計(jì)昊旻 李 安 張世民

1)應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085 2)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

0 引言

郯廬斷裂帶是中國(guó)東部規(guī)模最大且切穿巖石圈的活動(dòng)走滑斷裂帶。鄭朗蓀等(1988)依據(jù)其構(gòu)造活動(dòng)及地震活動(dòng)特征將之分為4段，由北向南依次為鶴崗—鐵嶺段、下遼河—萊州灣段、魯蘇沂沭段及大別山—廣濟(jì)段。其中，由于沂沭段途徑山東、江蘇等人口稠密地區(qū)，且曾發(fā)生過(guò)2次大震級(jí)的歷史地震，即70BC安丘7級(jí)地震與1668年郯城8.5級(jí)地震，受到了眾學(xué)者的格外關(guān)注，目前已針對(duì)其晚第四紀(jì)活動(dòng)特征開(kāi)展了大量研究工作，但是關(guān)于這2次地震的破裂長(zhǎng)度仍存在爭(zhēng)議。Jiang等(2017)通過(guò)航衛(wèi)片解譯獲得了400余條沖溝的右旋位錯(cuò)量，認(rèn)為郯城地震的最大同震位錯(cuò)量約為9m； Jiao等(2016)基于地震形成的裂點(diǎn)的后退速率和時(shí)間的關(guān)系，估計(jì)莒縣—郯城段的水平滑動(dòng)速率為2.86mm/a。而針對(duì)安丘—莒縣段的位錯(cuò)量，前人在一些典型地點(diǎn)進(jìn)行了一些測(cè)量工作(何宏林等，2004； 宋方敏等，2005； 王志才等，2005，2015； 楊曉平等，2006； 張鵬等，2010，2015，2019)。王志才等(2015)測(cè)量了數(shù)個(gè)10～20m的較大水平位錯(cuò)； 2004—2006年間一些學(xué)者在安丘—莒縣段上也進(jìn)行了槽探和測(cè)量工作(何宏林等，2004； 宋方敏等，2005； 楊曉平等，2006)。雖然他們都提到跨斷層的許多沖溝均表現(xiàn)出右旋同步位錯(cuò)現(xiàn)象，但由于缺乏高精度的測(cè)量手段，未能獲得較為一致的同震位錯(cuò)量結(jié)果。同時(shí)，由于測(cè)得的位移量差異較大，難以發(fā)現(xiàn)是否存在特征地震或特征位移。此外，受取樣條件等因素所限，相關(guān)的槽探工作也并未獲得較好的古地震序列。

近年來(lái)，隨著高精度測(cè)量技術(shù)和高分辨率衛(wèi)星影像的應(yīng)用得到普及，使獲取大量高精度的位錯(cuò)量測(cè)量數(shù)據(jù)用于統(tǒng)計(jì)學(xué)分析成為了可能。本研究即對(duì)郯廬斷裂帶安丘—莒縣段進(jìn)行高分辨率遙感影像解譯與高精度無(wú)人機(jī)SfM測(cè)量，獲取了大量斷裂水平位錯(cuò)的高精度定量數(shù)據(jù)，以此對(duì)該斷裂的右旋走滑特征進(jìn)行分析。

1 地質(zhì)背景

郯廬斷裂帶安丘—莒縣段南起莒縣胡家孟堰村，北達(dá)昌邑市，途徑安丘市，全長(zhǎng)約170km(圖1b)，表現(xiàn)為4個(gè)不連續(xù)出露的斷裂段，分別為昌邑—南流段、安丘—孟瞳段、青峰嶺段及莒縣—孟堰段。各段之間以左階斜列階區(qū)分隔，每段又由次級(jí)段落右階斜列組成。

圖1 郯廬斷裂帶的斷裂分布圖Fig. 1 Distribution map of the Tanlu fault zone.F1昌邑-大店斷裂； F2白芬子-浮來(lái)山斷裂； F3沂水-湯頭斷裂； F4鄌郚-葛溝斷裂； F5安丘-莒縣斷裂

