郯廬斷裂帶中南段地殼結構分段特征

何奕成， 范小平， 趙啟光， 霍祝青， 楊從杰， 鄭雷明， 錢浩， 鄭拓

1 南京工業大學， 南京 211816 2 江蘇省地震局， 南京 210014

0 引言

普遍認為華北克拉通和揚子克拉通印支期的碰撞、拼合是郯廬斷裂帶形成的構造背景(王小鳳等，2000；朱光等，2003).郯廬斷裂帶自中生代以來經歷了早白堊世大規模左行平移(朱光等，2001，2003)，晚白堊世-早第三紀強烈的伸展運動以及晚第三紀劇烈的逆沖活動(王小鳳等，2000；朱光等，2002).諸多研究表明郯廬斷裂帶是切穿巖石圈的深大斷裂，是熱的軟流圈物質和深部流體上涌的通道(Chen et al.，2006；Li et al.，2018；Peng et al.，2020；Tian et al.，2020；Wei et al.，2020).復雜多變的演化過程導致郯廬斷裂帶具有復雜的深部構造體系，地殼結構呈現出分段特征(施煒等，2003；熊振等，2016)，且不同段落平移時間和平移距離均有明顯的差異(徐嘉煒等，1995；朱光等，2001).

按構造習性和地震活動性，習慣上由北向南將郯廬斷裂帶(沈陽以南)劃分為三段，即北段(沈陽—渤海段)、中段(山東段)和南段(蘇皖段)(圖1)(張鵬等，2007).李家靈等(1994)從斷裂活動性的角度將郯廬斷裂帶中南段(濰坊—嘉山)劃分為三段，分別為：安丘段、莒縣—郯城段和新沂—泗洪段.黃耘等(2011)認為郯廬斷裂帶魯蘇皖段地殼速度結構呈現分段性特征，由淺至深可分為三段，地殼淺部區域分段位置與地質分段位置基本一致(熊振等，2016).Wei等(2020)認為郯廬斷裂帶中南段地殼厚度與泊松比及S波速度結構均呈現分段特征，大致以鐵佛溝斷裂和六安斷裂為界分為三段.顧勤平等(2020)通過Pn波速度結構特征認為郯廬斷裂帶中南段可分為三段，分別為渤海灣至濰坊段，濰坊至嘉山段及嘉山至廣濟段.Bem等(2020)根據S波速度結構特征和地震空間位置的相關性，將郯廬斷裂帶中南段劃分為宿遷以南段及宿遷至郯城段.沿郯廬斷裂帶不僅深部地球物理場(王良書等，1995；郝天珧等，2004；李春峰等，2009；張繼紅等，2010)具有分段性，而且地殼介質非均性(楊從杰等，2016)、中小地震分布(李清河等，2014；范小平等，2017)、構造應力場(孫業君等，2015)等也呈現出分段特征.研究郯廬斷裂帶的分段特征無論對認識其形成演化歷史，還是對認識地震的孕育、斷裂構造發育及活動性等特征都具有重要意義.

前人通過斷裂活動性分析(李家靈等，1994；施煒等，2003)、地震層析成像(黃耘等，2011；熊振等，2016；Wei et al.，2020；顧勤平等，2020；Bem et al.，2020)、地球物理場延拓(王良書等，1995；郝天珧等，2004；張鵬等，2007；李春峰等，2009)等方法發現了郯廬斷裂帶中南段地殼結構具有分段特征，但因研究問題的角度、方法和基礎數據的差異，不同研究者給出的分段位置有所差異，同時前人對郯廬斷裂帶分段特征的研究多基于一種地質或地球物理特征，并未探究這種現象與深部物質之間的某種聯系.已有研究表明，郯廬斷裂帶在演化過程中伴隨著地殼的伸展、擠壓與變形過程，殼幔相互作用引起的物質交換會導致地殼介質物性參數發生變化(殷偉偉等，2019).由于介質泊松比(σ)對于巖石組分非常敏感，殼幔的變形及物質交換必然會在泊松比上反應出來，因此，可以通過研究地殼介質泊松比的變化來認識郯廬斷裂帶中南段地殼結構的分段特征，探討郯廬斷裂帶演化及其地球動力學過程.

