2019, Vol. 39
本文的研究区域(图 1)跨越华北地块构造区、秦岭-大别山造山带构造区和下扬子地块构造区，郯庐断裂带南段(嘉山以南)呈北北东-南南西向纵贯其中，将以西的秦岭-大别造山带、华北地块与东侧下扬子块体隔断，区域整体动力学演化背景复杂。区域内霍山与茅山2个地区小震活动相对活跃，也都是北东向断裂与北西向断裂交汇的区域，其中位于北大别沉降带南缘的霍山因其能以弱震活动较为灵敏地反映区域应力场变化[1]，素有“构造窗”之称。区域内的郯庐断裂带南段地震活动性相对较弱，目前没有6级以上的地震记录，与有强震背景(1668年郯城8.5级地震)的断裂带中段(嘉山以北)形成鲜明对比。目前普遍认为断裂带自北向南活动性逐渐减弱，地质研究结果发现，晚更新世以来的新构造变形现象在断裂带中段较为丰富[2]，尤其是沂沭断裂带; 南段新构造活动较弱[3-5]，其最新活动时代可能为中更新世[3]。中南段在现今滑移方式上也存在差异，南段主要为蠕滑，而中段以粘滑为主[2, 6]。
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F1:郯庐断裂带; F2:霍山断裂; F3:青山-晓天断裂; F4:江南断裂; F5:茅东断裂; F6:金坛-南渡断裂; F7:潥阳-南渡断裂; F8:南京-湖熟断裂; F9:孝丰-三门湾断裂; F10:长兴-奉化断裂; F11:梅山-龙河口断裂(下同) 图 1 区域构造分布和2018年前地震(M>3)活动性分布 Fig. 1 Regional structure distribution and seismic activity(M>3) distribution before 2018 |
在大别山及周边地区地壳垂直形变研究的基础[7]之上，本文结合收集到的郯庐断裂带以东地区3期(1980年、2005年和2015年)水准观测资料，利用线性动态平差方法对研究区域进行整体动态平差，获得长时间尺度的垂直形变速度场。基于获得的垂直形变速度场并结合前人对区域构造活动和构造应力场的研究，对长时间尺度上的运动趋势作出定量的描述、分析与解释，为该地区地球动力学研究提供一定的基础资料，也为中长期地震危险性研究提供一定的判据。
1 资料概况与处理区域精密水准网空间分布见图 2，自西向东由河南信阳至上海，自南向北由江西九江至安徽明光。图中，绿色实心圆点表示同时有1980年、2005年和2015年3期精密水准观测的点位，紫色实心圆点表示仅有1980年和2005年2期精密水准观测的点位。1980年和2005年2期精密水准资料由国家测绘局实施观测获得; 2015年的水准观测资料来源于中国综合地球物理场观测——大华北项目的复测，该期复测区域主要集中在跨郯庐断裂带和大别山造山带。
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图 2 苏皖地区水准点位与断裂分布 Fig. 2 Distribution of leveling site and faults around Jiangsu-Anhui area |
对于水准观测日期相同或相近且观测时间在数月内完成的水准网，可以选择每期观测点的高程不随时间变化的静态模型[8]。但是考虑到研究区域内水准网各水准路线的观测时间相隔较长，为更合理地描述研究区域地壳垂直运动，选择动态模型方法。收集区域长时间尺度的精密水准3期观测资料构成水准观测连续网，以六安为起算点，以高差为观测值，设定高程和速率为未知数，给定高程基准和速率基准，利用线性动态速率模型对研究区域有2期以上观测的精密水准资料进行整体平差，获得研究区域长时间尺度的垂直形变速度场图像。
本研究通过整体平差计算获取苏皖地区垂直形变速率场与在计算大别山及周边垂直形变速率场[7]时采用了相同的高程基准点和起算位置，两者具有相同的运动趋势。对原始观测数据进行数据预处理，剔除粗差较大的观测数据，对预处理后的数据进行整体平差获得研究区域1980~2015年垂直形变速率场，结果见图 3。
