由地殼速度結構判斷郯廬斷裂帶江蘇段未來大震位置①

由地殼速度結構判斷郯廬斷裂帶江蘇段未來大震位置①

通信作者： 李清河，研究員，博士生導師。E-mail：qh_li2005@163．com。

梅衛萍1，2, 李清河2， 張元生3, 金淑梅2

(1. 中國科學技術大學,安徽 合肥 230026； 2.江蘇省地震局，江蘇 南京 210014；

3.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000)

摘要：用多震相地震走時成像法反演郯廬斷裂帶魯蘇皖段及鄰區三維地殼速度結構。一些地區如郯廬斷裂帶臨沭到定遠及以東地區在中地殼的20～25 km出現低速層，一些地區莫霍面埋深有變化。淺層速度結構的分段與斷裂活動的分段相一致,表明新沂到泗洪是活動斷裂的閉鎖段。對比1668年山東郯城8級地震區和研究區的深部速度結構,結合與郯廬帶相交的斷裂、地震活動、活動斷裂的閉鎖段、中地殼低速層及莫霍面深度變化，綜合判斷郯廬斷裂帶江蘇段未來可能發生大震的地區為33.4°～34.1° N,118.2°～118.8° E,重點是宿遷、沭陽、泗陽和泗洪。震級估計可達8級。

關鍵詞：郯廬斷裂帶江蘇段; 地殼三維速度結構; 低速層; 莫霍面深度; 大震位置

收稿日期：①2014-11-14

基金項目：國家自然科學基金(40974031);江蘇省科技發展項目(BE2009691);宿遷市活動斷裂與地震危險性評價

作者簡介：梅衛萍(1972-)，女,湖北黃梅人,高級工程師，主要從事地震監測和研究工作。E-mail: 582759703@qq.com。

中圖分類號:P315.2文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0693

Location of Future Large Earthquakes in Jiangsu Segment

of Tanlu Fault Zone Based on the Crustal Velocity Structure

MEI Wei-ping1,2, LI Qing-he2, ZHANG Yuan-sheng3, JIN Shu-mei2

(1.UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,Anhui，China; 2.EarthquakeAdministrationofJiangsu

Province,Nanjing210014,Jiangsu，China; 3.LanzhouInstituteofSeismology,CEA,Lanzhou730000,Gansu，China)

Abstract：The Tancheng-Lujiang Fault Zone (simplified as the Tanlu Fault Zone) is the biggest in east China. In 1668, an M8 earthquake occurred along this fault zone in Tancheng, Shandong Province, China. Seismologists are focusing on the most likely location of the next major earthquake along this fault, particularly in the areas near Shandong and Jiangsu provinces. The multiphase travel time inversion (MUTI) algorithm was developed to invert the three-dimensional crust velocity structure of the Shandong-Jiangsu segment of the Tanu Fault Zone and its adjacent area (30°～37° N, 113°～122° E). The crust can be divided into three layers, the upper (10～15 km thick), the middle (10～15 km thick) and the lower (10～12 km thick). The segmentation of the shallow velocity structure is consistent with that of fault activity, and indicates that the area from Xinyi to Sihong comprises the active fault block section. There is a low velocity layer at a depth of 20～25 km in the Tanlu Fault Zone from Linshu to Dingyuan and its eastern area. A low velocity layer can also be found in the middle crust of the source region of the 1668 Tancheng earthquake. In this study, we present the variation of Moho depths in Suqian, Siyang, Shuyang, and Tancheng. The Wuxi-Suqian fault, the Hongze-Goudun fault, and the Jiashan-Xiangshui fault all intersect with the Tanlu Fault Zone, and the intersection area of these faults may be dangerous. By comparing the depth velocity structure features of the Jiangsu segment along the Tanlu fault zone with the source area of the 1668 Tancheng M8 earthquake, combined with data regarding seismic activity, the active fault block, the low velocity layer in the middle crust, the depth variations of the Moho, and the fault intersections, the area of next large earthquake can be estimated for the Jiangsu segment of the Tanlu fault zone. The most likely position is 33.4°～34.1° N and 118.2°～118.8° E, in Suqian, Shuyang, Siyang and Sihong in particular. The estimated maximum magnitude is 8.

