GPS揭示的郯廬斷裂帶中南段閉鎖及滑動虧損

李彥川，單新建，宋小剛，姜宇，甘衛(wèi)軍，屈春燕，王振杰

1 地震動力學國家重點實驗室，中國地震局地質研究所，北京 1000292 地球科學與技術學院，中國石油大學(華東)，青島 266580

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GPS揭示的郯廬斷裂帶中南段閉鎖及滑動虧損

李彥川1,2，單新建1*，宋小剛1，姜宇1,2，甘衛(wèi)軍1，屈春燕1，王振杰2

1 地震動力學國家重點實驗室，中國地震局地質研究所，北京 1000292 地球科學與技術學院，中國石油大學(華東)，青島 266580

利用華北地區(qū)2009—2014年GPS水平運動速度場數(shù)據(jù)，采用塊體負位錯模型反演了郯廬斷裂帶中南段斷層深部滑動速率、斷層閉鎖程度分布、斷層滑動虧損速率分布及地震矩積累率，結合地表應變率分布，對郯廬斷裂帶中南段深、淺部形變、應變特征以及華北地區(qū)的地殼形變模式進行了分析.結果表明：郯廬斷裂中南段的北端主要為右旋走滑特性，南端則表現(xiàn)為右旋走滑兼拉張性運動，斷層滑動速率在0.9 mm·a-1至1.2 mm·a-1，且沿斷層走向由北至南逐次增大.斷層閉鎖程度分布沿走向分布不均一，斷層閉鎖深度由最北端的27 km增加到中段的32 km，至最南端變?yōu)? km，斷層閉鎖最深處與1668年郯城MS8.5震中位置相對應.斷層滑動虧損速率沿走向由0.9 mm·a-1增加到1.2 mm·a-1，沿傾向由地表至深部逐漸減小為0 mm·a-1.地震矩積累率在郯廬斷裂帶中南段郯城附近較大，而地表對應區(qū)域為第二應不變分量的低值區(qū).華北地區(qū)地殼變形以塊體運動為主，塊體內(nèi)部應變及斷層閉鎖產(chǎn)生的負位錯效應次之；郯廬斷裂帶中南段斷層形變沿走向呈條帶狀分布，形變寬度單側小于50 km，形變量不超過1 mm·a-1，且上盤形變略大于下盤.

郯廬斷裂；GPS；斷層閉鎖；滑動虧損

1 引言

郯廬斷裂帶橫跨中國東部，是亞洲東部著名的深大斷裂帶之一，其新活動構造誘發(fā)了一系列近代地震，對現(xiàn)代地震活動起著重要的控制作用(方仲景等，1980；王小鳳等，2000；劉保金等，2015).郯廬斷裂帶是由多組呈斜列分布的多條斷裂組成，按構造習性、演化歷史和地震活動性可分為北、中、南三段，其中渤海灣以南稱為中南段(國家地震局地質研究所，1987；Xu，1993；萬桂梅等，2009)，該段作為郯廬斷裂的主體，總體走向北18—25°東，是一條中生代的大陸裂谷構造，是一條從地表直達上地幔的貫通斷裂(高維明等，1980)，第四紀以來活動斷裂最為發(fā)育，是我國主要的地震活動帶之一(吳大銘等，1981)，先后發(fā)生了多次M6以上地震(圖1).2008年5月12日汶川8.0地震和2011年3月11日日本宮城地震分別對郯廬斷裂帶中南段造成了不同程度的影響(劉東旺等，2009；王敏等，2011；楊少敏等，2011；尹海濤等，2013；尹京苑等；2015)，加強對該斷裂現(xiàn)今地殼形變的研究和認識，對評價區(qū)域地震危險性具有重要的價值.更好地量化郯廬斷裂的地殼形變，一定意義上要依賴于斷層的滑動速率；同時，斷層滑動速率為我們辨別地殼形變模式、了解應力加載過程、探索大地震復發(fā)周期及評估該區(qū)域地震危險性提供了不可或缺的約束(Cavalié et al.,2008).此外，了解斷層的閉鎖、滑動虧損及應力積累的空間分布，也為我們更好地理解斷層的地震活動性奠定了基礎(Jolivet et al.,2013).

