李彥川，單新建，宋小剛，姜宇，甘衛(wèi)軍，屈春燕，王振杰

1 地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 1000292 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，中國(guó)石油大學(xué)(華東)，青島 266580

?

GPS揭示的郯廬斷裂帶中南段閉鎖及滑動(dòng)虧損

李彥川1,2，單新建1*，宋小剛1，姜宇1,2，甘衛(wèi)軍1，屈春燕1，王振杰2

1 地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 1000292 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，中國(guó)石油大學(xué)(華東)，青島 266580

利用華北地區(qū)2009—2014年GPS水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用塊體負(fù)位錯(cuò)模型反演了郯廬斷裂帶中南段斷層深部滑動(dòng)速率、斷層閉鎖程度分布、斷層滑動(dòng)虧損速率分布及地震矩積累率，結(jié)合地表應(yīng)變率分布，對(duì)郯廬斷裂帶中南段深、淺部形變、應(yīng)變特征以及華北地區(qū)的地殼形變模式進(jìn)行了分析.結(jié)果表明：郯廬斷裂中南段的北端主要為右旋走滑特性，南端則表現(xiàn)為右旋走滑兼拉張性運(yùn)動(dòng)，斷層滑動(dòng)速率在0.9 mm·a-1至1.2 mm·a-1，且沿?cái)鄬幼呦蛴杀敝聊现鸫卧龃?斷層閉鎖程度分布沿走向分布不均一，斷層閉鎖深度由最北端的27 km增加到中段的32 km，至最南端變?yōu)? km，斷層閉鎖最深處與1668年郯城MS8.5震中位置相對(duì)應(yīng).斷層滑動(dòng)虧損速率沿走向由0.9 mm·a-1增加到1.2 mm·a-1，沿傾向由地表至深部逐漸減小為0 mm·a-1.地震矩積累率在郯廬斷裂帶中南段郯城附近較大，而地表對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)榈诙?yīng)不變分量的低值區(qū).華北地區(qū)地殼變形以塊體運(yùn)動(dòng)為主，塊體內(nèi)部應(yīng)變及斷層閉鎖產(chǎn)生的負(fù)位錯(cuò)效應(yīng)次之；郯廬斷裂帶中南段斷層形變沿走向呈條帶狀分布，形變寬度單側(cè)小于50 km，形變量不超過1 mm·a-1，且上盤形變略大于下盤.

郯廬斷裂；GPS；斷層閉鎖；滑動(dòng)虧損

1 引言

郯廬斷裂帶橫跨中國(guó)東部，是亞洲東部著名的深大斷裂帶之一，其新活動(dòng)構(gòu)造誘發(fā)了一系列近代地震，對(duì)現(xiàn)代地震活動(dòng)起著重要的控制作用(方仲景等，1980；王小鳳等，2000；劉保金等，2015).郯廬斷裂帶是由多組呈斜列分布的多條斷裂組成，按構(gòu)造習(xí)性、演化歷史和地震活動(dòng)性可分為北、中、南三段，其中渤海灣以南稱為中南段(國(guó)家地震局地質(zhì)研究所，1987；Xu，1993；萬桂梅等，2009)，該段作為郯廬斷裂的主體，總體走向北18—25°東，是一條中生代的大陸裂谷構(gòu)造，是一條從地表直達(dá)上地幔的貫通斷裂(高維明等，1980)，第四紀(jì)以來活動(dòng)斷裂最為發(fā)育，是我國(guó)主要的地震活動(dòng)帶之一(吳大銘等，1981)，先后發(fā)生了多次M6以上地震(圖1).2008年5月12日汶川8.0地震和2011年3月11日日本宮城地震分別對(duì)郯廬斷裂帶中南段造成了不同程度的影響(劉東旺等，2009；王敏等，2011；楊少敏等，2011；尹海濤等，2013；尹京苑等；2015)，加強(qiáng)對(duì)該斷裂現(xiàn)今地殼形變的研究和認(rèn)識(shí)，對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域地震危險(xiǎn)性具有重要的價(jià)值.更好地量化郯廬斷裂的地殼形變，一定意義上要依賴于斷層的滑動(dòng)速率；同時(shí)，斷層滑動(dòng)速率為我們辨別地殼形變模式、了解應(yīng)力加載過程、探索大地震復(fù)發(fā)周期及評(píng)估該區(qū)域地震危險(xiǎn)性提供了不可或缺的約束(Cavalié et al.,2008).此外，了解斷層的閉鎖、滑動(dòng)虧損及應(yīng)力積累的空間分布，也為我們更好地理解斷層的地震活動(dòng)性奠定了基礎(chǔ)(Jolivet et al.,2013).

