殷海濤

研究背景

（一）開展防震減災工作的現(xiàn)實需要

沂沭斷裂帶是中國東部著名的郯（城）廬（江）深大斷裂在山東境內(nèi)的區(qū)段，也是整個郯廬斷裂帶上出露最好、規(guī)模最大、第四紀活動最強烈的地區(qū)。該斷裂帶北起渤海萊州灣，向南經(jīng)昌邑、濰坊、安丘、莒縣、臨沂、郯城，延入江蘇新沂一帶，縱貫山東省中部，長達330多公里。沂沭斷裂帶主要由第四紀活動的鄌郚—葛溝斷裂（F4）、沂水—湯頭斷裂（F3）、白芬子—浮來山斷裂（F2）、安丘—莒縣斷裂（F5）和昌邑—大店斷裂（F1）5條主干斷裂組成（圖1），這五條主斷裂在魯中沂、沭河谷地構成了20—40公里的“兩塹夾一壘”的構造。第四紀以來，該斷裂帶新構造運動強烈，據(jù)統(tǒng)計沂沭帶地區(qū)歷史上曾發(fā)生過5級以上地震25次，其中8級以上地震1次，為1668年郯城8.5級地震；7級以上地震4次，如公元前70年安丘7.0級地震和1969年渤海7.4級地震（圖1）。此外，與之相關聯(lián)的益都—無棣斷裂、雙山—李家莊斷裂、蒼尼斷裂、沂水—沂源等北西向分支斷裂，第四紀時期也有明顯活動，發(fā)生過多次中強地震，如1995年蒼山5.2級地震。

最近幾年，沂沭斷裂帶及附近地區(qū)也發(fā)生了多次強有感地震和震群，如2013年11月23日萊州發(fā)生的ML5.0級地震，此次地震是繼蒼山5.2級地震后，山東內(nèi)陸發(fā)生的最大地震。所以，沂沭斷裂帶作為山東乃至華北地區(qū)的主要地震活動區(qū)之一，不僅在歷史上發(fā)生過多次強烈地震，近期地震活動也相對活躍，對其運動狀態(tài)進行系統(tǒng)的分析研究具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 研究區(qū)地震活動分布圖

（二）重要的理論研究價值

對長期演化、構造復雜、新構造運動強的沂沭斷裂帶來說，其現(xiàn)階段的構造活動如何，局部地區(qū)的形變演化如何，反映了怎樣的地球動力學過程，這些問題多年來一直備受國內(nèi)外地質(zhì)、地震學家的關注（張國民，1988；魏光興，1993；鄧起東，2002；張培震，2003）。孕育地震的能量主要來源于地殼差異運動產(chǎn)生的應變能積累，因而從地殼形變觀測資料所獲取現(xiàn)今地殼運動微動態(tài)定量信息，對探討地震的孕育和發(fā)生是十分必要的。近些年，GPS技術在地殼形變監(jiān)測和地震中期預測方面發(fā)揮了重要的作用。GPS空間大地測量技術在大、中空間尺度上把水平觀測精度提高到了10-8-10-9水平，使得大區(qū)域地殼運動監(jiān)測能力有了根本性提高，為地球動力學和地震模型的建立提供了很好的約束條件，如用于板塊邊界帶的運動、同震錯動、斷層系統(tǒng)動力學以及孕震過程研究等方面的工作，不僅促使動力學研究更逼近實際、同時也為地震的動力學預報逐步創(chuàng)造條件（周碩愚，2006）。

