻ度,几十万平方千米大地瞬间面目全非(图2)。



640.jpg


图1青藏高原及其周边地区1970年以来

6级以上地震分布,圆圈大小代表不同震级


640 (1).jpg

图2喜马拉雅-青藏高原地区发生

的震级大于7.5级、深度小于70千米的地震


7.8级廓尔喀地震

有何独特之处?


廓尔喀地震发生在尼泊尔首都加德满都西北方向约80千米处,断层滑动具有明显的方向性,东南方向的断层错动更为明显。以加德满都为中心,在边界断层(主喜马拉雅逆冲断裂, Main Himalayan Thrust)上形成了一个150千米长的破裂面。

发生廓尔喀地震的起始位置并非意料之外,这里300千米超长“空区”在最近的数百年间尚未发生过大地震(Bilham, 2015)。廓尔喀地震的断层滑动并未表现在各个方向,而只是破裂了地震空区以东的一小段(图3)。



640 (2).jpg

图3廓尔喀地震破裂区(余震所在的彩色区域)与地震潜在的尼泊尔中部地震空区(浅蓝色虚线区域)



地震破裂的位置在很大程度上取决于所在断层的几何形态。在此之前,人们认为边界断裂均匀地向北倾斜,随着印度板块向喜马拉雅下方的俯冲,边界断裂沿着板块汇聚的北北东方向逐渐变深。通过进一步观测,发现喜马拉雅山脉沿着自西到东的弧形走向分布并不均匀,边界断裂的形态和物质成分存在着明显的横向变化。

大地震爆发后,出现持续不断的余震活动是普遍的自然现象。5年来,在廓尔喀地震破裂区记录到了1000余次3.5级以上的余震。得益于近距离的观测,我们“看”到了更加清晰的震源区深部结构图像,在印度板块向北俯冲的挤压作用下,边界断裂从南端的平缓斜坡(约5°倾角)向北逐渐过渡到更加陡峭的斜坡(约10°倾角),形成了低喜马拉雅斜坡(Lesser Himalayan Ramp)构造,挤压作用所积累的应力在廓尔喀地震中得到了释放。不仅如此,斜坡构造由西向东也是逐渐变化的,在主震区之下更陡,在破裂区东端变深而且更加平缓,同时破裂区东段在俯冲的印度板块中发育了基底隆起,阻止了地震破裂向东南方向继续延伸(Bai et al., 2019)。这些发现在很大程度上填补了以往观测的空白。如果能在地震发生前了解这些边界断裂的变化规律,我们就有可能预测未来地震将在何处发生、可能有多大震级。

震后5年的恢复重建与地震观测


尼泊尔共有75个区,其中31个区在地震中受到影响,14个区遭受严重破坏,造成9000余人死亡,20,000余人受伤,近50万间房屋被毁,经济财产损失超过8亿卢比,约为尼泊尔全年GDP的1/3,相当于5千万人民币。地震发生后,尼泊尔政府及多个国家和国际组织向灾区提供了物资救援,在加德满都谷地建立了16个临时避难所,给受灾家庭每户发放40万卢比(约2.5万人民币)的救灾款,在当地积极培训恢复重建的工程技术人员。面对巨大的自然灾害,以雇佣兵著称的廓尔喀人民,以勇敢善战的顽强斗志,在废墟上重新燃起袅袅炊烟(图4)。



640.jpg

图4. 恢复重建后的廓尔喀地震震中区Barpak镇(摄于2020年1月16日)


尼泊尔是地震多发国家,为了揭开喜马拉雅多地震的发生机理,尼泊尔地震中心在法国巴黎大学的援助下,自1980年以来陆续建立了21个短周期垂直分量地震台站和两个地震中心。廓尔喀地震发生前后,中国科学院青藏高原研究所、中国地震局地球物理研究所等科研单位在尼泊尔也陆续架设了宽频带地震台站,配备了远程管理和实时传输装置。如果没有这些野外台站,所能检测到的地震数量可能要少得多。

板块挤压碰撞的影响远远超越了喜马拉雅山和青藏高原,消融的冰雪从喜马拉雅山脉源源不断地向南流淌到开阔的恒河三角洲,孕育了古老的印度文明,维护着4亿人口赖以生存的家园。关于廓尔喀地震,还有很多的未解之谜,比如这次地震为何没有向南破裂到地表。这些问题可能一直存在,直到我们再次观测到8级以上大地震。

不可否认,我们对这种灾难性地震的认识来得太迟,如何事先将科学的发现公诸社会并及时应用在灾害评估、建筑物抗震规划等方面,将是我们未来面临的课题。

(中国科学院加德满都科教中心和青藏高原研究所碰撞隆升与影响团队对野外地震台站布设给予了大力支持和帮助,中国地震局地球物理研究所李丽和蒋长胜两位研究员对本文初稿提出了宝贵意见,在此一并表示感谢)


参考文献:

Bilham, R.,2015. Raising Kathmandu, Nature Geoscience. 8: 582-584.

Bai, L., Klemperer, S.L., Mori, J. Karplus, M.S., Ding, L., Liu, H., Li, G., Song, B., Dhakal, S., 2019. Lateral variation of the Main Himalayan Thrust controls the rupture length of the 2015 Gorkha earthquake in Nepal, Science Advances, 5, eaav0723.