利用現(xiàn)代大地測量測量手段(GPS)對郯廬斷裂震間地殼形變及應變的研究已有很多(郭良遷和應紹奮，1998；黃立人和郭良遷，1998；許才軍等，2002；Wang et al.,2009；郭良遷等，2011；Wang et al.,2011；劉曉霞等，2012；張希等，2013；朱澤等，2014)，這些研究結果不僅提供了郯廬斷裂中南段現(xiàn)今滑動速率，也勾勒出了該斷裂的活動特征，但仍有一些問題有待解決，如不同研究結果得到的郯廬斷裂活動習性不一致；未有對斷層閉鎖程度和滑動虧損空間連續(xù)變化情況的研究；依據(jù)塊體-應變模型對郯廬斷裂形變的研究，未考慮斷層閉鎖產(chǎn)生的負位錯效應；地表應變、斷層閉鎖程度、斷層滑動虧損、地震矩積累率等斷層深、淺部過程的對應關系有待于進一步揭示.本文利用2009—2014年密集的GPS水平速度場結果，采用塊體負位錯模型(TDEFNODE程序)(McCaffrey,2009)反演了郯廬斷裂現(xiàn)今滑動速率、斷層閉鎖、斷層滑動虧損速率及地震矩積累率，結合該區(qū)域的應變結果，分析了郯廬斷裂中南段深淺部地殼形變特征，并將實測GPS速度分解，量化了該區(qū)域的地殼形變，最后討論了反演結果的不確定性.

2 數(shù)據(jù)及模型

2.1 GPS數(shù)據(jù)

作為現(xiàn)代地殼運動獲取的主要手段，GPS被廣泛應用于形變監(jiān)測及地球物理反演研究(Wang et al.,2001).考慮到2008年5月12日汶川地震同震、震后效應可能對周圍流動測站造成持續(xù)影響(Zhao et al.,2015)，收集了研究區(qū)中國地殼運動觀測網(wǎng)絡、中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡2009—2014年流動站數(shù)據(jù)(分別在2009、2011和2013年進行了復測)和1998—2014年連續(xù)站的GPS數(shù)據(jù)，采用GAMIT10.4軟件(Herring et al.,2010)聯(lián)合中國大陸周圍10個IGS站進行寬松約束處理，其中高度角設為10°，加入EGM08重力模型并考慮了固體潮、大氣延遲效應、電離層改正等；將解算得到的單天解與SOPAC全球單天解進行合并，剔除時間序列中跳值點；為了得到“干凈”的時間序列，分別在時間序列中對2001年可可西里地震、2004年蘇門答臘地震、2008年汶川地震、2010年玉樹地震、2011年日本311地震、2013年蘆山地震和2014年于田地震的同震及震后效應進行了剔除；選取全球均勻分布的50個穩(wěn)定IGS站，采用七參數(shù)轉換，得到ITRF2008下速度；最終利用歐亞塊體的歐拉矢量(Altamimi et al.,2011)，將ITRF2008下速度場轉換為穩(wěn)定歐亞板塊下的速度場(Zhao et al.,2015)(圖2).在模型反演前，對方向、大小明顯偏離區(qū)域運動背景的GPS測站進行了剔除，最終選定了653個GPS測站數(shù)據(jù)，其中流動GPS測站水平方向平均誤差為0.40 mm·a-1，連續(xù)運行GPS測站水平向平均誤差為0.26 mm·a-1.

圖1 研究區(qū)構造及歷史地震分布黑色實線表示郯廬斷裂，黑色空心圈為M≤5歷史地震分布，白色實心圈為M>5歷史地震分布，黃色線框為圖6微震剖面位置，左上角插圖表示研究區(qū)域所在位置.Fig.1 Tectonics and historical earthquakes in the study area Black line represents the Tanlu fault.Black circles are earthquakes with magnitude equal or smaller than 5 and white circles correspond to earthquakes with magnitude greater than 5.Yellow rectangle marks location of profiles of micro-earthquakes in Figure 6.Inset map on the upper left shows the study area.