郯廬斷裂帶中南段及鄰區(30°N—38°N，115°E—122°E，下文簡稱研究區)，涉及華北斷塊區(NCC)的冀東—渤海斷塊(JDB)、魯西斷塊(LXF)、膠遼斷塊(JLF)、徐淮斷塊(XHF)、揚子斷塊區的下揚子斷塊(LYZ)、秦嶺—大別斷褶系的大別造山帶(DBF)、蘇魯造山帶(SLF)以及華南斷褶系(SCB).圖1為研究區大地構造綱要圖.由圖1可以看出，北北東向的郯廬斷裂帶(F1)、北東向的江紹斷裂(F2)是區內重要的構造分界線.郯廬斷裂分割了華北斷塊、大別造山帶與下揚子斷塊及蘇魯造山帶，江紹斷裂分割了下揚子斷塊與華南斷褶系.沿郯廬斷裂帶發育了一系列次級斷裂構造，如淮陰響水口斷裂(f1)、五蓮—容城斷裂(f2)、無棣—益都斷裂(f3)、齊廣斷裂(f4)、聊考斷裂(f5)、鐵佛溝斷裂(f6)、六安斷裂(f7)、無錫宿遷斷裂(f8)、蒼尼斷裂(f9)等，這些斷裂將華北斷塊、秦嶺—大別斷褶系分割成多個次級斷塊.沿郯廬斷裂帶發育了一系列的斷陷盆地，如合肥盆地、蘇北盆地、魯西南盆地及渤海灣盆地等.一系列斷裂構造和斷陷盆地的發育表明郯廬斷裂帶中南段具有復雜的形成與演化過程.

圖1 研究區主要斷裂、構造及臺站、地震分布圖 (a) 主要斷裂、構造分布圖； (b) 臺站、地震、地震射線分布圖. F1: 郯廬斷裂帶，F2: 江紹斷裂. f1: 淮陰響水口斷裂，f2: 五蓮—容城斷裂， f3: 無棣—益都斷裂，f4: 齊廣斷裂，f5: 聊考斷裂，f6: 鐵佛溝斷裂，f7: 六安斷裂，f8: 無錫—宿遷斷裂，f9: 蒼尼斷裂.Fig.1 Geological setting and seismic stations, earthquakes used in the study area (a) Main faults and geological setting； (b) Distribution of seismic stations, earthquakes, and ray paths. F1: Tan-Lu fault zone, F2: Jiangshao fault. f1: Huaiyin-Xiangshuikou fault, f2: Wulian-Rongcheng fault, f3: Wudi-Yidu fault, f4: Qiguang fault, f5: Liaokao fault, f6: Tiefugou fault, f7: Liu′an fault, f8: Wuxi-Suqian fault, f9: Cangni fault.

本文利用雙差地震層析成像方法研究郯廬斷裂帶中南段中上地殼速度結構及泊松比變化特征，分析郯廬斷裂帶中南段地殼結構分段特征，并探討地殼結構的分段性與地質構造單元、斷裂構造、地震活動之間的關系及其所蘊含的地球動力學過程.

1 方法和數據

1.1 數據

本文收集研究區內1998年1月至2016年12月發生的10617個地震事件的初至P波和初至S波到時資料，震級分布范圍為M0.0～5.4.為保證震相到時數據的可靠性，使用時距曲線剔除離散過大的數據，圖2和圖3分別為剔除異常數據前、后的時距曲線.此外，將地震事件對與臺站之間的最大距離設置為800 km，兩個事件對之間的最大間距設置為30 km，最小間距設置為0.1 km.每個事件對所需要的震相數最大值設置為120，最小值設置為8.最終從10671個事件中挑選出10455個地震事件、200083個絕對到時以及2206782個相對到時數據參與地震定位與速度結構聯合反演.臺站、地震事件及射線路徑分布見圖1b.

