利用水系密度方法研究徐州地區(qū)隱伏活動構(gòu)造特征

王金艷，李麗梅，史 燕，候 瑩

（江蘇省地震工程研究院，江蘇 南京 210014）

利用水系密度方法研究徐州地區(qū)隱伏活動構(gòu)造特征

王金艷，李麗梅，史 燕，候 瑩

（江蘇省地震工程研究院，江蘇 南京 210014）

以90 m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用ArcGIS軟件提取徐州及其周圍流域水系，并結(jié)合地形圖進行校正與修改。用GIS空間分析技術(shù)對徐州地區(qū)做水系密度的統(tǒng)計分析，在此基礎(chǔ)之上結(jié)合地質(zhì)、深部特征、地震活動性分布等資料，研究徐州及其周圍地區(qū)隱伏活動構(gòu)造特征，得出研究區(qū)隱伏活動構(gòu)造的規(guī)律，同時驗證了水系密度等值線高梯度帶，特別是梯度帶的轉(zhuǎn)彎及兩個方向的交接部位是現(xiàn)代強震的分布地帶；水系密度圖與布格重力異常圖的異常區(qū)均為近代強震發(fā)生的區(qū)域。為探索利用水系密度等值線圖探討徐州地區(qū)隱伏活動構(gòu)造的特征提供了一定的借鑒意義，為揭示全新世以來平原覆蓋層下地震構(gòu)造及其活動的基本特征提供新的技術(shù)思路。

水系密度；隱伏活動構(gòu)造；地震活動性；重力異常

0 引言

活動構(gòu)造研究以研究和探討構(gòu)造活動性質(zhì)、滑動速率、地震復(fù)發(fā)特征、分段性及地震危險性評價為主，采用的研究方法主要是地貌學(xué)、探槽技術(shù)和晚第四紀(jì)年代學(xué)，在活動斷裂的大比例尺填圖、深淺部構(gòu)造結(jié)合、大城市活斷層探測及地震危險性評價方面取得豐碩的成果[1-5]。其中對平原地區(qū)隱伏活動構(gòu)造的定量研究主要采用地震探測、鉆孔聯(lián)合剖面的方法，而對于地表水系與隱伏斷裂的關(guān)系研究較少。由于地表水系對隱伏活動斷裂具有一定的指示作用，同時因為第四紀(jì)沖積平原上水系的分布能夠靈敏地反映構(gòu)造活動，深部隱伏物質(zhì)的運動以及基底構(gòu)造塊體的隆起、坳陷、掀斜和斷裂的活動都會使地表的水流發(fā)生彎曲、伸直、匯集、分流等變化，形成各種形態(tài)和密度的水系[6-7]。同時，可以認為現(xiàn)代水系的概貌主要是全新世以來形成的，因而這種統(tǒng)計分析可以揭示地下隱伏構(gòu)造最新的活動特征[6]，王若柏利用水系密度計量分析，揭示出河北平原隱伏活動構(gòu)造的信息[6]，侯建軍通過對水系線密度和面密度的量計和制圖分析，揭示了渭河盆地全新世構(gòu)造活動[8]，正是由于水系密度有揭示厚層新生代松散沉積物覆蓋下隱伏活動構(gòu)造規(guī)律的優(yōu)點，因此本文選擇在徐州及其周圍地區(qū)進行研究，以期獲得用水系密度揭示徐州地區(qū)隱伏活動構(gòu)造特征的目的。

1 區(qū)域地質(zhì)概述

本次研究區(qū)參考《徐州市新城區(qū)、開發(fā)區(qū)活斷層探測與地震危險性評價》項目的工作區(qū)范圍：東經(jīng)116°15′～118°40′，北緯33°34′～35°06′。