Key words： Jiangsu segment of Tanlu fault zone; 3-D crustal velocity structure; low velocity layer; Moho depth; location of large earthquake

0引言

多年來， 各國科學家特別是中國科學家在大地震區做了大量的深部探測和研究，以了解其深部環境和背景。我國科學家對1668年山東郯城8級地震區[1]、1966年邢臺7.2級地震區[2]、1975年海城7.3級地震區[2]、1976年唐山7.8級地震區[2]、1977年伽師6級震群區[2]、1920年海源8.5級地震區[3]、張渤地震帶[3]、臨汾地震區[3]、1998年張北6.2級地震區[3]、1989年大同—陽高5～6級震群地震區[3]、1679年三河—平谷8級地震區[3]、1937年菏澤7級地震區[3]、1979年溧陽6.0級地震區[3]、2008年汶川8.0級地震區[2]、天水8級地震區[4]、福建—廣東陸緣地震區[3]、 瓊東北—雷州半島地震區[3]及河南林縣地震區[3]等進行了深部探測,分析各自的深部結構特點，研究地殼上地幔結構和大地震孕育發生的深部環境和背景。

由于計算機層析成像技術和數字地震的發展,用天然地震探測地球內部結構已成為探測的主要方法，近年來在走時層析成像、波形反演、地震臺陣觀測和反演，噪聲成像等方面已取得多個研究成果。

盡管各種方法對不同震區所得出的深部結構及大震發生的深部環境和背景不同,但有兩點是基本相同的,即：大震區均存在殼內低速層[2-3]，大震發生在低速層的上面或下面；殼內大震區下部的莫霍面深度均有深淺變化[2-3]。前人對殼內低速層在大震孕育中的作用和機理進行了理論和實驗研究[5]。應該指出的是，絕大多數探測結果都是對已發生大震區域的后驗探測，僅有極少數文章涉及預測未來可能發生大震的位置和強度[6]。

通過研究斷裂構造的活動性和大震復發周期,郯廬斷裂帶江蘇段歷來被判定為大震危險地段，但具體危險位置的判定尚存在不確定性。斷裂在地表，而地震發生在地下深部，因此深部環境及背景是判斷大震發生的重要判據，此前因探測手段和方法的缺陷使得對這方面的研究程度不夠。

使用1980—2011年間的天然地震Pg、Sg、Pm、Sm、Pn、Sn震相到時資料，用多震相地震走時成像法(反演網格是30 km×30 km)反演郯廬斷裂帶魯蘇皖段及鄰區(30°～37° N,113°～122° E)的三維地殼速度結構，獲得成像結果，并分析其中地殼低速層的展布特征和莫霍面埋深狀況，對比 1668年8級地震的深部結構，結合斷裂及地震分布，對該帶及附近未來可能發生大地震的位置做出預測判斷。

1研究方法

采用多震相地震走時成像法[7-10]反演地殼上地幔三維速度結構。該方法使用天然地震的Pg、Sg、Pm、Sm、Pn、Sn、pP、sS震相到時資料，并聯合利用人工地震測深資料進行約束反演，以保證三維地殼結構成像的有效先驗信息利用和反演信息綜合約束。采用三維射線追蹤逐次迭代法進行射線追蹤，反演方法最優化過程采用非線性全局優化方法的遺傳算法[11-13]，反演結果用檢測板試驗檢驗。

