由地壳速度结构判断郯庐断裂带江苏段未来大震位置①

由地壳速度结构判断郯庐断裂带江苏段未来大震位置①

通信作者： 李清河，研究员，博士生导师。E-mail：qh_li2005@163．com。

梅卫萍1，2, 李清河2， 张元生3, 金淑梅2

(1. 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026； 2.江苏省地震局，江苏 南京 210014；

3.中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000)

摘要：用多震相地震走时成像法反演郯庐断裂带鲁苏皖段及邻区三维地壳速度结构。一些地区如郯庐断裂带临沭到定远及以东地区在中地壳的20～25 km出现低速层，一些地区莫霍面埋深有变化。浅层速度结构的分段与断裂活动的分段相一致,表明新沂到泗洪是活动断裂的闭锁段。对比1668年山东郯城8级地震区和研究区的深部速度结构,结合与郯庐带相交的断裂、地震活动、活动断裂的闭锁段、中地壳低速层及莫霍面深度变化，综合判断郯庐断裂带江苏段未来可能发生大震的地区为33.4°～34.1° N,118.2°～118.8° E,重点是宿迁、沭阳、泗阳和泗洪。震级估计可达8级。

关键词：郯庐断裂带江苏段; 地壳三维速度结构; 低速层; 莫霍面深度; 大震位置

收稿日期：①2014-11-14

基金项目：国家自然科学基金(40974031);江苏省科技发展项目(BE2009691);宿迁市活动断裂与地震危险性评价

作者简介：梅卫萍(1972-)，女,湖北黄梅人,高级工程师，主要从事地震监测和研究工作。E-mail: 582759703@qq.com。

中图分类号:P315.2文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0693

Location of Future Large Earthquakes in Jiangsu Segment

of Tanlu Fault Zone Based on the Crustal Velocity Structure

MEI Wei-ping1,2, LI Qing-he2, ZHANG Yuan-sheng3, JIN Shu-mei2

(1.UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,Anhui，China; 2.EarthquakeAdministrationofJiangsu

Province,Nanjing210014,Jiangsu，China; 3.LanzhouInstituteofSeismology,CEA,Lanzhou730000,Gansu，China)

Abstract：The Tancheng-Lujiang Fault Zone (simplified as the Tanlu Fault Zone) is the biggest in east China. In 1668, an M8 earthquake occurred along this fault zone in Tancheng, Shandong Province, China. Seismologists are focusing on the most likely location of the next major earthquake along this fault, particularly in the areas near Shandong and Jiangsu provinces. The multiphase travel time inversion (MUTI) algorithm was developed to invert the three-dimensional crust velocity structure of the Shandong-Jiangsu segment of the Tanu Fault Zone and its adjacent area (30°～37° N, 113°～122° E). The crust can be divided into three layers, the upper (10～15 km thick), the middle (10～15 km thick) and the lower (10～12 km thick). The segmentation of the shallow velocity structure is consistent with that of fault activity, and indicates that the area from Xinyi to Sihong comprises the active fault block section. There is a low velocity layer at a depth of 20～25 km in the Tanlu Fault Zone from Linshu to Dingyuan and its eastern area. A low velocity layer can also be found in the middle crust of the source region of the 1668 Tancheng earthquake. In this study, we present the variation of Moho depths in Suqian, Siyang, Shuyang, and Tancheng. The Wuxi-Suqian fault, the Hongze-Goudun fault, and the Jiashan-Xiangshui fault all intersect with the Tanlu Fault Zone, and the intersection area of these faults may be dangerous. By comparing the depth velocity structure features of the Jiangsu segment along the Tanlu fault zone with the source area of the 1668 Tancheng M8 earthquake, combined with data regarding seismic activity, the active fault block, the low velocity layer in the middle crust, the depth variations of the Moho, and the fault intersections, the area of next large earthquake can be estimated for the Jiangsu segment of the Tanlu fault zone. The most likely position is 33.4°～34.1° N and 118.2°～118.8° E, in Suqian, Shuyang, Siyang and Sihong in particular. The estimated maximum magnitude is 8.