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图 3 苏皖地区垂直形变速率 Fig. 3 The rate field of vertical movement around the Jiangsu-Anhui area |
整体平差得到区域垂直形变速率场，可以对苏皖地区地壳垂直运动作出定性描述。苏皖地区垂直形变速率场显示，区域总体形变量不大，局部形变量较一致，不同构造区形变量存在一定的差异性。文献[7]已经对大别山及周边区域的垂直形变特征进行了定量描述，这里不再复述。
淮北平原作为构造活动较为稳定的区域呈现显著的地壳下沉趋势(－2 mm/a)，结合前人对该区域水资源利用情况的研究认为，该区域地壳下沉主要是过度开采地下水导致的[9]。一般情况下，地壳运动引起的形变在局部具有较好的一致性，而人为原因造成的地面沉降与隆升具有不均匀性。根据垂直形变速率场可以看出，长江三角洲区域地壳下沉也具有不均匀性，郭坤一等[9]认为该区域对水资源需求较大，过度开采地下水导致地面沉降。
霍山位于大别山隆起块体与华北拗陷块体接触区的北大别山沉降带南缘，历史地震记载曾发生过2次6级以上的地震。1970年有微震观测记录以来，发现该区域微震、小震活动频繁，且中小震主要分布在NEE向霍山断裂(F2)与NWW向青山-晓天断裂带(F3)和梅山-龙河口断裂带(F11)交汇处。根据区域垂直形变场结果发现，北东向的霍山断裂(F2)、北西西向的青山-晓天断裂(F3)和北西西向的梅山-龙河口断裂(F11)交汇区域的远场形变量与近场形变量差异较小。王雪莹等[10]和葛计划等[11]也发现霍山5个流动水准观测场地总体活动水平较低、异常强度不高。从垂直形变量单方面分析，该区域垂直方向活动水平不高。区域构造应力场结果显示，该区域主要受到近NE向的水平挤压应力作用[12]。在这种应力作用下，左旋的NWW向断裂和右旋的NEE向断裂形成共轭剪切，2个方向的断裂带交汇区是共轭剪切应力易于集中的区域，应力环境非常有利于孕育地震，但是因交汇处沉积层物质较为松散[1]，又不太容易形成较多的弹性应变积累，易发生中小震; 频繁的中小震对区域弹性应变不断调整，这可能是霍山地区形变趋势不明显、区域差异小的主要原因。
相对于形变量较小的大别山地区，郯庐断裂带东侧的下扬子地块区形变量稍大，平均隆升速率为1 mm/a。下扬子地块区观测点位主要集中在长江南侧的苏南滑脱推覆区，该区域表现为由SE向NW的逆冲推覆构造，构造线方向以北东向为主，显示NW-SE向的强烈挤压。苏南地区位于华北NE向构造应力场和华南SW向应力场交汇区，在太平洋板块和菲律宾板块影响之下，区域现今主要受到NEE到EW向的近水平挤压作用。出露的地幔玄武岩表明，郯庐断裂带是一条深切入上地幔的深断裂[13]，对区域构造具有较强的控制作用，同时形变场结果也显示靠近断裂带的区域形变量也较小。因此认为郯庐断裂带对东侧挤压力作用起到一定隔断作用，太平洋和菲律宾板块的挤压俯冲作用对断裂带西侧的影响较小。在对该区域构造应力场分区的研究[7]中发现，郯庐断裂带南段两侧应力场为不同的机制，以西为正走滑机制，以东为正断机制，这可能说明在郯庐断裂带阻挡隔断作用之下，两侧应力环境有所差异。NW向断裂和褶皱在我国东部大陆地区发育广泛[14-15]，其中在江苏、安徽中北部尤为明显，大部分集中分布在郯庐断裂带东侧区域，少数切割郯庐断裂带，断裂带以西区域分布较少。研究认为北西向断裂的形成是我国东部地区应力环境的变化所致，这可能也在一定程度上进一步说明郯庐断裂带对东部应力的阻挡作用。
郯庐断裂带南段沿线东西两侧均有不同程度的上升运动，但断裂带沿线地区垂直运动速率微小，在前人应力场研究中也对郯庐断裂带南段跨断层水准剖面进行了分析，发现两侧近场垂直运动速率差异很小[7]。有研究认为南段晚第四纪以来构造活动和地震活动都较弱; 从形变角度上看，南段现今地壳运动特征与弱构造活动较为一致，较弱的现今地壳形变特征也说明南段晚第四纪以来构造活动性弱。大别造山带区域目前动力来源是青藏高原隆升产生侧向挤压沿秦岭-大别造山带传递而来的挤压作用以及太平洋和菲律宾板块的阻挡作用，正如上段所分析，郯庐断裂带南段可能对东侧作用力起到了阻挡作用，再加上青藏高原东北缘的现今横向逃逸运动通道可能已经由之前的秦岭块体转移至六盘山构造带、鄂尔多斯地块南部[16]，分析认为大别山地区动力来源的转移和郯庐断裂带阻挡作用，可能是大别山地区现今垂向运动不明显的原因。
