杜存鵬 殷海濤 于勝文 楊 樂 賈 媛

1 山東科技大學(xué)測(cè)繪與空間信息學(xué)院，青島市前灣港路579號(hào)，266590 2 山東省地震局，濟(jì)南市文化東路20號(hào)，250014

沂沭斷裂帶是魯西塊體和魯東塊體的構(gòu)造分界線，深部構(gòu)造特征為上地幔隆起，切割深度可達(dá)上地幔，屬于深大斷裂帶。安丘-莒縣斷裂是沂沭斷裂帶內(nèi)部的主要活動(dòng)斷層，曾發(fā)生公元前70年安丘7級(jí)、1668年郯城8.5級(jí)地震。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)斷裂帶附近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)及發(fā)震特性進(jìn)行了研究[1-3]。

斷裂帶閉鎖段的鑒定是現(xiàn)今活動(dòng)斷層危險(xiǎn)性判定的研究重點(diǎn)，現(xiàn)代大地測(cè)量學(xué)可獲取沂沭斷裂帶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、深部構(gòu)造特征等信息[4-6]，為構(gòu)建沂沭斷裂帶斷層模型及研究斷裂帶深部構(gòu)造特征奠定了基礎(chǔ)。由于目前針對(duì)沂沭斷裂帶的精細(xì)化反演研究較少，因此本文基于TDEFNODE負(fù)位錯(cuò)-塊體模型，利用2011～2019年山東地區(qū)GNSS速度場(chǎng)及滑動(dòng)矢量等數(shù)據(jù)，對(duì)沂沭斷裂帶不同區(qū)段的斷層閉鎖分布特征和滑動(dòng)虧損速率分布情況進(jìn)行反演，并基于地震活動(dòng)特征對(duì)沂沭斷裂帶的地震危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況及地震活動(dòng)

沂沭斷裂帶屬于郯廬斷裂帶山東段部分(圖1)，同時(shí)也是郯廬斷裂帶出露最好、新構(gòu)造活動(dòng)最強(qiáng)烈的部分。沂沭斷裂帶在魯中沂、沭河谷地形成“兩塹夾一壘”的復(fù)式地塹構(gòu)造，北起渤海萊州灣，向南延伸至江蘇新沂一帶，由昌邑-大店斷裂(F1)、白芬子-浮來山斷裂(F2)、沂水-湯頭斷裂(F3)、鄌郚-葛溝斷裂(F4)和安丘-莒縣斷裂(F5)共5條近乎平行的斷裂帶組成。斷裂帶長(zhǎng)330 km，北段寬約55 km，向南縮短至約25 km，構(gòu)成魯西塊體和魯東塊體的構(gòu)造分界線。其中，安丘-莒縣斷裂是沂沭斷裂帶最主要的晚第四紀(jì)活動(dòng)斷層，以右旋走滑兼逆沖活動(dòng)為主要特征，是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)活動(dòng)帶，對(duì)地震的發(fā)生具有控制作用[7-8]。

Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3共同組成魯東斷塊，藍(lán)框?yàn)榈卣鹌拭鎱^(qū)域圖1 研究區(qū)構(gòu)造及歷史地震分布(1970～2019年)Fig.1 Tectonic and historical seismic distribution of the study area(1970-2019)

沂沭斷裂帶屬于深大斷裂，新構(gòu)造活動(dòng)較為強(qiáng)烈，地震活動(dòng)具有周期長(zhǎng)、震級(jí)大的特點(diǎn)。斷裂帶的地震活動(dòng)具有分段性，主要集中在南段區(qū)域，北段區(qū)域的地震活動(dòng)較少，中小地震稀少的活動(dòng)斷層在震前可能處于彈性應(yīng)變能累積的閉鎖狀態(tài)[9]。根據(jù)地震活動(dòng)統(tǒng)計(jì)(圖1)可知，1970～2019年沂沭斷裂帶南段區(qū)域發(fā)生ML>2.0地震285次，而北段僅75次，地震活動(dòng)異常稀疏，具有地震活動(dòng)空區(qū)的類似特點(diǎn)，易于應(yīng)力累積。