利用現(xiàn)代大地測(cè)量測(cè)量手段(GPS)對(duì)郯廬斷裂震間地殼形變及應(yīng)變的研究已有很多(郭良遷和應(yīng)紹奮，1998；黃立人和郭良遷，1998；許才軍等，2002；Wang et al.,2009；郭良遷等，2011；Wang et al.,2011；劉曉霞等，2012；張希等，2013；朱澤等，2014)，這些研究結(jié)果不僅提供了郯廬斷裂中南段現(xiàn)今滑動(dòng)速率，也勾勒出了該斷裂的活動(dòng)特征，但仍有一些問題有待解決，如不同研究結(jié)果得到的郯廬斷裂活動(dòng)習(xí)性不一致；未有對(duì)斷層閉鎖程度和滑動(dòng)虧損空間連續(xù)變化情況的研究；依據(jù)塊體-應(yīng)變模型對(duì)郯廬斷裂形變的研究，未考慮斷層閉鎖產(chǎn)生的負(fù)位錯(cuò)效應(yīng)；地表應(yīng)變、斷層閉鎖程度、斷層滑動(dòng)虧損、地震矩積累率等斷層深、淺部過程的對(duì)應(yīng)關(guān)系有待于進(jìn)一步揭示.本文利用2009—2014年密集的GPS水平速度場(chǎng)結(jié)果，采用塊體負(fù)位錯(cuò)模型(TDEFNODE程序)(McCaffrey,2009)反演了郯廬斷裂現(xiàn)今滑動(dòng)速率、斷層閉鎖、斷層滑動(dòng)虧損速率及地震矩積累率，結(jié)合該區(qū)域的應(yīng)變結(jié)果，分析了郯廬斷裂中南段深淺部地殼形變特征，并將實(shí)測(cè)GPS速度分解，量化了該區(qū)域的地殼形變，最后討論了反演結(jié)果的不確定性.

2 數(shù)據(jù)及模型

2.1 GPS數(shù)據(jù)

作為現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)獲取的主要手段，GPS被廣泛應(yīng)用于形變監(jiān)測(cè)及地球物理反演研究(Wang et al.,2001).考慮到2008年5月12日汶川地震同震、震后效應(yīng)可能對(duì)周圍流動(dòng)測(cè)站造成持續(xù)影響(Zhao et al.,2015)，收集了研究區(qū)中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)2009—2014年流動(dòng)站數(shù)據(jù)(分別在2009、2011和2013年進(jìn)行了復(fù)測(cè))和1998—2014年連續(xù)站的GPS數(shù)據(jù)，采用GAMIT10.4軟件(Herring et al.,2010)聯(lián)合中國(guó)大陸周圍10個(gè)IGS站進(jìn)行寬松約束處理，其中高度角設(shè)為10°，加入EGM08重力模型并考慮了固體潮、大氣延遲效應(yīng)、電離層改正等；將解算得到的單天解與SOPAC全球單天解進(jìn)行合并，剔除時(shí)間序列中跳值點(diǎn)；為了得到“干凈”的時(shí)間序列，分別在時(shí)間序列中對(duì)2001年可可西里地震、2004年蘇門答臘地震、2008年汶川地震、2010年玉樹地震、2011年日本311地震、2013年蘆山地震和2014年于田地震的同震及震后效應(yīng)進(jìn)行了剔除；選取全球均勻分布的50個(gè)穩(wěn)定IGS站，采用七參數(shù)轉(zhuǎn)換，得到ITRF2008下速度；最終利用歐亞塊體的歐拉矢量(Altamimi et al.,2011)，將ITRF2008下速度場(chǎng)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定歐亞板塊下的速度場(chǎng)(Zhao et al.,2015)(圖2).在模型反演前，對(duì)方向、大小明顯偏離區(qū)域運(yùn)動(dòng)背景的GPS測(cè)站進(jìn)行了剔除，最終選定了653個(gè)GPS測(cè)站數(shù)據(jù)，其中流動(dòng)GPS測(cè)站水平方向平均誤差為0.40 mm·a-1，連續(xù)運(yùn)行GPS測(cè)站水平向平均誤差為0.26 mm·a-1.

圖1 研究區(qū)構(gòu)造及歷史地震分布黑色實(shí)線表示郯廬斷裂，黑色空心圈為M≤5歷史地震分布，白色實(shí)心圈為M>5歷史地震分布，黃色線框?yàn)閳D6微震剖面位置，左上角插圖表示研究區(qū)域所在位置.Fig.1 Tectonics and historical earthquakes in the study area Black line represents the Tanlu fault.Black circles are earthquakes with magnitude equal or smaller than 5 and white circles correspond to earthquakes with magnitude greater than 5.Yellow rectangle marks location of profiles of micro-earthquakes in Figure 6.Inset map on the upper left shows the study area.