圖2 原始數據時距曲線Fig.2 Travel-time curves of original data

圖3 剔除異常數據后走時曲線Fig.3 Travel-time curves with outliers rejected

1.2 地震成像方法

本文采用Zhang和Thurber(2003，2006)提出的雙差地震層析成像方法對研究區的三維速度結構和地震位置進行聯合反演.基于射線理論，從地震i到臺站k的體波到時可以表示為

“在我面前演雙簧是吧？”彭偉民重新點上一支香煙，從嘴里吐出一股淡藍色的煙霧，“事情一清二楚一目了然，賊喊捉賊欲蓋彌彰，有這個必要嗎？我他媽又不是白癡！”

(1)

式中，τi是第i次地震事件的發震時刻，u表示慢度場，ds表示積分路徑上的積分元素.

雙差層析成像方法使用地震對之間的相對到時差數據約束震源區附近的速度結構，使用地震事件的絕對到時數據約束震源區以外的速度結構，因而雙差層析成像的反演系統可以表示為

(2)

(3)

(4)

雙差層析成像方法正演時采用偽彎曲法進行射線追蹤計算理論走時，反演時采用阻尼最小二乘法，使得由絕對到時殘差和相對到時殘差構成的目標函數的二范數取得最小值，同時反演P波和S波速度結構.此外，與傳統的層析成像方法不同，雙差層析成像方法使用聯合反演的方式，同時進行地震定位和速度結構反演，明顯提高了地震定位和速度結構的精度(Zhang and Thurber, 2003, 2006；王小娜等，2015；肖卓和高原，2017；Li et al.，2021).

在反演獲得研究區P波和S波速度后，本文根據(5)式計算泊松比的值：

(5)

1.3 初始速度模型及反演參數

表1 P波初始速度模型Table 1 Initial P wave velocity model

圖4 反演網格及沿郯廬斷裂帶剖面位置示意圖Fig.4 Inversion grids and the position of profile along the Tan-Lu fault zone

阻尼參數和平滑參數對反演結果存在較大影響，阻尼參數主要控制反演后的速度模型與初始速度模型之間的差異，假如阻尼因子取的過大，則反演后的速度模型和初始速度模型會很接近，反演后的模型變的很平滑，但是數據的擬合效果會變差；假如阻尼因子取的過小，則能提高數據的擬合程度，但是會導致反演結果出現較大擾動，模型變的很粗糙.平滑參數主要控制相鄰的反演網格之間的速度擾動，假如平滑因子取的過大則反演網格之間的速度會過于平滑，假如取的過小，會導致相鄰網格之間的速度過于尖銳.因此需要選擇合適的阻尼和平滑因子，通常采用L-curve的方式來確定反演的阻尼和平滑因子.圖5為本文的反演系統對應的L-curve，通過L-curve最終確定平滑因子為20，阻尼因子為500.

圖5 利用L-curve 選擇最佳的正則化參數 (a) 最佳的平滑因子； (b) 最佳平滑因子下的阻尼因子.Fig.5 Best regularization parameter was selected by L-curve method (a) Choosing best smooth factor; (b) Choosing best damping factor under best smooth factor.

1.4 分辨率測試結果

本文使用棋盤格分辨率測試(Spakman et al.，1993)的方法對反演結果的質量進行評價，采用±5%的棋盤格速度模型作為正演模型計算理論走時，然后使用理論走時數據集和初始速度模型進行反演.分辨率測試結果見圖6和圖7.由圖6和圖7可以看出，深度在20 km以上，沿郯廬斷裂帶分布在31°N—37°N之間的P波、S波速度均能得到較好的恢復，因此下文對郯廬斷裂帶速度結構的認識只針對分辨率測試合格的區域.

圖6 不同深度的P波棋盤格分辨率測試結果 (a) 5 km； (b) 10 km； (c) 15 km； (d) 20 km.Fig.6 The checkboard resolution test of VP at different depths

圖7 不同深度的S波棋盤格分辨率測試結果 (a) 5 km； (b) 10 km； (c) 15 km； (d) 20 km.Fig.7 The checkboard resolution test of VS at different depths

2 主要結果

黃耘等(2011)和熊振等(2016)也對相似區域的地殼速度結構進行了研究，與他們的工作的相比，本文參與反演的地震事件數量更豐富，網格更小，結果更加精細，且反演成果中包含了P波和S波速度結構及泊松比的結果.本文獲得的P波速度結構變化特征與黃耘等(2011)和熊振等(2016)的結果基本一致，S波速度結構變化特征與前人通過面波背景噪聲成像方法獲得的結果也基本一致(Li et al.，2018，2020；Bem et al.，2020；Peng et al.，2020).因此本文只對研究區速度結構的趨勢性特點做簡要描述，重點對郯廬斷裂帶的分段特征進行討論.