昌邑—南流段長(zhǎng)約31km，在斷層出露處形成陡坎，西高東低，構(gòu)成了丘陵與平原的分界線。該段出露斷面錯(cuò)斷的全新世黏土層的年齡為3500a(王志才等，2015)。安丘—孟瞳段斷層的地表出露長(zhǎng)度約為21km。斷層總體走向?yàn)?5°～20°，斷面傾向NWW，傾角為70°～80°，斷裂以右旋走滑活動(dòng)為主，并伴有逆沖分量(王志才等，2015)。青峰嶺段長(zhǎng)約32km，北端始于小店子村，向S途徑高固崖村、茅埠村等，末端隱伏。斷層走向?yàn)?5°～20°，斷面傾向多為SE，少量?jī)A向W，傾角普遍>60°，活動(dòng)方式以右旋走滑為主，兼具少量逆沖分量(王志才等，2015)。莒縣—孟堰段的出露長(zhǎng)度約為20km，北起莒縣劉官莊西側(cè)，經(jīng)胡家孟堰西至主家?guī)X，向S隱伏。該段總體走向約為20°，主斷面傾向NW，傾角約為70°，斷層以右旋走滑活動(dòng)為主，伴逆沖分量。斷層出露處可見(jiàn)明顯陡坎，高1～2m，測(cè)得的水平位移量分別為2.5m、7.7m、(8±1)m 及(11±1)m(何宏林等，2004； 王志才等，2015)。在此段進(jìn)行的槽探工作揭露出3次古地震事件，時(shí)間分別為(12530±1060)～(36420±3090)aBP、(12530±1060)aBP之后以及(2140±190)aBP之前(何宏林等，2004)。

2 研究方法

跨斷層而過(guò)的河流、山脊、沖溝等地貌標(biāo)志可有效地記錄該斷層活動(dòng)的累計(jì)位錯(cuò)量，由此可對(duì)斷層的活動(dòng)歷史進(jìn)行合理推斷(Klingeretal.，2011； Zielkeetal.，2012； Renetal.，2015)，但斷層每次活動(dòng)形成的位移量往往只有數(shù)m，這對(duì)測(cè)量精度提出了較高要求。

本次野外測(cè)繪工具為大疆P4RTK無(wú)人機(jī)，該款機(jī)型可進(jìn)行高重疊率的攝影測(cè)量，照片中心點(diǎn)的坐標(biāo)將與地面控制站進(jìn)行GPS實(shí)時(shí)差分(RTK)定位計(jì)算，定位誤差僅0.015m。利用Structure from Motion(SfM)攝影測(cè)量的三維重建技術(shù)對(duì)照片進(jìn)行拼接后，可獲得高分辨率的正射影像和DEM數(shù)據(jù)。

河流及沖溝的位錯(cuò)則利用基于MATLAB平臺(tái)開(kāi)發(fā)的LaDiCao_v2軟件進(jìn)行測(cè)量。該軟件是一款專門(mén)針對(duì)河流及沖溝位錯(cuò)分析測(cè)量的專業(yè)分析軟件，用戶只需將高精度DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，并對(duì)斷層位置及河流、沖溝的上、下游進(jìn)行標(biāo)注(圖2a，d)，軟件便會(huì)依據(jù)河流或沖溝上、下游的中心線在斷層線上的交點(diǎn)(即實(shí)際位錯(cuò)值)，結(jié)合其流向與斷層走向關(guān)系進(jìn)行擬合計(jì)算(圖2f，g)，當(dāng)位錯(cuò)值的不匹配因子最低時(shí)(圖2e)，該值便為擬合最佳位錯(cuò)值(Zielkeetal.，2010，2012，2015)。輸入得到的最佳位錯(cuò)值，軟件即會(huì)給出該處直觀的原始地貌(圖2b)。經(jīng)與野外實(shí)際測(cè)量值比對(duì)可知，軟件得出的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)與實(shí)際相符。

圖2 基于高分辨率DEM數(shù)據(jù)的位錯(cuò)量測(cè)量方法Fig. 2 The method for measuring dislocation based on high-resolution DEM data.