Key words： Jiangsu segment of Tanlu fault zone; 3-D crustal velocity structure; low velocity layer; Moho depth; location of large earthquake

0引言

多年来， 各国科学家特别是中国科学家在大地震区做了大量的深部探测和研究，以了解其深部环境和背景。我国科学家对1668年山东郯城8级地震区[1]、1966年邢台7.2级地震区[2]、1975年海城7.3级地震区[2]、1976年唐山7.8级地震区[2]、1977年伽师6级震群区[2]、1920年海源8.5级地震区[3]、张渤地震带[3]、临汾地震区[3]、1998年张北6.2级地震区[3]、1989年大同—阳高5～6级震群地震区[3]、1679年三河—平谷8级地震区[3]、1937年菏泽7级地震区[3]、1979年溧阳6.0级地震区[3]、2008年汶川8.0级地震区[2]、天水8级地震区[4]、福建—广东陆缘地震区[3]、 琼东北—雷州半岛地震区[3]及河南林县地震区[3]等进行了深部探测,分析各自的深部结构特点，研究地壳上地幔结构和大地震孕育发生的深部环境和背景。

由于计算机层析成像技术和数字地震的发展,用天然地震探测地球内部结构已成为探测的主要方法，近年来在走时层析成像、波形反演、地震台阵观测和反演，噪声成像等方面已取得多个研究成果。

尽管各种方法对不同震区所得出的深部结构及大震发生的深部环境和背景不同,但有两点是基本相同的,即：大震区均存在壳内低速层[2-3]，大震发生在低速层的上面或下面；壳内大震区下部的莫霍面深度均有深浅变化[2-3]。前人对壳内低速层在大震孕育中的作用和机理进行了理论和实验研究[5]。应该指出的是，绝大多数探测结果都是对已发生大震区域的后验探测，仅有极少数文章涉及预测未来可能发生大震的位置和强度[6]。

通过研究断裂构造的活动性和大震复发周期,郯庐断裂带江苏段历来被判定为大震危险地段，但具体危险位置的判定尚存在不确定性。断裂在地表，而地震发生在地下深部，因此深部环境及背景是判断大震发生的重要判据，此前因探测手段和方法的缺陷使得对这方面的研究程度不够。

使用1980—2011年间的天然地震Pg、Sg、Pm、Sm、Pn、Sn震相到时资料，用多震相地震走时成像法(反演网格是30 km×30 km)反演郯庐断裂带鲁苏皖段及邻区(30°～37° N,113°～122° E)的三维地壳速度结构，获得成像结果，并分析其中地壳低速层的展布特征和莫霍面埋深状况，对比 1668年8级地震的深部结构，结合断裂及地震分布，对该带及附近未来可能发生大地震的位置做出预测判断。

1研究方法

采用多震相地震走时成像法[7-10]反演地壳上地幔三维速度结构。该方法使用天然地震的Pg、Sg、Pm、Sm、Pn、Sn、pP、sS震相到时资料，并联合利用人工地震测深资料进行约束反演，以保证三维地壳结构成像的有效先验信息利用和反演信息综合约束。采用三维射线追踪逐次迭代法进行射线追踪，反演方法最优化过程采用非线性全局优化方法的遗传算法[11-13]，反演结果用检测板试验检验。

2资料及主要结果

2.1资料

研究区域为31°～37°N, 116°～121°E, 反演范围扩到30°～37°N, 113°～122°E；地震资料的时间段为1980年1月-2011年12月。要求每个地震事件被3个以上台站记录到。共有6 278个地震参与反演, 有123 022个(包括Pg、Sg、Pm、Sm、Pn和Sn震相)能够参加反演计算震相到时资料。用Sg-Pg走时和Pg走时构成检验数据的函数，剔除不可靠数据以确保资料的可靠性。反演前先对使用的地震进行重新定位。

模型网格数确定为22×22×7，网格大小不等，沿纬度方向(X轴)分别为130、30、30、…、30、137.1 km；沿经度方向(Y轴)分别为80、30、30、…、30、97.6 km；沿深度方向(Z轴)分别为2、3、5、5、5、5、20 km。地壳P波速度模型参考了HQ-13人工地震测深速度剖面资料[14]。选用的地震台站、地震事件和计算网格见图1。

图1　地震事件和台站分布及计算网格分布(图中 　　　圆圈是地震事件，三角形是地震台站，虚线 　　　是坐标线，实线是网格线) Fig.1　Distribution of seismic events, seismic stations and 　　　 computational grid Circles denote seismic events, tria- 　　　 ngles denote seismic stations, dashed lines show coor- 　　　 dinate system, and solid lines show computational grid

