基于冲沟右旋水平位错的安丘-莒县断裂地震特征位移分析

计昊旻 李 安 张世民

1)应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085 2)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

0 引言

郯庐断裂带是中国东部规模最大且切穿岩石圈的活动走滑断裂带。郑朗荪等(1988)依据其构造活动及地震活动特征将之分为4段，由北向南依次为鹤岗—铁岭段、下辽河—莱州湾段、鲁苏沂沭段及大别山—广济段。其中，由于沂沭段途径山东、江苏等人口稠密地区，且曾发生过2次大震级的历史地震，即70BC安丘7级地震与1668年郯城8.5级地震，受到了众学者的格外关注，目前已针对其晚第四纪活动特征开展了大量研究工作，但是关于这2次地震的破裂长度仍存在争议。Jiang等(2017)通过航卫片解译获得了400余条冲沟的右旋位错量，认为郯城地震的最大同震位错量约为9m； Jiao等(2016)基于地震形成的裂点的后退速率和时间的关系，估计莒县—郯城段的水平滑动速率为2.86mm/a。而针对安丘—莒县段的位错量，前人在一些典型地点进行了一些测量工作(何宏林等，2004； 宋方敏等，2005； 王志才等，2005，2015； 杨晓平等，2006； 张鹏等，2010，2015，2019)。王志才等(2015)测量了数个10～20m的较大水平位错； 2004—2006年间一些学者在安丘—莒县段上也进行了槽探和测量工作(何宏林等，2004； 宋方敏等，2005； 杨晓平等，2006)。虽然他们都提到跨断层的许多冲沟均表现出右旋同步位错现象，但由于缺乏高精度的测量手段，未能获得较为一致的同震位错量结果。同时，由于测得的位移量差异较大，难以发现是否存在特征地震或特征位移。此外，受取样条件等因素所限，相关的槽探工作也并未获得较好的古地震序列。

近年来，随着高精度测量技术和高分辨率卫星影像的应用得到普及，使获取大量高精度的位错量测量数据用于统计学分析成为了可能。本研究即对郯庐断裂带安丘—莒县段进行高分辨率遥感影像解译与高精度无人机SfM测量，获取了大量断裂水平位错的高精度定量数据，以此对该断裂的右旋走滑特征进行分析。

1 地质背景

郯庐断裂带安丘—莒县段南起莒县胡家孟堰村，北达昌邑市，途径安丘市，全长约170km(图1b)，表现为4个不连续出露的断裂段，分别为昌邑—南流段、安丘—孟瞳段、青峰岭段及莒县—孟堰段。各段之间以左阶斜列阶区分隔，每段又由次级段落右阶斜列组成。

图1 郯庐断裂带的断裂分布图Fig. 1 Distribution map of the Tanlu fault zone.F1昌邑-大店断裂； F2白芬子-浮来山断裂； F3沂水-汤头断裂； F4鄌郚-葛沟断裂； F5安丘-莒县断裂

昌邑—南流段长约31km，在断层出露处形成陡坎，西高东低，构成了丘陵与平原的分界线。该段出露断面错断的全新世黏土层的年龄为3500a(王志才等，2015)。安丘—孟瞳段断层的地表出露长度约为21km。断层总体走向为15°～20°，断面倾向NWW，倾角为70°～80°，断裂以右旋走滑活动为主，并伴有逆冲分量(王志才等，2015)。青峰岭段长约32km，北端始于小店子村，向S途径高固崖村、茅埠村等，末端隐伏。断层走向为15°～20°，断面倾向多为SE，少量倾向W，倾角普遍>60°，活动方式以右旋走滑为主，兼具少量逆冲分量(王志才等，2015)。莒县—孟堰段的出露长度约为20km，北起莒县刘官庄西侧，经胡家孟堰西至主家岭，向S隐伏。该段总体走向约为20°，主断面倾向NW，倾角约为70°，断层以右旋走滑活动为主，伴逆冲分量。断层出露处可见明显陡坎，高1～2m，测得的水平位移量分别为2.5m、7.7m、(8±1)m 及(11±1)m(何宏林等，2004； 王志才等，2015)。在此段进行的槽探工作揭露出3次古地震事件，时间分别为(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

跨断层而过的河流、山脊、冲沟等地貌标志可有效地记录该断层活动的累计位错量，由此可对断层的活动历史进行合理推断(Klingeretal.，2011； Zielkeetal.，2012； Renetal.，2015)，但断层每次活动形成的位移量往往只有数m，这对测量精度提出了较高要求。