在地理位置上，研究區(qū)位于華北平原中部，“山東丘陵”的南緣，研究區(qū)南部及西部地勢比較平坦，海拔不高，一般不超過100 m，為黃河等河流沖洪積傾斜平原，河道變化頻繁，從而在平原區(qū)留下了大量的古河道和積水洼地。東北部為魯中南山區(qū)，發(fā)育低山丘陵地貌，丘陵標(biāo)高200～80 m，棗莊以北的胡頂可達502 m（圖1）。山脈走向與地質(zhì)構(gòu)造一致。棗莊一帶呈東西向，徐州南北一帶呈北北東-北東東向弧形。由灰?guī)r、白云巖等組成的山體中石芽、溶溝較發(fā)育，切割中等，局部有 “V”型谷和陡崖。魯中南山體受構(gòu)造控制，多呈北西向，并形成條狀斷塊山和斷陷盆地。研究區(qū)主要河流有：京杭大運河、運河、不老河、廢黃河、伊家河、房亭河、奎河、鄭集河等，大部分河流屬沂沭河流域，僅南部的奎河、閘河屬于淮河流域。

因新構(gòu)造運動以來該地區(qū)持續(xù)沉降，第四紀(jì)沉積物平均厚度都在100 m以上[10-12]，該區(qū)斷裂帶多為隱伏構(gòu)造，直接從地表尋找露頭不易判讀斷裂帶的存在。因此，要借助其它輔助手段，從斷裂帶對該區(qū)帶來的影響角度出發(fā)，這主要體現(xiàn)在水系發(fā)育方面，盆地湖泊及火山的發(fā)育等現(xiàn)象。研究北部為山區(qū)，山脈叢生，地勢起伏比較大，斷層活動對北部區(qū)域影響頗大。

研究區(qū)古近紀(jì)以來以上升運動為主，受近東西向斷裂控制，局部發(fā)育有斷陷和坳陷盆地[12]。新近紀(jì)，地殼相對穩(wěn)定，經(jīng)長期剝蝕夷平，形成了新近紀(jì)夷平面。早更新世，地殼運動主要表現(xiàn)為不均衡抬升或掀斜隆起，使新近紀(jì)夷平面發(fā)生構(gòu)造變形，成為現(xiàn)代山丘之雛形。中更新世為又一次剝蝕夷平時期，但時間較短，所形成的夷平面發(fā)育不夠充分，主要由山麓剝蝕面和河流二級階地面組成，沿山丘呈環(huán)帶狀分布或沿河流延伸。晚更新世以來，本區(qū)繼續(xù)發(fā)展斷塊差異性升降活動，使上述夷平面被分割成不連續(xù)分布。全新世以來，本區(qū)山丘繼續(xù)上升，盆地則繼續(xù)下降，但幅度和速度都不大[10-12]。

從地質(zhì)構(gòu)造上看，研究區(qū)位于北北東向的郯城-廬江斷裂帶、岳集斷裂和近東西向的鐵佛溝斷裂、宿北斷裂所圍限的區(qū)域內(nèi)，斷裂主要有東西向豐沛構(gòu)造帶、宿北斷裂構(gòu)造，徐淮弧形推覆構(gòu)造，北北東-北東向構(gòu)造，北西-北西西向構(gòu)造（圖2）。

2 水系密度與隱伏構(gòu)造活動的關(guān)系

2.1 水系密度對隱伏構(gòu)造活動有靈敏的響應(yīng)

構(gòu)造沉降區(qū)水系密度較高，構(gòu)造抬升區(qū)水系密度較?。辉诟?、低值的邊界，若水系密度梯度遠大于其它地區(qū)，并呈現(xiàn)帶狀分布，則常反映在構(gòu)造分區(qū)或活動斷層如盲斷層或活動褶皺的位置[7]。通過水系密度圖可以揭示出沉降區(qū)和隆起區(qū)。水系密度的梯度帶則代表了構(gòu)造隆起和凹陷的交接部位，往往是活動斷裂分布的地帶。在斷裂疊加水系密度圖（圖2）看出：