圖2 穩(wěn)定歐亞板塊下的GPS速度場黑色箭頭表示處理得到的GPS速度，藍色箭頭為反演得到的郯廬斷裂滑動速率，誤差橢圓為95%置信區(qū)間，紅色線框為圖3GPS速度剖面，灰色線框表示斷裂分段；右上角插圖中紅色框線為研究區(qū)所在位置，黑色實線為劃分的塊體邊界.Fig.2 GPS velocities with respect to the stable Eurasian plateBlack arrows are processed GPS velocities.Blue arrows are slip rates of the fault from inversion.Error ellipses show with 95% confidence level.Red rectangle marks the profile of velocities in Figure 3 and the grey is flags for fault segmentation.The red rectangle in the inset map on the upper left shows the study area and black bold lines mark boundaries of blocks.

2.2 反演模型

文中用到的塊體負位錯模型(McCaffrey,2002,2005)假設地殼形變是由塊體旋轉、塊體內(nèi)部應變、塊體邊界斷層閉鎖產(chǎn)生的負位錯效應共同作用下的地表彈性變形之和(公式1)，該模型結合了塊體旋轉、塊體均勻應變和Okada位錯，可在大地測量(GPS、InSAR、水準)、地質(如斷層滑動速率)及地震(如斷層同震滑動方位角)等數(shù)據(jù)的約束下，采用網(wǎng)格搜索和模擬退火法同時反演塊體旋轉歐拉極、斷層滑動速率、塊體邊界斷層閉鎖系數(shù)(PHI)等.斷層閉鎖系數(shù)取值在0～1，PHI=0表示斷層自由滑動，斷層兩盤的相對運動不產(chǎn)生應變能積累；PHI=1表示斷層完全閉鎖，斷層兩盤相對運動量將完全轉化為應變能；PHI處于0和1之間表示斷層處于部分滑動狀態(tài)，兩盤相對運動量部分轉化為應變能(McCaffrey et al.,2007).模型由開源程序TDEFNODE實現(xiàn)(http:∥web.pdx.edu/～mccaf/www/defnode/;McCaffrey,2009).模型原理、反演過程及參數(shù)控制，相關文獻已有詳細的描述(McCaffrey,2002；趙靜等，2012).公式(1)為

(1)

前人根據(jù)地質、地震及GPS速率資料將我國東部劃分為華南和華北兩個一級活動地塊，其中華北地塊劃分為兩個亞板塊：華北平原和魯東—黃海塊體(以下簡稱魯東塊體)(張培震等，2003；Wang et al.,2011)，兩者以郯廬斷裂中南段為界(圖2).參考前人研究成果(Zhang et al.,2005)，在反演過程中，設置華北平原塊體和魯東塊體內(nèi)部存在均勻應變，華南塊體為剛性；同時，簡化郯廬帶為單一深大斷裂，斷層走向為SSW，傾角為65°，傾向為NW(鄧啟東，2007).模型中斷層是由一系列節(jié)點組成的面，我們的斷層模型沿斷層走向共有10排節(jié)點，節(jié)點之間的平均距離約為70 km，節(jié)點沿斷層面分別設在0.1 km、5 km、10 km、15 km、20 km、25 km、35 km和45 km深度.尚未有研究發(fā)現(xiàn)郯廬斷裂帶中南段存在地表淺層蠕滑現(xiàn)象，因此在反演時對斷層閉鎖施加強約束(McCaffrey,2002;Wang et al.,2003)，即在地表完全閉鎖，在45 km深度以下自由滑動，處于兩者之間的節(jié)點在反演時閉鎖系數(shù)沿斷層傾向隨深度遞減(圖3).在討論部分，我們將對模型反演結果的不確定性做進一步分析.

圖3 郯廬斷裂中南段簡化示意圖黑色圓點為節(jié)點所在位置，紅色線表示PHI在地表完全閉鎖，藍色表示PHI自由滑動，綠色表示PHI反演時為自由參數(shù).Fig.3 Sketch of simplified geometry and boundary conditions for the model Block dots are fault nodes.The red line on the top indicates the Tanlu fault fully locked at surface and the blue line on the bottom indicates the Tanlu fault is freely slipping below 45 km.The PHI in the green area between the surface and 45 km at depth would be inverted from GPS data.