长江三角洲属于基底沉降区，现今地壳运动是继承性的沉降运动[17]，长江入海口逐渐从苏北盆地向南部长江三角洲转移的现象也表明，长江三角洲在不断进行沉降运动[18]。张微等[19]认为横向大致以杭州-湖州为界，以西地区处于隆升趋势，以东长江三角洲区域整体下沉，与本文获得的垂直形变速率场结果较为一致，说明该区域地壳下沉不但是因为受到地下水抽取作用的影响，还受到基底沉降作用。若忽略掉地下水抽取引起的地面沉降只考虑构造运动作用，杭州-湖州以东应该也是下沉趋势，区域整体在横向上可能存在一个自东向西下沉到上升的速度梯度带，该区域的沉降运动值得关注。
2.2 跨断层剖面分析在对大别山的垂直形变研究中发现，研究区西侧形变量较小，跨断裂带两侧近场形变量差异较小[7]。郯庐断裂带东侧的下扬子地区总体为上升趋势，但也存在局部差异性。现对郯庐断裂带东侧地区垂直运动速率进行跨断层剖面(图 2、3中P1、P2和P3)分析，并结合地震活动性进行解释。
跨江南断裂带水准路线呈近南北向跨江南断裂，跨江南断裂水准与高程剖面图(图 4)从左往右分别对应水准路线(P1)自北到南。断裂带东西两侧远场垂直形变运动速率存在一定的差异，断裂带西北侧长江谷地区相对于东南侧的台地区有弱隆升趋势。跨江南断裂带水准路线与江南断裂交汇处结果显示[20]，断层倾向为NW向，区域受到近EW向的挤压作用，因此认为断裂带上盘受到挤压作用发生隆升运动。同时宋方敏等[21]认为，长江谷地新构造时期主要以间歇性的弱隆升活动为主，现阶段垂直形变是继承性运动的结果。江南断层两侧不存在差异性运动，断裂周边区域现今地震活动较弱，历史记载的1743年安徽泾县5级地震是区域发生过的最大地震，该处挤压应力也相对较弱[20]，未来强震危险性很小。
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图 4 跨江南断裂水准与高程剖面 Fig. 4 The profile of leveling and elevation across the Jiangnan fault |
跨茅东断裂(F5)和金坛-南渡断裂(F6)水准与高程剖面图(图 5)中，从左往右分别对应自北向南的水准点位。茅东断裂总体走向NNE，倾向SE，NWW向的南京-湖熟断裂(F8)将茅山断裂(通常认为茅山断裂包括茅东断裂和金坛南渡断裂)分成南北两段，北段较为稳定，地震活动性较弱，跨断层剖面结果也显示茅山断裂北段东西两侧几乎不存在垂直形变速率差异; 南段活动性强，中小地震频发，江苏历史上陆地最大2次地震(6级)中的1624年溧阳地震就发生在金坛-南渡断裂南段(F6)和潥阳-南渡断裂(F7)交汇处。侯康明等[22]认为江苏潥阳发生的2次破坏性地震(1974年5.5级和1979年6.0级)的发震主断裂是潥阳-南渡断裂(F7)以南的茅山断裂。最新研究认为茅山断裂可能承担了郯庐断裂带南段的应变[23]，但目前南段观测资料缺失，对区域地震危险性作出评价还需要收集相应观测资料。
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图 5 跨茅山断裂水准与高程剖面 Fig. 5 The profile of leveling and elevation across the Maoshan fault |
跨孝丰-三门湾断裂(F9)和长兴-奉化断裂(F10)水准与高程剖面图(图 6)中，水准点自左往右对应水准路线自北向南。长兴-奉化断裂NW向展布，倾向NE，断裂北段以北为桐乡-平湖凹陷，以南为广德第四纪盆地，断裂在近SN向的水平拉张作用下，上盘相对下盘发生下沉，两侧近场存在0.6 mm/a的差异运动速率。历史上该断裂仅南段盐官于1867年发生4.75级地震，北段没有强震发生背景，未来发震概率不大。孝丰-三门湾断裂(F9)北段以北为广德第四纪盆地，以南为地层较老的山地，断层走向NW，倾向NE，断层两盘在现今近南北向的拉张作用下几乎不存在差异运动。该断裂北段现今地震活动少且弱，仅南段的嵊州在1998年发生过ML4.5地震，没有强震发生背景，未来发震概率较小。
