郯庐断裂带中南段跨断层短水准形变特征初步分析＊

葛计划 曹志磊 孙 军 卢叶啸 于 磊 程 玲陶 媛 孙伯乐 陆 立 周自强

1) 安徽省地震局，安徽合肥 230031

2) 蒙城国家地球物理野外观测站，安徽蒙城 233527

3) 肥西县应急管理局，安徽肥西 231200

引言

因郯庐断裂带中南段布设的跨断层水准场地分布于多个省市、场地类型比较复杂、资料使用受限等原因，仅见到针对单个台点测量资料的分析文章散见于相关研究刊物[1-8]。这些研究成果侧重利用单台资料开展异常讨论、地震预测及震例分析，取得了较好的效果。但利用多台点跨断层短水准资料针对郯庐断裂带中南段开展断层活动系统性的分析总结工作还不多，且目前已开展的工作多侧重于数据处理方法的应用研究[9-12]。相关学者利用多台点跨断层水准资料在其他断裂带上开展了针对断裂不同段落形变特征和映震效果的系统性研究[13-16]。吕弋培和李铁明[13]通过对鲜水河断裂带多年的跨断层形变资料的分析，研究了鲜水河断裂带不同部位的形变特征并探讨了这些特征与地震的关系；车兆宏和张艳梅[14]分析了南北地震带中南段流动形变资料，研究了南北地震带断层现今活动的空间分布和特征及其与地震的关系；郭良迁和黄立人[15]通过对苏鲁皖地区1956—1999年水准资料的分析，研究了胶东地块、苏北地块、泰沂蒙地块和淮河地块的现代构造活动特征，认为断层形变的特殊形态与地震存在一定的关系；杨国华和韩月萍[16]根据苏鲁皖地区1953—1995年多期精密复测水准资料以及地质地貌构造背景，研究了苏鲁皖地区的地壳垂直运动及郯庐断裂中南段现今的活动特征，认为苏鲁皖地区已处于应力增强状态，可能预示着该区域地震将增强。这些研究表明，用跨断层测量资料作为基础数据，可为区域或断裂带的断层活动速率、地震前兆及其与地质构造之间的关系等研究提供重要的科学依据。

断层活动性质和活动速率是衡量断层活动的主要指标，跨断层短水准测量结果可以反映断层两盘的相对变化，进而计算出断层的活动性质和活动速率。因短水准测量结果含有场地介质、气温、降雨、人为误差和系统误差等，难以用数据处理方法进行定量的扣除，因此，需要结合测线周边发生的显著地震，分析地震前后数据的变化特征，才能有效筛选出“前兆信息” 。本文以2000—2019年间郯庐断裂带中南段跨断层水准测量数据计算的月均值、月速率和年速率为研究基础，分析郯庐断裂带中南段各部分的时间和空间活动特征，同时结合该时段郯庐断裂中南段所在区域（29°—36°N，115°—120°E）发生的ML≥4.0地震进行分析，研究各测线所跨断层的活动特征及其与地震之间的关系，以期为郯庐断裂带中南段所在区域地震预测提供依据。

1 郯庐断裂带中南段定点水准监测概述

目前，郯庐断裂带中南段定点短水准测线主要沿苏鲁皖境内的郯庐断裂带中南段走向布设，共5个台站，从南到北依次为合肥、宿迁、新沂、临沂和安丘，观测方式为每日等间隔观测。为解决个别测线因改造等原因造成的台阶变化，我们进行了合理的数据拼接。在研究郯庐断裂带中南段断层垂直活动年速率变化特征时，为使研究区域内点位分布相对均匀，增加了位于安徽境内的槐柏、女山2个跨郯庐断裂流动水准测线的资料，其中女山测线观测周期为2个月，槐柏测线2000—2010年观测周期为1年，2011—2019年观测周期为2个月。以上7条测线（图1）观测精度符合规范要求，连续率较高[17]。

图 1 跨郯庐水准测线及ML≥4震中分布图 （2000—2019）Fig. 1 Leveling line across Tan-Lu and distribution map ofML≥4 epicenters （2000—2019）

2 资料的处理与分析

跨断层水准测量是对安装在断层两盘基岩上的标石进行重复测量，其物理意义明确，能够直观的反映断层两盘的动态变化。为滤除测量资料中偶然误差的影响，我们用跨断层短水准观测的高差日均值，计算该测线高差月均值和高差年均值，其中年变速率的计算采用如下方法进行：