2 GNSS數(shù)據(jù)處理及斷層模型設(shè)置

2.1 GNSS數(shù)據(jù)

本文選用山東省地殼運(yùn)動(dòng)GNSS觀測(cè)網(wǎng)、中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(陸態(tài)網(wǎng)絡(luò))及山東省CORS等數(shù)據(jù)，利用GAMIT/GLOBK對(duì)GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得各站點(diǎn)在ITRF2008下的坐標(biāo)序列。使用最佳直線擬合方法提取2011-04～2019-12各站點(diǎn)的速度信息，并剔除誤差較大或方向、大小明顯偏離區(qū)域運(yùn)動(dòng)背景的站點(diǎn)，以保證結(jié)果的可靠性。圖2為2011-04～2019-12山東地區(qū)水平速度場(chǎng)，可以看出，山東地區(qū)地殼整體向東南方向運(yùn)動(dòng)。

圖2 山東地區(qū)水平速度場(chǎng)Fig.2 Horizontal velocity field in Shandong

2.2 TDEFNODE負(fù)位錯(cuò)反演方法及原理

McCaffrey[10]編寫DEFNODE塊體負(fù)位錯(cuò)反演程序，隨后在此基礎(chǔ)上改進(jìn)與時(shí)間有關(guān)的變形和數(shù)據(jù)，提出TDEFNODE程序。該程序假設(shè)板塊內(nèi)部點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)為2部分的總和：一部分為塊體旋轉(zhuǎn)；另一部分為斷層閉鎖導(dǎo)致塊體邊界滑動(dòng)虧損引起的地表彈性形變。反演結(jié)果具有一定的可靠性和較好的穩(wěn)定性[11]：

(1)

(2)

式中，V為斷層長(zhǎng)期滑動(dòng)速率，Vc為斷層短期滑動(dòng)速率，Σ為節(jié)點(diǎn)確定的斷層格網(wǎng)區(qū)域范圍。當(dāng)Vc的特征波長(zhǎng)變化小于Σ時(shí)，可得到連續(xù)近似值Φ的分布函數(shù)。若Φ=0，表示斷層為完全蠕滑狀態(tài)，不存在閉鎖；若Φ=1，表示斷層為完全閉鎖狀態(tài)。一般在斷層上使用數(shù)值0～1來表示斷層的閉鎖狀態(tài)，0<Φ<1表示斷層不是完全閉鎖狀態(tài)，存在一定的蠕滑。

TDEFNODE負(fù)位錯(cuò)反演模型可在GPS速度場(chǎng)及地震數(shù)據(jù)等資料的約束下，利用模擬退火算法和網(wǎng)格搜索法對(duì)塊體旋轉(zhuǎn)、內(nèi)部應(yīng)變及斷層閉鎖程度進(jìn)行估計(jì)，斷層由沿?cái)鄬幼呦蛟O(shè)置的節(jié)點(diǎn)縱向深度指定。

2.3 斷層模型設(shè)置

安丘-莒縣斷裂為沂沭斷裂帶內(nèi)的主要活動(dòng)斷裂，由于沂沭斷裂帶內(nèi)晚更新世晚期至全新世早期的斷裂活動(dòng)主要發(fā)生在安丘-莒縣斷裂上，因此本文斷層模型設(shè)置主要參考安丘-莒縣斷裂的參數(shù)。王志才等[12]研究得出安丘-莒縣斷裂的總體走向?yàn)镹NE10°～20°，傾向?yàn)镹W，傾角為70°～80°。多位學(xué)者利用大地電磁測(cè)深、人工地震測(cè)深等地球物理探測(cè)手段，探測(cè)到沂沭斷裂帶區(qū)域的地殼厚度約為31～36 km[4,13]，本文將魯西斷塊設(shè)為上盤，魯東塊體設(shè)為下盤，傾角設(shè)為70°。沿?cái)鄬幼呦蚬膊荚O(shè)7個(gè)節(jié)點(diǎn)，分布在安丘-莒縣斷裂各段落之間，將斷層模型深度設(shè)為40 km，沿?cái)鄬觾A向分別在0.1 km、5 km、10 km、15 km、20 km、25 km、30 km、35 km、40 km處設(shè)置9條等深線，如圖3所示。

圖3 沂沭斷裂帶斷層節(jié)點(diǎn)設(shè)置Fig.3 Yishu fault zone fault node setting

3 沂沭斷裂帶反演結(jié)果

根據(jù)本文斷層模型參數(shù)，多次計(jì)算得到沂沭斷裂帶區(qū)域斷層閉鎖程度的空間分布，如圖4所示。由圖可知，安丘-莒縣斷裂北段安丘以北區(qū)域的斷層閉鎖程度較高，閉鎖深度較深，最大閉鎖深度約為26 km；從安丘到諸城段，斷層閉鎖程度逐漸減弱，由閉鎖狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為蠕滑狀態(tài)，閉鎖系數(shù)為0.2～0.8；諸城-郯城段斷層閉鎖較弱，基本處于蠕滑狀態(tài)。