圖2 穩(wěn)定歐亞板塊下的GPS速度場(chǎng)黑色箭頭表示處理得到的GPS速度，藍(lán)色箭頭為反演得到的郯廬斷裂滑動(dòng)速率，誤差橢圓為95%置信區(qū)間，紅色線框?yàn)閳D3GPS速度剖面，灰色線框表示斷裂分段；右上角插圖中紅色框線為研究區(qū)所在位置，黑色實(shí)線為劃分的塊體邊界.Fig.2 GPS velocities with respect to the stable Eurasian plateBlack arrows are processed GPS velocities.Blue arrows are slip rates of the fault from inversion.Error ellipses show with 95% confidence level.Red rectangle marks the profile of velocities in Figure 3 and the grey is flags for fault segmentation.The red rectangle in the inset map on the upper left shows the study area and black bold lines mark boundaries of blocks.

2.2 反演模型

文中用到的塊體負(fù)位錯(cuò)模型(McCaffrey,2002,2005)假設(shè)地殼形變是由塊體旋轉(zhuǎn)、塊體內(nèi)部應(yīng)變、塊體邊界斷層閉鎖產(chǎn)生的負(fù)位錯(cuò)效應(yīng)共同作用下的地表彈性變形之和(公式1)，該模型結(jié)合了塊體旋轉(zhuǎn)、塊體均勻應(yīng)變和Okada位錯(cuò)，可在大地測(cè)量(GPS、InSAR、水準(zhǔn))、地質(zhì)(如斷層滑動(dòng)速率)及地震(如斷層同震滑動(dòng)方位角)等數(shù)據(jù)的約束下，采用網(wǎng)格搜索和模擬退火法同時(shí)反演塊體旋轉(zhuǎn)歐拉極、斷層滑動(dòng)速率、塊體邊界斷層閉鎖系數(shù)(PHI)等.斷層閉鎖系數(shù)取值在0～1，PHI=0表示斷層自由滑動(dòng)，斷層兩盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生應(yīng)變能積累；PHI=1表示斷層完全閉鎖，斷層兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)量將完全轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能；PHI處于0和1之間表示斷層處于部分滑動(dòng)狀態(tài)，兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)量部分轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能(McCaffrey et al.,2007).模型由開源程序TDEFNODE實(shí)現(xiàn)(http:∥web.pdx.edu/～mccaf/www/defnode/;McCaffrey,2009).模型原理、反演過程及參數(shù)控制，相關(guān)文獻(xiàn)已有詳細(xì)的描述(McCaffrey,2002；趙靜等，2012).公式(1)為

(1)

前人根據(jù)地質(zhì)、地震及GPS速率資料將我國(guó)東部劃分為華南和華北兩個(gè)一級(jí)活動(dòng)地塊，其中華北地塊劃分為兩個(gè)亞板塊：華北平原和魯東—黃海塊體(以下簡(jiǎn)稱魯東塊體)(張培震等，2003；Wang et al.,2011)，兩者以郯廬斷裂中南段為界(圖2).參考前人研究成果(Zhang et al.,2005)，在反演過程中，設(shè)置華北平原塊體和魯東塊體內(nèi)部存在均勻應(yīng)變，華南塊體為剛性；同時(shí)，簡(jiǎn)化郯廬帶為單一深大斷裂，斷層走向?yàn)镾SW，傾角為65°，傾向?yàn)镹W(鄧啟東，2007).模型中斷層是由一系列節(jié)點(diǎn)組成的面，我們的斷層模型沿?cái)鄬幼呦蚬灿?0排節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的平均距離約為70 km，節(jié)點(diǎn)沿?cái)鄬用娣謩e設(shè)在0.1 km、5 km、10 km、15 km、20 km、25 km、35 km和45 km深度.尚未有研究發(fā)現(xiàn)郯廬斷裂帶中南段存在地表淺層蠕滑現(xiàn)象，因此在反演時(shí)對(duì)斷層閉鎖施加強(qiáng)約束(McCaffrey,2002;Wang et al.,2003)，即在地表完全閉鎖，在45 km深度以下自由滑動(dòng)，處于兩者之間的節(jié)點(diǎn)在反演時(shí)閉鎖系數(shù)沿?cái)鄬觾A向隨深度遞減(圖3).在討論部分，我們將對(duì)模型反演結(jié)果的不確定性做進(jìn)一步分析.

圖3 郯廬斷裂中南段簡(jiǎn)化示意圖黑色圓點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)所在位置，紅色線表示PHI在地表完全閉鎖，藍(lán)色表示PHI自由滑動(dòng)，綠色表示PHI反演時(shí)為自由參數(shù).Fig.3 Sketch of simplified geometry and boundary conditions for the model Block dots are fault nodes.The red line on the top indicates the Tanlu fault fully locked at surface and the blue line on the bottom indicates the Tanlu fault is freely slipping below 45 km.The PHI in the green area between the surface and 45 km at depth would be inverted from GPS data.