3 沖溝的右旋水平位移

在高分辨率衛(wèi)星影像解譯工作的基礎(chǔ)上，沿?cái)鄬幼呦蜻M(jìn)行了野外踏勘，并對(duì)大量存在沖溝水平位錯(cuò)的點(diǎn)進(jìn)行了攝影測(cè)量，其中在昌邑—南流段上劉家營(yíng)子SW側(cè)的河灣河發(fā)現(xiàn)了河流階地的右旋水平位錯(cuò)和斷層剖面(圖3)。由于上游水庫(kù)蓄水導(dǎo)致河溝斷流，在河床中可見(jiàn)殘留的基巖跌水。河溝右岸的T2和T1階地分別保留了10.8(+0.5/-1.2)m、4.9(+0.4/-0.5)m的右旋水平位移(圖3a，b)及2.5m、1.5m的傾滑分量(圖3c，d)。在斷層剖面上(圖3e)可見(jiàn)5條斷層面： F5斷面在最西側(cè)，底部切穿基巖，形成了一條寬約10cm的垂直裂縫，基巖斷面的產(chǎn)狀為125°∠74°，頂部同樣錯(cuò)斷T2階地礫石層； 中間為F3斷面，下部產(chǎn)狀為125°∠79°，上部?jī)A角變緩為30°～35°，與F5相同，F(xiàn)3也錯(cuò)動(dòng)了T2階地的礫石層，垂直斷距約15cm； 東支斷層面F2和中間斷面相似，下部?jī)A角較大，約為75°，上部?jī)A角變緩為30°～35°。F4和F3之間的巖性為黃色斷層碎裂巖⑦； 而F3與F2之間的下部巖性為深褐色斷層泥⑥，上部為灰黃色崩積楔⑤； F1斷層面以東為沉積物，頂部被礫石層③蓋住，層③以上依次覆蓋砂層②和地表礫石層①。5條斷面中，F(xiàn)5和F3斷面 “通天”斷錯(cuò)所有地層，F(xiàn)4和F2被層①蓋住，F(xiàn)2斷錯(cuò)了層②及以下地層，F(xiàn)1斷面被層③蓋住。由此可知，該處至少揭示了3次古地震事件，且F5和F3錯(cuò)斷了T2階地礫石層，該斷裂應(yīng)為全新世晚期活動(dòng)斷裂，最新的活動(dòng)事件可能對(duì)應(yīng)70BC安丘7級(jí)歷史地震。

圖3 劉家營(yíng)子斷層出露(位置見(jiàn)圖1)Fig. 3 The emergence of fault in Liujiayingzi Village.①黃色礫石層； ②黃色砂層； ③黃色礫石層； ④黃色含礫斷層泥； ⑤灰黃色崩積楔； ⑥深褐色斷層泥； ⑦黃色斷層碎裂巖； ⑧灰黑色礫巖

表1 無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)參數(shù)Table1 Data parameters of SfM

此外，對(duì)安丘—孟瞳段和青峰嶺段上的7處斷錯(cuò)地貌典型地段進(jìn)行了高精度無(wú)人機(jī)航拍(圖1 中的Ⅰ—Ⅶ)，通過(guò)SfM方法獲得了高精度DEM數(shù)據(jù)(表1)。其中點(diǎn)Ⅰ—Ⅲ位于安丘—孟瞳段，點(diǎn)Ⅳ—Ⅶ位于青峰嶺段。對(duì)每個(gè)地段均進(jìn)行了沖溝解譯(圖4)，并利用沖溝位錯(cuò)分析測(cè)量軟件LaDiCao_v2獲得了69個(gè)沖溝的右旋位錯(cuò)量，人工解譯了8個(gè)沖溝位錯(cuò)量，同時(shí)收集了2個(gè)以前的工作數(shù)據(jù)(王家?guī)X)及5個(gè)前人文獻(xiàn)中的沖溝數(shù)據(jù)(王志才等，2015)，沖溝位錯(cuò)數(shù)據(jù)總計(jì)84個(gè)(表2)。

圖4 安丘—孟瞳段的實(shí)測(cè)地形和沖溝位錯(cuò)解譯Fig. 4 The measured topography and interpretation of gully dislocations of Anqiu-Mengtong segment.a、b 田家官莊的地形和沖溝位錯(cuò)解譯； c 小陸閣莊的地形和沖溝位錯(cuò)解譯； d 小阿坨的地形和沖溝位錯(cuò)解譯

