沂沭断裂带跨断层形变异常及其解释＊

李 杰 殷海涛 吴 晨 宁 斌 韩 冰 刘 莉

(山东省地震局,济南 250014)

沂沭断裂带跨断层形变异常及其解释＊

李 杰 殷海涛 吴 晨 宁 斌 韩 冰 刘 莉

(山东省地震局,济南 250014)

对沂沭断裂带及其附近北西向断裂上存在的甘霖、五胜和高峰头流动短水准异常进行了分析,分析认为存在的 3项短水准异常是汶川地震前后区域地壳应力增强引起的可能性较大。

沂沭断裂带;跨断层形变;流动短水准;异常;地壳应力

1 引言

2006年以来,山东境内位于沂沭断裂带及其附近北西向断裂上的多处跨断层短水准出现了背景性异常变化,在随后的几年中,对这些异常进行了跟踪分析。截至 2010年底,其背景异常已结束近 2年,但山东及周边地区并没有发生强震,为了认识这些异常出现的原因,本文在近几年异常跟踪分析的基础上,结合地质构造和地震活动性特点对其进行了分析。

2 场地概况及异常分析

图1 沂沭断裂带及异常点分布示意图Fig.1 Distribution of anomaly points in Yishu faut and surrounding area

2.1 甘霖流动短水准

1)场地及资料概况

甘霖观测场地位于山东省苍山县境内,测线跨苍山-尼山断裂 (苍山-尼山断裂长 170 m。走向为N40°W,倾向 S W。断层西端为中奥陶纪厚层灰岩,东盘为花岗岩),1980年开始观测,由于沂蒙公路拓宽,致使西端点松动,点位不稳,高差变化较大,1993年对该点进行了改造,重新埋设了两端标志。

自观测以来,观测值显示出非常好的年变形态,观测值最低值出现在每年的 8—9月,最高值出现在每年的 4—5月(图 2(a)),没有监测到明显的地震前兆异常,仅在个别年份年变幅度有一定的变化,主要受干旱影响。

图2 甘霖流动短水准与月降雨量对比Fig.2 Contrast of Ganlin mobile short leveling to rainfall monthly

2)异常特征分析

甘霖场地水准观测资料 2006年下半年打破以往正常年变化规律,没有在 8—9月达到最低值,而是于 2007年 1月达到较低值。由周期分析法处理后可明显地看出2006-10—2008-12月观测曲线打破了正常变化形态,没有出现正常的周期形态,而是在同一水平呈波动变化,为显著的破年变异常 (图 2 (a)),异常最大幅度为 2.02 mm,异常持续 29个月。

对于该异常先后两次进行了现场落实,并收集了当地的降雨等资料,分析认为该变化不是环境和降雨等干扰影响,是地壳应变异常的可能性较大①李杰.沂沭断裂带及附近地区跨断层形变异常跟踪分析[R].山东省 2008年度地震趋势研究报告,2007.②李杰. 跨断层流动短水准异常变化跟踪分析[ R ]. 山东省2009年度地震趋势研究报告, 2008.③李杰. 山东跨断层形变异常跟踪及地震危险性分析[ R ]. 山东省2010年度地震趋势研究报告, 2009.。由图 2可见,2009年 1月观测值恢复正常变化形态,但是 2009—2010年当地降雨量较少,甘霖水准在异常恢复过程中受到干旱的影响,2009年夏季没有完全恢复到正常低值水平,2010年又在持续干旱的基础上出现同期最低值变化。

2.2 五胜流动短水准

1)场地及资料概况

五胜场地位于山东省费县境内,测线跨蒙山山前断裂 (断层走向 N55°W,倾向 S W,倾角 65°),呈南北布设,全长 414 m。4座基岩水准标石分别布设于断层两侧,断层下盘 (北端点)为花岗片麻岩,断层上盘(南端)为白垩系火山角砾岩。测点东偏北约 1 km有一小型水库,经分析水库库容变化对观测数据没有明显影响。

该测点 1986年开始观测,期间因修路停测过,观测数据在趋势下降变化的背景下有一年变特征,没有监测到明显的地震前兆异常。1998年 10月出现过的南倾趋势异常很可能是区域应力增强后断层在雨水的作用下出现的蠕滑活动[2]。

2)异常特征分析

该测线自观测以来总体上呈趋势下降变化。2001年之后下降速率加快,呈逐年下降趋势,与年降雨总量有较好对应关系。但 2007—2008年降雨量正常,观测值却没有了年变形态,而是呈平稳略有转向上升变化,出现了偏离原趋势破年变的背景性异常(图 3(a)),2009—2010年在观测环境、降雨等没有发生明显变化的情况下,观测值恢复了正常年变形态和趋势,说明观测数据的恢复可能是地壳应变异常结束趋于正常活动的结果①②③。