圖1 水系密度分布圖Fig.1 Distribution map of drainage density

圖2 水系密度疊加斷層圖Fig.2 The superposed map of drainage density and fault

嘉祥斷裂東側(cè)水系密度大于西側(cè)，從而揭示了構(gòu)造區(qū)隱伏活動斷層的可能位置。研究區(qū)肖云鎮(zhèn)、谷亭真、歡口鎮(zhèn)、龍固鎮(zhèn)附近水系密度大，且呈密集的條帶狀分布，這些地區(qū)處于沉降區(qū)；研究區(qū)中東部如大店鎮(zhèn)、宿州市、永安鎮(zhèn)、房村鎮(zhèn)、長城鎮(zhèn)、大廟鎮(zhèn)、微山縣等地區(qū)水系密度偏小，說明這一帶的構(gòu)造上升運動相對較強。芒山鎮(zhèn)-宿州縣之間以及濉溪縣-白土鎮(zhèn)之間的水系密度大于周邊地區(qū)，且成條帶狀分布，這兩個區(qū)域可能處于凹陷處，構(gòu)造沉降區(qū)。處于鐵佛溝斷裂與韓莊斷裂之間的水系密度明顯大于其周圍地區(qū)，說明該斷裂兩側(cè)地區(qū)地殼有逐漸抬升的趨勢， 1∶20萬徐州地質(zhì)圖驗證了這個結(jié)論。

在研究區(qū)的西北角肖云鎮(zhèn)-歡口鎮(zhèn)-龍固鎮(zhèn)一帶，水系密度呈東西向密集條帶分布，文獻記載此處存在湖西凹陷[12]，推測這一帶受到了基底活動構(gòu)造的控制。

郯廬斷裂帶附近的水系密度總體成串珠狀的北東向分布。為郯廬斷裂帶為界，水系密度呈現(xiàn)出東西高中間低的分布，驗證了研究區(qū)所在郯廬斷裂帶中段兩塹夾一壘的構(gòu)造格局。東西兩側(cè)的水系密度值也有差異，也說明郯廬斷裂帶東西兩側(cè)構(gòu)造活動亦有差異。

研究區(qū)從芒山鎮(zhèn)到谷饒鎮(zhèn)附近，水系密度成北東向條帶狀分布，從谷饒鎮(zhèn)到馮廟鎮(zhèn)水系密度成東西向條帶狀分布，兩個水系密度方向的交接部位，并沒有中強地震的發(fā)生，其中東西向條帶分布顯示了宿縣北斷裂的存在位置。結(jié)合研究區(qū)的布格重力異常圖發(fā)現(xiàn)，沿斷裂重力異常均反映沿該斷裂分布有近東西向的梯級帶。斷裂南北兩側(cè)在地層上差異較大：北側(cè)東部為由震旦系及古生界組成的北東向緊密褶皺，西部據(jù)鉆孔及電測深資料分析有厚達3 000～4 000 m的古近系：南側(cè)東部為由古生界組成的短軸寬緩褶皺，西部據(jù)鉆孔資料揭示，在2910 m之下，即為上太古界的霍丘群，表明北側(cè)下降達數(shù)千米。

通過水系密度統(tǒng)計結(jié)果獲得隱伏活動構(gòu)造相對的強度和規(guī)模，不同構(gòu)造區(qū)之間的邊界，尤其是隆起區(qū)與沉降區(qū)之間的斷裂，常是地震活動地段，結(jié)合地震活動性、地震地質(zhì)和深部等其他相關(guān)資料，為研究區(qū)提供基礎(chǔ)研究和地震構(gòu)造分區(qū)參考依據(jù)，對于科學(xué)合理地選擇重點監(jiān)測區(qū)帶、地震危險區(qū)劃、未來地震危險性預(yù)測研究有指導(dǎo)意義。

2.2 水系密度與布格重力異常

關(guān)于重力與地震活動性的大量研究成果已經(jīng)證明，重力異常的梯度帶附近往往是歷史和現(xiàn)代強震分布的部位[7-8]。從地殼運動均衡的理論可以得知，重力高異常（圖中以實線和 “+”符號表示)相對應(yīng)地表為坳陷，重力低異常（圖中以虛線和“-”符號表示）相對應(yīng)于地表隆起。而相對于水系密度的關(guān)系，重力高異常區(qū)對應(yīng)于水系密度高值區(qū)，重力低異常區(qū)對應(yīng)于水系密度低值區(qū)。從水系密度與重力異常疊加圖上可以看出，重力異常與水系密度的分布是互相吻合的，即重力低異常的地方對應(yīng)的是水系密度低值區(qū)的地方。水系密度梯度帶同樣是強震多發(fā)的部位。