本次野外测绘工具为大疆P4RTK无人机，该款机型可进行高重叠率的摄影测量，照片中心点的坐标将与地面控制站进行GPS实时差分(RTK)定位计算，定位误差仅0.015m。利用Structure from Motion(SfM)摄影测量的三维重建技术对照片进行拼接后，可获得高分辨率的正射影像和DEM数据。

河流及冲沟的位错则利用基于MATLAB平台开发的LaDiCao_v2软件进行测量。该软件是一款专门针对河流及冲沟位错分析测量的专业分析软件，用户只需将高精度DEM数据导入软件，并对断层位置及河流、冲沟的上、下游进行标注(图2a，d)，软件便会依据河流或冲沟上、下游的中心线在断层线上的交点(即实际位错值)，结合其流向与断层走向关系进行拟合计算(图2f，g)，当位错值的不匹配因子最低时(图2e)，该值便为拟合最佳位错值(Zielkeetal.，2010，2012，2015)。输入得到的最佳位错值，软件即会给出该处直观的原始地貌(图2b)。经与野外实际测量值比对可知，软件得出的结果在误差范围内与实际相符。

图2 基于高分辨率DEM数据的位错量测量方法Fig. 2 The method for measuring dislocation based on high-resolution DEM data.

3 冲沟的右旋水平位移

在高分辨率卫星影像解译工作的基础上，沿断层走向进行了野外踏勘，并对大量存在冲沟水平位错的点进行了摄影测量，其中在昌邑—南流段上刘家营子SW侧的河湾河发现了河流阶地的右旋水平位错和断层剖面(图3)。由于上游水库蓄水导致河沟断流，在河床中可见残留的基岩跌水。河沟右岸的T2和T1阶地分别保留了10.8(+0.5/-1.2)m、4.9(+0.4/-0.5)m的右旋水平位移(图3a，b)及2.5m、1.5m的倾滑分量(图3c，d)。在断层剖面上(图3e)可见5条断层面： F5断面在最西侧，底部切穿基岩，形成了一条宽约10cm的垂直裂缝，基岩断面的产状为125°∠74°，顶部同样错断T2阶地砾石层； 中间为F3断面，下部产状为125°∠79°，上部倾角变缓为30°～35°，与F5相同，F3也错动了T2阶地的砾石层，垂直断距约15cm； 东支断层面F2和中间断面相似，下部倾角较大，约为75°，上部倾角变缓为30°～35°。F4和F3之间的岩性为黄色断层碎裂岩⑦； 而F3与F2之间的下部岩性为深褐色断层泥⑥，上部为灰黄色崩积楔⑤； F1断层面以东为沉积物，顶部被砾石层③盖住，层③以上依次覆盖砂层②和地表砾石层①。5条断面中，F5和F3断面 “通天”断错所有地层，F4和F2被层①盖住，F2断错了层②及以下地层，F1断面被层③盖住。由此可知，该处至少揭示了3次古地震事件，且F5和F3错断了T2阶地砾石层，该断裂应为全新世晚期活动断裂，最新的活动事件可能对应70BC安丘7级历史地震。

图3 刘家营子断层出露(位置见图1)Fig. 3 The emergence of fault in Liujiayingzi Village.①黄色砾石层； ②黄色砂层； ③黄色砾石层； ④黄色含砾断层泥； ⑤灰黄色崩积楔； ⑥深褐色断层泥； ⑦黄色断层碎裂岩； ⑧灰黑色砾岩

表1 无人机航拍数据参数Table1 Data parameters of SfM

此外，对安丘—孟瞳段和青峰岭段上的7处断错地貌典型地段进行了高精度无人机航拍(图1 中的Ⅰ—Ⅶ)，通过SfM方法获得了高精度DEM数据(表1)。其中点Ⅰ—Ⅲ位于安丘—孟瞳段，点Ⅳ—Ⅶ位于青峰岭段。对每个地段均进行了冲沟解译(图4)，并利用冲沟位错分析测量软件LaDiCao_v2获得了69个冲沟的右旋位错量，人工解译了8个冲沟位错量，同时收集了2个以前的工作数据(王家岭)及5个前人文献中的冲沟数据(王志才等，2015)，冲沟位错数据总计84个(表2)。

图4 安丘—孟瞳段的实测地形和冲沟位错解译Fig. 4 The measured topography and interpretation of gully dislocations of Anqiu-Mengtong segment.a、b 田家官庄的地形和冲沟位错解译； c 小陆阁庄的地形和冲沟位错解译； d 小阿坨的地形和冲沟位错解译