3 郯廬斷裂中南段斷層閉鎖及滑動虧損特征

3.1 斷層滑動速率

斷層滑動速率是根據(jù)最優(yōu)化模型反演的塊體旋轉歐拉矢量計算而來(McCaffrey,2002)，反映的是大地測量時間尺度的斷層在深部的運動情況.我們得到了郯廬斷裂中南段斷層現(xiàn)今滑動(圖2，表1)，為方便分析，將郯廬斷裂帶中南段分為A(35.5°N—37.5°N)、B(33°N—35.5°N)、C(31°N—33°N)三段(圖1).

從表1及圖2中反演結果可以看出，郯廬斷裂帶中南段呈現(xiàn)右旋走滑兼拉張運動的特性，斷裂運動速率為0.9～1.2 mm·a-1，且運動速率從南向北逐漸遞減.斷裂在南部以右旋走滑為主，張性形變?yōu)檩o，拉張分量向北逐步遞減，到最北端基本為0，斷層變?yōu)榧冇倚呋?為驗證模型的可靠性，橫跨斷裂做了三個速度剖面a、b和c，剖面估值(表1和圖4)與模型反演值具有較好的一致性.平行斷裂方向c剖面值與模型結果相差較大，可能與該區(qū)域處于塊體交界的地方，形變相對較為復雜有關(Thatcher,2007).劉曉霞等(2012)利用2007—2009年兩期GPS速度場資料，基于塊體的整體旋轉與均勻應變模型反演了郯廬斷裂中南段的運動，結果顯示斷裂在北段呈右旋拉張、南段呈左旋擠壓，但走滑分量占主導；此外郭良遷等(2011)利用1999—2009年華北地區(qū)GPS速度場為約束，同樣采用塊體-應變模型反演了郯廬斷裂的滑動速率，得到郯廬斷裂帶運動速度從北向南逐漸減小(1.24 ～1.06 mm·a-1)，呈現(xiàn)右旋擠壓特征.上述結論與我們反演的結果相互矛盾，原因前者用到的數(shù)據(jù)均為2009年以前的數(shù)據(jù)，而我們反演時GPS數(shù)據(jù)跨度為2009—2014年，期間發(fā)生了2011年3月11日日本宮城MW9.0巨震，位于我國的GPS連續(xù)站顯示同震在華東地區(qū)造成了3～10 mm的水平位移(主要為東西向)(王敏等，2011；殷海濤等，2013)，導致東北和華北地區(qū)一系列北北東走向的斷裂產(chǎn)生了不同程度的張性應變，對郯廬斷裂起到了拉張作用.這些遠場同震位移雖然不大，卻對郯廬斷裂(中南段)運動性質產(chǎn)生了影響.

3.2 斷層閉鎖程度分布

表1 郯廬斷裂中南段斷層滑動速率(右旋拉張為正)、閉鎖深度、滑動虧損及地震矩積累率

圖5給出了郯廬斷裂帶中南段閉鎖程度沿斷層走向的三維分布，表1給出了統(tǒng)計的A、B和C段的閉鎖深度.可以看出，斷層閉鎖深度在沿走向從北向南呈現(xiàn)先深后淺的特征，斷層閉鎖最深可達32 km，且正好位于1668年7月25日郯城MS8.5震中附近.地震實際上是在區(qū)域構造應力作用下，應變在活動斷裂帶上不斷積累并達到極限狀態(tài)后而突發(fā)失穩(wěn)破裂的結果(Scholz,1990,1998；張培震等，2013)；而斷層只有在閉鎖(或部分閉鎖)的狀態(tài)下，斷層兩盤相對運動才會產(chǎn)生虧損，轉化為能量并逐漸累積，直至某次地震(或無震蠕滑)進行釋放，并進入下一個地震周期(Wallace et al.,2004).由此可以推論地震發(fā)生在斷層閉鎖的區(qū)域.周翠英等(2013)采用郯城地震震源區(qū)重新定位的現(xiàn)今中小震數(shù)據(jù)，反演得到1668年郯城地震震源斷層下界面深度約為32 km，上界埋深約為4 km.這與我們反演斷層閉鎖深度較為吻合.值得思考的是，現(xiàn)今距1668年郯城地震離逝僅347年，如果地震發(fā)生時斷層發(fā)生了完全破裂，那么斷層怎樣在短時間內(nèi)重新形成閉鎖的.依舊精定位結果，周翠英等(2013)給出了郯城大地震斷層面現(xiàn)代小震的深度分布，結果顯示震源以南(對應圖5中B、C段交接處)的深度較淺(25 km左右)，向北漸次加深，最深達33 km.上述結果與我們模型反演的結果基本一致.

