沂沭断裂带及其附近地区三维构造形变特征分析研究

殷海涛

研究背景

（一）开展防震减灾工作的现实需要

沂沭断裂带是中国东部著名的郯（城）庐（江）深大断裂在山东境内的区段，也是整个郯庐断裂带上出露最好、规模最大、第四纪活动最强烈的地区。该断裂带北起渤海莱州湾，向南经昌邑、潍坊、安丘、莒县、临沂、郯城，延入江苏新沂一带，纵贯山东省中部，长达330多公里。沂沭断裂带主要由第四纪活动的鄌郚—葛沟断裂（F4）、沂水—汤头断裂（F3）、白芬子—浮来山断裂（F2）、安丘—莒县断裂（F5）和昌邑—大店断裂（F1）5条主干断裂组成（图1），这五条主断裂在鲁中沂、沭河谷地构成了20—40公里的“两堑夹一垒”的构造。第四纪以来，该断裂带新构造运动强烈，据统计沂沭带地区历史上曾发生过5级以上地震25次，其中8级以上地震1次，为1668年郯城8.5级地震；7级以上地震4次，如公元前70年安丘7.0级地震和1969年渤海7.4级地震（图1）。此外，与之相关联的益都—无棣断裂、双山—李家庄断裂、苍尼断裂、沂水—沂源等北西向分支断裂，第四纪时期也有明显活动，发生过多次中强地震，如1995年苍山5.2级地震。

最近几年，沂沭断裂带及附近地区也发生了多次强有感地震和震群，如2013年11月23日莱州发生的ML5.0级地震，此次地震是继苍山5.2级地震后，山东内陆发生的最大地震。所以，沂沭断裂带作为山东乃至华北地区的主要地震活动区之一，不仅在历史上发生过多次强烈地震，近期地震活动也相对活跃，对其运动状态进行系统的分析研究具有重要的现实意义。

图1 研究区地震活动分布图

（二）重要的理论研究价值

对长期演化、构造复杂、新构造运动强的沂沭断裂带来说，其现阶段的构造活动如何，局部地区的形变演化如何，反映了怎样的地球动力学过程，这些问题多年来一直备受国内外地质、地震学家的关注（张国民，1988；魏光兴，1993；邓起东，2002；张培震，2003）。孕育地震的能量主要来源于地壳差异运动产生的应变能积累，因而从地壳形变观测资料所获取现今地壳运动微动态定量信息，对探讨地震的孕育和发生是十分必要的。近些年，GPS技术在地壳形变监测和地震中期预测方面发挥了重要的作用。GPS空间大地测量技术在大、中空间尺度上把水平观测精度提高到了10-8-10-9水平，使得大区域地壳运动监测能力有了根本性提高，为地球动力学和地震模型的建立提供了很好的约束条件，如用于板块边界带的运动、同震错动、断层系统动力学以及孕震过程研究等方面的工作，不仅促使动力学研究更逼近实际、同时也为地震的动力学预报逐步创造条件（周硕愚，2006）。

华北作为中国大陆开展GPS测量最早的地区之一，积累了较为丰富的观测资料，多位专家学者已经做出了大量有价值的研究成果（李延兴，2003；张培震，2003；江在森，2003；牛之俊，2005；郭良迁，2007；杨国华，2007；王敏，2011），为研究华北地区的地壳运动奠定了基础。但这些成果所采用的数据大多以流动站为主，其时-空分辨率和可靠性等都具有一定的局限性，而且针对地壳运动垂向变化的研究相对较少。针对这个问题，在前人研究的基础上，本研究利用沂沭断裂带及其附近地区130个山东CORS站点（Continuously Operating Reference Stations）连续5年（2011—2016）的观测数据，结合16个跨断层水准测量和154个流动重力测点资料，构建沂沭断裂带构造活动高时-空分辨率的三维形变场，并通过分析不同区段的断层运动速率、应变积累水平等信息研究断裂带近期的地壳运动演化过程和方式，为全面深入认识沂沭断裂带现今的三维形变特征以及地震危险区的研判提供定量支持。

研究目标、内容和技术路线

（一） 研究目标

利用高精度、高密度的GPS观测资料获取沂沭断裂带及其北西向分支断裂的三维地壳活动图像，并结合水准、重力等资料分析其运动特征；通过分析不同断层区段的构造形变态势、应变积累水平以及断层蠕滑速率等参数，为未来地震危险性判定提供定量依据，进一步结合实际地震活动特征，为地震的动力学预报提供支持。