圖4 沂沭斷裂帶閉鎖程度Fig.4 Locking degree of the Yishu fault zone

本文收集1970～2019年沂沭斷裂帶附近(圖1藍(lán)框)的地震信息，并對(duì)震源深度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。由圖可見，幾乎所有地震的震源深度都在30 km以內(nèi)，說明應(yīng)變能在沂沭斷裂帶30 km深度內(nèi)不斷釋放，也說明斷層處于閉鎖狀態(tài)[3]。李臘月等[2]基于2009～2017年水平速度場(chǎng)，利用DEFNODE負(fù)位錯(cuò)模型對(duì)郯廬斷裂中南段的閉鎖程度進(jìn)行反演。結(jié)果表明，莒縣以北區(qū)域閉鎖程度較高，最大閉鎖深度達(dá)32 km，其閉鎖區(qū)域范圍大于本文結(jié)果，可能是因?yàn)槟Ｐ突蛩脭?shù)據(jù)存在差異。

圖5 1970～2019年沂沭斷裂帶地震剖面Fig.5 Seismic profile of the Yishu fault zone from 1970 to 2019

斷層的滑動(dòng)虧損速率可以反映斷層兩盤的相對(duì)滑動(dòng)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變能的速度，可由斷層滑動(dòng)速率乘以斷層面閉鎖系數(shù)得到，這對(duì)相應(yīng)斷層的地震危險(xiǎn)性判斷具有重要意義[3]。圖6為沂沭斷裂帶的滑動(dòng)虧損速率分布，其中滑動(dòng)虧損速率為正表示右旋滑動(dòng)虧損，為負(fù)表示左旋滑動(dòng)虧損。由圖可知，沂沭斷裂帶安丘以北區(qū)域表現(xiàn)為右旋滑動(dòng)虧損，虧損速率為0.6～0.8 mm/a；安丘至諸城段由右旋滑動(dòng)虧損逐漸轉(zhuǎn)為蠕滑狀態(tài)；諸城以南至郯城區(qū)域基本為蠕滑狀態(tài)，無滑動(dòng)虧損。

圖6 沂沭斷裂帶滑動(dòng)虧損速率Fig.6 Slip deficit rate of Yishu fault zone

4 結(jié) 語

本文利用山東地區(qū)2011～2019年GNSS速度場(chǎng)數(shù)據(jù)，基于TDEFNODE負(fù)位錯(cuò)模型，反演沂沭斷裂帶的斷層閉鎖程度和斷層滑動(dòng)虧損速率，為沂沭斷裂帶及周邊地區(qū)的地震危險(xiǎn)性分析提供依據(jù)。結(jié)果表明，沂沭斷裂帶諸城以南區(qū)域斷層閉鎖程度較低，基本無滑動(dòng)虧損累積，且該段為1668年郯城地震的破裂段，推測(cè)該段斷層未閉鎖或閉鎖程度較低；沂沭斷裂帶北段諸城以北區(qū)域斷層閉鎖程度相對(duì)較高，閉鎖深度較深，約為26 km，為右旋滑動(dòng)虧損，虧損速率約為0.6～0.8 mm/a，屬于1668年郯城地震的未破裂段，且斷層閉鎖區(qū)域的小震活動(dòng)不活躍，具有地震活動(dòng)空區(qū)的類似特點(diǎn)，易于應(yīng)力累積，因此該段斷裂的地震危險(xiǎn)性值得關(guān)注。

需要注意的是，本文得到的只是初步結(jié)果。由于沂沭斷裂帶由多條斷裂構(gòu)成，且斷裂帶內(nèi)部的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及其地震應(yīng)變能變化等因素都會(huì)對(duì)斷裂帶的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，因此后續(xù)還需結(jié)合構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨盎顒?dòng)斷裂性質(zhì)進(jìn)行更深入的研究。此外，由于沂沭斷裂帶地區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)不足，給反演結(jié)果及地震危險(xiǎn)性分析帶來一定的不確定性，因此有必要在增加觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化斷層模型，以進(jìn)一步對(duì)沂沭斷裂帶的滑動(dòng)特征及閉鎖程度進(jìn)行反演。