圖4 GPS速度剖面圖(a)(b)(c)剖面位置在圖2中，左圖為平行斷裂速率，右圖為垂直斷裂速率；圖中黃色方框用于估計斷層滑動速率，紅色線為中值.Fig.4 GPS slip rates along and across the middle and southern segments of the Tanlu faultLocations of each profile are shown in Figure 2.Figures on the left show fault-parallel velocities and fault-normal velocities on the right.The stations in light yellow rectangle would be used for estimating slip rates.

圖5 郯廬斷裂中南段斷層閉鎖程度分布Fig.5 Locking degrees of the middle and southern segments of the Tanlu fault

收集了1970年以來沿郯廬斷裂帶中南段分布的現(xiàn)代微震(圖1)，并將震源深度進行垂直展布(圖6)，結果顯示幾乎所有微震均發(fā)生于30 km以內(nèi)，這表明在斷層以下30 km內(nèi)應變能在不斷地釋放，也反映了斷層處在閉鎖狀態(tài).文中反演的斷層閉鎖深度深于當代地震的震源深度，這證明了我們的反演結果具有合理性.張希等(2013)利用2009—2011年全國GPS水平運動場資料，借助負位錯反演得到郯廬斷裂帶平均閉鎖深度僅為16 km，該結果與我們反演結果不一致，這可能是模型及數(shù)據(jù)集不一致導致的；朱澤等(2014)雖然用同樣的方法對郯廬帶中南段進行了反演，但其模型設置僅為兩排節(jié)點，且斷層傾角(SE50°)與現(xiàn)有的認識(鄧啟東，2007)存在不一致，但結果與我們的反演結果基本一致.

3.3 斷層滑動虧損分布

量化斷層面上應變能的分布及積累速率，對該斷層地震危險性的判斷具有重要意義(Jolivet et al.,2013).斷層滑動虧損速率由斷層滑動速率乘以斷層面閉鎖系數(shù)得到(圖7).由于斷層閉鎖產(chǎn)生的滑動虧損，將以應變能的方式在斷層面及附近累積(McCaffrey et al.,2007).從圖7可以看出，滑動虧損速率整體分布于斷層閉鎖程度基本一致，且沿斷層走向由南向北量值逐次減小(1.2～0.9 mm·a-1)；斷層傾向上，滑動虧損速率從地面到深部逐漸變小，這與實際地球物理現(xiàn)象是吻合的(Wang et al.,2003).

滑動虧損速率僅表示斷層兩盤滑動量轉化為應變能快慢的量，但應變能積累的快并不表示應變能總量就一定大，2008年5月12日汶川地震前龍門山斷裂帶兩盤相對低速的滑動速率就是一個很好的例證(Zhang,2013).為對郯廬斷裂帶中南段地震危險性有較為客觀的分析，我們對斷裂滑動虧損和閉鎖深度進行積分(公式2)，計算了各分段(A、B和C)的地震矩積累率(表1).公式為

(2)

圖6 歷史微震剖面Fig.6 Profile of the historical micro-earthquakes

圖7 郯廬斷裂帶中南段斷層滑動虧損速率分布Fig.7 Slip rate deficits of the middle and southern segments of the Tanlu fault

表1中，地震矩積累速率與斷層閉鎖深度及滑動虧損速率成相關，反映的是地震矩積累的快慢程度.郯廬斷裂中南段中B段地震矩積累速率較大，這可能反映了該段能量積累較快.劉曉霞等(2012)根據(jù)塊體模型反演GPS數(shù)據(jù)的結果推斷郯城附近具有發(fā)生強震的孕育背景，秦四清等(2014)運用孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論及相關預測方法，在此段得到了相似的結論.