2資料及主要結果

2.1資料

研究區域為31°～37°N, 116°～121°E, 反演范圍擴到30°～37°N, 113°～122°E；地震資料的時間段為1980年1月-2011年12月。要求每個地震事件被3個以上臺站記錄到。共有6 278個地震參與反演, 有123 022個(包括Pg、Sg、Pm、Sm、Pn和Sn震相)能夠參加反演計算震相到時資料。用Sg-Pg走時和Pg走時構成檢驗數據的函數，剔除不可靠數據以確保資料的可靠性。反演前先對使用的地震進行重新定位。

模型網格數確定為22×22×7，網格大小不等，沿緯度方向(X軸)分別為130、30、30、…、30、137.1 km；沿經度方向(Y軸)分別為80、30、30、…、30、97.6 km；沿深度方向(Z軸)分別為2、3、5、5、5、5、20 km。地殼P波速度模型參考了HQ-13人工地震測深速度剖面資料[14]。選用的地震臺站、地震事件和計算網格見圖1。

圖1　地震事件和臺站分布及計算網格分布(圖中 　　　圓圈是地震事件，三角形是地震臺站，虛線 　　　是坐標線，實線是網格線) Fig.1　Distribution of seismic events, seismic stations and 　　　 computational grid Circles denote seismic events, tria- 　　　 ngles denote seismic stations, dashed lines show coor- 　　　 dinate system, and solid lines show computational grid

用檢測板進行分辨率檢驗。限于篇幅， 僅給出10～15 km層的檢測板(圖2)。由圖可見， 研究區內各層的分辨率均較高， 其結果可信。

圖2　10～15 km 分辨率檢測板 Fig.2　The resolution Checkerboard at 10～15 km Section

2.2基本結果

我們曾以40 km×40 km網格對29°～38°N, 114°～124° E范圍的地殼三維速度結構進行了計算， 獲得該區地殼速度結構特征的基本認識[15],與人工地震測深結果基本一致[14，16]。本文研究范圍較之縮小，資料更豐富，計算網格更小，獲得的結果也更精細，但兩者的主要結果基本相同，且在其他文章中也有論述[17-18],故本文不再贅述。本文僅以郯廬帶蘇魯段速度結構中的低速層和莫霍面深度分布特征及用來判斷未來大震區位置來加以分析。

2.3中地殼存在低速異常區

本研究區0～2 km、2～5 km、5～10 km、10～15 km及15～20 km各層均未發現低速層存在， 但20～25 km層則在部分地區發現。圖3(a)是15～20 km層的速度分布。此層是中地殼，其中間速度為6.48 km/s，速度擾動約1.6%。從圖可見， 郯廬斷裂帶及附近速度約為6.50～6.52 km/s, 高于中間速度，在本層沒有發現低速層。從圖2檢測板圖可以看到，絕大部分地區模型恢復很好，表明分辨較高，結果可信。

圖3(b)為20～25 km速度成像結果。此層是中地殼下部和下地殼上部，本層中間速度為6.47 m/s，速度擾動率約1.6%，層內速度變化不大。從圖可見，郯廬斷裂帶速度可分為三段：約35.2°N以北，速度較高，約為6.51～6.52 km/s;中間較低，約6.47～6.50 km/s， 包括沿郯廬帶蒼山、郯城、新沂、宿遷、泗洪到定遠及以東的地區；而32.3°N以南，速度又較高，約6.51～6.52 km/s。研究區內絕大部分地區分辨率較高，結果可信。

本研究區15～20 km層的中間速度為6.48 m/s，而20～25 km層的中間速度為6.47 m/s，說明在此層已出現低速層，在32°～35°N間速度更低．特別值得注意的是郯廬斷裂帶魯—蘇—皖段、安徽西北地區速度更低些。為對比，我們從圖3(a)、(b)中選擇一些地方給出各自的層速度(表1)，可見部分地區在20～25 km層存在低速層。

