2017, Vol. 37
江苏省地跨华北断块区与下扬子断块区两个大地构造单元，省内断裂构造较为发育，按走向可分为北东向、北西向、北北东向和近东西向4组，其中北东向断裂在数量上占优势。省内主要的活动断裂有：郯庐断裂带、淮阴-响水口断裂和茅山断裂等，其中郯庐断裂带和茅山断裂自1970年以来发生过多次5级以上地震。
地壳形变监测是地震监测预报的重要手段之一，能够反映区域地壳活动信息。目前已经有不少关于形变资料在地壳形变监测中的应用的研究[1-4]。本文在前人工作的基础上，以江苏省内主要断裂(郯庐断裂带和茅山断裂)为研究对象，根据2011~2015年GPS连续站、流动站和跨断层流动水准观测资料，计算应变率场以及断层垂直形变速率，主要分析郯庐断裂带江苏段和茅山断裂近期水平和垂直运动状态，获得近期研究区域的张压性空间分布和形变特征。
1 构造概况郯庐断裂带江苏段总体走向5°~15°，长180 km，北部宽30 km，南部宽22 km。靠近断裂带东侧有零星露头，其余为第四纪地层所覆盖。带内现代地震活动以小震为主，附近曾发生1995年苍山M5.2地震。茅山断裂位于茅山山脉东侧山麓，新构造期此断裂活动强烈，西侧的茅山山脉表现为隆起上升，而东侧的直溪桥-桠溪港凹陷则表现为下降，1974年溧阳M5.5地震和1979年溧阳M6.0地震发生在该断裂(图 1(a))。
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图 1 测站和地震分布概况 Fig. 1 Distribution of GPS stations, leveling fields and epicenter |
为监测断层活动和地壳运动，江苏省内分别在苏北郯庐断裂带和苏南茅山断裂各布设4个跨断层流动水准场地，从80年代观测至今已经积累了30期数据。郯庐断裂带江苏段跨断层流动水准场地为城岗、马陵、晓店和重岗(图 1(b))。茅山断裂带跨断层流动水准场地为薛埠、竹矿、曹山和芳山(图 1(c))。随着空间对地观测技术的发展，GPS技术逐渐应用到地壳运动监测中。目前，江苏省内共有4个GPS连续站和约30个GPS流动站(图 1(a))，在省内形成了一个监测网络。
江苏省内GPS连续站基线序列采用中国地震局第一监测中心数据产品。GPS流动站观测资料处理采用GAMIT /GLOBK 10.4。单日松弛解的处理主要遵循估计参数宽泛约束的原则，同时估计了卫星轨道参数、测站坐标、天顶对流层延迟及其梯度、地球自转参数和卫星相位中心偏差等参数。观测数据改正模型采用最新的通用模型，如IGS08绝对天线相位中心改正、FES2004海潮改正、IERS2010极潮改正、IERS2003固体潮汐改正等。采用七参数相似变换转换至ITRF2008参考框架[5]。
对每个GPS流动站北向和东向坐标时间序列进行线性拟合，得到区域水平速度场。跨断层流动水准数据采用拟合的方法计算断层垂向运动速度，考虑并删除了观测数据中季节性变化带来的年周期和半年周期。
2 GPS资料分析 2.1 GPS基线向量GPS坐标序列具有一定的周期特性，主要是受地壳运动、降雨气压、海洋潮汐等影响，而且单站点坐标序列还存在参考框架的系统性影响。采用GPS基线能有效降低这些影响，还可以突出地壳形变信息[6]。
江苏省内的4个GPS连续站从2010年下半年开始观测，连续性较好。4条基线中最长的为JSLY-JSLS(374.08 km)，另外3条为JSLY-JSYC(157.74 km)、JSNT-JSLS(154.74 km)和JSYC-JSNT(177.72 km)。图 2分别给出了江苏省内4条基线2010~2015年的时间序列图(图中灰色圆点为原始观测结果)。对这4条基线序列进行小波分析去掉高频噪声成分，留下的低频部分能较为清晰地反映趋势变化(图 2红色曲线)。JSYC-JSNT表现为拉张特征，平均伸长速率约为2.5 mm/a，换算成长度为地壳平均伸长速率的变化量约为14×10-9 /a。其他3条基线均表现为挤压特征，平均缩短速率为1~3 mm/a，换算成长度为地壳平均缩短速率的变化量为3~19×10-9 /a。从基线整体变化情况来看，江苏省内主要受到区域挤压应力的作用。由于连续站数量较少而且分布不均匀，因此无法针对具体的断裂逐个进行分析。
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图 2 江苏省内GPS基线序列 Fig. 2 GPS baselines time series in Jiangsu province |
有研究指出，强震与地壳水平差异运动区、应变积累区有一定关系。关于应变率的求解方法较多[7-11]。沈正康等[12]提出一种应变率建模方法[12]，即利用离散的观测数据建模并进行内插，最终获得一个研究区域内连续的应变率场。模型涉及6个待估参数：2个速度分量(Ux、Uy)、1个旋转参数ω以及3个应变率分量(εxx、εyy、εxy)，模型可以表达为：
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式中，Vxi和Vyi为区域站速度分量，Δxi和Δyi为待估点与区域站之间的位置差，exi和eyi为速度分量的误差。