（二）研究内容

本项目在整理沂沭断裂带及其周边地区的高质量、高密度GPS观测数据的基础上，获取高精度、高时-空分辨率的地壳形变场图像，并结合垂向观测手段来分析断裂带的时-空变化特征，并为区域地震预测提供定量依据。为达到该研究目标，需要开展以下几方面的研究工作：

1.批量GPS观测数据资料的分析整理与高精度综合处理。主要涉及批量CORS站数据的筛选、高精度数据的解算、GPS三维坐标时间序列分析、多源非构造形变干扰分析及剔除等内容，最终得到高精度的GPS地壳形变解算结果。

2.沂沭断裂带地区现今的三维形变特征及时-空演化过程分析。主要涉及参考框架的选取、区域速度场的计算（最优空间插值算法）、跨断层基线分析以及跨断层水准和流动重力观测资料分析等内容，最终确定沂沭断裂带及其主要分支断裂的运动特征。

3.区域地震危险性研判。主要是通过分析断裂构造变形态势、区域应变积累水平以及断层闭锁程度等参数，为区域地震危险性判定提供定量依据，并结合沂沭带地区实际的地震活动特点，为地震的动力学预报提供支持。涉及内容包括主应变率场、最大剪切应变率场、面应变率场的计算，断层蠕滑深度和蠕滑速率的反演等工作。

（三）技术路线

综合考虑本项目实施的目标、内容以及现有的技术手段和资金预算情况，按照图2所示的技术路线开展研究。

1.高时-空分辨率GPS观测网点的筛选

图2 技术路线流程图

沂沭断裂带现今的运动整体表现为右旋走滑，但由于其断层的复杂性，其不同分段也表现出不同的运动特性。为了最有效地捕获和分辨断裂运动特征，我们对沂沭断裂带及其周边现存的连续观测基准站资料进行分析研究。由于山东CORS站资料存在站点不稳定、连续性不高等问题，采用TEQC程序和自主开发的Fortran程序将不能满足地壳运动观测的站点数据进行剔除。剔除涉及两方面内容：一是利用TEQC软件对每天的原始观测数据进行观测时长和观测质量（观测噪声、多路径效应等误差）的分析，将质量差的站点进行剔除；二是对解算结果中存在的奇异点进行筛选，剔除精度较低、序列不稳定或明显异于周边站点的资料。考虑到站点的分布均匀性，对站点较为密集的区域进行站点抽稀处理确保整个结果的正确性和可靠性。

2. GPS观测数据的高精度处理

目前山东GPS连续观测网的密度较大，站点的平均距离小于50km，在GPS的数据处理过程中，可克服多种误差干扰，获得高精度的地壳形变与构造运动结果。我们使用行业通用的高精度GPS数据处理软件GAMIT（V10.6）和GIPSY（V6.2）分别进行解算，两套软件的处理策略和优势弱点有所不同，可进行相互检核和查错，确保处理结果的精度和可靠性。GPS数据后期处理，包括站点时间序列分析、单日解联合平差获取速度场等工作采用QOCA（V1.35）来完成。

3.参考框架的选择

为了更好地绘制现阶段沂沭断裂带3D速度场，挖掘沂沭断裂带最显著的运动特征，采用自主编写的matlab程序，分别计算该区域相对于欧亚块体、华南块体、鄂尔多斯块体（张培震院士建议）的水平速度场，发现其整体运动特征；然后再建立沂沭带地区的“局域自洽”参考框架（山东16个站，选取最稳定的站点，CASH、RIZH、TAIN、YATI、WUDI等），发现其局域内部细微的运动特征。

4.断裂带垂直运动特征的量化分析

山东GPS连续观测网的密度较大，可以利用其垂直时间序列建立垂直速度场。我们选取研究区2011至2016共6年、38个连续站的时间序列数据，获取了山东地区高精度、高时空分辨率的地壳垂直形变速率（杜存鹏等，2018，图3），结果表明：1）山东大部分地区呈现差异性下降状态，只有中部泰山山脉地区出现上升现象，与研究区继承性构造活动相一致。2）山东半岛区域的基准站呈现正常的沉降趋势，而山东省的西北部地区和西部地区由于过度开采地下水，沉降较大。