用检测板进行分辨率检验。限于篇幅， 仅给出10～15 km层的检测板(图2)。由图可见， 研究区内各层的分辨率均较高， 其结果可信。

图2　10～15 km 分辨率检测板 Fig.2　The resolution Checkerboard at 10～15 km Section

2.2基本结果

我们曾以40 km×40 km网格对29°～38°N, 114°～124° E范围的地壳三维速度结构进行了计算， 获得该区地壳速度结构特征的基本认识[15],与人工地震测深结果基本一致[14，16]。本文研究范围较之缩小，资料更丰富，计算网格更小，获得的结果也更精细，但两者的主要结果基本相同，且在其他文章中也有论述[17-18],故本文不再赘述。本文仅以郯庐带苏鲁段速度结构中的低速层和莫霍面深度分布特征及用来判断未来大震区位置来加以分析。

2.3中地壳存在低速异常区

本研究区0～2 km、2～5 km、5～10 km、10～15 km及15～20 km各层均未发现低速层存在， 但20～25 km层则在部分地区发现。图3(a)是15～20 km层的速度分布。此层是中地壳，其中间速度为6.48 km/s，速度扰动约1.6%。从图可见， 郯庐断裂带及附近速度约为6.50～6.52 km/s, 高于中间速度，在本层没有发现低速层。从图2检测板图可以看到，绝大部分地区模型恢复很好，表明分辨较高，结果可信。

图3(b)为20～25 km速度成像结果。此层是中地壳下部和下地壳上部，本层中间速度为6.47 m/s，速度扰动率约1.6%，层内速度变化不大。从图可见，郯庐断裂带速度可分为三段：约35.2°N以北，速度较高，约为6.51～6.52 km/s;中间较低，约6.47～6.50 km/s， 包括沿郯庐带苍山、郯城、新沂、宿迁、泗洪到定远及以东的地区；而32.3°N以南，速度又较高，约6.51～6.52 km/s。研究区内绝大部分地区分辨率较高，结果可信。

本研究区15～20 km层的中间速度为6.48 m/s，而20～25 km层的中间速度为6.47 m/s，说明在此层已出现低速层，在32°～35°N间速度更低．特别值得注意的是郯庐断裂带鲁—苏—皖段、安徽西北地区速度更低些。为对比，我们从图3(a)、(b)中选择一些地方给出各自的层速度(表1)，可见部分地区在20～25 km层存在低速层。

由图3(b)可见，中地壳存在低速异常带的地区主要自临沭向东南到天长，自临沭向西南到明光的三角形区域(见图中红线轮廓区域)。

图3　 15～20 km和20～25 km 速度成像 Fig.3　Velocity tomography at 15～20 km and 20～25 km sections

地名坐标纬度/(°)经度(°)层速度/(km·s-1)5～20km20～25km是否低速沂水35.79118.626.516.51沂南35.55118.466.536.51是莒县35.58118.836.536.51是临沂35.11118.356.526.51是莒南35.18118.836.516.51-临沭34.92118.656.506.48是郯城34.62118.366.506.48是新沂34.37118.356.516.49是睢宁33.91117.946.506.51-宿迁33.96118.276.516.48是沭阳34.11118.806.546.49是泗阳33.72118.706.586.48是淮安33.61119.016.556.48是盱眙33.01118.546.506.48是泗洪33.46118.216.516.48是五河33.15117.886.486.48-明光32.78117.986.526.48是

图4为几条深部速度结构剖面。图4(a)是沿东西方向的剖面(34° N,116° E～34° N,121° E)。可以看到118°～119° E间在中地壳下部存在低速体，位于郯庐带下方，即34°～34.3° N，118.1°～118.4° E间宿迁和新沂间均存在低速体。

图4(b)是沿南北方向切的剖面(31° N,118.5° E～36° N,118.5° E)。可以看到沿118，5° E线，实际是118.2°～118.7° E间均是这个图像，在郯城、临沭下方中地壳存在低速层，即1668年山东郯城8级地震震中位置。在33°～34° N间，即泗阳、宿迁下方存在低速体。

图4(c)是沿 NW-SE方向的深度-速度剖面(34.68° N,116° E～33.40° N,120° E)。该剖面在过郯庐带的33.9°～34.1° N间(即宿迁附近)在中地壳存在低速体。

综合以上分析，郯庐断裂带临沭到定远及以东的地区， 即郯庐带相应地段及以东的地区，包括宿迁、泗阳、沭阳、淮阴、睢宁、泗洪和五河、天长、六合、明光(嘉山)等地区的中地壳存在低速体。