華北作為中國大陸開展GPS測量最早的地區(qū)之一，積累了較為豐富的觀測資料，多位專家學者已經(jīng)做出了大量有價值的研究成果（李延興，2003；張培震，2003；江在森，2003；牛之俊，2005；郭良遷，2007；楊國華，2007；王敏，2011），為研究華北地區(qū)的地殼運動奠定了基礎。但這些成果所采用的數(shù)據(jù)大多以流動站為主，其時-空分辨率和可靠性等都具有一定的局限性，而且針對地殼運動垂向變化的研究相對較少。針對這個問題，在前人研究的基礎上，本研究利用沂沭斷裂帶及其附近地區(qū)130個山東CORS站點（Continuously Operating Reference Stations）連續(xù)5年（2011—2016）的觀測數(shù)據(jù)，結合16個跨斷層水準測量和154個流動重力測點資料，構建沂沭斷裂帶構造活動高時-空分辨率的三維形變場，并通過分析不同區(qū)段的斷層運動速率、應變積累水平等信息研究斷裂帶近期的地殼運動演化過程和方式，為全面深入認識沂沭斷裂帶現(xiàn)今的三維形變特征以及地震危險區(qū)的研判提供定量支持。

研究目標、內(nèi)容和技術路線

（一） 研究目標

利用高精度、高密度的GPS觀測資料獲取沂沭斷裂帶及其北西向分支斷裂的三維地殼活動圖像，并結合水準、重力等資料分析其運動特征；通過分析不同斷層區(qū)段的構造形變態(tài)勢、應變積累水平以及斷層蠕滑速率等參數(shù)，為未來地震危險性判定提供定量依據(jù)，進一步結合實際地震活動特征，為地震的動力學預報提供支持。

（二）研究內(nèi)容

本項目在整理沂沭斷裂帶及其周邊地區(qū)的高質(zhì)量、高密度GPS觀測數(shù)據(jù)的基礎上，獲取高精度、高時-空分辨率的地殼形變場圖像，并結合垂向觀測手段來分析斷裂帶的時-空變化特征，并為區(qū)域地震預測提供定量依據(jù)。為達到該研究目標，需要開展以下幾方面的研究工作：

1.批量GPS觀測數(shù)據(jù)資料的分析整理與高精度綜合處理。主要涉及批量CORS站數(shù)據(jù)的篩選、高精度數(shù)據(jù)的解算、GPS三維坐標時間序列分析、多源非構造形變干擾分析及剔除等內(nèi)容，最終得到高精度的GPS地殼形變解算結果。

2.沂沭斷裂帶地區(qū)現(xiàn)今的三維形變特征及時-空演化過程分析。主要涉及參考框架的選取、區(qū)域速度場的計算（最優(yōu)空間插值算法）、跨斷層基線分析以及跨斷層水準和流動重力觀測資料分析等內(nèi)容，最終確定沂沭斷裂帶及其主要分支斷裂的運動特征。

3.區(qū)域地震危險性研判。主要是通過分析斷裂構造變形態(tài)勢、區(qū)域應變積累水平以及斷層閉鎖程度等參數(shù)，為區(qū)域地震危險性判定提供定量依據(jù)，并結合沂沭帶地區(qū)實際的地震活動特點，為地震的動力學預報提供支持。涉及內(nèi)容包括主應變率場、最大剪切應變率場、面應變率場的計算，斷層蠕滑深度和蠕滑速率的反演等工作。

（三）技術路線

綜合考慮本項目實施的目標、內(nèi)容以及現(xiàn)有的技術手段和資金預算情況，按照圖2所示的技術路線開展研究。

1.高時-空分辨率GPS觀測網(wǎng)點的篩選

圖2 技術路線流程圖

沂沭斷裂帶現(xiàn)今的運動整體表現(xiàn)為右旋走滑，但由于其斷層的復雜性，其不同分段也表現(xiàn)出不同的運動特性。為了最有效地捕獲和分辨斷裂運動特征，我們對沂沭斷裂帶及其周邊現(xiàn)存的連續(xù)觀測基準站資料進行分析研究。由于山東CORS站資料存在站點不穩(wěn)定、連續(xù)性不高等問題，采用TEQC程序和自主開發(fā)的Fortran程序?qū)⒉荒軡M足地殼運動觀測的站點數(shù)據(jù)進行剔除。剔除涉及兩方面內(nèi)容：一是利用TEQC軟件對每天的原始觀測數(shù)據(jù)進行觀測時長和觀測質(zhì)量（觀測噪聲、多路徑效應等誤差）的分析，將質(zhì)量差的站點進行剔除；二是對解算結果中存在的奇異點進行篩選，剔除精度較低、序列不穩(wěn)定或明顯異于周邊站點的資料。考慮到站點的分布均勻性，對站點較為密集的區(qū)域進行站點抽稀處理確保整個結果的正確性和可靠性。

