基于沖溝右旋水平位錯的安丘-莒縣斷裂地震特征位移分析

計昊旻 李 安 張世民

1)應急管理部國家自然災害防治研究院，北京 100085 2)中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

0 引言

郯廬斷裂帶是中國東部規模最大且切穿巖石圈的活動走滑斷裂帶。鄭朗蓀等(1988)依據其構造活動及地震活動特征將之分為4段，由北向南依次為鶴崗—鐵嶺段、下遼河—萊州灣段、魯蘇沂沭段及大別山—廣濟段。其中，由于沂沭段途徑山東、江蘇等人口稠密地區，且曾發生過2次大震級的歷史地震，即70BC安丘7級地震與1668年郯城8.5級地震，受到了眾學者的格外關注，目前已針對其晚第四紀活動特征開展了大量研究工作，但是關于這2次地震的破裂長度仍存在爭議。Jiang等(2017)通過航衛片解譯獲得了400余條沖溝的右旋位錯量，認為郯城地震的最大同震位錯量約為9m； Jiao等(2016)基于地震形成的裂點的后退速率和時間的關系，估計莒縣—郯城段的水平滑動速率為2.86mm/a。而針對安丘—莒縣段的位錯量，前人在一些典型地點進行了一些測量工作(何宏林等，2004； 宋方敏等，2005； 王志才等，2005，2015； 楊曉平等，2006； 張鵬等，2010，2015，2019)。王志才等(2015)測量了數個10～20m的較大水平位錯； 2004—2006年間一些學者在安丘—莒縣段上也進行了槽探和測量工作(何宏林等，2004； 宋方敏等，2005； 楊曉平等，2006)。雖然他們都提到跨斷層的許多沖溝均表現出右旋同步位錯現象，但由于缺乏高精度的測量手段，未能獲得較為一致的同震位錯量結果。同時，由于測得的位移量差異較大，難以發現是否存在特征地震或特征位移。此外，受取樣條件等因素所限，相關的槽探工作也并未獲得較好的古地震序列。

近年來，隨著高精度測量技術和高分辨率衛星影像的應用得到普及，使獲取大量高精度的位錯量測量數據用于統計學分析成為了可能。本研究即對郯廬斷裂帶安丘—莒縣段進行高分辨率遙感影像解譯與高精度無人機SfM測量，獲取了大量斷裂水平位錯的高精度定量數據，以此對該斷裂的右旋走滑特征進行分析。

1 地質背景

郯廬斷裂帶安丘—莒縣段南起莒縣胡家孟堰村，北達昌邑市，途徑安丘市，全長約170km(圖1b)，表現為4個不連續出露的斷裂段，分別為昌邑—南流段、安丘—孟瞳段、青峰嶺段及莒縣—孟堰段。各段之間以左階斜列階區分隔，每段又由次級段落右階斜列組成。

圖1 郯廬斷裂帶的斷裂分布圖Fig. 1 Distribution map of the Tanlu fault zone.F1昌邑-大店斷裂； F2白芬子-浮來山斷裂； F3沂水-湯頭斷裂； F4鄌郚-葛溝斷裂； F5安丘-莒縣斷裂

昌邑—南流段長約31km，在斷層出露處形成陡坎，西高東低，構成了丘陵與平原的分界線。該段出露斷面錯斷的全新世黏土層的年齡為3500a(王志才等，2015)。安丘—孟瞳段斷層的地表出露長度約為21km。斷層總體走向為15°～20°，斷面傾向NWW，傾角為70°～80°，斷裂以右旋走滑活動為主，并伴有逆沖分量(王志才等，2015)。青峰嶺段長約32km，北端始于小店子村，向S途徑高固崖村、茅埠村等，末端隱伏。斷層走向為15°～20°，斷面傾向多為SE，少量傾向W，傾角普遍>60°，活動方式以右旋走滑為主，兼具少量逆沖分量(王志才等，2015)。莒縣—孟堰段的出露長度約為20km，北起莒縣劉官莊西側，經胡家孟堰西至主家嶺，向S隱伏。該段總體走向約為20°，主斷面傾向NW，傾角約為70°，斷層以右旋走滑活動為主，伴逆沖分量。斷層出露處可見明顯陡坎，高1～2m，測得的水平位移量分別為2.5m、7.7m、(8±1)m 及(11±1)m(何宏林等，2004； 王志才等，2015)。在此段進行的槽探工作揭露出3次古地震事件，時間分別為(12530±1060)～(36420±3090)aBP、(12530±1060)aBP之后以及(2140±190)aBP之前(何宏林等，2004)。

2 研究方法

跨斷層而過的河流、山脊、沖溝等地貌標志可有效地記錄該斷層活動的累計位錯量，由此可對斷層的活動歷史進行合理推斷(Klingeretal.，2011； Zielkeetal.，2012； Renetal.，2015)，但斷層每次活動形成的位移量往往只有數m，這對測量精度提出了較高要求。

