田 曉， 鄭洪艷， 蘇廣利， 孫啟凱， 暢 柳， 王家慶

(中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180)

基于精密水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的蘇魯皖地區(qū)垂直形變特征

田 曉， 鄭洪艷， 蘇廣利， 孫啟凱， 暢 柳， 王家慶

(中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180)

利用蘇魯皖地區(qū)1985年、1995年和2016年3期水準(zhǔn)復(fù)測(cè)資料，進(jìn)行帶有GPS點(diǎn)約束的動(dòng)態(tài)平差，計(jì)算垂直運(yùn)動(dòng)速率。根據(jù)垂直運(yùn)動(dòng)速率、計(jì)算的梯度值以及主要活動(dòng)斷裂剖面，分析蘇魯皖地區(qū)近30年的垂直形變演化特征。結(jié)果顯示：蘇魯皖地區(qū)以繼承性運(yùn)動(dòng)為主，山東地區(qū)整體隆升，江蘇地區(qū)以下沉為主，并且變化比較明顯；結(jié)合歷史地震和梯度圖，得出該區(qū)域高梯度區(qū)對(duì)4～5級(jí)地震具有一定的反映。

精密水準(zhǔn)；蘇魯皖地區(qū)；垂直形變特征；約束平差；梯度

0 引言

蘇魯皖地區(qū)地處郯廬斷裂帶的中南段。自古至今，郯廬斷裂帶及其附近兩側(cè)，大大小小的地震活動(dòng)從未間斷過(guò)。這些大大小小的地震，是郯廬斷裂帶一次次間歇性活動(dòng)的結(jié)果。蘇魯皖地區(qū)1995年以來(lái)發(fā)生的4.0級(jí)以上地震主要有1995年山東蒼山5.2級(jí)地震、2006年安徽定遠(yuǎn)4.2級(jí)地震、2012年江蘇揚(yáng)州4.9級(jí)地震和2013年山東萊州4.6級(jí)地震。所以該地區(qū)的垂直運(yùn)動(dòng)特征值得我們關(guān)注和研究。

王若柏利用蘇魯皖地區(qū)50—80年代的精密水準(zhǔn)資料做出2張垂直形變圖，并結(jié)合新構(gòu)造及地質(zhì)背景分析研究了現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)的特征[1]；楊國(guó)華等利用蘇魯皖地區(qū)1953—1995 年多期精密復(fù)測(cè)水準(zhǔn)資料，以及地質(zhì)地貌構(gòu)造背景，研究了蘇魯皖地區(qū)的地殼垂直運(yùn)動(dòng)及郯廬斷裂中南段現(xiàn)今的活動(dòng)特征[2]；郭良遷等利用蘇魯皖地區(qū)1956—1999年水準(zhǔn)復(fù)測(cè)資料，分為不同的時(shí)間段對(duì)蘇魯皖地區(qū)的垂直運(yùn)動(dòng)和郯廬斷裂帶的活動(dòng)性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：膠東地塊、蘇北地塊、泰沂蒙地塊和淮河地塊的現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)主要以掀斜為主, 有的地塊在某些時(shí)間段以拗陷為主[3]。以上學(xué)者都是利用蘇魯皖地區(qū)1999年之前的水準(zhǔn)資料進(jìn)行研究，因此本文主要基于蘇魯皖地區(qū)1985年、1995年和2016年的精密水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行垂直形變特征分析，以期得到該地區(qū)近30年的垂直運(yùn)動(dòng)演化特征。

1 資料概況與數(shù)據(jù)處理

區(qū)域精密水準(zhǔn)空間范圍如圖1所示。

圖1 蘇魯皖地區(qū)水準(zhǔn)測(cè)線空間分布圖

采用研究區(qū)內(nèi)1985年、1995年、2016年3期水準(zhǔn)復(fù)測(cè)資料(一等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范施測(cè))，分別為4 704 km、4 787.2 km、4 154.2 km。數(shù)據(jù)處理時(shí)，分別對(duì)1985—1995年和1995—2016年的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)平差，這2次平差均以青島原點(diǎn)為參考點(diǎn)計(jì)算垂直運(yùn)動(dòng)速率并采用一定數(shù)量的GPS連續(xù)站垂直速率作為約束點(diǎn)參與平差[4]，選取的約束點(diǎn)情況如表1所示。由于2個(gè)時(shí)間段的公共測(cè)區(qū)范圍不同(圖2)，1995—2016年江蘇南部沒(méi)有觀測(cè)數(shù)據(jù)，所以只選用了公共測(cè)區(qū)內(nèi)的3個(gè)GPS連續(xù)站速率作為約束點(diǎn)參與平差計(jì)算。

圖2 不同時(shí)間段公共測(cè)區(qū)范圍

表1 選取約束點(diǎn)信息

動(dòng)態(tài)平差基本信息如表2所示。

表2 動(dòng)態(tài)平差基本信息

上述2段動(dòng)態(tài)平差的單位權(quán)中誤差均在1 mm/a左右，說(shuō)明本區(qū)域采用的數(shù)據(jù)整體實(shí)測(cè)精度比較好。平差后對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，刪除個(gè)別量級(jí)過(guò)大或與相鄰點(diǎn)差異過(guò)大的突變點(diǎn)。應(yīng)用GMT軟件進(jìn)行格網(wǎng)化處理，并繪制等值線圖與梯度圖，其中格網(wǎng)間距設(shè)為1′×1′。