表2 沖溝位錯(cuò)統(tǒng)計(jì)表Table2 Statistics of gully dislocations

圖5 青峰嶺段的實(shí)測(cè)地形和沖溝位錯(cuò)解譯Fig. 5 The measured topography and interpretation of gully dislocations of Qingfengling segment.a、b 高固崖的地形和沖溝位錯(cuò)解譯； c 茅埠的地形和沖溝位錯(cuò)解譯； d、e 王家臺(tái)子的地形和沖溝位錯(cuò)解譯； f 庫(kù)山的地形和沖溝位錯(cuò)解譯

4 沖溝的水平位移分布特征

4.1 安丘—孟瞳段的分布特征

安丘—孟瞳段斷裂的走向總體為NNE，沿?cái)鄬有纬筛?～4.6m不等的陡坎，地形也以此為界，呈現(xiàn)西高東低的格局。地貌上呈現(xiàn)的高差導(dǎo)致跨陡坎發(fā)育大量沖溝，且隨斷層活動(dòng)形成明顯的右旋位錯(cuò)(圖4)。但由于上升盤(pán)的第四系覆蓋層較薄，厚度<1m，較難對(duì)沖溝進(jìn)行侵蝕溯源，沖溝的長(zhǎng)度在斷層上升盤(pán)一側(cè)較短，在下降盤(pán)一側(cè)較長(zhǎng)。產(chǎn)生水平位移的沖溝主要集中在田家官莊村附近(圖4a，b)，在小陸閣莊村(圖4c)和小阿坨村(圖4d)均發(fā)現(xiàn)沖溝水平位錯(cuò)。于該段共獲得26個(gè)沖溝右旋水平位錯(cuò)量，右旋水平位錯(cuò)量為4.9(-0.9/+0.1)～39.5(±0.5)m不等。利用多峰正態(tài)概率分布函數(shù)擬合數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示右旋位錯(cuò)量集中分布于以5m、10.4m、15.5m、20.6m和25m為峰值的5個(gè)區(qū)間(圖6a)。其中，5m和10.4m位錯(cuò)量區(qū)間的數(shù)據(jù)最多，隨著沖溝錯(cuò)距的增大，區(qū)間內(nèi)的沖溝數(shù)量逐漸減少，>25m的沖溝位錯(cuò)量不具有統(tǒng)計(jì)意義。其中，10.4m、15.5m和20.6m區(qū)間的沖溝位錯(cuò)量都集中在峰值附近。

圖6 沖溝位錯(cuò)統(tǒng)計(jì)圖Fig. 6 Statistical chart of gully dislocations.a 安丘—孟瞳段； b 青峰嶺段。柱狀圖代表沖溝個(gè)數(shù)； 曲線代表分布概率

4.2 青峰嶺段的分布特征

青峰嶺段的斷層出露處地形類似于安丘—孟瞳段，但斷層陡坎只在局部發(fā)育，如高固崖北側(cè)(圖5b)陡坎明顯，而南側(cè)(圖5a)陡坎高度逐漸下降直至消失，斷層也隨之進(jìn)入隱伏態(tài)。該段位錯(cuò)沖溝主要集中在高固崖村(圖5a，b)及王家臺(tái)子村(圖5d，e)附近，庫(kù)山(圖5f)和茅埠(圖5c)附近也有少量沖溝發(fā)生右旋位錯(cuò)。在該處共測(cè)量獲得53處沖溝位錯(cuò)量，與王志才等(2015)測(cè)得的5處古路官莊村沖溝位錯(cuò)合并共同進(jìn)行正態(tài)多峰概率分布函數(shù)擬合，可以得出青峰嶺段的沖溝位錯(cuò)量分布集中在以5m、9.7m、16m、19.7m為峰值的4個(gè)區(qū)間之內(nèi)(圖6b)。5m區(qū)間內(nèi)分布的數(shù)據(jù)最多(14個(gè))，19.7m區(qū)間的數(shù)據(jù)最少(9個(gè))，>20m的位錯(cuò)量個(gè)數(shù)較少，因此獲得的25m、30.6m和35.4m的峰值可靠性較差。