4 華北地區(qū)應變特征

文中用到的塊體負位錯模型利用地表形變速率，反演的是斷層深部構造性變特征.為將斷層深部特征與地表形變進行對比分析，我們首先采用L曲線方法，將華北地區(qū)的GPS速度場進行0.4°×0.4°插值，并計算了既包含正應變又包含剪應變的應變第二不變分量(Wang and Wright,2012)(圖8).圖8中，第二應變不變分量高值主要分布在環(huán)首都圈區(qū)域，該地區(qū)存在一系列的次級斷裂；同時，第二應變不變分量的高值區(qū)也對應著主壓應變的高值區(qū).沿郯廬帶走向由北向南，A段兩側主應變發(fā)生了方向改變，且該區(qū)域第二應變不變分量相對較高；郯廬帶B段主應變幾乎為零，第二應變不變分量也處于低值區(qū)；C段主應變率是連續(xù)變化的，且以主張應變?yōu)橹?，這與王敏等(2011)結論相同，推測該段可能仍在受日本311宮城MW9.0大地震的影響.

將地表應變分布與斷層在深部的閉鎖深度、滑動虧損速率及斷層地震矩積累速率進行比較(圖8，表1)，發(fā)現(xiàn)前者與后三者并不是正相關，尤其是在郯廬帶B段，即斷層深部高地震矩積累率在地表的映射關系卻是低應變積累率，一種可能的解釋是該段在淺地殼已經(jīng)積累了一定的應變能，應變累積速度反而減小了，由此推測，郯廬斷裂帶中南段B段(即郯城附近)可提供地震孕育的環(huán)境.需要強調(diào)的是，對某條斷層地震危險性的分析，不僅需要科學地分析其現(xiàn)今形變特征，完整的斷層的結構及古地震研究也是必不可少的(Zhang,2013).

5 討論

5.1 GPS速度分解

以GPS為約束，前人運用的塊體模型(黃立人和郭良遷，1998；許才軍等，2002；Zhang et al.,2005;Wang et al.,2009;郭良遷等，2011；劉曉霞等，2012)和考慮斷層閉鎖產(chǎn)生彈性負位錯效應的塊體模型(Wang et al.,2011；張希等，2013；朱澤等，2014)對華北地區(qū)的地殼形變進行了研究，均對數(shù)據(jù)進行了很好的擬合，但未對GPS數(shù)據(jù)進行各分量的分解，即塊體旋轉、塊體應變和斷層閉鎖的GPS分量.我們在反演過程中，將華北地區(qū)實測GPS速度場轉化到穩(wěn)定華南塊體框架下，并將該框架下理論的GPS速度場包含的各分量進行了分解(圖9).

圖9中，相對于穩(wěn)定的華南塊體，華北地區(qū)的GPS速度(黑色箭頭)呈逆時針旋轉，這與江在森等(2009)給出的華南基準速度場類似.郯廬斷裂中南段南端(C段)兩側，GPS速度呈現(xiàn)右旋拉張運動，向北則兩盤差異運動不明顯.由速度場的分布可以得出，華北地區(qū)主要以塊體運動為主導(綠色箭頭)，且華北塊體和華東塊體之間的相對運動，在郯廬斷裂中南段南端表現(xiàn)為右旋走滑兼拉張?zhí)匦?，往北則相對運動不突出，這與我們模型計算的郯廬斷裂中南段運動性質是一致的.塊體內(nèi)部應變部分的GPS速度(紅色箭頭)主要分布于塊體邊界，且量值小于1.0 mm·a-1，呈背離塊體中心運動，這與反演模型假設塊體為均勻應變有關，即遠離塊體中心，應變分量變大(李延興等，2001).斷層閉鎖影響的GPS速度分量，沿斷層走向兩側展布，量值不足1.0 mm·a-1，且在斷層兩盤呈反方向運動，這是由于斷層閉鎖產(chǎn)生彈性負位錯阻礙兩盤的相對運動，與斷層右旋走滑的運動性質是相吻合的；圖9中斷層閉鎖影響的GPS分量，主要分布于郯廬斷裂帶中南段的上盤(西盤)，這符合華北地區(qū)整體運動的動力學背景，即上盤是主動盤(張培震等，2013)；遠離斷裂兩側，GPS速度呈現(xiàn)快速下降，可推斷郯廬斷裂帶中南段變形寬度很窄(<50 km)，從圖4中GPS速度剖面可推測出同樣結論.