由圖3(b)可見，中地殼存在低速異常帶的地區主要自臨沭向東南到天長，自臨沭向西南到明光的三角形區域(見圖中紅線輪廓區域)。

圖3　 15～20 km和20～25 km 速度成像 Fig.3　Velocity tomography at 15～20 km and 20～25 km sections

地名坐標緯度/(°)經度(°)層速度/(km·s-1)5～20km20～25km是否低速沂水35.79118.626.516.51沂南35.55118.466.536.51是莒縣35.58118.836.536.51是臨沂35.11118.356.526.51是莒南35.18118.836.516.51-臨沭34.92118.656.506.48是郯城34.62118.366.506.48是新沂34.37118.356.516.49是睢寧33.91117.946.506.51-宿遷33.96118.276.516.48是沭陽34.11118.806.546.49是泗陽33.72118.706.586.48是淮安33.61119.016.556.48是盱眙33.01118.546.506.48是泗洪33.46118.216.516.48是五河33.15117.886.486.48-明光32.78117.986.526.48是

圖4為幾條深部速度結構剖面。圖4(a)是沿東西方向的剖面(34° N,116° E～34° N,121° E)。可以看到118°～119° E間在中地殼下部存在低速體，位于郯廬帶下方，即34°～34.3° N，118.1°～118.4° E間宿遷和新沂間均存在低速體。

圖4(b)是沿南北方向切的剖面(31° N,118.5° E～36° N,118.5° E)。可以看到沿118，5° E線，實際是118.2°～118.7° E間均是這個圖像，在郯城、臨沭下方中地殼存在低速層，即1668年山東郯城8級地震震中位置。在33°～34° N間，即泗陽、宿遷下方存在低速體。

圖4(c)是沿 NW-SE方向的深度-速度剖面(34.68° N,116° E～33.40° N,120° E)。該剖面在過郯廬帶的33.9°～34.1° N間(即宿遷附近)在中地殼存在低速體。

綜合以上分析，郯廬斷裂帶臨沭到定遠及以東的地區， 即郯廬帶相應地段及以東的地區，包括宿遷、泗陽、沭陽、淮陰、睢寧、泗洪和五河、天長、六合、明光(嘉山)等地區的中地殼存在低速體。

2.4莫霍面埋深變化

圖4　不同結構的深度-速度剖面 Fig.4　 Depth-velocity section for different structure

盡管郯廬帶內外盡管莫霍面深度有變化， 但變化幅度不大，一般為2～4 km,不同于其他莫霍面深度變化很大的大震區。

3由速度結構判斷郯廬帶江蘇段大震位置

3.1大震區的深部速度結構環境

從速度結構看，大震區的深部環境主要有以下幾個特點：

圖5　研究區莫霍面深度分布 Fig.5　The Moho depths distribution in research area

(1) 中地殼存在低速層[2-3]：前人對大震區速度結構的研究表明，大震區均存在中下地殼低速層或低速異常體。周永勝等認為，地殼中震源深度多集中在地殼強度剖面的強度峰值段，且其深度常處于中下地殼低速帶之上的相對高速區域，這表明強震孕育不僅受塊體邊界控制，也明顯受深部動力的影響，包括塊體結構，底邊界及層間解耦和深部塑形流動等[5]。

(2)莫霍面埋深變化：大震均發生在莫霍面深度由深到淺或由淺到深的變化區內，上地幔局部隆起或下沉可能是上地幔內部物質和能量交換、運移和上湧的結果[2]，也可能是構造的深部邊界。

(3) 深大斷裂的交匯：通常大地震區均存在深部斷裂， 盡管這些深部斷裂不一定和淺部斷裂直接相通或隱伏，倘若是大活動構造塊體邊界的深大斷裂，則發生大震的可能性更大。較大斷裂交匯附近容易局部積累應變能，且屬于應力弱化區域， 容易發生大地震。

圖6　郯廬斷裂帶魯蘇皖段及鄰近地區地震構造圖 Fig.6　Sesismotectonics map of the Shandong-Jiangsu-Auhui segment of the Tanlt fault zone and adjacent areas