3 郯廬斷裂中南段斷層閉鎖及滑動(dòng)虧損特征

3.1 斷層滑動(dòng)速率

斷層滑動(dòng)速率是根據(jù)最優(yōu)化模型反演的塊體旋轉(zhuǎn)歐拉矢量計(jì)算而來(McCaffrey,2002)，反映的是大地測(cè)量時(shí)間尺度的斷層在深部的運(yùn)動(dòng)情況.我們得到了郯廬斷裂中南段斷層現(xiàn)今滑動(dòng)(圖2，表1)，為方便分析，將郯廬斷裂帶中南段分為A(35.5°N—37.5°N)、B(33°N—35.5°N)、C(31°N—33°N)三段(圖1).

從表1及圖2中反演結(jié)果可以看出，郯廬斷裂帶中南段呈現(xiàn)右旋走滑兼拉張運(yùn)動(dòng)的特性，斷裂運(yùn)動(dòng)速率為0.9～1.2 mm·a-1，且運(yùn)動(dòng)速率從南向北逐漸遞減.斷裂在南部以右旋走滑為主，張性形變?yōu)檩o，拉張分量向北逐步遞減，到最北端基本為0，斷層變?yōu)榧冇倚呋?為驗(yàn)證模型的可靠性，橫跨斷裂做了三個(gè)速度剖面a、b和c，剖面估值(表1和圖4)與模型反演值具有較好的一致性.平行斷裂方向c剖面值與模型結(jié)果相差較大，可能與該區(qū)域處于塊體交界的地方，形變相對(duì)較為復(fù)雜有關(guān)(Thatcher,2007).劉曉霞等(2012)利用2007—2009年兩期GPS速度場(chǎng)資料，基于塊體的整體旋轉(zhuǎn)與均勻應(yīng)變模型反演了郯廬斷裂中南段的運(yùn)動(dòng)，結(jié)果顯示斷裂在北段呈右旋拉張、南段呈左旋擠壓，但走滑分量占主導(dǎo)；此外郭良遷等(2011)利用1999—2009年華北地區(qū)GPS速度場(chǎng)為約束，同樣采用塊體-應(yīng)變模型反演了郯廬斷裂的滑動(dòng)速率，得到郯廬斷裂帶運(yùn)動(dòng)速度從北向南逐漸減小(1.24 ～1.06 mm·a-1)，呈現(xiàn)右旋擠壓特征.上述結(jié)論與我們反演的結(jié)果相互矛盾，原因前者用到的數(shù)據(jù)均為2009年以前的數(shù)據(jù)，而我們反演時(shí)GPS數(shù)據(jù)跨度為2009—2014年，期間發(fā)生了2011年3月11日日本宮城MW9.0巨震，位于我國(guó)的GPS連續(xù)站顯示同震在華東地區(qū)造成了3～10 mm的水平位移(主要為東西向)(王敏等，2011；殷海濤等，2013)，導(dǎo)致東北和華北地區(qū)一系列北北東走向的斷裂產(chǎn)生了不同程度的張性應(yīng)變，對(duì)郯廬斷裂起到了拉張作用.這些遠(yuǎn)場(chǎng)同震位移雖然不大，卻對(duì)郯廬斷裂(中南段)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)產(chǎn)生了影響.

3.2 斷層閉鎖程度分布

表1 郯廬斷裂中南段斷層滑動(dòng)速率(右旋拉張為正)、閉鎖深度、滑動(dòng)虧損及地震矩積累率

圖5給出了郯廬斷裂帶中南段閉鎖程度沿?cái)鄬幼呦虻娜S分布，表1給出了統(tǒng)計(jì)的A、B和C段的閉鎖深度.可以看出，斷層閉鎖深度在沿走向從北向南呈現(xiàn)先深后淺的特征，斷層閉鎖最深可達(dá)32 km，且正好位于1668年7月25日郯城MS8.5震中附近.地震實(shí)際上是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，應(yīng)變?cè)诨顒?dòng)斷裂帶上不斷積累并達(dá)到極限狀態(tài)后而突發(fā)失穩(wěn)破裂的結(jié)果(Scholz,1990,1998；張培震等，2013)；而斷層只有在閉鎖(或部分閉鎖)的狀態(tài)下，斷層兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)才會(huì)產(chǎn)生虧損，轉(zhuǎn)化為能量并逐漸累積，直至某次地震(或無震蠕滑)進(jìn)行釋放，并進(jìn)入下一個(gè)地震周期(Wallace et al.,2004).由此可以推論地震發(fā)生在斷層閉鎖的區(qū)域.周翠英等(2013)采用郯城地震震源區(qū)重新定位的現(xiàn)今中小震數(shù)據(jù)，反演得到1668年郯城地震震源斷層下界面深度約為32 km，上界埋深約為4 km.這與我們反演斷層閉鎖深度較為吻合.值得思考的是，現(xiàn)今距1668年郯城地震離逝僅347年，如果地震發(fā)生時(shí)斷層發(fā)生了完全破裂，那么斷層怎樣在短時(shí)間內(nèi)重新形成閉鎖的.依舊精定位結(jié)果，周翠英等(2013)給出了郯城大地震斷層面現(xiàn)代小震的深度分布，結(jié)果顯示震源以南(對(duì)應(yīng)圖5中B、C段交接處)的深度較淺(25 km左右)，向北漸次加深，最深達(dá)33 km.上述結(jié)果與我們模型反演的結(jié)果基本一致.