4.3 整體分布特征

安丘—莒縣段斷裂上的右旋位移量為4～50m不等，將各沖溝點(diǎn)及位錯(cuò)量按距離投影到安丘—莒縣段(圖7)，并對(duì)位錯(cuò)量數(shù)據(jù)進(jìn)行概率分布統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，安丘—莒縣段斷裂的右旋位移量主要集中在以5.1m、10.3m、15.8m和20.3m為峰值的4個(gè)區(qū)間內(nèi)。更大的位移值因樣本太少，可信度低。安丘—莒縣段整體的位錯(cuò)量分布區(qū)間與安丘—孟疃段和青峰嶺段單段的區(qū)間分布性相似，均存在約5m的位錯(cuò)量間隔。

圖7 安丘—莒縣段的水平位移量分布Fig. 7 Statistics of gully dislocations of Anqiu-Juxian section.柱狀圖代表沖溝個(gè)數(shù)，曲線代表分布概率

5 討論

5.1 特征位移量

地震破裂產(chǎn)生的右旋位錯(cuò)可被沖溝等地貌保留，而多次地震產(chǎn)生的累計(jì)位移也可被沖溝等地貌記錄下來(lái)(Zielkeetal.，2010； Klingeretal.，2011)。大量的沖溝位錯(cuò)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的累計(jì)位移分布概率結(jié)果顯示，在安丘—孟瞳段和青峰嶺段均呈現(xiàn)出約5m的位移量間隔(圖6)。除前文提到的何宏林等(2004)在最南端莒縣—孟堰段測(cè)得過(guò)2.5m的沖溝水平位錯(cuò)外，本次工作并未發(fā)現(xiàn)更小間隔的水平位移量。而2.5m水平位移量偏小的原因可能是由于該點(diǎn)位于安丘—莒縣斷裂的最南端，斷層破裂至尾端位移量逐漸減小至消失。

因此，目前統(tǒng)計(jì)得到的5m最小位錯(cuò)量應(yīng)具有較好的可信度。而更大的位錯(cuò)量區(qū)間與5m的最小位錯(cuò)量呈倍數(shù)關(guān)系，可能反映了該斷裂段存在特征位移。但由于缺少古地震事件的約束，難以確定這種具有特征位移的斷裂段是否存在特征地震。

5.2 震級(jí)估計(jì)和級(jí)聯(lián)破裂

通過(guò)本文的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，安丘—孟疃段和青峰嶺存在相同的特征位移，但仍無(wú)法確定安丘—莒縣段為整體破裂，還是安丘—孟瞳段和青峰嶺段分段破裂。前人(Bonillaetal.，1984； 冉勇康，1990； 鄧起東等，1992； 劉靜，1994； Wellsetal.，1994； 葉文華等，1996； 冉洪流，2011)曾對(duì)大量走滑型地震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了位移量與震級(jí)(式(1))和破裂長(zhǎng)度(式(2))之間可能存在的線性關(guān)系：

M=a+blogD

(1)

logSRL=a+blogD

(2)

其中，D為單次事件的位錯(cuò)量；SRL為斷層地表破裂長(zhǎng)度；M為震級(jí)；a、b均為系數(shù)。

依照上述公式，以5m的水平位移為自變量對(duì)震級(jí)和地表破裂長(zhǎng)度進(jìn)行估計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3 和表4。

表3 地震震級(jí)估算結(jié)果Table3 Estimate of the earthquake magnitude and surface rupture length

表4 地表破裂長(zhǎng)度估算結(jié)果Table4 Estimate of the surface rupture length

震級(jí)計(jì)算結(jié)果(表3)的最小值為7.36，最大值為8.08，平均值為7.68，結(jié)果多集中在7.5～7.7之間，而目前已知發(fā)生在該段上的歷史地震為70BC安丘7.0級(jí)地震，其震級(jí)是根據(jù)史料記載及極震區(qū)范圍大致估算得到的。但史料同樣記載，安丘地區(qū)發(fā)生地震時(shí)，遠(yuǎn)在千里之外的皇帝都感受到了震動(dòng)，要出宮躲避(李康，2016)。結(jié)合計(jì)算結(jié)果分析，安丘地震的實(shí)際震級(jí)可能>7.5級(jí)，但具體結(jié)論還需進(jìn)一步工作論證。