圖8和圖9分別為P波、S波速度結構成像結果.由圖8和圖9可以看出，研究區中上地殼速度結構具有顯著的構造特征.5～15 km范圍內，地殼速度結構橫向差異明顯，魯西斷塊、膠遼斷塊、大別造山帶及蘇魯造山帶速度結構均呈現相對高速，而徐淮斷塊、下揚子斷塊呈現相對低速.20 km處，地殼速度結構橫向差異性減弱，P波和S波速度分布特征也出現差異.P波速度在魯西斷塊局部區域(鄒縣、滕州至泗水一帶)、大別造山帶、蘇北盆地局部區域(建湖隆起)以及膠遼斷塊均呈現相對高速，其它區域則呈現相對低速；S波速度在魯西斷塊局部區域(鄒縣至泗水一帶)、大別造山帶呈現相對高速，其它區域則呈現相對低速.

圖9 不同深度S波速度成像結果 (a) 5 km； (b) 10 km； (c) 15 km； (d) 20 km.Fig.9 S wave velocity at different depth slices

沿郯廬斷裂帶不同深度，P波和S波速度分布特征不一致.P波速度在5～20 km范圍內，高速區主要分布在安丘至新沂段以及廬江以南地區；而S波速度在10～15 km范圍內，高速區主要分布在莒縣至新沂段以及廬江以南地區，在5 km和20 km深度處，S波速度在大別造山帶呈現高速分布特征.P波、S波高速異常分布的不同步性，可能與地殼內介質物理性質及賦存狀態有關.

圖10為研究區泊松比結果圖.由圖10可以看出，泊松比在中上地殼仍具有清晰的構造特征.5～15 km深度處，魯西南隆起區、大別造山帶、蘇北盆地(建湖隆起)以及郯廬斷裂帶莒南至郯城一帶，泊松比為高值區，大于0.26，其它區域泊松比呈現相對低值；20 km深度處，泊松比高值出現在鎮江、揚州一帶，低值區主要分布在蘇魯造山帶及魯西隆起區.

圖10 不同深度泊松比成像結果 (a) 5 km； (b) 10 km； (c) 15 km； (d) 20 km.Fig.10 Poison′s ratio at different depth slices

沿郯廬斷裂帶泊松比呈現不連續的分布特征.5 km深度處，泊松比高值分布在莒縣至郯城一帶；10 km深度處，泊松比高值分布在莒南至臨沂一帶；15 km深度處，泊松比高值分布在莒縣至莒南段、臨沂至郯城段、宿遷至泗洪段以及廬江至桐城一帶；20 km深度處，高值主要分布在濰坊至安丘段、臨沂至郯城段、鎮江及揚州一帶.

3 地殼結構的分段性

為了進一步討論沿郯廬斷裂帶中南段地殼結構的分段性，沿郯廬斷裂帶由南西至北東向切一條縱向剖面AB(圖4).圖11(a、b、c)分別為沿該剖面的P波、S波速度、泊松比剖面圖.Zheng等(2001)認為郯廬斷裂帶寬度為20～60 km，本文取斷裂帶兩側各30 km作為投影帶.圖11中的灰色圓圈為重定位后的地震，白色圓圈為1668年郯城81/2地震的震中，取其震源深度為25 km(Zhou et al., 2010; 李清河等，2014).

圖11 沿郯廬斷裂帶的速度和泊松比剖面 (a) P波速度剖面； (b) S波速度剖面； (c) 泊松比剖面.Fig.11 Seismic velocity profile along the Tan-Lu fault zone (a) VP； (b) VS； (c) Poison′s ratio.