(1) 郯廬斷裂帶內及兩側速度結構較為復雜，而西部比東部更復雜，呈現出較強的非均勻性，表明郯廬斷裂帶深部主斷裂面向西。

(2) 中地殼上部和下部均存在低速層，上部低速層主要出現在斷裂帶西部， 深度約16～19 km,下部低速層深度約20.7～23.3 km。中下地殼速度橫向變化較大。

(3) 莫霍面埋深變化。

(4) 郯廬斷裂帶電阻率內部低于外部，郯廬帶下部處于兩個高電阻率區之間，電阻率高低的分界可能是郯廬斷裂帶的邊界。

(5) 地震多發生在速度高低變化較大地方，偏向高速一側，同時也是電阻率變化較大的地方。

3.3本區斷裂分布特征

圖6是研究區地震構造圖。本文涉及范圍屬于郯廬帶中段南部，濰坊至嘉山段稱為沂沭斷裂帶，可分成三段：安丘段、莒縣—郟城段和新沂—泗洪段，是三個獨立的破裂單元。這三段均是晚第四紀活動斷裂，而泗洪以南是早第四紀斷裂。其幾何結構、運動性質、最大位移量、最新活動時代、大震復發周期、現代活動狀態以及探部構造背景等均具獨立性[20]。

研究表明，郯廬斷裂帶是深大斷裂，可能深到地殼底部[18]，并且是華北斷塊、揚子斷塊、蘇魯斷褶帶的構造分界斷裂，郯廬帶速度結構的分段性可延至地殼底部，且與構造分界吻合。郯廬帶東西兩側速度差異明顯，說明此斷裂很深[18]，發生大地震的可能性很大。在此區域的走向基本為NNE向， 該帶與NW向、 近EW向和NEE向斷裂多處相交。值得注意的是蒙山山前斷裂、蒼山—尼山斷裂與郯廬帶相交，即控制該處NW向深部結構，控制了1668年8級大地震的震源體范圍，故這兩條斷裂與郯廬帶相交匯區域是應變能積累區域。除了這兩條斷裂之外，與本研究區郯廬帶相交的斷裂主要還有：無錫—宿遷斷裂(NW向，在宿遷附近與郯廬帶相交)、嘉山—響水斷裂(NE向，在嘉山(明光)附近與郯廬帶相交)及洪澤—溝墩斷裂(NE向，在嘉山附近與郯廬帶相交)。這些斷裂相交部位容易局部積累應變能，且屬于應力弱化區域。

圖7為本區域5級以上地震分布圖。其中郯廬帶安丘段在公元前70年發生了7級地震， 莒縣—郯城段發生了1668年8級大地震，現今中小地震也較多。但郯廬斷裂帶在32.5°～34.5° N間，即新沂—泗洪段沒有發生過5級以上地震，特別是32.5°～34° N間也很少發生小震。這有兩種可能：一是此處不具備發生地震的條件；二是目前雖然地震不多不大，但它處于應力積累的過程， 不發生或很少發生地震反而是未來會發生大地震以釋放積累的應變能的體現， 如2008年汶川8級地震。

圖7　研究區域5級以上地震分布 Fig.7　earthquake distribution of M≥5 in research area

對0～2 km淺層的速度結構分析表明， 速度結構也存在與上述構造分段幾乎完全相同的分段，與地質學家給出的不同破裂段相同。這絕非偶然，表明郯廬帶新沂到泗洪段可能是斷裂的閉鎖段，未來有可能發生較大地震[18]。