表2 冲沟位错统计表Table2 Statistics of gully dislocations

图5 青峰岭段的实测地形和冲沟位错解译Fig. 5 The measured topography and interpretation of gully dislocations of Qingfengling segment.a、b 高固崖的地形和冲沟位错解译； c 茅埠的地形和冲沟位错解译； d、e 王家台子的地形和冲沟位错解译； f 库山的地形和冲沟位错解译

4 冲沟的水平位移分布特征

4.1 安丘—孟瞳段的分布特征

安丘—孟瞳段断裂的走向总体为NNE，沿断层形成高1～4.6m不等的陡坎，地形也以此为界，呈现西高东低的格局。地貌上呈现的高差导致跨陡坎发育大量冲沟，且随断层活动形成明显的右旋位错(图4)。但由于上升盘的第四系覆盖层较薄，厚度<1m，较难对冲沟进行侵蚀溯源，冲沟的长度在断层上升盘一侧较短，在下降盘一侧较长。产生水平位移的冲沟主要集中在田家官庄村附近(图4a，b)，在小陆阁庄村(图4c)和小阿坨村(图4d)均发现冲沟水平位错。于该段共获得26个冲沟右旋水平位错量，右旋水平位错量为4.9(-0.9/+0.1)～39.5(±0.5)m不等。利用多峰正态概率分布函数拟合数据，结果显示右旋位错量集中分布于以5m、10.4m、15.5m、20.6m和25m为峰值的5个区间(图6a)。其中，5m和10.4m位错量区间的数据最多，随着冲沟错距的增大，区间内的冲沟数量逐渐减少，>25m的冲沟位错量不具有统计意义。其中，10.4m、15.5m和20.6m区间的冲沟位错量都集中在峰值附近。

图6 冲沟位错统计图Fig. 6 Statistical chart of gully dislocations.a 安丘—孟瞳段； b 青峰岭段。柱状图代表冲沟个数； 曲线代表分布概率

4.2 青峰岭段的分布特征

青峰岭段的断层出露处地形类似于安丘—孟瞳段，但断层陡坎只在局部发育，如高固崖北侧(图5b)陡坎明显，而南侧(图5a)陡坎高度逐渐下降直至消失，断层也随之进入隐伏态。该段位错冲沟主要集中在高固崖村(图5a，b)及王家台子村(图5d，e)附近，库山(图5f)和茅埠(图5c)附近也有少量冲沟发生右旋位错。在该处共测量获得53处冲沟位错量，与王志才等(2015)测得的5处古路官庄村冲沟位错合并共同进行正态多峰概率分布函数拟合，可以得出青峰岭段的冲沟位错量分布集中在以5m、9.7m、16m、19.7m为峰值的4个区间之内(图6b)。5m区间内分布的数据最多(14个)，19.7m区间的数据最少(9个)，>20m的位错量个数较少，因此获得的25m、30.6m和35.4m的峰值可靠性较差。

4.3 整体分布特征

安丘—莒县段断裂上的右旋位移量为4～50m不等，将各冲沟点及位错量按距离投影到安丘—莒县段(图7)，并对位错量数据进行概率分布统计。结果显示，安丘—莒县段断裂的右旋位移量主要集中在以5.1m、10.3m、15.8m和20.3m为峰值的4个区间内。更大的位移值因样本太少，可信度低。安丘—莒县段整体的位错量分布区间与安丘—孟疃段和青峰岭段单段的区间分布性相似，均存在约5m的位错量间隔。

图7 安丘—莒县段的水平位移量分布Fig. 7 Statistics of gully dislocations of Anqiu-Juxian section.柱状图代表冲沟个数，曲线代表分布概率

5 讨论

5.1 特征位移量

地震破裂产生的右旋位错可被冲沟等地貌保留，而多次地震产生的累计位移也可被冲沟等地貌记录下来(Zielkeetal.，2010； Klingeretal.，2011)。大量的冲沟位错数据及相应的累计位移分布概率结果显示，在安丘—孟瞳段和青峰岭段均呈现出约5m的位移量间隔(图6)。除前文提到的何宏林等(2004)在最南端莒县—孟堰段测得过2.5m的冲沟水平位错外，本次工作并未发现更小间隔的水平位移量。而2.5m水平位移量偏小的原因可能是由于该点位于安丘—莒县断裂的最南端，断层破裂至尾端位移量逐渐减小至消失。