2.4莫霍面埋深变化

图4　不同结构的深度-速度剖面 Fig.4　 Depth-velocity section for different structure

尽管郯庐带内外尽管莫霍面深度有变化， 但变化幅度不大，一般为2～4 km,不同于其他莫霍面深度变化很大的大震区。

3由速度结构判断郯庐带江苏段大震位置

3.1大震区的深部速度结构环境

从速度结构看，大震区的深部环境主要有以下几个特点：

图5　研究区莫霍面深度分布 Fig.5　The Moho depths distribution in research area

(1) 中地壳存在低速层[2-3]：前人对大震区速度结构的研究表明，大震区均存在中下地壳低速层或低速异常体。周永胜等认为，地壳中震源深度多集中在地壳强度剖面的强度峰值段，且其深度常处于中下地壳低速带之上的相对高速区域，这表明强震孕育不仅受块体边界控制，也明显受深部动力的影响，包括块体结构，底边界及层间解耦和深部塑形流动等[5]。

(2)莫霍面埋深变化：大震均发生在莫霍面深度由深到浅或由浅到深的变化区内，上地幔局部隆起或下沉可能是上地幔内部物质和能量交换、运移和上湧的结果[2]，也可能是构造的深部边界。

(3) 深大断裂的交汇：通常大地震区均存在深部断裂， 尽管这些深部断裂不一定和浅部断裂直接相通或隐伏，倘若是大活动构造块体边界的深大断裂，则发生大震的可能性更大。较大断裂交汇附近容易局部积累应变能，且属于应力弱化区域， 容易发生大地震。

图6　郯庐断裂带鲁苏皖段及邻近地区地震构造图 Fig.6　Sesismotectonics map of the Shandong-Jiangsu-Auhui segment of the Tanlt fault zone and adjacent areas

(1) 郯庐断裂带内及两侧速度结构较为复杂，而西部比东部更复杂，呈现出较强的非均匀性，表明郯庐断裂带深部主断裂面向西。

(2) 中地壳上部和下部均存在低速层，上部低速层主要出现在断裂带西部， 深度约16～19 km,下部低速层深度约20.7～23.3 km。中下地壳速度横向变化较大。

(3) 莫霍面埋深变化。

(4) 郯庐断裂带电阻率内部低于外部，郯庐带下部处于两个高电阻率区之间，电阻率高低的分界可能是郯庐断裂带的边界。

(5) 地震多发生在速度高低变化较大地方，偏向高速一侧，同时也是电阻率变化较大的地方。

3.3本区断裂分布特征

图6是研究区地震构造图。本文涉及范围属于郯庐带中段南部，潍坊至嘉山段称为沂沭断裂带，可分成三段：安丘段、莒县—郏城段和新沂—泗洪段，是三个独立的破裂单元。这三段均是晚第四纪活动断裂，而泗洪以南是早第四纪断裂。其几何结构、运动性质、最大位移量、最新活动时代、大震复发周期、现代活动状态以及探部构造背景等均具独立性[20]。

研究表明，郯庐断裂带是深大断裂，可能深到地壳底部[18]，并且是华北断块、扬子断块、苏鲁断褶带的构造分界断裂，郯庐带速度结构的分段性可延至地壳底部，且与构造分界吻合。郯庐带东西两侧速度差异明显，说明此断裂很深[18]，发生大地震的可能性很大。在此区域的走向基本为NNE向， 该带与NW向、 近EW向和NEE向断裂多处相交。值得注意的是蒙山山前断裂、苍山—尼山断裂与郯庐带相交，即控制该处NW向深部结构，控制了1668年8级大地震的震源体范围，故这两条断裂与郯庐带相交汇区域是应变能积累区域。除了这两条断裂之外，与本研究区郯庐带相交的断裂主要还有：无锡—宿迁断裂(NW向，在宿迁附近与郯庐带相交)、嘉山—响水断裂(NE向，在嘉山(明光)附近与郯庐带相交)及洪泽—沟墩断裂(NE向，在嘉山附近与郯庐带相交)。这些断裂相交部位容易局部积累应变能，且属于应力弱化区域。

图7为本区域5级以上地震分布图。其中郯庐带安丘段在公元前70年发生了7级地震， 莒县—郯城段发生了1668年8级大地震，现今中小地震也较多。但郯庐断裂带在32.5°～34.5° N间，即新沂—泗洪段没有发生过5级以上地震，特别是32.5°～34° N间也很少发生小震。这有两种可能：一是此处不具备发生地震的条件；二是目前虽然地震不多不大，但它处于应力积累的过程， 不发生或很少发生地震反而是未来会发生大地震以释放积累的应变能的体现， 如2008年汶川8级地震。