圖4 GPS速度剖面圖(a)(b)(c)剖面位置在圖2中，左圖為平行斷裂速率，右圖為垂直斷裂速率；圖中黃色方框用于估計(jì)斷層滑動(dòng)速率，紅色線為中值.Fig.4 GPS slip rates along and across the middle and southern segments of the Tanlu faultLocations of each profile are shown in Figure 2.Figures on the left show fault-parallel velocities and fault-normal velocities on the right.The stations in light yellow rectangle would be used for estimating slip rates.

圖5 郯廬斷裂中南段斷層閉鎖程度分布Fig.5 Locking degrees of the middle and southern segments of the Tanlu fault

收集了1970年以來沿郯廬斷裂帶中南段分布的現(xiàn)代微震(圖1)，并將震源深度進(jìn)行垂直展布(圖6)，結(jié)果顯示幾乎所有微震均發(fā)生于30 km以內(nèi)，這表明在斷層以下30 km內(nèi)應(yīng)變能在不斷地釋放，也反映了斷層處在閉鎖狀態(tài).文中反演的斷層閉鎖深度深于當(dāng)代地震的震源深度，這證明了我們的反演結(jié)果具有合理性.張希等(2013)利用2009—2011年全國(guó)GPS水平運(yùn)動(dòng)場(chǎng)資料，借助負(fù)位錯(cuò)反演得到郯廬斷裂帶平均閉鎖深度僅為16 km，該結(jié)果與我們反演結(jié)果不一致，這可能是模型及數(shù)據(jù)集不一致導(dǎo)致的；朱澤等(2014)雖然用同樣的方法對(duì)郯廬帶中南段進(jìn)行了反演，但其模型設(shè)置僅為兩排節(jié)點(diǎn)，且斷層傾角(SE50°)與現(xiàn)有的認(rèn)識(shí)(鄧啟東，2007)存在不一致，但結(jié)果與我們的反演結(jié)果基本一致.

3.3 斷層滑動(dòng)虧損分布

量化斷層面上應(yīng)變能的分布及積累速率，對(duì)該斷層地震危險(xiǎn)性的判斷具有重要意義(Jolivet et al.,2013).斷層滑動(dòng)虧損速率由斷層滑動(dòng)速率乘以斷層面閉鎖系數(shù)得到(圖7).由于斷層閉鎖產(chǎn)生的滑動(dòng)虧損，將以應(yīng)變能的方式在斷層面及附近累積(McCaffrey et al.,2007).從圖7可以看出，滑動(dòng)虧損速率整體分布于斷層閉鎖程度基本一致，且沿?cái)鄬幼呦蛴赡舷虮绷恐抵鸫螠p小(1.2～0.9 mm·a-1)；斷層傾向上，滑動(dòng)虧損速率從地面到深部逐漸變小，這與實(shí)際地球物理現(xiàn)象是吻合的(Wang et al.,2003).

滑動(dòng)虧損速率僅表示斷層兩盤滑動(dòng)量轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能快慢的量，但應(yīng)變能積累的快并不表示應(yīng)變能總量就一定大，2008年5月12日汶川地震前龍門山斷裂帶兩盤相對(duì)低速的滑動(dòng)速率就是一個(gè)很好的例證(Zhang,2013).為對(duì)郯廬斷裂帶中南段地震危險(xiǎn)性有較為客觀的分析，我們對(duì)斷裂滑動(dòng)虧損和閉鎖深度進(jìn)行積分(公式2)，計(jì)算了各分段(A、B和C)的地震矩積累率(表1).公式為

(2)

圖6 歷史微震剖面Fig.6 Profile of the historical micro-earthquakes

圖7 郯廬斷裂帶中南段斷層滑動(dòng)虧損速率分布Fig.7 Slip rate deficits of the middle and southern segments of the Tanlu fault

表1中，地震矩積累速率與斷層閉鎖深度及滑動(dòng)虧損速率成相關(guān)，反映的是地震矩積累的快慢程度.郯廬斷裂中南段中B段地震矩積累速率較大，這可能反映了該段能量積累較快.劉曉霞等(2012)根據(jù)塊體模型反演GPS數(shù)據(jù)的結(jié)果推斷郯城附近具有發(fā)生強(qiáng)震的孕育背景，秦四清等(2014)運(yùn)用孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論及相關(guān)預(yù)測(cè)方法，在此段得到了相似的結(jié)論.

