基于GNSS及地震活动的沂沭断裂带危险性分析

杜存鹏 殷海涛 于胜文 杨 乐 贾 媛

1 山东科技大学测绘与空间信息学院，青岛市前湾港路579号，266590 2 山东省地震局，济南市文化东路20号，250014

沂沭断裂带是鲁西块体和鲁东块体的构造分界线，深部构造特征为上地幔隆起，切割深度可达上地幔，属于深大断裂带。安丘-莒县断裂是沂沭断裂带内部的主要活动断层，曾发生公元前70年安丘7级、1668年郯城8.5级地震。国内许多学者对断裂带附近区域的应力状态及发震特性进行了研究[1-3]。

断裂带闭锁段的鉴定是现今活动断层危险性判定的研究重点，现代大地测量学可获取沂沭断裂带的运动状态、深部构造特征等信息[4-6]，为构建沂沭断裂带断层模型及研究断裂带深部构造特征奠定了基础。由于目前针对沂沭断裂带的精细化反演研究较少，因此本文基于TDEFNODE负位错-块体模型，利用2011～2019年山东地区GNSS速度场及滑动矢量等数据，对沂沭断裂带不同区段的断层闭锁分布特征和滑动亏损速率分布情况进行反演，并基于地震活动特征对沂沭断裂带的地震危险性进行分析。

1 研究区概况及地震活动

沂沭断裂带属于郯庐断裂带山东段部分(图1)，同时也是郯庐断裂带出露最好、新构造活动最强烈的部分。沂沭断裂带在鲁中沂、沭河谷地形成“两堑夹一垒”的复式地堑构造，北起渤海莱州湾，向南延伸至江苏新沂一带，由昌邑-大店断裂(F1)、白芬子-浮来山断裂(F2)、沂水-汤头断裂(F3)、鄌郚-葛沟断裂(F4)和安丘-莒县断裂(F5)共5条近乎平行的断裂带组成。断裂带长330 km，北段宽约55 km，向南缩短至约25 km，构成鲁西块体和鲁东块体的构造分界线。其中，安丘-莒县断裂是沂沭断裂带最主要的晚第四纪活动断层，以右旋走滑兼逆冲活动为主要特征，是新构造运动的强活动带，对地震的发生具有控制作用[7-8]。

Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3共同组成鲁东断块，蓝框为地震剖面区域图1 研究区构造及历史地震分布(1970～2019年)Fig.1 Tectonic and historical seismic distribution of the study area(1970-2019)

沂沭断裂带属于深大断裂，新构造活动较为强烈，地震活动具有周期长、震级大的特点。断裂带的地震活动具有分段性，主要集中在南段区域，北段区域的地震活动较少，中小地震稀少的活动断层在震前可能处于弹性应变能累积的闭锁状态[9]。根据地震活动统计(图1)可知，1970～2019年沂沭断裂带南段区域发生ML>2.0地震285次，而北段仅75次，地震活动异常稀疏，具有地震活动空区的类似特点，易于应力累积。

2 GNSS数据处理及断层模型设置

2.1 GNSS数据

本文选用山东省地壳运动GNSS观测网、中国大陆构造环境监测网络(陆态网络)及山东省CORS等数据，利用GAMIT/GLOBK对GNSS数据进行处理，获得各站点在ITRF2008下的坐标序列。使用最佳直线拟合方法提取2011-04～2019-12各站点的速度信息，并剔除误差较大或方向、大小明显偏离区域运动背景的站点，以保证结果的可靠性。图2为2011-04～2019-12山东地区水平速度场，可以看出，山东地区地壳整体向东南方向运动。

图2 山东地区水平速度场Fig.2 Horizontal velocity field in Shandong

2.2 TDEFNODE负位错反演方法及原理

McCaffrey[10]编写DEFNODE块体负位错反演程序，随后在此基础上改进与时间有关的变形和数据，提出TDEFNODE程序。该程序假设板块内部点的运动为2部分的总和：一部分为块体旋转；另一部分为断层闭锁导致块体边界滑动亏损引起的地表弹性形变。反演结果具有一定的可靠性和较好的稳定性[11]：

(1)

(2)

式中，V为断层长期滑动速率，Vc为断层短期滑动速率，Σ为节点确定的断层格网区域范围。当Vc的特征波长变化小于Σ时，可得到连续近似值Φ的分布函数。若Φ=0，表示断层为完全蠕滑状态，不存在闭锁；若Φ=1，表示断层为完全闭锁状态。一般在断层上使用数值0～1来表示断层的闭锁状态，0<Φ<1表示断层不是完全闭锁状态，存在一定的蠕滑。

