基于GNSS及地震活動的沂沭斷裂帶危險性分析

杜存鵬 殷海濤 于勝文 楊 樂 賈 媛

1 山東科技大學測繪與空間信息學院，青島市前灣港路579號，266590 2 山東省地震局，濟南市文化東路20號，250014

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

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

1 研究區(qū)概況及地震活動

沂沭斷裂帶屬于郯廬斷裂帶山東段部分(圖1)，同時也是郯廬斷裂帶出露最好、新構造活動最強烈的部分。沂沭斷裂帶在魯中沂、沭河谷地形成“兩塹夾一壘”的復式地塹構造，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330 km，北段寬約55 km，向南縮短至約25 km，構成魯西塊體和魯東塊體的構造分界線。其中，安丘-莒縣斷裂是沂沭斷裂帶最主要的晚第四紀活動斷層，以右旋走滑兼逆沖活動為主要特征，是新構造運動的強活動帶，對地震的發(fā)生具有控制作用[7-8]。

Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3共同組成魯東斷塊，藍框為地震剖面區(qū)域圖1 研究區(qū)構造及歷史地震分布(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，新構造活動較為強烈，地震活動具有周期長、震級大的特點。斷裂帶的地震活動具有分段性，主要集中在南段區(qū)域，北段區(qū)域的地震活動較少，中小地震稀少的活動斷層在震前可能處于彈性應變能累積的閉鎖狀態(tài)[9]。根據(jù)地震活動統(tǒng)計(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，地震活動異常稀疏，具有地震活動空區(qū)的類似特點，易于應力累積。

2 GNSS數(shù)據(jù)處理及斷層模型設置

2.1 GNSS數(shù)據(jù)

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

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

2.2 TDEFNODE負位錯反演方法及原理

McCaffrey[10]編寫DEFNODE塊體負位錯反演程序，隨后在此基礎上改進與時間有關的變形和數(shù)據(jù)，提出TDEFNODE程序。該程序假設板塊內部點的運動為2部分的總和：一部分為塊體旋轉；另一部分為斷層閉鎖導致塊體邊界滑動虧損引起的地表彈性形變。反演結果具有一定的可靠性和較好的穩(wěn)定性[11]：

(1)

(2)

式中，V為斷層長期滑動速率，Vc為斷層短期滑動速率，Σ為節(jié)點確定的斷層格網(wǎng)區(qū)域范圍。當Vc的特征波長變化小于Σ時，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負位錯反演模型可在GPS速度場及地震數(shù)據(jù)等資料的約束下，利用模擬退火算法和網(wǎng)格搜索法對塊體旋轉、內部應變及斷層閉鎖程度進行估計，斷層由沿斷層走向設置的節(jié)點縱向深度指定。

2.3 斷層模型設置

安丘-莒縣斷裂為沂沭斷裂帶內的主要活動斷裂，由于沂沭斷裂帶內晚更新世晚期至全新世早期的斷裂活動主要發(fā)生在安丘-莒縣斷裂上，因此本文斷層模型設置主要參考安丘-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為NNE10°～20°，傾向為NW，傾角為70°～80°。多位學者利用大地電磁測深、人工地震測深等地球物理探測手段，探測到沂沭斷裂帶區(qū)域的地殼厚度約為31～36 km[4,13]，本文將魯西斷塊設為上盤，魯東塊體設為下盤，傾角設為70°。沿斷層走向共布設7個節(jié)點，分布在安丘-莒縣斷裂各段落之間，將斷層模型深度設為40 km，沿斷層傾向分別在0.1 km、5 km、10 km、15 km、20 km、25 km、30 km、35 km、40 km處設置9條等深線，如圖3所示。

圖3 沂沭斷裂帶斷層節(jié)點設置Fig.3 Yishu fault zone fault node setting

3 沂沭斷裂帶反演結果

根據(jù)本文斷層模型參數(shù)，多次計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藍框)的地震信息，并對震源深度進行分析，結果如圖5所示。由圖可見，幾乎所有地震的震源深度都在30 km以內，說明應變能在沂沭斷裂帶30 km深度內不斷釋放，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，利用DEFNODE負位錯模型對郯廬斷裂中南段的閉鎖程度進行反演。結果表明，莒縣以北區(qū)域閉鎖程度較高，最大閉鎖深度達32 km，其閉鎖區(qū)域范圍大于本文結果，可能是因為模型或所用數(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

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

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

4 結 語

本文利用山東地區(qū)2011～2019年GNSS速度場數(shù)據(jù)，基于TDEFNODE負位錯模型，反演沂沭斷裂帶的斷層閉鎖程度和斷層滑動虧損速率，為沂沭斷裂帶及周邊地區(qū)的地震危險性分析提供依據(jù)。結果表明，沂沭斷裂帶諸城以南區(qū)域斷層閉鎖程度較低，基本無滑動虧損累積，且該段為1668年郯城地震的破裂段，推測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較高，閉鎖深度較深，約為26 km，為右旋滑動虧損，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)域的小震活動不活躍，具有地震活動空區(qū)的類似特點，易于應力累積，因此該段斷裂的地震危險性值得關注。

需要注意的是，本文得到的只是初步結果。由于沂沭斷裂帶由多條斷裂構成，且斷裂帶內部的構造運動及其地震應變能變化等因素都會對斷裂帶的構造運動產(chǎn)生影響，因此后續(xù)還需結合構造單元劃分及活動斷裂性質進行更深入的研究。此外，由于沂沭斷裂帶地區(qū)觀測數(shù)據(jù)不足，給反演結果及地震危險性分析帶來一定的不確定性，因此有必要在增加觀測數(shù)據(jù)的基礎上優(yōu)化斷層模型，以進一步對沂沭斷裂帶的滑動特征及閉鎖程度進行反演。