由圖11可以看出，沿郯廬斷裂帶P波、S波速度橫向差異明顯，速度結構呈現出明顯的分段特征.沿郯廬斷裂帶可劃分為三段(圖8、圖9、圖11(a，b))，即：廬江(LJ)以南段，廬江至郯城(TC)段及郯城以北段，郯城以北段又可以細分為郯城至五蓮(WL)和五蓮以北兩個亞段.廬江以南段及郯城以北段地殼介質呈現相對高速，廬江至郯城段則為相對低速，郯城至五蓮亞段地殼速度明顯高于五蓮以北亞段.圖11c為沿郯廬斷裂帶泊松比分布圖.根據泊松比的橫向差異性，同樣可以將郯廬斷裂帶劃分為三段，分段方式與速度結構分段性一致.廬江以南段和郯城以北段地殼介質泊松比表現為相對高值，廬江至郯城段則表現為相對低值，郯城至五蓮亞段泊松比高于五蓮以北亞段.本文利用地殼速度結構與介質泊松比對郯廬斷裂帶中南段分段性的認識與Wei等(2020)根據地殼厚度和波速比結果的分段性認識基本一致.李家靈等(1994)認為郯廬斷裂帶沂沭段(山東段)可劃分為安丘段、莒縣至郯城段、新沂至泗洪段.其中安丘段與本文劃分的五蓮以北亞段對應，莒縣至郯城段與五蓮至郯城亞段相對應.

郯廬斷裂帶中南段地殼結構分段與區域性斷裂構造有較強的相關性(圖8—11).廬江以南段屬于大別造山帶，該段以六安斷裂(f7)為北邊界；六安斷裂與鐵佛溝斷裂(f6)之間為廬江至郯城段，鐵佛溝斷裂與五蓮—蓉城斷裂(f2)之間為郯城至五蓮亞段，五蓮—蓉城斷裂以北為五蓮以北亞段.地殼結構的分段性與不同規模斷裂構造之間的相關性，可能反映了郯廬斷裂帶多期構造活動特征.

郯廬斷裂帶中南段地殼結構的分段與地震活動具有較強的相關性(圖8—11).將郯廬斷裂帶內部地震活動與地殼速度結構、泊松比對比可以看出：(1)地震活動頻度和強度較高的區域，地殼速度呈現相對高速，且有深大斷裂發育，如廬江以南段(六安斷裂(f7))、郯城至五蓮段(蒼尼斷裂(f9)及無棣—益都斷裂(f3))(圖11)；(2)地震活動與泊松比梯度有一定的相關性，如廬江以南段、郯城至五蓮段等地震多發生在泊松比的梯度帶上(圖11c).廬江以南段及郯城以北段的地震活動強度及頻度明顯高于廬江至郯城段，如1668年郯城M81/2地震、公元前700年山東諸城M7地震均發生在郯城以北段；1652年霍山M6地震發生在廬江以南段.郯城以北段強震的孕育機制可能與濕熱的地幔上涌流體和巖石圈的拆沉作用有關(Lei et al.，2020).廬江以南段地震活動可能與該地區的火山活動、深部物質的侵入有關(Li et al.，2020).郯城至五蓮段高頻度的中小地震的活動可能與郯城地震長時間、慢衰減下的余震活動有關(朱艾斕等，2018)，也可能與郯廬斷裂帶對于區域應力場的響應有關(Bem et al.，2020).此外，6.0級以上的地震幾乎都發生在高低速度的過渡帶上(圖8、圖9)，中小地震多分布在速度梯度帶上或速度梯度帶靠近高速的一側(Lei et al.，2008；Wang et al.，2017；Bem et al.，2020).

4 結論

本文采用雙差地震層析成像方法對郯廬斷裂帶中南段地殼速度和泊松比結構進行了研究，獲得了郯廬斷裂帶中南段地殼結構的分段特征.郯廬斷裂帶中南段可劃分為三段，即廬江以南段、廬江至郯城段及郯城以北段，郯城以北段可以細分為郯城至五蓮和五蓮以北兩個亞段.各區段的邊界多為地殼速度、泊松比的梯度帶，且伴有深大斷裂發育；沿郯廬斷裂帶地震活動呈現分段特征.郯廬斷裂帶中南段地殼結構分段性、地震活動的差異性可能與郯廬斷裂帶多期活動和深部物質的運移有關.

致謝衷心感謝中國科學技術大學張海江教授無私提供的TOMODD程序.感謝審稿專家對本文提出的修改意見及建議.本文使用了GMT(Wessel et al.，2013)進行制圖，山東省地震臺網為本文提供了波形數據和余震序列地震目錄.