图7　研究区域5级以上地震分布 Fig.7　earthquake distribution of M≥5 in research area

对0～2 km浅层的速度结构分析表明， 速度结构也存在与上述构造分段几乎完全相同的分段，与地质学家给出的不同破裂段相同。这绝非偶然，表明郯庐带新沂到泗洪段可能是断裂的闭锁段，未来有可能发生较大地震[18]。

3.4综合判断未来大震危险地区

图6和图7显示郯庐带新沂至泗洪段是现今活动断裂，且是活动断裂的闭锁段。图3(b)显示的中地壳低速层在郯庐带临沭至嘉山间及以东地区。图5显示了莫霍面深度变化区域。 考虑到郯庐带与NE、NW向较大断裂的交汇，可以判断郯庐断裂带江苏段未来可能发生大震的地区为33.4°～34.1° N,118.2°～118.8° E,包括新沂、睢宁、宿迁、沭阳、泗阳、泗洪、盱眙及嘉山等地，重点是宿迁、沭阳、泗阳和泗洪。

假定障碍体长度为未来大震震源体长度，根据现今活动构造断裂长度和中小地震活动闭锁段长度， 郯庐带苏鲁段障碍体范围大约是33°～34.5° N。郭增建[21]和张国民[22]各自给出了震级和震源体的关系：

式中:M是震级;L是地震震源体的尺度, 以km为单位。按上面的公式计算， 未来此段发生的地震震级可达8级。(必须说明， 本文给出了可能发生大地震的背景和深部构造环境，并非地震预报)。

4结论与讨论

使用1980—2011年期间的天然地震Pg、Sg、Pm、Sm、Pn、Sn震相到时资料，用多震相地震走时成像法(反演网格是30 km×30 km)对郯庐断裂带鲁苏皖段及邻区(30°～37° N, 113°～122° E)反演三维地壳速度结构，获得成像结果。对比1668年8级地震区和研究区的深部速度结构，主要分析壳内低速层的分布和莫霍面分布特征，结合断裂活动和地震活动，给出未来可能发生大震地区的判定。

(1) 在中地壳的20～25 km一些地区出现低速层，位置是郯庐断裂带临沭到定远及以东的地区， 重点是靠近郯庐带的宿迁、泗阳、沭阳、淮阴、睢宁、泗洪和五河、天长、六合、明光(嘉山)一带，存在低速体。

(2) 宿迁、沭阳、泗阳和泗洪是莫霍面埋深变化较大的地方。另外五河、明光一带也有变化。

(3) 与郯庐带相交的断裂主要有：无锡—宿迁断裂(NW向，在宿迁附近与郯庐带相交)、嘉山—响水断裂(NE向，在嘉山(明光)附近与郯庐带相交)和洪泽—沟墩断裂(NE向，在嘉山附近与郯庐带相交)。

(4) 由地震活动的分布、浅层断裂活动的分段性及浅层速度结构的分段性可判断新沂到泗洪是活动断裂的闭锁段。

(5) 综合判断郯庐断裂带江苏段未来可能发生大震的地区为33.4°～34.1° N,118.2°～118.8° E,重点是宿迁、沭阳、泗阳及泗洪。震级估计可达8级。

(6) 关于中地壳低速层的存在，本研究没有从地质学和岩石学角度仔细分析其成因，陈沪生等[23]认为下扬子中下地壳低速高导层是重要的滑移面，即韧性剪切带，也是重要的均衡调节层，此层是地壳内的弱化层，可以作为应力加载边界，使脆性层更易积累应力。郯庐带莫霍面深度有变化， 但变化幅度不大，在地质演化过程中莫霍面可能是大规模走滑运动中的底部拆离面[24]，但不大的差异依然可以反映孕震构造。郯庐带软流圈顶部上隆[14,16，25]，或许是太平洋板块向欧亚板块俯冲的末端[26]，其位置恰在本研究区，故本区断裂以逆冲挤压兼走滑为主要运动方式或许是地幔的向上冲力与太平洋板块的水平推挤共同作用的结果。

诚然，仅用本文的指标作为大震发生的判据是不够的，我们不仅研究了地壳速度结构，还研究了地壳介质的衰减特征[27]、泊松比特征、小尺度介质非均匀性特征[28]`，这些结果指向基本一致，反应了从介质非均匀性角度，结合地质构造和地震活动判断未来大震位置是可信的。

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