根据GPS区域网计算江苏及附近区域应变率场，包括主应变率、面应变率和剪应变率。图 3、图 4均给出了最大、最小主应变率，可以看出，江苏省内应变方向以东西向为主，苏北郯庐断裂带以西应变率较大，南北向和北东向为主应变优势方向；苏中地区应变率比较小并且方向一致性较好；苏南应变率大于苏中而小于苏北，应变方向主要表现为东西向。郯庐断裂带江苏段两侧主应变率大小和方向均存在差异，表现为断裂带西侧数值高于东侧，西侧以北东向为优势方向，而东侧则以近东西向为主。茅山断裂附近区域主应变率明显高于周边其他地区，主应变方向为北东向，反映出区域拉张性质的应变状态。
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图 3 面应变率和最大最小主应变率 Fig. 3 The surface strain and the maximum and minimum main strain |
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图 4 剪应变率和最大最小主应变率 Fig. 4 The shear strain and the maximum and minimum main strain |
面应变的空间分布形态(图 3)显示沿郯庐断裂带山东到安徽段由北向南的面应变呈现膨胀与收缩的交替变化。其中在山东南部(35°N，117°E)苏鲁交界地区存在较大的面收缩区域，其值可达-30×10-9 rad/a，同时苏皖交界(35°N，117°E)地区存在量值为10×10-9 rad/a左右的面膨胀区域。因此，郯庐断裂带江苏段处于张压梯度带上。从现阶段国内研究以及西部震例来看，地震容易发生在梯度带上。苏南茅山断裂则处于面膨胀区域，数值约为30×10-9 rad/a，表明该区域拉张作用较强。
从图 4中剪应变空间分布可以看出，郯庐断裂带江苏段剪应变率约为10×10-9 rad/a，剪应变作用较弱。而茅山断裂处于剪应变变化梯度带上，梯度值可达30×10-9 rad/a，断裂东侧区域剪切作用明显强于断裂西侧。
3 水准资料分析1981~1982年江苏省地震局在郯庐断裂带和茅山断裂上各埋设了4处跨断层流动水准观测场地(图 1)。自1983-07开始，采用精密水准测量方法进行观测，观测周期为每两个月一次。1995-01起，郯庐断裂带4个场地加密为每月观测一次。垂直形变野外测量所获得的点的相对变化，除断层相对位移外，还包含季节变化和各种频谱成分的干扰。图 5给出了2011~2015年各个跨断层流动水准场地观测曲线，从曲线上可以明确看到年变和半年变形态，每年年变幅度受年份影响而有所不同，近5 a的观测数据趋势变化没有出现明显的转折现象。
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图 5 2011~2015年跨断层水准观测 Fig. 5 The curves of leveling data from 2011 to 2015 |
对近5 a跨断层流动水准数据进行分析，在数据处理过程中滤除了季节变化造成的年频段和半年频段，拟合出各个场地近5 a的变化速率，结果见表 1。郯庐断裂带上4个场地中，晓店和马陵场地跨过F5断层，垂直形变速率分别为0.43 mm/a和0.01 mm/a，反映断层拉张活动特征；城岗和重岗场地跨过F2断层，垂直形变速率分别为-0.25 mm/a和-1.36 mm/a，反映断层压性状态。苏南茅山断裂上4个场地中除了曹山外，芳山、薛埠和竹矿3个场地测线均为东西向跨过断层，观测结果一致反映断层拉张正断的特性。曹山场地跨越的断层方位与其他3个场地不同，因此出现了不同的断层活动性质。从年变化速率来看，苏南茅山断裂垂直形变速率整体低于苏北郯庐断裂带。
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表 1 断层垂直运动速率 Tab. 1 Vertical movement of the fault |
通过对江苏GPS观测资料和跨断层水准资料的计算分析，获得了水平和垂直两个方向的区域形变特征。
1) GPS连续站基线时间序列显示，近5 a江苏主要受控于挤压应力场的作用，省内大部分区域应变方向以东西向为主，与地壳应力场的研究结果[13-14]基本一致。
2) 郯庐断裂带江苏段两侧主应变率大小和方向均存在差异，表现为断裂带西侧数值高于东侧，西侧以北东向为优势方向，而东侧则以近东西向为主。面应变的空间分布形态显示该区域处于南北向的张压梯度带上，幅度约为40×10-9 rad/a，而该区域剪应变作用相对较弱。郯庐断裂带江苏段F2断层上的城岗和重岗场地近5 a观测数据显示，断层活动为逆断挤压性质，重岗场地形变量略高于断层背景活动水平。F5断层上的马陵和晓店场地显示断层为拉张正断性质，垂直形变速率不大，处于正常活动水平。
3) 茅山断裂附近区域主应变率明显高于周边其他地区，主应变方向为北东向。主应变和面应变结果均反映出该区域为拉张性质的应变状态。剪应变结果显示，茅山断裂处于剪应变梯度带上，断裂东侧区域剪切作用明显强于断裂西侧。同时，茅山断裂上跨断层水准观测较为一致地反映断层为正断拉张性质，垂直形变速率基本处于断层正常活动水平。
致谢: 感谢中国地震局地震研究所赵斌博士的指导，感谢中国地震局第一监测中心提供的基线序列数据。
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