5.2 反演結果的不確定性分析

統(tǒng)計了GPS速度殘差及其分布(圖10)，絕大部分速度殘差(<2 mm·a-1)在其誤差橢圓內(nèi)，殘差方向具有隨機性，殘差分布符合高斯正態(tài)分布；華北和魯東塊體內(nèi)部應變殘差均小于1.0nstrain/a，證明了模型反演結果內(nèi)符合精度較高.值得注意的是，由于模型假設塊體內(nèi)部形變?yōu)榫鶆蛐巫儯纯紤]形變、地殼介質、波速結構等空間分布的不均一性，這可能是反演結果不確定性的來源之一(Zhang et al.,2013).此外，沿塊體邊界以及塊體內(nèi)部次級斷層周圍(圖10)，GPS速度殘差相對較大(約2 mm·a-1)，這是由于塊體邊界形變的復雜性引起的(Thatcher,2007;Wang et al.,2011)，同時也說明塊體負位錯模型并非可完全模擬該地區(qū)地殼形變，這也給反演結果帶來了不確定性.斷層近場GPS觀測站點的分布(特別是斷裂帶附近站點的數(shù)量和位置)也對反演結果有一定影響(趙靜等，2013).

圖9 相對于穩(wěn)定華南塊體的GPS速度場分解圖中黑色箭頭表示理論上相對于華南塊體的速度，綠色箭頭為塊體旋轉部分，紅色箭頭為塊體內(nèi)部應變部分，藍色箭頭為斷層閉鎖引起的負位錯效應部分.Fig.9 Decomposition of velocity field with respect to stable South China Block arrows are velocities relative to the stable South China block.Green arrows are velocities induced by block rotation.Red arrows are velocities which lead to block internal strain.Blue arrows are velocities due to fault locking.

圖10 塊體應變及應變殘差，GPS速度殘差分布誤差橢圓為1.5倍中誤差，95%的置信區(qū)間，藍色箭頭為塊體內(nèi)部主應變，綠色箭頭為應變殘差.Fig.10 Residuals (observed minus calculated velocities) of GPS velocities,strain in blocks and its residuals GPS velocity residuals are within 95% confidence ellipses in 1.5 sigma.Blue cross represents the strain and yellow cross represents its residuals.

模型參數(shù)的設置(如是否設置塊體內(nèi)部應變、參考框架的選擇等)對反演結果也會有影響.統(tǒng)計了不同參數(shù)設置下的反演GPS的結果精度(表2，表3)，可以看出，不同參考框架對反演結果的影響相對較小，不同穩(wěn)定塊體作為參考框架時對反演結果幾乎不產(chǎn)生影響；塊體是否為剛性塊體(即是否存在內(nèi)部應變)對反演結果有較大的影響；反演結果對斷層傾角不敏感，斷層初始深度對結果有較大影響.總之，我們利用塊體負位錯模型對華北地區(qū)的地殼形變?nèi)〉昧溯^好的描述，但模型結果亦受不確定因素的影響.

表2 不同模型參數(shù)設置

注：“×”沒有內(nèi)部應變，“√”為存在內(nèi)部應變

表3 斷層傾角及初始深度結果對比

6 結論

利用華北地區(qū)2009—2014年GPS水平向速度場數(shù)據(jù)，采用塊體負位錯模型對郯廬斷裂帶中南段斷層深部滑動速率、斷層深部閉鎖系數(shù)、滑動虧損速率及地震矩積累率進行了反演，結合地表應變分布，對郯廬斷裂帶中南段形變、應變及華北地區(qū)地殼形變模式進行了分析，取得了如下認識：

(1) 模型估值及橫跨斷層GPS速度剖面均顯示，受2011年3月11日日本宮城MW9.0地震影響，郯廬斷裂帶中南段表現(xiàn)為右旋走滑兼拉張的運動性質，滑動速率為0.9～1.2 mm·a-1，且斷層沿走向逐次遞增，在北端以右旋走滑運動為主，南端兼拉張?zhí)匦?