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图 6 跨孝丰-三门湾断裂和长兴-奉化断裂水准与高程剖面 Fig. 6 The profile of leveling and elevation across the Xiaofeng-Sanmenwan and Changxing-Fenghua fault |
基于获得的长时间尺度的区域垂直形变速率场，本文定量与定性地分析郯庐断裂带南段地壳运动特征。结果表明，郯庐断裂带南段西侧的大别山地区有较小的隆升运动，东侧地区的隆升一致性较好，断裂带南段沿线垂直形变量很小。结合跨断层剖面结果[7]也发现断层两侧差异性运动较小，同时该段地震活动较弱。针对长期垂直运动速率场给出的结果分析认为，一方面可能是区域现今地壳垂直形变量确实很小; 另一方面可能是断裂带存在间歇升、降运动，且上升量和沉降量大致相同。结合南段大量跨断层场地水准观测资料认为[11, 24-25]，断裂带南段存在阶段性的拉张和挤压作用，水平运动速率研究结果也显示断裂带南段存在拉张和挤压交替作用[26]。断裂拉张和挤压的交替作用导致断层在垂直方向上呈现沉降和隆升的趋势，分析认为沿断层现今垂直形变量小可能是因为断裂带南段形变量较小且又存在升降交替运动。
如果要从形变角度进一步分析郯庐断裂带中南段晚第四纪以来差异活动性的原因，还需要结合区域其他研究成果对郯庐断裂带中南段垂直形变进行整体研究。
郯庐断裂带南段东西两侧都有较弱的隆升，断裂带附近形变量更小，这可能说明两侧形变的不连续性，两侧不同的应力机制也说明断层两侧应力环境的差异，结合其他研究资料也得到类似的结果，故认为郯庐断裂带作为一条深断裂对东西两侧具有隔断作用。
3 结语本文通过收集苏皖地区长时间尺度的精密水准观测资料，整体平差计算获取了区域垂直形变速率场。结合地震活动性、构造应力场特征及地下水资源利用情况，对不同区域的垂直运动结果进行解释。对郯庐断裂带东侧部分断裂进行水准跨断层剖面分析，结合地震活动性阐述断层垂直运动差异。
1) 苏皖地区总体垂直形变量不明显，但也存在局部人为因素和构造因素导致的差异。郯庐断裂带南段沿线垂直形变变化量很小，西侧大别山微隆升，东侧较西侧隆升速率快，区域内有2个呈不均匀下沉趋势的地区——淮河流域和长江三角洲地区。结合前人研究结果认为，前者受地下水过度开采的影响，后者受构造运动与地下水抽取联合作用的影响。
2) 区域地震活动性相对较弱，主要以中小震为主，且集中分布在NEE向断裂与NWW向断裂共轭交汇区域。未来地震危险性应该引起关注的是霍山地区和茅山地区，霍山地区应力易于集中且物质较为松散，具有孕育中强震的环境; 茅山断裂南段地区存在一个3个方向断裂交汇的三角沉降中心，江苏陆地历史最大地震(M6.0)就发生在该处，近几年中小震也较频繁。
3) 郯庐断裂带南段地震晚第四纪以来活动性较弱，从获得的区域形变速率场结果发现，断裂带南段沿线现今垂直形变量较小。有研究认为郯庐断裂带南段垂直运动升降交替，水平运动张压交替，在这种交替作用下，区域应力对应加强与松弛的交替过程，应力的加强累积量不足以孕育强震，从形变角度上分析这可能是郯庐断裂带南段沿线垂直形变量小、地震活动弱的原因。
4) 郯庐断裂带东西两侧垂向运动速率存在差异，东侧苏南地区隆升一致性较好，相对于西侧有较为明显的垂向运动，郯庐断裂带南段沿线区域形变速率较小。综合其他资料分析认为，该形变场结果一方面说明郯庐断裂带较好地阻挡了太平洋和菲律宾板块对欧亚大陆的碰撞挤压; 另一方面可能是因为青藏高原现今横向逃逸转移至其他通道。
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