4 華北地區(qū)應(yīng)變特征

文中用到的塊體負(fù)位錯(cuò)模型利用地表形變速率，反演的是斷層深部構(gòu)造性變特征.為將斷層深部特征與地表形變進(jìn)行對(duì)比分析，我們首先采用L曲線方法，將華北地區(qū)的GPS速度場(chǎng)進(jìn)行0.4°×0.4°插值，并計(jì)算了既包含正應(yīng)變又包含剪應(yīng)變的應(yīng)變第二不變分量(Wang and Wright,2012)(圖8).圖8中，第二應(yīng)變不變分量高值主要分布在環(huán)首都圈區(qū)域，該地區(qū)存在一系列的次級(jí)斷裂；同時(shí)，第二應(yīng)變不變分量的高值區(qū)也對(duì)應(yīng)著主壓應(yīng)變的高值區(qū).沿郯廬帶走向由北向南，A段兩側(cè)主應(yīng)變發(fā)生了方向改變，且該區(qū)域第二應(yīng)變不變分量相對(duì)較高；郯廬帶B段主應(yīng)變幾乎為零，第二應(yīng)變不變分量也處于低值區(qū)；C段主應(yīng)變率是連續(xù)變化的，且以主張應(yīng)變?yōu)橹?，這與王敏等(2011)結(jié)論相同，推測(cè)該段可能仍在受日本311宮城MW9.0大地震的影響.

將地表應(yīng)變分布與斷層在深部的閉鎖深度、滑動(dòng)虧損速率及斷層地震矩積累速率進(jìn)行比較(圖8，表1)，發(fā)現(xiàn)前者與后三者并不是正相關(guān)，尤其是在郯廬帶B段，即斷層深部高地震矩積累率在地表的映射關(guān)系卻是低應(yīng)變積累率，一種可能的解釋是該段在淺地殼已經(jīng)積累了一定的應(yīng)變能，應(yīng)變累積速度反而減小了，由此推測(cè)，郯廬斷裂帶中南段B段(即郯城附近)可提供地震孕育的環(huán)境.需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)某條斷層地震危險(xiǎn)性的分析，不僅需要科學(xué)地分析其現(xiàn)今形變特征，完整的斷層的結(jié)構(gòu)及古地震研究也是必不可少的(Zhang,2013).

5 討論

5.1 GPS速度分解

以GPS為約束，前人運(yùn)用的塊體模型(黃立人和郭良遷，1998；許才軍等，2002；Zhang et al.,2005;Wang et al.,2009;郭良遷等，2011；劉曉霞等，2012)和考慮斷層閉鎖產(chǎn)生彈性負(fù)位錯(cuò)效應(yīng)的塊體模型(Wang et al.,2011；張希等，2013；朱澤等，2014)對(duì)華北地區(qū)的地殼形變進(jìn)行了研究，均對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了很好的擬合，但未對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行各分量的分解，即塊體旋轉(zhuǎn)、塊體應(yīng)變和斷層閉鎖的GPS分量.我們?cè)诜囱葸^程中，將華北地區(qū)實(shí)測(cè)GPS速度場(chǎng)轉(zhuǎn)化到穩(wěn)定華南塊體框架下，并將該框架下理論的GPS速度場(chǎng)包含的各分量進(jìn)行了分解(圖9).

圖9中，相對(duì)于穩(wěn)定的華南塊體，華北地區(qū)的GPS速度(黑色箭頭)呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這與江在森等(2009)給出的華南基準(zhǔn)速度場(chǎng)類似.郯廬斷裂中南段南端(C段)兩側(cè)，GPS速度呈現(xiàn)右旋拉張運(yùn)動(dòng)，向北則兩盤差異運(yùn)動(dòng)不明顯.由速度場(chǎng)的分布可以得出，華北地區(qū)主要以塊體運(yùn)動(dòng)為主導(dǎo)(綠色箭頭)，且華北塊體和華東塊體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在郯廬斷裂中南段南端表現(xiàn)為右旋走滑兼拉張?zhí)匦裕眲t相對(duì)運(yùn)動(dòng)不突出，這與我們模型計(jì)算的郯廬斷裂中南段運(yùn)動(dòng)性質(zhì)是一致的.塊體內(nèi)部應(yīng)變部分的GPS速度(紅色箭頭)主要分布于塊體邊界，且量值小于1.0 mm·a-1，呈背離塊體中心運(yùn)動(dòng)，這與反演模型假設(shè)塊體為均勻應(yīng)變有關(guān)，即遠(yuǎn)離塊體中心，應(yīng)變分量變大(李延興等，2001).斷層閉鎖影響的GPS速度分量，沿?cái)鄬幼呦騼蓚?cè)展布，量值不足1.0 mm·a-1，且在斷層兩盤呈反方向運(yùn)動(dòng)，這是由于斷層閉鎖產(chǎn)生彈性負(fù)位錯(cuò)阻礙兩盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與斷層右旋走滑的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)是相吻合的；圖9中斷層閉鎖影響的GPS分量，主要分布于郯廬斷裂帶中南段的上盤(西盤)，這符合華北地區(qū)整體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)背景，即上盤是主動(dòng)盤(張培震等，2013)；遠(yuǎn)離斷裂兩側(cè)，GPS速度呈現(xiàn)快速下降，可推斷郯廬斷裂帶中南段變形寬度很窄(<50 km)，從圖4中GPS速度剖面可推測(cè)出同樣結(jié)論.