TDEFNODE负位错反演模型可在GPS速度场及地震数据等资料的约束下，利用模拟退火算法和网格搜索法对块体旋转、内部应变及断层闭锁程度进行估计，断层由沿断层走向设置的节点纵向深度指定。

2.3 断层模型设置

安丘-莒县断裂为沂沭断裂带内的主要活动断裂，由于沂沭断裂带内晚更新世晚期至全新世早期的断裂活动主要发生在安丘-莒县断裂上，因此本文断层模型设置主要参考安丘-莒县断裂的参数。王志才等[12]研究得出安丘-莒县断裂的总体走向为NNE10°～20°，倾向为NW，倾角为70°～80°。多位学者利用大地电磁测深、人工地震测深等地球物理探测手段，探测到沂沭断裂带区域的地壳厚度约为31～36 km[4,13]，本文将鲁西断块设为上盘，鲁东块体设为下盘，倾角设为70°。沿断层走向共布设7个节点，分布在安丘-莒县断裂各段落之间，将断层模型深度设为40 km，沿断层倾向分别在0.1 km、5 km、10 km、15 km、20 km、25 km、30 km、35 km、40 km处设置9条等深线，如图3所示。

图3 沂沭断裂带断层节点设置Fig.3 Yishu fault zone fault node setting

3 沂沭断裂带反演结果

根据本文断层模型参数，多次计算得到沂沭断裂带区域断层闭锁程度的空间分布，如图4所示。由图可知，安丘-莒县断裂北段安丘以北区域的断层闭锁程度较高，闭锁深度较深，最大闭锁深度约为26 km；从安丘到诸城段，断层闭锁程度逐渐减弱，由闭锁状态逐渐转为蠕滑状态，闭锁系数为0.2～0.8；诸城-郯城段断层闭锁较弱，基本处于蠕滑状态。

图4 沂沭断裂带闭锁程度Fig.4 Locking degree of the Yishu fault zone

本文收集1970～2019年沂沭断裂带附近(图1蓝框)的地震信息，并对震源深度进行分析，结果如图5所示。由图可见，几乎所有地震的震源深度都在30 km以内，说明应变能在沂沭断裂带30 km深度内不断释放，也说明断层处于闭锁状态[3]。李腊月等[2]基于2009～2017年水平速度场，利用DEFNODE负位错模型对郯庐断裂中南段的闭锁程度进行反演。结果表明，莒县以北区域闭锁程度较高，最大闭锁深度达32 km，其闭锁区域范围大于本文结果，可能是因为模型或所用数据存在差异。

图5 1970～2019年沂沭断裂带地震剖面Fig.5 Seismic profile of the Yishu fault zone from 1970 to 2019

断层的滑动亏损速率可以反映断层两盘的相对滑动转换为应变能的速度，可由断层滑动速率乘以断层面闭锁系数得到，这对相应断层的地震危险性判断具有重要意义[3]。图6为沂沭断裂带的滑动亏损速率分布，其中滑动亏损速率为正表示右旋滑动亏损，为负表示左旋滑动亏损。由图可知，沂沭断裂带安丘以北区域表现为右旋滑动亏损，亏损速率为0.6～0.8 mm/a；安丘至诸城段由右旋滑动亏损逐渐转为蠕滑状态；诸城以南至郯城区域基本为蠕滑状态，无滑动亏损。

图6 沂沭断裂带滑动亏损速率Fig.6 Slip deficit rate of Yishu fault zone

4 结 语

本文利用山东地区2011～2019年GNSS速度场数据，基于TDEFNODE负位错模型，反演沂沭断裂带的断层闭锁程度和断层滑动亏损速率，为沂沭断裂带及周边地区的地震危险性分析提供依据。结果表明，沂沭断裂带诸城以南区域断层闭锁程度较低，基本无滑动亏损累积，且该段为1668年郯城地震的破裂段，推测该段断层未闭锁或闭锁程度较低；沂沭断裂带北段诸城以北区域断层闭锁程度相对较高，闭锁深度较深，约为26 km，为右旋滑动亏损，亏损速率约为0.6～0.8 mm/a，属于1668年郯城地震的未破裂段，且断层闭锁区域的小震活动不活跃，具有地震活动空区的类似特点，易于应力累积，因此该段断裂的地震危险性值得关注。

需要注意的是，本文得到的只是初步结果。由于沂沭断裂带由多条断裂构成，且断裂带内部的构造运动及其地震应变能变化等因素都会对断裂带的构造运动产生影响，因此后续还需结合构造单元划分及活动断裂性质进行更深入的研究。此外，由于沂沭断裂带地区观测数据不足，给反演结果及地震危险性分析带来一定的不确定性，因此有必要在增加观测数据的基础上优化断层模型，以进一步对沂沭断裂带的滑动特征及闭锁程度进行反演。