沂沭斷裂帶跨斷層形變異常及其解釋＊

李 杰 殷海濤 吳 晨 寧 斌 韓 冰 劉 莉

(山東省地震局,濟(jì)南 250014)

沂沭斷裂帶跨斷層形變異常及其解釋＊

李 杰 殷海濤 吳 晨 寧 斌 韓 冰 劉 莉

(山東省地震局,濟(jì)南 250014)

對沂沭斷裂帶及其附近北西向斷裂上存在的甘霖、五勝和高峰頭流動短水準(zhǔn)異常進(jìn)行了分析,分析認(rèn)為存在的 3項短水準(zhǔn)異常是汶川地震前后區(qū)域地殼應(yīng)力增強引起的可能性較大。

沂沭斷裂帶;跨斷層形變;流動短水準(zhǔn);異常;地殼應(yīng)力

1 引言

2006年以來,山東境內(nèi)位于沂沭斷裂帶及其附近北西向斷裂上的多處跨斷層短水準(zhǔn)出現(xiàn)了背景性異常變化,在隨后的幾年中,對這些異常進(jìn)行了跟蹤分析。截至 2010年底,其背景異常已結(jié)束近 2年,但山東及周邊地區(qū)并沒有發(fā)生強震,為了認(rèn)識這些異常出現(xiàn)的原因,本文在近幾年異常跟蹤分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造和地震活動性特點對其進(jìn)行了分析。

2 場地概況及異常分析

圖1 沂沭斷裂帶及異常點分布示意圖Fig.1 Distribution of anomaly points in Yishu faut and surrounding area

2.1 甘霖流動短水準(zhǔn)

1)場地及資料概況

甘霖觀測場地位于山東省蒼山縣境內(nèi),測線跨蒼山-尼山斷裂 (蒼山-尼山斷裂長 170 m。走向為N40°W,傾向 S W。斷層西端為中奧陶紀(jì)厚層灰?guī)r,東盤為花崗巖),1980年開始觀測,由于沂蒙公路拓寬,致使西端點松動,點位不穩(wěn),高差變化較大,1993年對該點進(jìn)行了改造,重新埋設(shè)了兩端標(biāo)志。

自觀測以來,觀測值顯示出非常好的年變形態(tài),觀測值最低值出現(xiàn)在每年的 8—9月,最高值出現(xiàn)在每年的 4—5月(圖 2(a)),沒有監(jiān)測到明顯的地震前兆異常,僅在個別年份年變幅度有一定的變化,主要受干旱影響。

圖2 甘霖流動短水準(zhǔn)與月降雨量對比Fig.2 Contrast of Ganlin mobile short leveling to rainfall monthly

2)異常特征分析

甘霖場地水準(zhǔn)觀測資料 2006年下半年打破以往正常年變化規(guī)律,沒有在 8—9月達(dá)到最低值,而是于 2007年 1月達(dá)到較低值。由周期分析法處理后可明顯地看出2006-10—2008-12月觀測曲線打破了正常變化形態(tài),沒有出現(xiàn)正常的周期形態(tài),而是在同一水平呈波動變化,為顯著的破年變異常 (圖 2 (a)),異常最大幅度為 2.02 mm,異常持續(xù) 29個月。

對于該異常先后兩次進(jìn)行了現(xiàn)場落實,并收集了當(dāng)?shù)氐慕涤甑荣Y料,分析認(rèn)為該變化不是環(huán)境和降雨等干擾影響,是地殼應(yīng)變異常的可能性較大①李杰.沂沭斷裂帶及附近地區(qū)跨斷層形變異常跟蹤分析[R].山東省 2008年度地震趨勢研究報告,2007.②李杰. 跨斷層流動短水準(zhǔn)異常變化跟蹤分析[ R ]. 山東省2009年度地震趨勢研究報告, 2008.③李杰. 山東跨斷層形變異常跟蹤及地震危險性分析[ R ]. 山東省2010年度地震趨勢研究報告, 2009.。由圖 2可見,2009年 1月觀測值恢復(fù)正常變化形態(tài),但是 2009—2010年當(dāng)?shù)亟涤炅枯^少,甘霖水準(zhǔn)在異?；謴?fù)過程中受到干旱的影響,2009年夏季沒有完全恢復(fù)到正常低值水平,2010年又在持續(xù)干旱的基礎(chǔ)上出現(xiàn)同期最低值變化。