式中，Hji为第j年第i个观测值，m为每年的样本总数，n为年时间序列总数。计算每一个测点年速率，为正，表示断层上盘下降，为负，表示断层上盘上升。

为削弱单台预测的随机性和模型性，可进行多台速率合成，对相同地震前兆测项的多台点前兆观测数据序列进行速率合成，以揭示和突出前兆观测的群体异常效应，本文计算的是平均合成速率：

2.1 跨郯庐断裂短水准单台变化特征

2.1.1 宿迁台

宿迁台短水准观测场地位于三台山国家森林公园内，地处郯庐断裂带F1(昌邑—大店断裂)和F2(白芬子—浮来山断裂)断裂之间，场地内小断裂较为发育，地质结构为白垩纪王氏组底部的紫红色砾岩，第四纪覆盖层仅为0—1 m。有3个测段分别为CA、BC、AB，其中AB、CA跨断裂南北向小断裂F7，BC与该断裂平行（图2）。

图 2 宿迁短水准观测场地示意图Fig. 2 Schematic diagram of Suqian short leveling observation site

依据宿迁台3个测段高差月均值、月速率可以将数据大体划分为4个阶段（图3）。第1阶段（2000—2005年5月），3个测段高差变化均较为平稳，月速率变化相对较小：其中2000—2002年跨断层测段资料呈现一定的周期性变化，CA和BC两段表现为连续数月的张性、压性交替的形态；2003—2005年5月3个测段主要表现为短期频繁的张、压交替现象。该时段台站周边地震强度和频次较弱。第2阶段（2005年6月—2007年），3个测段高差几乎同时出现较大幅度的变化，月速率变化相对较大，说明该时段断层活动较为活跃，断层活动性主要表现为周期性的连续数月的张、压交替现象，此期间发生了2005年九江ML5.7地震和2006年定远ML4.7地震。第3阶段（2008—2014年），呈现较为明显的周期性年变，月速率相对较大，年变周期内趋势性变化较为明显，该时段内台站附近发生ML4.0以上地震前，该台的短水准东西向均曾出现幅度较大的破年变变化。第4阶段（2015—2019年），年变形态不明显，速率图上表现为断层短时频繁张、压交替现象。3个测段从2016年年底开始打破下降的趋势，一直在高值波动，该时段发生2016年射阳ML4.8地震。

2.1.2 临沂台

临沂台短水准观测场地位于山东省临沂市东20 km处河东区相公镇，海拔71.3 m。水准测线跨沂水—汤头断裂。有两个测段分别为EW和NS，其中EW测段跨断裂，NS测段平行于断裂（图4）。

图 3 宿迁台各测段高差月均值与月速率图Fig. 3 Monthly mean value and monthly rate of elevation difference in each survey section of Suqian station

图 4 临沂短水准观测场地示意图Fig. 4 Schematic diagram of Linyi short leveling observation site

依据临沂台两个测段高差月均值、月速率可以将数据大体划分为4个阶段（图5）。第1阶段（2000—2005年），断层活动速率相对较大，2000年1月—2004年6月两个测段高差整体都呈现一致的下降趋势，断层活动性主要表现为连续数月的张、压交替。2004年7月两个测段均出现大幅度变化，随后观测值减小，观测值并未恢复到变化前的数值。2005年九江ML6.0地震发生在断层连续数月的压性转为短时频繁的张、压交替时段。第2阶段（2006—2010年6月），断层活动速率相对较小，断层活动性呈现短期较为频繁的张、压交替现象。第3阶段（2010年7月—2014年），相对2006—2010年6月断层活动速率增大，测线NS主要呈现为周期性的趋势变化，测线EW主要呈现短时频繁的张、压交替现象。该时段台站附近发生的多次ML4.0以上地震大多发生在断层活动方式改变的时段。第4阶段（2015—2019年），两个测段整体呈现较强的趋势性变化，具体表现为连续数月的张性、压性活动交替出现，期间夹杂着短时频繁的张、压交替变化。

图 5 临沂台各测段高差月均值与月速率图Fig. 5 Monthly mean value and monthly rate of elevation difference in each survey section of Linyi station