(2) 郯廬斷裂帶中南段斷層閉鎖深度沿走向不均一分布，呈先加深后變淺(27～32～5 km)，斷層最深閉鎖段落與1668年郯城MS8.0地震震中位置接近；斷層面上滑動虧損速率沿斷層走向呈遞增(0.9～1.2 mm·a-1)，沿傾向從地表至深部逐次減小；地震矩積累率計算結果顯示，在郯廬斷裂帶中南段郯城附近地震矩積累較快；地表第二不變應變分量在郯城附近為低值區(qū)，推測該段可能已經(jīng)積聚了較多的應變能.

(3) 華北地區(qū)地殼形變以塊體旋轉為主，塊體內(nèi)部應變和斷層閉鎖效應分別次之.郯廬斷裂帶中南段因斷層閉鎖產(chǎn)生的形變(<1 mm·a-1)沿斷層兩側分布，單側形變寬度不足50 km，且上盤形變量略大于下盤.

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(本文編輯 張正峰)

Fault locking and slip rate deficit on the middle and southern segment of the Tancheng—Lujiang fault inverted from GPS data

LI Yan-Chuan1,2,SHAN Xin-Jian1*,SONG Xiao-Gang1,JIANG-Yu1,2,GAN Wei-Jun1,QU Chun-Yan1,WANG Zhen-Jie2

1 State Key Laboratory of Earthquake Dynamics,Institute of Geology,CEA,Beijing 100029,China2 School of Geosciences,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580,China

By using GPS-derived horizontal velocities of 2009—2014 and a dislocation model,we inverted the slip rate,fault coupling and slip rate deficit on the middle and southern segments of the Tanlu fault.We also calculated the moment accumulation rate based on the fault slip rate and the fault locking depth and analyzed crustal deformation in East China.Along the middle and southern segments of the Tanlu fault,the results predict 0.9 mm·a-1of right-lateral strike-slip at the northern end,gradually changing to 1.2 dextrorotary extension at the southern end.The overall pattern of the interseismic locking depth is unevenly distributed along the middle and southern segments of the Tanlu fault.We estimated fault coupling down to 27 km depth or more for the northern part,and 25～32 km for the central part which is coincident with the epicenter of the 1668 Tancheng earthquake.The southern part,however,is only locked from 5 km to 25 km depth.Similar to spatial distribution of the fault coupling,the slip rate deficit changes from a lower value in the northern part to a higher level in the southern part,ranging from 0.9 mm·a-1to 1.2 mm·a-1along the middle and southern segments of the Tanlu fault.And it gradually decreases to 0 mm·a-1along the dip.The seismic moment accumulation rate per unit length of the fault is high on the fault plane beneath Tancheng city;however,it is negatively correlated with the strain rate on the surface.Our results also show that tectonic deformation occurring in East China is dominated by block rotation.While most sites in East China are affected by elastic strain within blocks to some degree.However,only sites in a narrow strip (less than 50 km with velocities less than 1 mm·a-1) along the middle and southern segments of the Tanlu fault are affected by elastic strain loading due to fault coupling.Compared with sites on the footwall,sites on the hanging wall are affected more by strain loading due to fault coupling.

Tanlu fault;GPS;Fault locking;Slip rate deficit

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國家自然科學基金(41461164002)和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(R1401038A)聯(lián)合資助.

李彥川，男，1989年生，在讀博士，主要從事GPS地球動力學研究.E-mail:yanliupc@163.com

*通訊作者 單新建，男，1966年生，研究員，主要從事地殼形變觀測與動力學研究.E-mail:xjshan@163.com

10.6038/cjg20161108

P315

2015-12-04，2016-06-18收修定稿