2.2 五勝流動短水準(zhǔn)

1)場地及資料概況

五勝場地位于山東省費縣境內(nèi),測線跨蒙山山前斷裂 (斷層走向 N55°W,傾向 S W,傾角 65°),呈南北布設(shè),全長 414 m。4座基巖水準(zhǔn)標(biāo)石分別布設(shè)于斷層兩側(cè),斷層下盤 (北端點)為花崗片麻巖,斷層上盤(南端)為白堊系火山角礫巖。測點東偏北約 1 km有一小型水庫,經(jīng)分析水庫庫容變化對觀測數(shù)據(jù)沒有明顯影響。

該測點 1986年開始觀測,期間因修路停測過,觀測數(shù)據(jù)在趨勢下降變化的背景下有一年變特征,沒有監(jiān)測到明顯的地震前兆異常。1998年 10月出現(xiàn)過的南傾趨勢異常很可能是區(qū)域應(yīng)力增強后斷層在雨水的作用下出現(xiàn)的蠕滑活動[2]。

2)異常特征分析

該測線自觀測以來總體上呈趨勢下降變化。2001年之后下降速率加快,呈逐年下降趨勢,與年降雨總量有較好對應(yīng)關(guān)系。但 2007—2008年降雨量正常,觀測值卻沒有了年變形態(tài),而是呈平穩(wěn)略有轉(zhuǎn)向上升變化,出現(xiàn)了偏離原趨勢破年變的背景性異常(圖 3(a)),2009—2010年在觀測環(huán)境、降雨等沒有發(fā)生明顯變化的情況下,觀測值恢復(fù)了正常年變形態(tài)和趨勢,說明觀測數(shù)據(jù)的恢復(fù)可能是地殼應(yīng)變異常結(jié)束趨于正?；顒拥慕Y(jié)果①②③。

2.3 高峰頭流動短水準(zhǔn)

1)場地及資料概況

圖3 五勝流動短水準(zhǔn)與月降雨量對比Fig.3 Constrast ofWusheng mobile short leveling to rainfallmonthly

高峰頭觀測場地位于山東省郯城縣高峰頭村,跨安丘莒縣斷裂 (斷層走向 N15°E,傾向 SE,傾角80°),東、西兩側(cè)標(biāo)石分別為砂巖、砂頁巖基巖水準(zhǔn)標(biāo)石,東端點巖石已經(jīng)裸露,風(fēng)化較重,測線全長240 m。

該測點 1986年觀測以來資料連續(xù)性、可靠性較好,只有 2002年 5—10月因修路停測,恢復(fù)觀測后觀測值在緩慢上升的背景上以隨機(jī)變化為主,并且于 2006年、2008年、2009年出現(xiàn)顯著高值異常變化。經(jīng)現(xiàn)場落實與資料分析,認(rèn)為是西端點不穩(wěn)引起的變化①②③,到目前為止,該場地沒有監(jiān)測到明顯的地震前兆異常。

2)異常特征分析

由于該場地西端測點存在不穩(wěn),本文重點分析了 2008年以后的觀測資料。2008年全省流動短水準(zhǔn)采用數(shù)字水準(zhǔn)儀觀測,高峰頭短水準(zhǔn)場地過渡點標(biāo)志固定,可生成過渡點之間的高差,通過對過渡點高差的分析,確認(rèn)了跨斷層的第 4號點和第 5號點標(biāo)石穩(wěn)定。跨斷層的 4-5段高差 2008-01—2009-06月斷層活動速率約為 0.72 mm/a,反映斷層受張性應(yīng)力作用,顯著地高于沂沭斷裂帶的活動水平[4](圖 4),2009年 7月后斷層活動速率較小,已呈正常變化,經(jīng)落實分析該變化無任何干擾,是地殼應(yīng)力增強引起的可能性較大③。