2.1.3 新沂台

新沂台短水准测量场地位于江苏新沂市，地震台位于郯庐断裂上，台站基岩为红色砂岩，第四系覆盖深浅不一。该台有一个测段为EW。测线处于郯庐断裂F1、F5之间，跨越其间的小断裂f5（图6）。

图 6 新沂短水准观测场地示意图Fig. 6 Schematic diagram of Xinyi short leveling observation site

依据新沂台EW测段高差月均值、月速率可以将数据大体划分为3个阶段（图7a和图7d）。第1阶段（2000—2006年2月），高差月均值在均值上下波动，变幅较大，速率图上总体呈现短期频繁的张、压交替现象。其中2004年10月—2005年6月速率相对较小，2005年7—12月速率明显增大；断层活动性也呈现从频繁的张、压交替转变为压性为主的状态；随后2005年11月26日发生九江ML6.0地震。第2阶段（2006年3月—2013年），高差月均值整体表现为趋势性下降，断层活动性呈现短期频繁的张、压交替现象，这一时期活动速率相对较小。该时段台站附近发生的多次ML4.0以上地震均发生在断层活动短时频繁的张、压交替的过程中。第3阶段（2014—2019年），高差月均值整体变幅较大，速率图上表现为明显的周期性变化。该时段台站附近发生的多次ML4.0以上地震大多发生在断层活动性由压性转为张性的过程中。

2.1.4 合肥台

合肥台定点短水准测量场地位于安徽省肥东县桥头集龙泉山以西，海拔130 m，测线横跨郯庐带的主干断层。观测线路范围内有两条断层，其中，AB测线横跨郯庐断裂（池河—西山驿段），走向近SW，倾向西，倾角65°左右；在测线东段有一条60°走向小断层，倾向西，倾角75°左右（图8）。

依据合肥台EW测段高差月均值、月速率可以将数据大体划分为3个阶段（图7b和图7e）。第1阶段（2000—2005年），合肥台所处断层活动性总体呈现张、压交替的状态，活动速率也较低。该时段2005年11月26日发生九江ML6.0地震，该地震发生在断层活动表现为连续5个月处于拉张状态的过程中。第2阶段（2006—2013年），合肥台所处断层活动性总体呈现张性状态，趋势性变化较为明显，该时段的转折发生在九江地震后，可能是地震前后郯庐带中南段所在区域应力调整的外在表现。该时段台站周边发生的多次中强地震均发生在断层活动性由张性转为压性的过程中。第3阶段（2014—2019年），合肥台所处断层活动总体年变形态较为明显，活动速率较大，断层活动性总体呈现连续数月的拉张或挤压状态。该时段台站周边发生的5次地震均处在断层由压性转为张性的转折时期。

2.1.5 安丘台

安丘台定点短水准测量场地位于安丘县常家庄，概略海拔高度94 m。主要任务是监测沂沭断裂带北端的安丘—莒县断裂及其次一级北西向断裂的活动状况。有一个测段为EW，该测段跨断层（图9）。

依据安丘台EW测段高差月均值、月速率可以将数据大体划分为4个阶段（图7c、图7f）。第1阶段（2000—2005年），整体断层活动速率相对较小，其中2000年安丘台高差月均值较为稳定，断层活动性表现为短时频繁的张、压交替；2001—2005年高差月均值呈现明显的趋势性变化，断层活动性质表现为连续数月的张性、压性交替变化；2005年下半年—2006年上半年断层活动由带有明显趋势性的变化转为短时频繁的张、压交替变化，两种状态的交替时期发生了2005年九江ML6.0地震。第2阶段（2006—2013年），整体断层活动速率变化较大，其中2006—2009年10月断层活动性呈现短时频繁的张、压交替；2009年11月—2013年断层活动速度相对较大，断层活动性整体呈现连续数月的压、张交替，2011年安庆ML5.2地震发生在以张性为主，转为短时频繁的张、压交替之后。第3阶段（2014—2017年），原始数据图上显示2014—2015年7月该时段断层活动性质为短期频繁的张、压交替为主，断层活动速率差异性较大。2015年8月—2017年12月断层活动性以周期性的趋势变化为主。第4阶段（2018—2019年），月均值数据曲线回调到2014年之前的水平，断层活动性由2018年1—10月的短时频繁的张、压交替转换到2018年11月—2019年12月的连续数月的张、压交替为主。