2 蘇魯皖地區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)特征分析

2.1 速率等值線分析

按照資料的時(shí)間順序分別計(jì)算了1985—1995年，1995—2016年的垂直運(yùn)動(dòng)速率，并繪制了運(yùn)動(dòng)速率矢量圖(圖3)及等值線圖(圖4)。

圖3 蘇魯皖地區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)速率矢量圖

圖4 蘇魯皖地區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)速率等值線圖

從垂直運(yùn)動(dòng)速率矢量圖和等值線圖可以看出：

1)蘇魯皖地區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)總體上以山區(qū)和丘陵等海拔較高的地區(qū)相對(duì)隆升，平原地區(qū)相對(duì)下沉的繼承性運(yùn)動(dòng)方式為主，表現(xiàn)出與構(gòu)造地貌的相似性，并且隆升區(qū)與斷裂帶的走向基本一致。

2)就空間的細(xì)部變化來(lái)看，山東地區(qū)整體表現(xiàn)為隆升運(yùn)動(dòng)，平均上升2 mm/a左右。20世紀(jì)80—90年代表現(xiàn)為東西兩邊上升速率較高，中部較低；1995—2016年整體上變化趨勢(shì)為“東大西小”，東部地區(qū)每年上升2～3 mm，中部地區(qū)每年上升1 mm左右。從近20年的運(yùn)動(dòng)速率來(lái)看，整個(gè)山東半島的平均上升速率高于20世紀(jì)80—90年代的平均上升速率，原因可能與太平洋板塊的俯沖運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致該地區(qū)隆起有關(guān)。該地區(qū)的等值線大致呈NE向展布，與區(qū)域構(gòu)造基本一致。

3)江蘇地區(qū)地處平原，大部分地區(qū)表現(xiàn)為下沉，下沉速率一般在2～5 mm/a。1985—1995年蘇北沿海地區(qū)下沉，通榆周圍區(qū)域下沉速率達(dá)到6 mm/a，蘇南則表現(xiàn)為隆升，上升速率2～3 mm/a；1995—2016年江蘇地區(qū)普遍顯示下沉，尤其由宿遷、泗洪、盱眙、淮陰組成的區(qū)域變化比較明顯，說(shuō)明江蘇地區(qū)以繼承性運(yùn)動(dòng)為主，同時(shí)存在一定波動(dòng)性。灌云至通榆、通榆至淮陰之間有2個(gè)孤立的點(diǎn)造成局部沉降，繪等值線圖時(shí)周圍結(jié)果都是插值得到，可靠性較低。

4)安徽地區(qū)也以隆升運(yùn)動(dòng)為主，1985—1995年間上升速率為2～3 mm/a，等值線分布較寬緩。由于最新一期只觀測(cè)了安徽北部地區(qū)，對(duì)安徽地區(qū)反映不明顯，但可以看出安徽北部與之前具有較好的一致性。

2.2 梯度等值線分析

在垂直形變速率結(jié)果的基礎(chǔ)上分別計(jì)算了1985—1995年和1995—2016年的運(yùn)動(dòng)速率梯度[5]，繪制的梯度等值線圖如圖5所示。另外，1995—2016年計(jì)算梯度時(shí)沒(méi)有采用灌云至通榆和通榆至淮陰之間2個(gè)孤立的點(diǎn)，是因?yàn)楣铝Ⅻc(diǎn)會(huì)使得局部區(qū)域計(jì)算結(jié)果不可靠。

圖5 蘇魯皖地區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)速率梯度圖

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，山東、江蘇和安徽大部分地區(qū)的垂直形變梯度都在0.05 mm/(a·km-1)以內(nèi)，相對(duì)較低，梯度值較大的地區(qū)主要是等值線分布較密集的部分，也就是運(yùn)動(dòng)速率變化比較大的區(qū)域。具體來(lái)看，高梯度區(qū)主要集中在沉降區(qū)。

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究，地震多發(fā)生在高梯度值附近的區(qū)域，因?yàn)楦咛荻葞Ф嗍腔顒?dòng)構(gòu)造所在的部位，反映的是現(xiàn)在正處于活動(dòng)階段的構(gòu)造，這種活動(dòng)構(gòu)造可能是新生的，也可能是原來(lái)已經(jīng)存在的構(gòu)造繼續(xù)活動(dòng)[6-8]。從歷史地震來(lái)看，發(fā)生在此區(qū)域的4.0級(jí)以上地震主要有1995年山東蒼山5.2級(jí)、2006年安徽定遠(yuǎn)4.2級(jí)、2012年江蘇揚(yáng)州4.9級(jí)和2013年山東萊州4.6級(jí)地震，且其中3次發(fā)生在郯廬斷裂帶附近。由于4次地震都是1995年以后發(fā)生的，所以1985—1995年的垂直形變梯度值就有了一定的預(yù)測(cè)意義。由圖5a可以看出4次地震中有3次在較高梯度值區(qū)域內(nèi)或邊緣，說(shuō)明該區(qū)域垂直形變高梯度區(qū)對(duì)4～5級(jí)地震具有一定的反映。