因此，目前统计得到的5m最小位错量应具有较好的可信度。而更大的位错量区间与5m的最小位错量呈倍数关系，可能反映了该断裂段存在特征位移。但由于缺少古地震事件的约束，难以确定这种具有特征位移的断裂段是否存在特征地震。

5.2 震级估计和级联破裂

通过本文的统计结果可知，安丘—孟疃段和青峰岭存在相同的特征位移，但仍无法确定安丘—莒县段为整体破裂，还是安丘—孟瞳段和青峰岭段分段破裂。前人(Bonillaetal.，1984； 冉勇康，1990； 邓起东等，1992； 刘静，1994； Wellsetal.，1994； 叶文华等，1996； 冉洪流，2011)曾对大量走滑型地震事件进行统计分析，总结了位移量与震级(式(1))和破裂长度(式(2))之间可能存在的线性关系：

M=a+blogD

(1)

logSRL=a+blogD

(2)

其中，D为单次事件的位错量；SRL为断层地表破裂长度；M为震级；a、b均为系数。

依照上述公式，以5m的水平位移为自变量对震级和地表破裂长度进行估计，结果见表3 和表4。

表3 地震震级估算结果Table3 Estimate of the earthquake magnitude and surface rupture length

表4 地表破裂长度估算结果Table4 Estimate of the surface rupture length

震级计算结果(表3)的最小值为7.36，最大值为8.08，平均值为7.68，结果多集中在7.5～7.7之间，而目前已知发生在该段上的历史地震为70BC安丘7.0级地震，其震级是根据史料记载及极震区范围大致估算得到的。但史料同样记载，安丘地区发生地震时，远在千里之外的皇帝都感受到了震动，要出宫躲避(李康，2016)。结合计算结果分析，安丘地震的实际震级可能>7.5级，但具体结论还需进一步工作论证。

此外，地表破裂与位错量间的计算结果(表4)可能指示着安丘地震的发震断裂情况。目前，70BC安丘地震的发震断裂及地表破裂情况也尚存争议(王华林等，1989； 王华林，1990； 杨晓平等，2006； 王志才等，2015； 李康，2016)，大多数学者认为这次地震的震中位置应该在安丘市附近。在此基础上，王志才等(2015)通过地质填图工作将安丘地震的发震断裂暂定为安丘—孟瞳段，同时认为安丘—莒县段断裂的4条次级断裂均具有单独发生7级及以上地震的构造条件，甚至如若2段或3段破裂贯通，大概率会产生7.5级以上的地震。表3 的结果显示，5m的位错量可能对应着约100km的地表破裂，而安丘—孟瞳段的长度只有21km，很难满足地表破裂长度的要求。何宏林等(2004)在莒县—孟堰段的研究结果表明，该段最新一次古地震事件发生在(2140±190)aBP之前，但是没有历史地震与之对应。因此，70BC安丘地震可能导致安丘—孟瞳段、青峰岭段和莒县—孟堰段的级联破裂，结合长安有感的记载，安丘7级地震的震级估计可能偏小。晁洪太等(1994)曾经提出过这种沂沭断裂带中段的约8级大地震的特征地震性质。而另一种可能的情况则是70BC安丘7级地震的发震断层为昌邑—南流段，因为该段存在更多的全新世活动证据(王志才等，2005)。如果基于此假设，那么本文揭示的约5m的特征位移量可能并不指向70BC安丘地震，而是对应史前的某次8级古地震。但由于目前在安丘—孟瞳段和青峰岭段尚未发现可信的古地震证据，只能有待今后的进一步研究加以验证。不过，该段已超过2000a未发生较强地震，而种种证据表明该段具有发生强震的能力，因此该地区未来的地震危险性需引起高度重视。

6 结论

本研究利用无人机航测技术获得了高分辨率正射影像和高精度DEM数据，并对郯庐断裂带中安丘—莒县段大量冲沟的右旋水平位错量进行解译和测量，通过分布概率统计，获得该断裂最小冲沟右旋水平位移量多约为5m，并且发现较大的冲沟右旋水平位移量也为5m的倍数，这种现象可能代表了该断裂发生过多次规模相当的地震事件，而约5m的右旋水平位错量可能暗示该断裂存在地震特征位移。此外，依据位错量与震级和地表破裂长度的关系推断，70BC安丘地震的震级可能在7.5级以上，且导致安丘—孟瞳、青峰岭和莒县—孟堰3段的级联破裂； 或5m的特征位移指示了另一次更大的史前地震。

致谢审稿人对本文提出了意见和建议，在此表示衷心感谢!