本次野外測繪工具為大疆P4RTK無人機，該款機型可進行高重疊率的攝影測量，照片中心點的坐標將與地面控制站進行GPS實時差分(RTK)定位計算，定位誤差僅0.015m。利用Structure from Motion(SfM)攝影測量的三維重建技術對照片進行拼接后，可獲得高分辨率的正射影像和DEM數據。

河流及沖溝的位錯則利用基于MATLAB平臺開發的LaDiCao_v2軟件進行測量。該軟件是一款專門針對河流及沖溝位錯分析測量的專業分析軟件，用戶只需將高精度DEM數據導入軟件，并對斷層位置及河流、沖溝的上、下游進行標注(圖2a，d)，軟件便會依據河流或沖溝上、下游的中心線在斷層線上的交點(即實際位錯值)，結合其流向與斷層走向關系進行擬合計算(圖2f，g)，當位錯值的不匹配因子最低時(圖2e)，該值便為擬合最佳位錯值(Zielkeetal.，2010，2012，2015)。輸入得到的最佳位錯值，軟件即會給出該處直觀的原始地貌(圖2b)。經與野外實際測量值比對可知，軟件得出的結果在誤差范圍內與實際相符。

圖2 基于高分辨率DEM數據的位錯量測量方法Fig. 2 The method for measuring dislocation based on high-resolution DEM data.

3 沖溝的右旋水平位移

在高分辨率衛星影像解譯工作的基礎上，沿斷層走向進行了野外踏勘，并對大量存在沖溝水平位錯的點進行了攝影測量，其中在昌邑—南流段上劉家營子SW側的河灣河發現了河流階地的右旋水平位錯和斷層剖面(圖3)。由于上游水庫蓄水導致河溝斷流，在河床中可見殘留的基巖跌水。河溝右岸的T2和T1階地分別保留了10.8(+0.5/-1.2)m、4.9(+0.4/-0.5)m的右旋水平位移(圖3a，b)及2.5m、1.5m的傾滑分量(圖3c，d)。在斷層剖面上(圖3e)可見5條斷層面： F5斷面在最西側，底部切穿基巖，形成了一條寬約10cm的垂直裂縫，基巖斷面的產狀為125°∠74°，頂部同樣錯斷T2階地礫石層； 中間為F3斷面，下部產狀為125°∠79°，上部傾角變緩為30°～35°，與F5相同，F3也錯動了T2階地的礫石層，垂直斷距約15cm； 東支斷層面F2和中間斷面相似，下部傾角較大，約為75°，上部傾角變緩為30°～35°。F4和F3之間的巖性為黃色斷層碎裂巖⑦； 而F3與F2之間的下部巖性為深褐色斷層泥⑥，上部為灰黃色崩積楔⑤； F1斷層面以東為沉積物，頂部被礫石層③蓋住，層③以上依次覆蓋砂層②和地表礫石層①。5條斷面中，F5和F3斷面 “通天”斷錯所有地層，F4和F2被層①蓋住，F2斷錯了層②及以下地層，F1斷面被層③蓋住。由此可知，該處至少揭示了3次古地震事件，且F5和F3錯斷了T2階地礫石層，該斷裂應為全新世晚期活動斷裂，最新的活動事件可能對應70BC安丘7級歷史地震。

圖3 劉家營子斷層出露(位置見圖1)Fig. 3 The emergence of fault in Liujiayingzi Village.①黃色礫石層； ②黃色砂層； ③黃色礫石層； ④黃色含礫斷層泥； ⑤灰黃色崩積楔； ⑥深褐色斷層泥； ⑦黃色斷層碎裂巖； ⑧灰黑色礫巖

表1 無人機航拍數據參數Table1 Data parameters of SfM

此外，對安丘—孟瞳段和青峰嶺段上的7處斷錯地貌典型地段進行了高精度無人機航拍(圖1 中的Ⅰ—Ⅶ)，通過SfM方法獲得了高精度DEM數據(表1)。其中點Ⅰ—Ⅲ位于安丘—孟瞳段，點Ⅳ—Ⅶ位于青峰嶺段。對每個地段均進行了沖溝解譯(圖4)，并利用沖溝位錯分析測量軟件LaDiCao_v2獲得了69個沖溝的右旋位錯量，人工解譯了8個沖溝位錯量，同時收集了2個以前的工作數據(王家嶺)及5個前人文獻中的沖溝數據(王志才等，2015)，沖溝位錯數據總計84個(表2)。