此外，地表破裂與位錯(cuò)量間的計(jì)算結(jié)果(表4)可能指示著安丘地震的發(fā)震斷裂情況。目前，70BC安丘地震的發(fā)震斷裂及地表破裂情況也尚存爭(zhēng)議(王華林等，1989； 王華林，1990； 楊曉平等，2006； 王志才等，2015； 李康，2016)，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為這次地震的震中位置應(yīng)該在安丘市附近。在此基礎(chǔ)上，王志才等(2015)通過(guò)地質(zhì)填圖工作將安丘地震的發(fā)震斷裂暫定為安丘—孟瞳段，同時(shí)認(rèn)為安丘—莒縣段斷裂的4條次級(jí)斷裂均具有單獨(dú)發(fā)生7級(jí)及以上地震的構(gòu)造條件，甚至如若2段或3段破裂貫通，大概率會(huì)產(chǎn)生7.5級(jí)以上的地震。表3 的結(jié)果顯示，5m的位錯(cuò)量可能對(duì)應(yīng)著約100km的地表破裂，而安丘—孟瞳段的長(zhǎng)度只有21km，很難滿足地表破裂長(zhǎng)度的要求。何宏林等(2004)在莒縣—孟堰段的研究結(jié)果表明，該段最新一次古地震事件發(fā)生在(2140±190)aBP之前，但是沒(méi)有歷史地震與之對(duì)應(yīng)。因此，70BC安丘地震可能導(dǎo)致安丘—孟瞳段、青峰嶺段和莒縣—孟堰段的級(jí)聯(lián)破裂，結(jié)合長(zhǎng)安有感的記載，安丘7級(jí)地震的震級(jí)估計(jì)可能偏小。晁洪太等(1994)曾經(jīng)提出過(guò)這種沂沭斷裂帶中段的約8級(jí)大地震的特征地震性質(zhì)。而另一種可能的情況則是70BC安丘7級(jí)地震的發(fā)震斷層為昌邑—南流段，因?yàn)樵摱未嬖诟嗟娜率阑顒?dòng)證據(jù)(王志才等，2005)。如果基于此假設(shè)，那么本文揭示的約5m的特征位移量可能并不指向70BC安丘地震，而是對(duì)應(yīng)史前的某次8級(jí)古地震。但由于目前在安丘—孟瞳段和青峰嶺段尚未發(fā)現(xiàn)可信的古地震證據(jù)，只能有待今后的進(jìn)一步研究加以驗(yàn)證。不過(guò)，該段已超過(guò)2000a未發(fā)生較強(qiáng)地震，而種種證據(jù)表明該段具有發(fā)生強(qiáng)震的能力，因此該地區(qū)未來(lái)的地震危險(xiǎn)性需引起高度重視。

6 結(jié)論

本研究利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)獲得了高分辨率正射影像和高精度DEM數(shù)據(jù)，并對(duì)郯廬斷裂帶中安丘—莒縣段大量沖溝的右旋水平位錯(cuò)量進(jìn)行解譯和測(cè)量，通過(guò)分布概率統(tǒng)計(jì)，獲得該斷裂最小沖溝右旋水平位移量多約為5m，并且發(fā)現(xiàn)較大的沖溝右旋水平位移量也為5m的倍數(shù)，這種現(xiàn)象可能代表了該斷裂發(fā)生過(guò)多次規(guī)模相當(dāng)?shù)牡卣鹗录s5m的右旋水平位錯(cuò)量可能暗示該斷裂存在地震特征位移。此外，依據(jù)位錯(cuò)量與震級(jí)和地表破裂長(zhǎng)度的關(guān)系推斷，70BC安丘地震的震級(jí)可能在7.5級(jí)以上，且導(dǎo)致安丘—孟瞳、青峰嶺和莒縣—孟堰3段的級(jí)聯(lián)破裂； 或5m的特征位移指示了另一次更大的史前地震。

致謝審稿人對(duì)本文提出了意見(jiàn)和建議，在此表示衷心感謝!