2.3 高峰头流动短水准

1)场地及资料概况

图3 五胜流动短水准与月降雨量对比Fig.3 Constrast ofWusheng mobile short leveling to rainfallmonthly

高峰头观测场地位于山东省郯城县高峰头村,跨安丘莒县断裂 (断层走向 N15°E,倾向 SE,倾角80°),东、西两侧标石分别为砂岩、砂页岩基岩水准标石,东端点岩石已经裸露,风化较重,测线全长240 m。

该测点 1986年观测以来资料连续性、可靠性较好,只有 2002年 5—10月因修路停测,恢复观测后观测值在缓慢上升的背景上以随机变化为主,并且于 2006年、2008年、2009年出现显著高值异常变化。经现场落实与资料分析,认为是西端点不稳引起的变化①②③,到目前为止,该场地没有监测到明显的地震前兆异常。

2)异常特征分析

由于该场地西端测点存在不稳,本文重点分析了 2008年以后的观测资料。2008年全省流动短水准采用数字水准仪观测,高峰头短水准场地过渡点标志固定,可生成过渡点之间的高差,通过对过渡点高差的分析,确认了跨断层的第 4号点和第 5号点标石稳定。跨断层的 4-5段高差 2008-01—2009-06月断层活动速率约为 0.72 mm/a,反映断层受张性应力作用,显著地高于沂沭断裂带的活动水平[4](图 4),2009年 7月后断层活动速率较小,已呈正常变化,经落实分析该变化无任何干扰,是地壳应力增强引起的可能性较大③。

3 异常机理分析

3.1 中国大陆强震活动与区域地壳形变异常

甘霖、五胜和高峰头流动短水准异常均位于沂沭断裂带南段及其北西向活动断裂上(图 5),3个水准场地相距约 51～100 km。其中,位于北西向的两条断裂异常阶段受力方式相反,蒙山山前断裂受压性应力作用,苍山-尼山断裂受张性应力作用。显示蒙山山前断裂与苍山-尼山断裂之间的地块受北东方向力的作用呈北东向相对运动,而苍山-尼山断裂以南和安丘-莒县断裂以西呈南西向运动,说明异常期间沂沭断裂带及以西的区域应力有增强-减弱的变化过程,但并未导致中强地震的发生。

图4 跨断层的 4-5段高差变化曲线Fig.4 Elevation difference change curve from 4 to 5 crossfault section

图5 异常点断层受力状态Fig.5 Stress state of anomaly points locating fault

甘霖水准异常时间为 2006-08—2008-12月,五胜水准异常时间为 2007-01—2008-12月,高峰头水准异常时间为 2008-01—2009-06月,可见 3个异常的持续时间基本一致。目前异常均已结束,为了说明 3个异常出现的原因,我们统计了甘霖、五胜和高峰头测点异常前后中国大陆发生的 5级以上强震(表 1),从表 1可见,除 2007年地震数量少、2008年地震数量多外,2005—2010年中国大陆 5级以上地震发生的频次相差不大,扣除汶川、于田余震,2008年也是发生强震最多的一年。可见,2007年和 2008年中国大陆地震活动水平经历了减弱-活跃的过程,而且 2008年地震活动水平不仅频次高,而且强度大。由此推测,2007年和 2008年中国大陆整体地壳应力水平出现了显著的变化,甘霖、五胜和高峰头水准异常的出现可能是这种地壳应力应变增强在区域上的表现结果。随着地震活动水平趋于正常,3个水准异常也结束,恢复了正常水平。

表1 2005—2010年中国大陆 5级以上地震统计结果④ http：//www.csndmc.ac.cn/newweb/catalog-direct-link.htmTab.1 Statistical results ofM ＞5 earthquakes in China ma i nland from 2005 to 2010④

3.2 地质构造背景与地壳形变异常

郯庐断裂带是华北地块和鲁东黄海地块的边界带,从新第三纪初期开始受近东西向挤压而发生逆冲,其新生代的挤压活动与整个中国东部整体上受近东西向的挤压应力作用相一致。沂沭断裂带是郯庐断裂带在山东的部分,3个跨断层形变异常场地所跨断裂及其分支断裂都是第四纪以来重要的活动断裂,历史上都曾发生过强震,这些断裂在区域应力增强的背景下都可能出现活动增强的变化。