2. GPS觀測數(shù)據(jù)的高精度處理

目前山東GPS連續(xù)觀測網(wǎng)的密度較大，站點的平均距離小于50km，在GPS的數(shù)據(jù)處理過程中，可克服多種誤差干擾，獲得高精度的地殼形變與構造運動結果。我們使用行業(yè)通用的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT（V10.6）和GIPSY（V6.2）分別進行解算，兩套軟件的處理策略和優(yōu)勢弱點有所不同，可進行相互檢核和查錯，確保處理結果的精度和可靠性。GPS數(shù)據(jù)后期處理，包括站點時間序列分析、單日解聯(lián)合平差獲取速度場等工作采用QOCA（V1.35）來完成。

3.參考框架的選擇

為了更好地繪制現(xiàn)階段沂沭斷裂帶3D速度場，挖掘沂沭斷裂帶最顯著的運動特征，采用自主編寫的matlab程序，分別計算該區(qū)域相對于歐亞塊體、華南塊體、鄂爾多斯塊體（張培震院士建議）的水平速度場，發(fā)現(xiàn)其整體運動特征；然后再建立沂沭帶地區(qū)的“局域自洽”參考框架（山東16個站，選取最穩(wěn)定的站點，CASH、RIZH、TAIN、YATI、WUDI等），發(fā)現(xiàn)其局域內(nèi)部細微的運動特征。

4.斷裂帶垂直運動特征的量化分析

山東GPS連續(xù)觀測網(wǎng)的密度較大，可以利用其垂直時間序列建立垂直速度場。我們選取研究區(qū)2011至2016共6年、38個連續(xù)站的時間序列數(shù)據(jù)，獲取了山東地區(qū)高精度、高時空分辨率的地殼垂直形變速率（杜存鵬等，2018，圖3），結果表明：1）山東大部分地區(qū)呈現(xiàn)差異性下降狀態(tài)，只有中部泰山山脈地區(qū)出現(xiàn)上升現(xiàn)象，與研究區(qū)繼承性構造活動相一致。2）山東半島區(qū)域的基準站呈現(xiàn)正常的沉降趨勢，而山東省的西北部地區(qū)和西部地區(qū)由于過度開采地下水，沉降較大。

利用跨斷層GPS基線可量化分析沂沭帶及其北西向分支斷裂現(xiàn)今的運動狀態(tài)。一方面，分別利用年周期法，小波分析法，發(fā)現(xiàn)其年變特性和低頻特性，并對多源非構造形變干擾進行剔除，得到更加純凈的構造形變信息，進而發(fā)現(xiàn)斷裂活動的演化規(guī)律。另一方面，利用垂直形變速率合成法（李杰等，2010）計算跨斷層水準資料不同時段的變化速率，對斷層活動方式進行分析。結果表明（李杰等，2018）：沂沭斷裂帶及其北西向分支斷裂近期垂直形變速率均較小，沒有明顯的速率異常和受力狀態(tài)改變；1995年蒼山5.2級、2011年日本9.0級地震（圖4）前后斷裂垂直形變速率和受力方式發(fā)生了變化。