3.4綜合判斷未來大震危險地區

圖6和圖7顯示郯廬帶新沂至泗洪段是現今活動斷裂，且是活動斷裂的閉鎖段。圖3(b)顯示的中地殼低速層在郯廬帶臨沭至嘉山間及以東地區。圖5顯示了莫霍面深度變化區域。 考慮到郯廬帶與NE、NW向較大斷裂的交匯，可以判斷郯廬斷裂帶江蘇段未來可能發生大震的地區為33.4°～34.1° N,118.2°～118.8° E,包括新沂、睢寧、宿遷、沭陽、泗陽、泗洪、盱眙及嘉山等地，重點是宿遷、沭陽、泗陽和泗洪。

假定障礙體長度為未來大震震源體長度，根據現今活動構造斷裂長度和中小地震活動閉鎖段長度， 郯廬帶蘇魯段障礙體范圍大約是33°～34.5° N。郭增建[21]和張國民[22]各自給出了震級和震源體的關系：

式中:M是震級;L是地震震源體的尺度, 以km為單位。按上面的公式計算， 未來此段發生的地震震級可達8級。(必須說明， 本文給出了可能發生大地震的背景和深部構造環境，并非地震預報)。

4結論與討論

使用1980—2011年期間的天然地震Pg、Sg、Pm、Sm、Pn、Sn震相到時資料，用多震相地震走時成像法(反演網格是30 km×30 km)對郯廬斷裂帶魯蘇皖段及鄰區(30°～37° N, 113°～122° E)反演三維地殼速度結構，獲得成像結果。對比1668年8級地震區和研究區的深部速度結構，主要分析殼內低速層的分布和莫霍面分布特征，結合斷裂活動和地震活動，給出未來可能發生大震地區的判定。

(1) 在中地殼的20～25 km一些地區出現低速層，位置是郯廬斷裂帶臨沭到定遠及以東的地區， 重點是靠近郯廬帶的宿遷、泗陽、沭陽、淮陰、睢寧、泗洪和五河、天長、六合、明光(嘉山)一帶，存在低速體。

(2) 宿遷、沭陽、泗陽和泗洪是莫霍面埋深變化較大的地方。另外五河、明光一帶也有變化。

(3) 與郯廬帶相交的斷裂主要有：無錫—宿遷斷裂(NW向，在宿遷附近與郯廬帶相交)、嘉山—響水斷裂(NE向，在嘉山(明光)附近與郯廬帶相交)和洪澤—溝墩斷裂(NE向，在嘉山附近與郯廬帶相交)。

(4) 由地震活動的分布、淺層斷裂活動的分段性及淺層速度結構的分段性可判斷新沂到泗洪是活動斷裂的閉鎖段。

(5) 綜合判斷郯廬斷裂帶江蘇段未來可能發生大震的地區為33.4°～34.1° N,118.2°～118.8° E,重點是宿遷、沭陽、泗陽及泗洪。震級估計可達8級。

(6) 關于中地殼低速層的存在，本研究沒有從地質學和巖石學角度仔細分析其成因，陳滬生等[23]認為下揚子中下地殼低速高導層是重要的滑移面，即韌性剪切帶，也是重要的均衡調節層，此層是地殼內的弱化層，可以作為應力加載邊界，使脆性層更易積累應力。郯廬帶莫霍面深度有變化， 但變化幅度不大，在地質演化過程中莫霍面可能是大規模走滑運動中的底部拆離面[24]，但不大的差異依然可以反映孕震構造。郯廬帶軟流圈頂部上隆[14,16，25]，或許是太平洋板塊向歐亞板塊俯沖的末端[26]，其位置恰在本研究區，故本區斷裂以逆沖擠壓兼走滑為主要運動方式或許是地幔的向上沖力與太平洋板塊的水平推擠共同作用的結果。

誠然，僅用本文的指標作為大震發生的判據是不夠的，我們不僅研究了地殼速度結構，還研究了地殼介質的衰減特征[27]、泊松比特征、小尺度介質非均勻性特征[28]`，這些結果指向基本一致，反應了從介質非均勻性角度，結合地質構造和地震活動判斷未來大震位置是可信的。

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