圖4 安丘—孟瞳段的實測地形和沖溝位錯解譯Fig. 4 The measured topography and interpretation of gully dislocations of Anqiu-Mengtong segment.a、b 田家官莊的地形和沖溝位錯解譯； c 小陸閣莊的地形和沖溝位錯解譯； d 小阿坨的地形和沖溝位錯解譯

表2 沖溝位錯統計表Table2 Statistics of gully dislocations

圖5 青峰嶺段的實測地形和沖溝位錯解譯Fig. 5 The measured topography and interpretation of gully dislocations of Qingfengling segment.a、b 高固崖的地形和沖溝位錯解譯； c 茅埠的地形和沖溝位錯解譯； d、e 王家臺子的地形和沖溝位錯解譯； f 庫山的地形和沖溝位錯解譯

4 沖溝的水平位移分布特征

4.1 安丘—孟瞳段的分布特征

安丘—孟瞳段斷裂的走向總體為NNE，沿斷層形成高1～4.6m不等的陡坎，地形也以此為界，呈現西高東低的格局。地貌上呈現的高差導致跨陡坎發育大量沖溝，且隨斷層活動形成明顯的右旋位錯(圖4)。但由于上升盤的第四系覆蓋層較薄，厚度<1m，較難對沖溝進行侵蝕溯源，沖溝的長度在斷層上升盤一側較短，在下降盤一側較長。產生水平位移的沖溝主要集中在田家官莊村附近(圖4a，b)，在小陸閣莊村(圖4c)和小阿坨村(圖4d)均發現沖溝水平位錯。于該段共獲得26個沖溝右旋水平位錯量，右旋水平位錯量為4.9(-0.9/+0.1)～39.5(±0.5)m不等。利用多峰正態概率分布函數擬合數據，結果顯示右旋位錯量集中分布于以5m、10.4m、15.5m、20.6m和25m為峰值的5個區間(圖6a)。其中，5m和10.4m位錯量區間的數據最多，隨著沖溝錯距的增大，區間內的沖溝數量逐漸減少，>25m的沖溝位錯量不具有統計意義。其中，10.4m、15.5m和20.6m區間的沖溝位錯量都集中在峰值附近。

圖6 沖溝位錯統計圖Fig. 6 Statistical chart of gully dislocations.a 安丘—孟瞳段； b 青峰嶺段。柱狀圖代表沖溝個數； 曲線代表分布概率

4.2 青峰嶺段的分布特征

青峰嶺段的斷層出露處地形類似于安丘—孟瞳段，但斷層陡坎只在局部發育，如高固崖北側(圖5b)陡坎明顯，而南側(圖5a)陡坎高度逐漸下降直至消失，斷層也隨之進入隱伏態。該段位錯沖溝主要集中在高固崖村(圖5a，b)及王家臺子村(圖5d，e)附近，庫山(圖5f)和茅埠(圖5c)附近也有少量沖溝發生右旋位錯。在該處共測量獲得53處沖溝位錯量，與王志才等(2015)測得的5處古路官莊村沖溝位錯合并共同進行正態多峰概率分布函數擬合，可以得出青峰嶺段的沖溝位錯量分布集中在以5m、9.7m、16m、19.7m為峰值的4個區間之內(圖6b)。5m區間內分布的數據最多(14個)，19.7m區間的數據最少(9個)，>20m的位錯量個數較少，因此獲得的25m、30.6m和35.4m的峰值可靠性較差。

4.3 整體分布特征

安丘—莒縣段斷裂上的右旋位移量為4～50m不等，將各沖溝點及位錯量按距離投影到安丘—莒縣段(圖7)，并對位錯量數據進行概率分布統計。結果顯示，安丘—莒縣段斷裂的右旋位移量主要集中在以5.1m、10.3m、15.8m和20.3m為峰值的4個區間內。更大的位移值因樣本太少，可信度低。安丘—莒縣段整體的位錯量分布區間與安丘—孟疃段和青峰嶺段單段的區間分布性相似，均存在約5m的位錯量間隔。

圖7 安丘—莒縣段的水平位移量分布Fig. 7 Statistics of gully dislocations of Anqiu-Juxian section.柱狀圖代表沖溝個數，曲線代表分布概率

5 討論

5.1 特征位移量

地震破裂產生的右旋位錯可被沖溝等地貌保留，而多次地震產生的累計位移也可被沖溝等地貌記錄下來(Zielkeetal.，2010； Klingeretal.，2011)。大量的沖溝位錯數據及相應的累計位移分布概率結果顯示，在安丘—孟瞳段和青峰嶺段均呈現出約5m的位移量間隔(圖6)。除前文提到的何宏林等(2004)在最南端莒縣—孟堰段測得過2.5m的沖溝水平位錯外，本次工作并未發現更小間隔的水平位移量。而2.5m水平位移量偏小的原因可能是由于該點位于安丘—莒縣斷裂的最南端，斷層破裂至尾端位移量逐漸減小至消失。