3 異常機(jī)理分析

3.1 中國大陸強震活動與區(qū)域地殼形變異常

甘霖、五勝和高峰頭流動短水準(zhǔn)異常均位于沂沭斷裂帶南段及其北西向活動斷裂上(圖 5),3個水準(zhǔn)場地相距約 51～100 km。其中,位于北西向的兩條斷裂異常階段受力方式相反,蒙山山前斷裂受壓性應(yīng)力作用,蒼山-尼山斷裂受張性應(yīng)力作用。顯示蒙山山前斷裂與蒼山-尼山斷裂之間的地塊受北東方向力的作用呈北東向相對運動,而蒼山-尼山斷裂以南和安丘-莒縣斷裂以西呈南西向運動,說明異常期間沂沭斷裂帶及以西的區(qū)域應(yīng)力有增強-減弱的變化過程,但并未導(dǎo)致中強地震的發(fā)生。

圖4 跨斷層的 4-5段高差變化曲線Fig.4 Elevation difference change curve from 4 to 5 crossfault section

圖5 異常點斷層受力狀態(tài)Fig.5 Stress state of anomaly points locating fault

甘霖水準(zhǔn)異常時間為 2006-08—2008-12月,五勝水準(zhǔn)異常時間為 2007-01—2008-12月,高峰頭水準(zhǔn)異常時間為 2008-01—2009-06月,可見 3個異常的持續(xù)時間基本一致。目前異常均已結(jié)束,為了說明 3個異常出現(xiàn)的原因,我們統(tǒng)計了甘霖、五勝和高峰頭測點異常前后中國大陸發(fā)生的 5級以上強震(表 1),從表 1可見,除 2007年地震數(shù)量少、2008年地震數(shù)量多外,2005—2010年中國大陸 5級以上地震發(fā)生的頻次相差不大,扣除汶川、于田余震,2008年也是發(fā)生強震最多的一年?？梢?2007年和 2008年中國大陸地震活動水平經(jīng)歷了減弱-活躍的過程,而且 2008年地震活動水平不僅頻次高,而且強度大。由此推測,2007年和 2008年中國大陸整體地殼應(yīng)力水平出現(xiàn)了顯著的變化,甘霖、五勝和高峰頭水準(zhǔn)異常的出現(xiàn)可能是這種地殼應(yīng)力應(yīng)變增強在區(qū)域上的表現(xiàn)結(jié)果。隨著地震活動水平趨于正常,3個水準(zhǔn)異常也結(jié)束,恢復(fù)了正常水平。

表1 2005—2010年中國大陸 5級以上地震統(tǒng)計結(jié)果④ http：//www.csndmc.ac.cn/newweb/catalog-direct-link.htmTab.1 Statistical results ofM ＞5 earthquakes in China ma i nland from 2005 to 2010④

3.2 地質(zhì)構(gòu)造背景與地殼形變異常

郯廬斷裂帶是華北地塊和魯東黃海地塊的邊界帶,從新第三紀(jì)初期開始受近東西向擠壓而發(fā)生逆沖,其新生代的擠壓活動與整個中國東部整體上受近東西向的擠壓應(yīng)力作用相一致。沂沭斷裂帶是郯廬斷裂帶在山東的部分,3個跨斷層形變異常場地所跨斷裂及其分支斷裂都是第四紀(jì)以來重要的活動斷裂,歷史上都曾發(fā)生過強震,這些斷裂在區(qū)域應(yīng)力增強的背景下都可能出現(xiàn)活動增強的變化。

肖蘭喜⑤肖蘭喜.山東近期跨斷層短水準(zhǔn)異常的可能物理機(jī)理[R].山東省 2011年度地震趨勢研究報告,2010研究了郯廬斷裂帶與秦嶺大地構(gòu)造以及發(fā)生在青藏高原東北緣 3次 8級以上大震與華北南部地區(qū)地震的關(guān)系,發(fā)現(xiàn) 3次 8級大震前 10年和20年里,華北南部的中等以上地震活動都有增強的特點,這些地震在秦嶺大地構(gòu)造與郯廬斷裂帶交會部位表現(xiàn)的更為突出,他根據(jù)青藏高原東北緣構(gòu)造特點和秦嶺大地構(gòu)造格局的關(guān)聯(lián)特點認(rèn)為,華北南部地區(qū)地震活動可以作為青藏高原東北緣特大強震孕育的震情異地顯示窗口。汶川 8.0級地震前幾年華北南部地區(qū)地震活動也出現(xiàn)了增強現(xiàn)象,與之前發(fā)生在青藏高原東北緣的 3次特大地震有相似的特點。汶川 8.0級地震前 2年,位于華北南部的沂沭斷裂帶及附近的 3個短水準(zhǔn)出現(xiàn)背景性異常變化,很可能是各構(gòu)造塊體間的關(guān)聯(lián)活動所至,在汶川8.0級地震孕育過程中其構(gòu)造塊體間相互作用導(dǎo)致郯廬斷裂帶也出現(xiàn)了應(yīng)力增強的變化,最終導(dǎo)致在構(gòu)造的某些敏感部位的跨斷層短水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了異常變化。