5.2 反演結(jié)果的不確定性分析

統(tǒng)計(jì)了GPS速度殘差及其分布(圖10)，絕大部分速度殘差(<2 mm·a-1)在其誤差橢圓內(nèi)，殘差方向具有隨機(jī)性，殘差分布符合高斯正態(tài)分布；華北和魯東塊體內(nèi)部應(yīng)變殘差均小于1.0nstrain/a，證明了模型反演結(jié)果內(nèi)符合精度較高.值得注意的是，由于模型假設(shè)塊體內(nèi)部形變?yōu)榫鶆蛐巫?，未考慮形變、地殼介質(zhì)、波速結(jié)構(gòu)等空間分布的不均一性，這可能是反演結(jié)果不確定性的來源之一(Zhang et al.,2013).此外，沿塊體邊界以及塊體內(nèi)部次級(jí)斷層周圍(圖10)，GPS速度殘差相對(duì)較大(約2 mm·a-1)，這是由于塊體邊界形變的復(fù)雜性引起的(Thatcher,2007;Wang et al.,2011)，同時(shí)也說明塊體負(fù)位錯(cuò)模型并非可完全模擬該地區(qū)地殼形變，這也給反演結(jié)果帶來了不確定性.斷層近場(chǎng)GPS觀測(cè)站點(diǎn)的分布(特別是斷裂帶附近站點(diǎn)的數(shù)量和位置)也對(duì)反演結(jié)果有一定影響(趙靜等，2013).

圖9 相對(duì)于穩(wěn)定華南塊體的GPS速度場(chǎng)分解圖中黑色箭頭表示理論上相對(duì)于華南塊體的速度，綠色箭頭為塊體旋轉(zhuǎn)部分，紅色箭頭為塊體內(nèi)部應(yīng)變部分，藍(lán)色箭頭為斷層閉鎖引起的負(fù)位錯(cuò)效應(yīng)部分.Fig.9 Decomposition of velocity field with respect to stable South China Block arrows are velocities relative to the stable South China block.Green arrows are velocities induced by block rotation.Red arrows are velocities which lead to block internal strain.Blue arrows are velocities due to fault locking.

圖10 塊體應(yīng)變及應(yīng)變殘差，GPS速度殘差分布誤差橢圓為1.5倍中誤差，95%的置信區(qū)間，藍(lán)色箭頭為塊體內(nèi)部主應(yīng)變，綠色箭頭為應(yīng)變殘差.Fig.10 Residuals (observed minus calculated velocities) of GPS velocities,strain in blocks and its residuals GPS velocity residuals are within 95% confidence ellipses in 1.5 sigma.Blue cross represents the strain and yellow cross represents its residuals.

模型參數(shù)的設(shè)置(如是否設(shè)置塊體內(nèi)部應(yīng)變、參考框架的選擇等)對(duì)反演結(jié)果也會(huì)有影響.統(tǒng)計(jì)了不同參數(shù)設(shè)置下的反演GPS的結(jié)果精度(表2，表3)，可以看出，不同參考框架對(duì)反演結(jié)果的影響相對(duì)較小，不同穩(wěn)定塊體作為參考框架時(shí)對(duì)反演結(jié)果幾乎不產(chǎn)生影響；塊體是否為剛性塊體(即是否存在內(nèi)部應(yīng)變)對(duì)反演結(jié)果有較大的影響；反演結(jié)果對(duì)斷層傾角不敏感，斷層初始深度對(duì)結(jié)果有較大影響.總之，我們利用塊體負(fù)位錯(cuò)模型對(duì)華北地區(qū)的地殼形變?nèi)〉昧溯^好的描述，但模型結(jié)果亦受不確定因素的影響.

表2 不同模型參數(shù)設(shè)置

注：“×”沒有內(nèi)部應(yīng)變，“√”為存在內(nèi)部應(yīng)變

表3 斷層傾角及初始深度結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)論

利用華北地區(qū)2009—2014年GPS水平向速度場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用塊體負(fù)位錯(cuò)模型對(duì)郯廬斷裂帶中南段斷層深部滑動(dòng)速率、斷層深部閉鎖系數(shù)、滑動(dòng)虧損速率及地震矩積累率進(jìn)行了反演，結(jié)合地表應(yīng)變分布，對(duì)郯廬斷裂帶中南段形變、應(yīng)變及華北地區(qū)地殼形變模式進(jìn)行了分析，取得了如下認(rèn)識(shí)：

(1) 模型估值及橫跨斷層GPS速度剖面均顯示，受2011年3月11日日本宮城MW9.0地震影響，郯廬斷裂帶中南段表現(xiàn)為右旋走滑兼拉張的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，滑動(dòng)速率為0.9～1.2 mm·a-1，且斷層沿走向逐次遞增，在北端以右旋走滑運(yùn)動(dòng)為主，南端兼拉張?zhí)匦?