图 7 新沂台、合肥台、安丘台测段高差月均值与月速率图Fig. 7 Monthly mean value and monthly rate of elevation difference in each survey section of Xinyi station，Hefei station and Anqiu station

图 8 合肥短水准观测场地示意图Fig. 8 Schematic diagram of Hefei short leveling observation site

图 9 安丘短水准观测场地示意图Fig. 9 Schematic diagram of Anqiu short leveling observation site

2.2 跨郯庐断裂短水准整体变化特征

按照公式（1）和（2）所述的方法对各测线资料进行处理，求得各测段的年速率和断层活动性质。经统计测段东西方向上的年速率较大，其他方向的较小。这可能是因为该区域郯庐断裂带整体为NNE走向，EW测段跨越断裂形变较大，而其他方向由于和断裂成较小夹角，实际跨越断层距离较短，其年速率只是断裂年速率的一部分。

由各测线年速率（图10）总结可以得到，2001—2019年郯庐断裂带中南段断层活动整体水平不高，多台年平均速率为0.19 mm/a。具体可分为两个时间段：

图 10 郯庐断裂带中南段定点水准年速率图 （2000—2019）Fig. 10 Annual rate chart of fixed-point leveling in the middle and southern part of Tan-Lu fault zone （2000—2019）

第1时段：2001—2010年槐柏、女山、合肥3个测线平均年速率较大，分别为0.51 mm/a、0.43 mm/a和0.26 mm/a，其中合肥测线2006—2010年除表现为断层活动反向外，还呈现逐年加速的现象。新沂、宿迁测线年变活动速率在0.12—0.15 mm/a之间。北部的临沂活动速率较小，年均只有0.09 mm/a；安丘为0.12 mm/a。从速率上看，2001—2010年自槐柏到宿迁断层活动速率整体表现为随纬度增加而递减的特征。

第2时段：2011—2019年槐柏、女山和安丘3个测线平均年速率分别为0.20 mm/a、0.44 mm/a和0.38 mm/a，其中安丘测线2011年以来平均年活动速率较2001—2010年增大近3倍。合肥测线2011年以来平均活动速率减小为2001—2010年的1/3。新沂、宿迁、临沂活动速率在0.07—0.12 mm/a之间。2011—2019年郯庐中南段定点水准年速率较2001—2011年有较大的变化，具体表现为郯庐断裂带中南段断层活动除个别测线如安丘速率增大外，其余测线反映的断层活动平均年速率处于较低水平，这可能与近年来郯庐断裂带中南段地震活动特征改变有一定关系。

跨断层水准测量资料显示的断层活动速率大小，从整体上看大多数测线仍然保持着较为显著的继承性活动特点，即速率大小相对稳定。个别测线如合肥、安丘出现了较为明显的分时特征，分时期内断层活动速率大小相对稳定，说明不同时期测线所在区域地壳应力环境较为稳定，表明断层活动较为稳定。同时研究区内所有跨断层测段具有一定的准同步性变化特征，2000—2005年，2006—2013年和2014—2019年3个时段整体出现较为明显的趋势性变化时段，虽然开始和结束的时间以及断层活动性在不同时段略有差异，各测线在3个时段内又表现为一定时期内不同的变化特征，这说明断层活动受郯庐断裂带中南段所在区域地壳应力变化具有群体性的变化特征，同时也受所处具体区域的地壳应力的作用而产生差异性变化。

2000—2019年郯庐断裂中南段断层活动性表现为以下两种： ① 规律性较强的周期性变化，表现在速率图上为连续多月的张性、连续多月的压性变化相互交替； ② 相邻月份之间表现为不规律的断层频繁的张性、压性交替，这种断层的频繁错动的活动方式缓慢的释放了积聚的断层活动能量，降低了发生较强破坏性地震的可能，同样可能是造成中小地震沿郯庐断裂带南段无规律随机分布的原因之一[18-20]。这两种变化特征可能在一个测段的不同时期同时存在，地震往往发生在断层活动特征转换的过程当中。2000年以来，特别是2005年11月26日九江ML6.0地震后，处在郯庐带中南段的安徽及其邻区中强地震明显加强，而北部地震活动近年相对较弱。这说明2000—2019年的资料变化能够真实的监测测线所跨断裂的活动状态，从整体上看，断裂的活动与郯庐断裂中南段发生的中强地震存在一定的联系。