因此，目前統計得到的5m最小位錯量應具有較好的可信度。而更大的位錯量區間與5m的最小位錯量呈倍數關系，可能反映了該斷裂段存在特征位移。但由于缺少古地震事件的約束，難以確定這種具有特征位移的斷裂段是否存在特征地震。

5.2 震級估計和級聯破裂

通過本文的統計結果可知，安丘—孟疃段和青峰嶺存在相同的特征位移，但仍無法確定安丘—莒縣段為整體破裂，還是安丘—孟瞳段和青峰嶺段分段破裂。前人(Bonillaetal.，1984； 冉勇康，1990； 鄧起東等，1992； 劉靜，1994； Wellsetal.，1994； 葉文華等，1996； 冉洪流，2011)曾對大量走滑型地震事件進行統計分析，總結了位移量與震級(式(1))和破裂長度(式(2))之間可能存在的線性關系：

M=a+blogD

(1)

logSRL=a+blogD

(2)

其中，D為單次事件的位錯量；SRL為斷層地表破裂長度；M為震級；a、b均為系數。

依照上述公式，以5m的水平位移為自變量對震級和地表破裂長度進行估計，結果見表3 和表4。

表3 地震震級估算結果Table3 Estimate of the earthquake magnitude and surface rupture length

表4 地表破裂長度估算結果Table4 Estimate of the surface rupture length

震級計算結果(表3)的最小值為7.36，最大值為8.08，平均值為7.68，結果多集中在7.5～7.7之間，而目前已知發生在該段上的歷史地震為70BC安丘7.0級地震，其震級是根據史料記載及極震區范圍大致估算得到的。但史料同樣記載，安丘地區發生地震時，遠在千里之外的皇帝都感受到了震動，要出宮躲避(李康，2016)。結合計算結果分析，安丘地震的實際震級可能>7.5級，但具體結論還需進一步工作論證。

此外，地表破裂與位錯量間的計算結果(表4)可能指示著安丘地震的發震斷裂情況。目前，70BC安丘地震的發震斷裂及地表破裂情況也尚存爭議(王華林等，1989； 王華林，1990； 楊曉平等，2006； 王志才等，2015； 李康，2016)，大多數學者認為這次地震的震中位置應該在安丘市附近。在此基礎上，王志才等(2015)通過地質填圖工作將安丘地震的發震斷裂暫定為安丘—孟瞳段，同時認為安丘—莒縣段斷裂的4條次級斷裂均具有單獨發生7級及以上地震的構造條件，甚至如若2段或3段破裂貫通，大概率會產生7.5級以上的地震。表3 的結果顯示，5m的位錯量可能對應著約100km的地表破裂，而安丘—孟瞳段的長度只有21km，很難滿足地表破裂長度的要求。何宏林等(2004)在莒縣—孟堰段的研究結果表明，該段最新一次古地震事件發生在(2140±190)aBP之前，但是沒有歷史地震與之對應。因此，70BC安丘地震可能導致安丘—孟瞳段、青峰嶺段和莒縣—孟堰段的級聯破裂，結合長安有感的記載，安丘7級地震的震級估計可能偏小。晁洪太等(1994)曾經提出過這種沂沭斷裂帶中段的約8級大地震的特征地震性質。而另一種可能的情況則是70BC安丘7級地震的發震斷層為昌邑—南流段，因為該段存在更多的全新世活動證據(王志才等，2005)。如果基于此假設，那么本文揭示的約5m的特征位移量可能并不指向70BC安丘地震，而是對應史前的某次8級古地震。但由于目前在安丘—孟瞳段和青峰嶺段尚未發現可信的古地震證據，只能有待今后的進一步研究加以驗證。不過，該段已超過2000a未發生較強地震，而種種證據表明該段具有發生強震的能力，因此該地區未來的地震危險性需引起高度重視。

6 結論

本研究利用無人機航測技術獲得了高分辨率正射影像和高精度DEM數據，并對郯廬斷裂帶中安丘—莒縣段大量沖溝的右旋水平位錯量進行解譯和測量，通過分布概率統計，獲得該斷裂最小沖溝右旋水平位移量多約為5m，并且發現較大的沖溝右旋水平位移量也為5m的倍數，這種現象可能代表了該斷裂發生過多次規模相當的地震事件，而約5m的右旋水平位錯量可能暗示該斷裂存在地震特征位移。此外，依據位錯量與震級和地表破裂長度的關系推斷，70BC安丘地震的震級可能在7.5級以上，且導致安丘—孟瞳、青峰嶺和莒縣—孟堰3段的級聯破裂； 或5m的特征位移指示了另一次更大的史前地震。

致謝審稿人對本文提出了意見和建議，在此表示衷心感謝!