從圖3可以看出，區(qū)域內(nèi)布格重力異常軸向總體上以北東向和近東西向為主。大致以郯城-廬江斷裂帶所通過的位置為界，其東側(cè)表現(xiàn)為布格重力正異常，異常背景值為：（0～15）×10-5m/s2，局部高異常達（25～35）×10-5m/s2；西側(cè)地區(qū)則具大面積布格重力正、負異常相間特征，正異常背景值為（0～15）×10-5m/s2，局部高異常區(qū)可達40×10-5m/s2以上（微山湖西側(cè)單縣一帶），負異常主要集中在臨沂-棗莊一線西北部、金鄉(xiāng)縣-渦陽縣西和利辛-五河一線以南地區(qū)等地，最小異常值在－25×10-5m/s2以下。在郯城－廬江斷裂帶及其附近，布格重力異常軸向以北北東為主，并形成一系列異常等值線的畸變。

研究區(qū)內(nèi)水系密度與布格重力值總體特征為東高西低的特點，從而反映出研究區(qū)地殼厚度總體特征為東薄、西厚，中間為平緩過渡區(qū)。

2.3 水系密度與地震活動性

據(jù)不完全統(tǒng)計，研究區(qū)自公元462年8月以來，共記載到M≥4.7級地震10次，其中4.7～4.9級地震4次，5～5.9級地震3次，6級以上地震2次，即462年8月17日山東兗州南6級地震和1668年7月25日山東郯城8級地震。另據(jù)區(qū)域地震臺網(wǎng)記錄，自1970年1月至2010年6月，研究區(qū)共記錄到ML≥1.0級地震805次，其中1.0～1.9級地震509次，2.0～2.9級地震257次，3.0～3.9級地震34次，4.0～4.9級地震4次，5.0級以上地震1次，即1995年9月20日山東蒼山5.2級地震。

將中強地震疊加在水系密度圖分布圖上（圖2）發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)域內(nèi)絕大多數(shù)的地震位于區(qū)域北部的魯南地區(qū)（特別是蒼山臨沂一帶和菏澤地區(qū)）和區(qū)域西南部的皖北地區(qū)（特別是固鎮(zhèn)地區(qū)）。而這些區(qū)域正是水系密度等值線高梯度帶，特別是梯度帶的轉(zhuǎn)彎及兩個方向的交接部位。這一點對未來地震危險性預(yù)測，特別是在乎原覆蓋區(qū)的預(yù)測研究是非常重要的。

研究區(qū)域地震區(qū)的情況更為清楚，1668年7月25日發(fā)生在山東郯城的81/2級地震和山東兗州南6?地震所處位置都位于水系密度梯度帶的轉(zhuǎn)彎部位，462年8月17日山東兗州南61/2地震的發(fā)震斷裂，與一條北東向的水系密度梯度帶吻合，其它強余震的空間位置亦不例外。以上分析表明，研究區(qū)中強地震震中位置與水系密度分布圖有明顯的規(guī)律性對應(yīng)。整個地震序列中其它的地震也都分布在這些部位，顯然不是偶然的，這與前人使用大量測深資料分析的地震活動性結(jié)果基本一致[13-15]。

圖3 研究區(qū)布格重力異常值與水系密度疊加圖Fig.3 The superposed graphy of drainage density and gravity anomaly

4 結(jié)語

徐州地區(qū)是弱活動構(gòu)造區(qū)，活動構(gòu)造在地表出露不明顯。本文通過水系密度的提取和綜合分析研究，得出以下的結(jié)論：

（1）嘉祥斷裂東側(cè)水系密度大于西側(cè)，從而揭示了構(gòu)造區(qū)隱伏活動斷層的可能位置。

（2）研究區(qū)肖云鎮(zhèn)、谷亭真、歡口鎮(zhèn)、龍固鎮(zhèn)附近水系密度大，且呈密集的條帶狀分布，這些地區(qū)處于沉降區(qū)；研究區(qū)中東部如大店鎮(zhèn)、宿州市、永安鎮(zhèn)、房村鎮(zhèn)、長城鎮(zhèn)、大廟鎮(zhèn)、微山縣等地區(qū)水系密度偏小，說明這一帶的構(gòu)造上升運動相對較強。芒山鎮(zhèn)-宿州縣之間以及濉溪縣-白土鎮(zhèn)之間的水系密度大于周邊地區(qū)，且成條帶狀分布，這兩個區(qū)域可能處于凹陷處，處于構(gòu)造下降階段。