圖3 山東區(qū)域2011—2016年垂直形變場

圖4 日本9.0級地震前后垂直形變特征

5.區(qū)域重力場分析

重力資料處理采用《LGADJ》程序進行自由網(wǎng)平差，以獲得測網(wǎng)中心基準下的重力變化。為了體現(xiàn)起算點的穩(wěn)定性，以泰安、日照兩個絕對重力觀測點為約束，采用魯南測網(wǎng)、膠東測網(wǎng)及魯中測區(qū)合并計算整體平差方法，再利用最小二乘配置方法對重力平差結果進行擬合推估，以便突出顯示構造因素的重力效應。對區(qū)域重力場不同時段（半年尺度、年尺度等）以及多年累積變化量進行分析，發(fā)現(xiàn)區(qū)域地殼物質(zhì)的轉(zhuǎn)化狀態(tài)。以2016年8月至2017年8月一年尺度重力場特征為例，顯示（圖5）重力零值線在濟南、淄博與濱州之間劇烈扭曲，形成明顯的重力梯度帶，沂沭斷裂帶北段重力場差異變化較大。

圖5 山東地區(qū)重力場變化等值線

圖6 研究區(qū)總釋放能量折算震級M與兩側(cè)塊體相對運動的關系

6.斷層蠕滑深度及蠕滑速率的反演

為發(fā)現(xiàn)沂沭斷裂帶淺層蠕滑特征，我們以其周邊GPS地殼形變資料為約束，基于OKADA斷裂位錯模型，采用網(wǎng)格搜索和模擬退火方法反演確定蠕滑深度和蠕滑速率。斷層位錯模型需要的參數(shù)，包括斷裂的長度、走向、傾角參數(shù)等信息，采用山東省地震工程研究院的最新研究成果“山東省1∶50萬地震構造圖”中的結論。脆性層深度通過區(qū)域小震精定位深度的統(tǒng)計大致確定。這樣，我們可以利用GPS速度場資料作為約束，更好地反演獲得斷層的蠕滑深度及其速率，為地震中長期預測提供支持。

7.區(qū)域地震預測的動力學分析

在獲取高精度、高密度三維GPS地殼形變觀測資料的基礎上，將全球參考框架的站速度進行內(nèi)插并且轉(zhuǎn)換為區(qū)域無旋轉(zhuǎn)基準，計算應變場（主應變、剪應變、面應變等）；結合實際的震情形勢，建立了區(qū)域構造運動演化過程與地震活動特征之間的相關關系，并通過定量研究孕震構造的形變態(tài)勢、斷裂運動轉(zhuǎn)換方式、斷層分段閉鎖程度、深部滑動速率和應力-應變積累水平等多項研究結果的綜合分析，力爭發(fā)現(xiàn)其動力學機制，為區(qū)域動力學預報提供幫助。圖6是以研究區(qū)ML0以上地震擬合建立的沂沭斷裂帶兩側(cè)地區(qū)總的能量釋放（折算為震級，時間窗長為6個月）與沂沭斷裂帶兩側(cè)塊體相對運動速率V的線性關系，可以為區(qū)域動力學預報提供技術支持。

成果總結與應用

本項目收集了研究區(qū)內(nèi)112個連續(xù)GPS觀測站、88個非連續(xù)GPS觀測站、20條跨斷層水準測線、154個流動重力觀測點數(shù)據(jù)及地震目錄、地質(zhì)構造、斷層模型數(shù)據(jù)。在此基礎上，解決了項目技術路線中的幾個關鍵問題，表現(xiàn)在：1）通過GPS數(shù)據(jù)篩選、高精度數(shù)據(jù)解算、序列分析及非構造形變干擾剔除等過程，獲得了研究區(qū)高精度、高時-空分辨率的地殼形變場。2）利用GPS垂直向及水準資料研究了目標區(qū)垂直形變特征及其與蒼山地震、日本地震及地形構造的關系，在此基礎上建立了三維速度場。3）以日本地震為時間節(jié)點，研究了地震前后區(qū)域應變積累水平、沂沭斷裂帶分段形變特征等參數(shù)，為區(qū)域地震危險性判定提供了定量依據(jù)。4）通過塊體模型建立了區(qū)域構造運動演化過程與地震活動特征之間的相關關系，探討了區(qū)域地震活動形勢的動力學機制，結合重力觀測結果為區(qū)域動力學預測提供幫助。研究成果及時應用于山東省地震趨勢會商中，為區(qū)域地震趨勢研判提供了重要技術支撐。