利用跨断层GPS基线可量化分析沂沭带及其北西向分支断裂现今的运动状态。一方面，分别利用年周期法，小波分析法，发现其年变特性和低频特性，并对多源非构造形变干扰进行剔除，得到更加纯净的构造形变信息，进而发现断裂活动的演化规律。另一方面，利用垂直形变速率合成法（李杰等，2010）计算跨断层水准资料不同时段的变化速率，对断层活动方式进行分析。结果表明（李杰等，2018）：沂沭断裂带及其北西向分支断裂近期垂直形变速率均较小，没有明显的速率异常和受力状态改变；1995年苍山5.2级、2011年日本9.0级地震（图4）前后断裂垂直形变速率和受力方式发生了变化。

图3 山东区域2011—2016年垂直形变场

图4 日本9.0级地震前后垂直形变特征

5.区域重力场分析

重力资料处理采用《LGADJ》程序进行自由网平差，以获得测网中心基准下的重力变化。为了体现起算点的稳定性，以泰安、日照两个绝对重力观测点为约束，采用鲁南测网、胶东测网及鲁中测区合并计算整体平差方法，再利用最小二乘配置方法对重力平差结果进行拟合推估，以便突出显示构造因素的重力效应。对区域重力场不同时段（半年尺度、年尺度等）以及多年累积变化量进行分析，发现区域地壳物质的转化状态。以2016年8月至2017年8月一年尺度重力场特征为例，显示（图5）重力零值线在济南、淄博与滨州之间剧烈扭曲，形成明显的重力梯度带，沂沭断裂带北段重力场差异变化较大。

图5 山东地区重力场变化等值线

图6 研究区总释放能量折算震级M与两侧块体相对运动的关系

6.断层蠕滑深度及蠕滑速率的反演

为发现沂沭断裂带浅层蠕滑特征，我们以其周边GPS地壳形变资料为约束，基于OKADA断裂位错模型，采用网格搜索和模拟退火方法反演确定蠕滑深度和蠕滑速率。断层位错模型需要的参数，包括断裂的长度、走向、倾角参数等信息，采用山东省地震工程研究院的最新研究成果“山东省1∶50万地震构造图”中的结论。脆性层深度通过区域小震精定位深度的统计大致确定。这样，我们可以利用GPS速度场资料作为约束，更好地反演获得断层的蠕滑深度及其速率，为地震中长期预测提供支持。

7.区域地震预测的动力学分析

在获取高精度、高密度三维GPS地壳形变观测资料的基础上，将全球参考框架的站速度进行内插并且转换为区域无旋转基准，计算应变场（主应变、剪应变、面应变等）；结合实际的震情形势，建立了区域构造运动演化过程与地震活动特征之间的相关关系，并通过定量研究孕震构造的形变态势、断裂运动转换方式、断层分段闭锁程度、深部滑动速率和应力-应变积累水平等多项研究结果的综合分析，力争发现其动力学机制，为区域动力学预报提供帮助。图6是以研究区ML0以上地震拟合建立的沂沭断裂带两侧地区总的能量释放（折算为震级，时间窗长为6个月）与沂沭断裂带两侧块体相对运动速率V的线性关系，可以为区域动力学预报提供技术支持。

成果总结与应用

本项目收集了研究区内112个连续GPS观测站、88个非连续GPS观测站、20条跨断层水准测线、154个流动重力观测点数据及地震目录、地质构造、断层模型数据。在此基础上，解决了项目技术路线中的几个关键问题，表现在：1）通过GPS数据筛选、高精度数据解算、序列分析及非构造形变干扰剔除等过程，获得了研究区高精度、高时-空分辨率的地壳形变场。2）利用GPS垂直向及水准资料研究了目标区垂直形变特征及其与苍山地震、日本地震及地形构造的关系，在此基础上建立了三维速度场。3）以日本地震为时间节点，研究了地震前后区域应变积累水平、沂沭断裂带分段形变特征等参数，为区域地震危险性判定提供了定量依据。4）通过块体模型建立了区域构造运动演化过程与地震活动特征之间的相关关系，探讨了区域地震活动形势的动力学机制，结合重力观测结果为区域动力学预测提供帮助。研究成果及时应用于山东省地震趋势会商中，为区域地震趋势研判提供了重要技术支撑。