（3）在鐵佛溝斷裂與韓莊斷裂之間的水系密度明顯大于其周圍的地區(qū)，說明該斷裂兩側(cè)地區(qū)， 地殼有逐漸抬升的趨勢。

（4）研究區(qū)的西北角曹馬集鎮(zhèn)-魚城鎮(zhèn)-谷亭鎮(zhèn)一帶，水系密度呈東西向密集條帶分布，推測這一帶受到了基底活動構(gòu)造的控制。

（5）研究區(qū)中強地震的震中水系密度圖有明顯的規(guī)律性對應(yīng)。水系密度等值線高梯度帶，特別是梯度帶的轉(zhuǎn)彎及兩個方向的交接部位是現(xiàn)代強震的分布地帶。

（6）研究區(qū)的水系密度高低與重力異常分布圖吻合，重力異常的梯度帶附近往往是歷史和現(xiàn)代強震分布的部位，水系密度梯度帶也同樣是強震多發(fā)的部位。

（7）郯廬斷裂帶既是多個新構(gòu)造單元的構(gòu)造邊界，同時也是區(qū)內(nèi)活動最強的一個新構(gòu)造單元。

水系密度統(tǒng)計結(jié)果獲得隱伏活動構(gòu)造相對的強度和規(guī)模，結(jié)合地震地質(zhì)、深部構(gòu)造、地震活動性等資料在水系密度高梯度帶、異常轉(zhuǎn)彎和不同方向梯度帶的交匯區(qū)等處進行深入研究,獲取覆蓋層下第四紀(jì)地層厚度和絕對年齡的大量資料，就能得出全新世以來平原下隱伏基底構(gòu)造和斷層活動強度的定量數(shù)據(jù)，從而為圈定一些來來的危險區(qū)做基礎(chǔ)。

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Study on Buried Active Structures in XuZhou Areas with Drainage Density

WANG Jinyan，LI Limei，SHI Yan，HOU Ying
（Institute of Earthquake Engineering for Jiangsu Province，Nanjing 210014，China）

Based on 90 meters high-resolution SRTM DEM data,the paper extracts the water system of Xuzhou and the surrounding by using the arcgis software，and does correction and modification combining with the topographic map.The paper makes statistical analysis of drainage density in Xuzhou region by using geographic information system technology.Based on these，and combining with geology,deep crustal structure,the quake's epicenter distribution map，the paper studies the latest active tectonics characteristics of Xuzhou and the surrounding area.Meanwhile,the paper verifies the drainage density contour with high gradient belt，especially the direction of the gradient belt turning and two transition regions which are the distribution zone of modern earthquake;the reverse abnormal zone in the drainage density map and the gravity anomaly map are modern earthquake area.This study provides some reference for using the drainage density contour map to reveal theactive tectonic characteristics in Xuzhou area， and also offers a new technical idea that reflects the seismotectonic and activity under plain cover since the Holocene.

Drainage Density；Buried active structures；Seismic activity；Gravity anomaly

P315.7

A

1001-8662（2015）04-0092-06

10.13512/j.hndz.2015.04.14

王金艷，李麗梅，史 燕，等.利用水系密度方法研究徐州地區(qū)隱伏活動構(gòu)造特征[J].華南地震，2015，35（4）：92-97.[WANG Jinyan，LI Limei，SHI Yan，et al.Study on Buried Active Structures in XuZhou Areas with Drainage Density[J].South china journal of seismology，2015，35（4）：92-97.]

2014-08-18

王金艷 （1982-），女，工程師，主要從事GIS在活動構(gòu)造中的研究，城市活斷層探測工作.

E-mail：117001305@qq.com.