肖兰喜⑤肖兰喜.山东近期跨断层短水准异常的可能物理机理[R].山东省 2011年度地震趋势研究报告,2010研究了郯庐断裂带与秦岭大地构造以及发生在青藏高原东北缘 3次 8级以上大震与华北南部地区地震的关系,发现 3次 8级大震前 10年和20年里,华北南部的中等以上地震活动都有增强的特点,这些地震在秦岭大地构造与郯庐断裂带交会部位表现的更为突出,他根据青藏高原东北缘构造特点和秦岭大地构造格局的关联特点认为,华北南部地区地震活动可以作为青藏高原东北缘特大强震孕育的震情异地显示窗口。汶川 8.0级地震前几年华北南部地区地震活动也出现了增强现象,与之前发生在青藏高原东北缘的 3次特大地震有相似的特点。汶川 8.0级地震前 2年,位于华北南部的沂沭断裂带及附近的 3个短水准出现背景性异常变化,很可能是各构造块体间的关联活动所至,在汶川8.0级地震孕育过程中其构造块体间相互作用导致郯庐断裂带也出现了应力增强的变化,最终导致在构造的某些敏感部位的跨断层短水准观测数据出现了异常变化。

4 结论

研究表明,除震源附近的近场区存在前兆异常外,其外围区也存在远场前兆异常,最远的前兆异常可出现在 1 000 km以外[5]。虽然沂沭断裂带上存在的 3项异常距汶川震中约 1 400 km,但根据研究,跨断层短水准异常在 8级以上地震前最远的震中距离约为 700 km[6],而且数量非常少,因此,把沂沭断裂带上出现的 3个跨断层短水准异常视为汶川地震的前兆异常我们认为还缺乏依据,而可能是中国大陆强震发生前后各构造块体间的关联活动导致区域应力增强后在某些敏感部位的反映。

1 李杰,冯志军.苍山 5.2级地震的地形变特征及机制[J].地震,1997,17(4)：417-424.(Li Jie and Feng Zhijun. Feature and mechanism of crustal defor mation of the Cangshan earthquake withMs=5.2[J].Earthquake,1997,17 (4)：417-424)

2 李杰,等.对西冶、五胜流动短水准异常的分析探讨[J].大地测量与地球动力学,2003,(4)：65-69.(Li Jie,et al.Discussion on anomaly of mobile short levelingmeasurements in Xiye and Wusheng areas[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2003,(4)：65-69)

3 李杰,陈强,陈岩.苍山 4.4级地震与相公庄水准短临异常[J].地震学刊,1992,3：8-13.(Li Jie,Chen Qiang and Chen Yan.On The Cangshan earthquake of 4.4 magnitude and the short-term premonitory anomaly of Xianggongzhuang levelling[J].Journal of Seismology,1992,3：8-13)

4 李杰,等.沂沭断裂带垂直形变与断层活动特征分析[J].大地测量与地球动力学,2002,(2)：106-111.(Li Jie,et al.Analysis of characteristics of vertical deformation and faulting of Yishu fault zone[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2002,(2)：106-111)

5 牛安福,等.昆仑山口西 8.1级地震前祁连山地震带附近形变异常的演化特征 [J].地震,2003,23(4)：21-26. (Niu Anfu,et al.Evolutional characteristics of ground deformation observed along the Qilianshan before the Kunlun mountainMs8.1 earthquake[J]Earthquake,2003,23(4)：21-26)

6 李杰,等.跨断层形变测量异常特征分析[J].地震,2010, 30(2)：100-111.(Li Jie,et al.Analysis of the anomaly characteristics from cross-fault defor mation measurements [J].Earthquake,2010,30(2)：100-111)

CROSS-FAULT DEFORMATI ON ANOMALY OF Y ISHU FAULT AND ITS INTERPRETATI ON

Li Jie,Yin Haitao,Wu Chen,NingBin,Han Bing and Liu Li
(Earthquake Adm inistration of Shandong Province,Jinan 250014)

Through analyzing the anomaly of Ganlin,Wusheng and Gaofengtou mobile short leveling in Yishu fault zone and surroundingNW strike faults and discussing the anomalymechanis m,we think that the three anomalyies are likely caused by crustal stress increasing in this area before and afterWenchuan earthquake.

Yishu fault zone;cross-fault deformation;mobile short leveling;anomaly;crustal stress

1671-5942(2011)04-0018-04

2011-01-23

国家质量监督检验检疫总局行业专项(10-215);奥运安保项目(2008GG10008004)

李杰,女,1963年生,正研级高级工程师,主要从事地壳形变观测分析预报研究工作.E-mail：lijie@eqsd.gov.cn

P315.72+6

A