2.3 郯庐带中南段断层分段活动特征

将沿郯庐断裂带中南段分布的跨断层短水准台站按照从南到北的顺序，画在坐标横轴上，横坐标表示相对合肥台的距离，纵坐标表示扣除2000年的高程变化量，绘制2001—2019年结果进行分析（图11）。

图 11 跨郯庐断裂短水准测线相对活动量 （2001—2019）Fig. 11 The relative activity level of Tan-Lu fault zone fixed-point cross fault line （2001—2019）

郯庐断裂带中南段2001—2010年间分段明显，槐柏—宿迁（南段）年变幅度明显较大，新沂、临沂、安丘（北段）活动量相对较小且无明显变化趋势，在宿迁和新沂之间形成了一个相对闭锁段。研究表明一次大的地震发生后，破裂区的余震次数呈对数形式减少，标志着断层运动速率随着时间的推移而逐渐减少，并在以后较长的时间内以匀速运动，最终呈停止状态，表现出 “闭锁” 的特征，且破裂区与 “闭锁区” 存在明显的界限，破裂区中又表现出以地震震中区为中心，速率向两侧急剧衰减的图像[21]。2005年11月九江ML6.0地震以来，处在郯庐中南段的安徽及其邻区中强地震频发，也说明郯庐中南段确实存在应力积聚释放的现象，在地震活动造成的断裂带破碎区（槐柏—宿迁段）表现出相对较高速率的蠕滑运动，其运动速率又表现出以地震所在区域向两侧衰减的特征。

3 结论与讨论

本文通过研究2000—2019年郯庐断裂带中南段部分跨断层水准资料的变化特征，结合郯庐断裂带中南段所在区域地震的发生规律进行了探讨，取得如下认识：

（1）郯庐断裂中南段整体活动水平不高，平均合成速率为0.19 mm/a，断裂活动主要表现为两种形式： ① 规律性较强的周期性变化，即连续多月的张性、连续多月的压性变化相互交替； ② 相邻月份之间表现为不规律的断层短期频繁的张性、压性交替，两种活动形式可能在一个测线的不同时期同时存在。

（2）郯庐断裂中南段各跨断层水准测线对郯庐中南段2000—2019年发生的ML4.0以上地震有较好的映震效果，特别是2005年九江地震、2011年安庆地震均发生在断裂活动形式的转折过渡期。因此，应警惕郯庐中南段各测线所跨断层活动转折过渡期发生中强地震的可能。

（3）郯庐断裂中南段的断层活动分时活动特征明显：2000—2010年呈现由南到北随纬度增加而断层活动速率降低的现象：槐柏、合肥、女山3条测线活动速率相对较大，北部的临沂、安丘活动较小，在宿迁和新沂之间形成一个明显相对速率较低的 “闭锁段” 。2011—2019年郯庐断裂中南段断层活动除安丘测线所跨断层活动增强外，其余测线所跨断层活动速率不高，其中合肥、槐柏测线较2000—2010年活动速率减小明显。

（4）郯庐断裂中南段的槐柏—宿迁段2000—2010年断层活动速率较高，可能和该时段郯庐断裂中南段所在区域中强地震频发而处于 “断裂破碎区” 表现出相对高速率的蠕变状态有关，由于活动速率相对较大，且断层活动性质无明显变化规律，断层积聚的能量得以通过缓慢的断层错动释放。2011—2019年郯庐中南段所在区域中强地震活动减弱，这可能与该时段郯庐断裂带中南段断层活动减弱有关。

（5）从各测线年速率方面看，郯庐断裂中南段各跨断层水准测线所跨断层在一定时期内呈现较为一致的准同步变化现象，主要时段有：2000—2005年，2006—2013年和2014—2019年3个时段，时间分段期内各测线整体表现为明显的趋势性一致变化。

虽然在分析郯庐断裂带中南段垂直形变特征时，为使研究区域点位分布相对均匀加入了部分流动水准观测资料（安徽地区的女山、槐柏），但采用的资料空间分辨率仍然较低，研究结论可能带有一定的随机性，需要结合该区域其他观测资料开展进一步的研究。

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