4 結(jié)論

研究表明,除震源附近的近場區(qū)存在前兆異常外,其外圍區(qū)也存在遠(yuǎn)場前兆異常,最遠(yuǎn)的前兆異?？沙霈F(xiàn)在 1 000 km以外[5]。雖然沂沭斷裂帶上存在的 3項異常距汶川震中約 1 400 km,但根據(jù)研究,跨斷層短水準(zhǔn)異常在 8級以上地震前最遠(yuǎn)的震中距離約為 700 km[6],而且數(shù)量非常少,因此,把沂沭斷裂帶上出現(xiàn)的 3個跨斷層短水準(zhǔn)異常視為汶川地震的前兆異常我們認(rèn)為還缺乏依據(jù),而可能是中國大陸強震發(fā)生前后各構(gòu)造塊體間的關(guān)聯(lián)活動導(dǎo)致區(qū)域應(yīng)力增強后在某些敏感部位的反映。

1 李杰,馮志軍.蒼山 5.2級地震的地形變特征及機(jī)制[J].地震,1997,17(4)：417-424.(Li Jie and Feng Zhijun. Feature and mechanism of crustal defor mation of the Cangshan earthquake withMs=5.2[J].Earthquake,1997,17 (4)：417-424)

2 李杰,等.對西冶、五勝流動短水準(zhǔn)異常的分析探討[J].大地測量與地球動力學(xué),2003,(4)：65-69.(Li Jie,et al.Discussion on anomaly of mobile short levelingmeasurements in Xiye and Wusheng areas[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2003,(4)：65-69)

3 李杰,陳強,陳巖.蒼山 4.4級地震與相公莊水準(zhǔn)短臨異常[J].地震學(xué)刊,1992,3：8-13.(Li Jie,Chen Qiang and Chen Yan.On The Cangshan earthquake of 4.4 magnitude and the short-term premonitory anomaly of Xianggongzhuang levelling[J].Journal of Seismology,1992,3：8-13)

4 李杰,等.沂沭斷裂帶垂直形變與斷層活動特征分析[J].大地測量與地球動力學(xué),2002,(2)：106-111.(Li Jie,et al.Analysis of characteristics of vertical deformation and faulting of Yishu fault zone[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2002,(2)：106-111)

5 牛安福,等.昆侖山口西 8.1級地震前祁連山地震帶附近形變異常的演化特征 [J].地震,2003,23(4)：21-26. (Niu Anfu,et al.Evolutional characteristics of ground deformation observed along the Qilianshan before the Kunlun mountainMs8.1 earthquake[J]Earthquake,2003,23(4)：21-26)

6 李杰,等.跨斷層形變測量異常特征分析[J].地震,2010, 30(2)：100-111.(Li Jie,et al.Analysis of the anomaly characteristics from cross-fault defor mation measurements [J].Earthquake,2010,30(2)：100-111)

CROSS-FAULT DEFORMATI ON ANOMALY OF Y ISHU FAULT AND ITS INTERPRETATI ON

Li Jie,Yin Haitao,Wu Chen,NingBin,Han Bing and Liu Li
(Earthquake Adm inistration of Shandong Province,Jinan 250014)

Through analyzing the anomaly of Ganlin,Wusheng and Gaofengtou mobile short leveling in Yishu fault zone and surroundingNW strike faults and discussing the anomalymechanis m,we think that the three anomalyies are likely caused by crustal stress increasing in this area before and afterWenchuan earthquake.

Yishu fault zone;cross-fault deformation;mobile short leveling;anomaly;crustal stress

1671-5942(2011)04-0018-04

2011-01-23

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局行業(yè)專項(10-215);奧運安保項目(2008GG10008004)

李杰,女,1963年生,正研級高級工程師,主要從事地殼形變觀測分析預(yù)報研究工作.E-mail：lijie@eqsd.gov.cn

P315.72+6

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