2.3 主要斷裂剖面分析

根據(jù)蘇魯皖地區(qū)的主要活動(dòng)斷裂，選取2條線路進(jìn)行剖面分析(圖1)。

1)滕縣—蒙陰—莒縣—日照水準(zhǔn)剖面

由于該剖面在1985—1995年無(wú)公共部分，所以只繪制了1995—2016年的速率剖面。從圖6中可以看出滕縣—蒙陰—莒縣—日照水準(zhǔn)剖面跨過(guò)了蒼尼斷裂、蒙山山前斷裂、新泰—蒙陰斷裂和沂沭斷裂帶。其中沂沭斷裂帶NE走向，傾向NW，另外3條斷裂都是NW走向，傾向SW[9-10]；蒼尼斷裂西側(cè)垂直形變速率1.3～1.6 mm/a，東側(cè)1.0～1.3 mm/a，略小于西側(cè)，整體來(lái)看該斷裂在水準(zhǔn)路線通過(guò)處呈弱壓性運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為逆斷變化；蒙山山前斷裂、新泰—蒙陰斷裂和沂沭斷裂帶兩側(cè)垂直形變速率變化不大，整體來(lái)看張壓性運(yùn)動(dòng)不顯著。

圖6 滕縣—蒙陰—莒縣—日照水準(zhǔn)剖面(1995—2016年)

2)徐州—宿遷水準(zhǔn)剖面

圖7 徐州—宿遷水準(zhǔn)剖面

從圖7中可以看出徐州—宿遷水準(zhǔn)剖面跨過(guò)了鄌郚—葛溝斷裂，是沂沭斷裂帶4條平行斷裂中的1條，其走向NE，傾向NW。該地區(qū)整體表現(xiàn)下沉，但2個(gè)時(shí)間段中斷裂兩側(cè)的垂直形變速率變化基本一致，整體來(lái)看該地區(qū)還是以繼承性運(yùn)動(dòng)為主，張壓性運(yùn)動(dòng)不明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

1)蘇魯皖地區(qū)整體為繼承性運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為山東山地和丘陵地區(qū)上升，江蘇平原地區(qū)下沉，安徽地區(qū)以隆升為主，與構(gòu)造地貌具有相似性。山東半島地區(qū)近20年平均運(yùn)動(dòng)速率較20年之前運(yùn)動(dòng)速率高，可能與周圍板塊運(yùn)動(dòng)有關(guān)；江蘇地區(qū)近20年下沉區(qū)域有所擴(kuò)大，尤其以宿遷、泗洪、盱眙、淮陰組成的區(qū)域變化比較明顯。

2)蘇魯皖地區(qū)的垂直形變梯度值普遍在0.05 mm/(a·km-1)以內(nèi)，相對(duì)較低，高梯度區(qū)主要集中在沉降區(qū)。歷史地震多發(fā)生在郯廬斷裂帶附近，并且該區(qū)域的高梯度區(qū)對(duì)4～5級(jí)地震具有一定的反映。

3)對(duì)蘇魯皖地區(qū)的主要活動(dòng)斷裂進(jìn)行剖面分析，可以看出主要斷裂兩側(cè)張壓性運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)，多以繼承性運(yùn)動(dòng)為主。

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Vertical Crustal Deformation Characteristics in Su-Lu-Wan Area Based on Precise Leveling Data

TIAN Xiao, ZHENG Hong-yan, SU Guang-li, SUN Qi-kai, CHANG Liu, WANG Jia-qing

(First Crust Monitoring and Application Center, CEA, Tianjin 300180, China)

The rate of vertical movement is calculated using the leveling data surveyed in 1985, 1995 and 2016 in Su-Lu-Wan area, conducting dynamic adjustment with constraint of several GPS points. The evolutional characteristics of vertical deformation in Su-Lu-Wan area in recent 30 years are analyzed basing on the vertical movement rate, the gradient and the profiles of some main active faults. The result shows that inherited movement is the primary activity in Su-Lu-Wan area with a rising movement in Shandong and a sinking movement in Jiangsu, and the changes are obvious. The relationship between the historical earthquakes and the gradient maps indicates that the areas with high gradient have a certain reflection on theM4 -M5earthquakes.

precise leveling; Su-Lu-Wan area; characteristics of vertical crustal deformation; constraint adjustment; gradient

2016-11-07

中國(guó)綜合地球物理場(chǎng)觀測(cè)——大華北地區(qū)(201508009)；中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、科研三結(jié)合課題(CEA-JC/3JH-163711)

田 曉(1988—)，男，山東人，助理工程師，主要從事精密水準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理與分析工作.E-mail：tx_yice@163.com

P315.7

A

1003-1375(2017)03-0027-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.03.005

田曉，鄭洪艷，蘇廣利，等．基于精密水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的蘇魯皖地區(qū)垂直形變特征[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(3):27-31.