(2) 郯廬斷裂帶中南段斷層閉鎖深度沿走向不均一分布，呈先加深后變淺(27～32～5 km)，斷層最深閉鎖段落與1668年郯城MS8.0地震震中位置接近；斷層面上滑動(dòng)虧損速率沿?cái)鄬幼呦虺蔬f增(0.9～1.2 mm·a-1)，沿傾向從地表至深部逐次減?。坏卣鹁胤e累率計(jì)算結(jié)果顯示，在郯廬斷裂帶中南段郯城附近地震矩積累較快；地表第二不變應(yīng)變分量在郯城附近為低值區(qū)，推測(cè)該段可能已經(jīng)積聚了較多的應(yīng)變能.

(3) 華北地區(qū)地殼形變以塊體旋轉(zhuǎn)為主，塊體內(nèi)部應(yīng)變和斷層閉鎖效應(yīng)分別次之.郯廬斷裂帶中南段因斷層閉鎖產(chǎn)生的形變(<1 mm·a-1)沿?cái)鄬觾蓚?cè)分布，單側(cè)形變寬度不足50 km，且上盤形變量略大于下盤.

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(本文編輯 張正峰)

Fault locking and slip rate deficit on the middle and southern segment of the Tancheng—Lujiang fault inverted from GPS data

LI Yan-Chuan1,2,SHAN Xin-Jian1*,SONG Xiao-Gang1,JIANG-Yu1,2,GAN Wei-Jun1,QU Chun-Yan1,WANG Zhen-Jie2

1 State Key Laboratory of Earthquake Dynamics,Institute of Geology,CEA,Beijing 100029,China2 School of Geosciences,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580,China

By using GPS-derived horizontal velocities of 2009—2014 and a dislocation model,we inverted the slip rate,fault coupling and slip rate deficit on the middle and southern segments of the Tanlu fault.We also calculated the moment accumulation rate based on the fault slip rate and the fault locking depth and analyzed crustal deformation in East China.Along the middle and southern segments of the Tanlu fault,the results predict 0.9 mm·a-1of right-lateral strike-slip at the northern end,gradually changing to 1.2 dextrorotary extension at the southern end.The overall pattern of the interseismic locking depth is unevenly distributed along the middle and southern segments of the Tanlu fault.We estimated fault coupling down to 27 km depth or more for the northern part,and 25～32 km for the central part which is coincident with the epicenter of the 1668 Tancheng earthquake.The southern part,however,is only locked from 5 km to 25 km depth.Similar to spatial distribution of the fault coupling,the slip rate deficit changes from a lower value in the northern part to a higher level in the southern part,ranging from 0.9 mm·a-1to 1.2 mm·a-1along the middle and southern segments of the Tanlu fault.And it gradually decreases to 0 mm·a-1along the dip.The seismic moment accumulation rate per unit length of the fault is high on the fault plane beneath Tancheng city;however,it is negatively correlated with the strain rate on the surface.Our results also show that tectonic deformation occurring in East China is dominated by block rotation.While most sites in East China are affected by elastic strain within blocks to some degree.However,only sites in a narrow strip (less than 50 km with velocities less than 1 mm·a-1) along the middle and southern segments of the Tanlu fault are affected by elastic strain loading due to fault coupling.Compared with sites on the footwall,sites on the hanging wall are affected more by strain loading due to fault coupling.

Tanlu fault;GPS;Fault locking;Slip rate deficit

李彥川，單新建，宋小剛等.2016.GPS揭示的郯廬斷裂帶中南段閉鎖及滑動(dòng)虧損.地球物理學(xué)報(bào)，59(11):4022-4034,

10.6038/cjg20161108.

Li Y C,Shan X J,Song X G,et al.2016.Fault locking and slip rate deficit on the middle and southern segment of the Tancheng—Lujiang fault inverted from GPS data.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(11):4022-4034,doi:10.6038/cjg20161108.

國(guó)家自然科學(xué)基金(41461164002)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(R1401038A)聯(lián)合資助.

李彥川，男，1989年生，在讀博士，主要從事GPS地球動(dòng)力學(xué)研究.E-mail:yanliupc@163.com

*通訊作者 單新建，男，1966年生，研究員，主要從事地殼形變觀測(cè)與動(dòng)力學(xué)研究.E-mail:xjshan@163.com

10.6038/cjg20161108

P315

2015-12-04，2016-06-18收修定稿