2010, Vol. 53
2. 中国地震局地质研究所, 北京 100029
2. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
郯庐断裂带是我国东部一条NNE走向的巨型断裂，在中国境内长达2400km[1].从渤海中部穿过，在山东省内的区段称为沂沭断裂带.沂沭断裂带由4条断裂组成，从东到西分别为：昌邑-大店断裂(F1)、安丘-莒县断裂(F2)、沂水-汤头断裂(F3)和鄌郚-葛沟断裂(F4)，其4条断裂构成的两侧凹陷、中央凸起的“堑垒”结构大约向下延伸20~30km，属壳层地堑系.昌邑-大店断裂最深，可能深入到上地幔[2].
郯庐断裂带及其周围是地震多发区，历史记录表明[3]，该断裂带及附近先后发生了公元前70年诸城、昌乐一带M7级地震、1668年郯城M81/2级地震、1829年益都、临朐间M61/4级地震，1888年渤海M71/2级地震，以及1969年渤海Ms7.4级地震(有观点认为：虽然1969年地震震源在郯庐断裂带附近，但不认为是郯庐断裂带运动造成的，因为震源断层为近直立形状，比附近的郯庐断裂带深，而且他们在几何形态上不一致[4, 5])，因此，对郯庐断裂带该段的研究就显得很重要.
对郯庐断裂带中段发生的地震从地质学角度研究获得一些有益结论和推断，如地震活动受地震构造控制，表现在不同构造区域内地震活动模式不同；郯庐断裂带新构造变形沿走向表现不均一，断裂活动有明显分段性[6~8].但从地球物理学角度以物理参数的变化推断地震的孕育环境尚显不足，需要使用能探测至震源深度的方法研究地震的孕育环境及可能的发展.大地电磁测深(MT)方法在研究地壳及上地幔内部电性结构、构造带边界分布及流体等方面具有独特的优势[9~15]，随着大地电磁方法的发展，其应用的领域随之扩展，成为研究中强地震及大震震源区电性分布的有效手段，探测结果表明：强烈地震的发生与地震所处地壳乃至上地幔结构有关，特别是与地壳或上地幔内的较软弱的导电层关系密切.震源区一般电性结构复杂，而周边地区简单，并且往往存在导电体或导电层，主震和绝大多数余震常发生在壳内低阻带之上较坚硬的地层内，或电性变化剧烈的梯度带内[16~22].
有研究发现，地震带的地壳中伴有高导层和低速层，地壳结构复杂.认为高导层的存在表明地质构造活动强烈，是地震孕育、发生的深部动力学条件.某些有壳内高导层的地区虽非现代地震活动区，但从地质意义上说仍属于结构活动区[23].本文介绍穿过郯庐断裂带中段(36°N附近)，沿近东西方向的大地电磁探测结果，这是本区第一次用大地电磁方法较细致探测深部电性结构.该剖面穿过四个构造单元(自西向东)：鲁西隆起、郯鲁断裂带、胶莱坳陷、鲁东隆起(图 1).通过数据处理和分析得到沿剖面的深部电性结构图像，由此推测1次强震和2次中强地震震源区的深部电性环境.并提出本区未来地震预测值得注意的地区.
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图 1 地质构造及大地电磁测深测点分布图（根据文献[24]) Fig. 1 Geology and tectonic map with MT site distribution (Based on the Ref.[24]) |
郯庐断裂带中段(沂沭断裂带)呈北北东向分布，具有二凹一凸，或称二堑一垒结构特点.中间凸起区，主要有泰山杂岩及下古生界形成凸起构造，西侧马站坳陷及东侧莒县坳陷为白垩系充填.
大地电磁剖面横穿郯庐断裂带，位于山东诸城东西两侧，西起(36.0533°N，118.4425°E)，东至(35.9091°N，120.1019°E)，与郯庐断裂带近似垂直，全长153km，测区以丘陵地形为主.
根据中国地震局公布的公元前780~2008年的的地震目录(Ms≥5级)，测线北公元前70年曾发生M7级地震(36.3°N，119.0°E)，地震震中距最近测点仅30km；测线南曾发生2个M5级地震：1852年(36.0°N，118.8°E)和1796年(36.0°N，119.4°E)，震中(按历史地震定位的震中)距离测线5km (图 1，构造图部分取自中国活动断裂图[24]).
2.2 数据采集、处理野外资料采集仪器使用的是加拿大Phoenix (凤凰)公司生产的V5-2000大地电磁测深仪器，测点布设主要采用“十”字型布极方式和五分量观测：两个电分量Ex(正南北向)、Ey(正东西向)，三个磁分量Hx(正南北向)、Hy(正东西向)、Hz(垂直地面).测点定位使用GPS定位系统，GPS基站地形开阔，与测点实行同步测量.
资料处理采用Phoenix公司Robust软件处理，全部采用远参考道技术，计算各测点的大地电磁张量阻抗.前者能最大程度地降低随机噪声的影响[25]，后者可以有效地消除当使用本地观测信号时相关噪声的影响[26].两组张量阻抗数据分别对应TE (xy)，或TM (yx)极化模式，其中TE (xy)极化：x对应南北方向的电场，y对应东西方向的磁场；TM (yx)极化：y对应东西方向的电场，x对应南北方向的磁场.
3 数据分析和二维反演 3.1 曲线特征剖面穿过4个构造单元，由西至东为：鲁西隆起区、郯庐断裂带、胶莱坳陷区(次级单位诸城坳陷)及鲁东隆起区(鲁东隆起带的胶南隆起).
鲁西隆起区曲线为K型，ρTM＞ρTE，测点号1~11，有泰山杂岩裸露(图 2).
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图 2 典型测点的视电阻率、阻抗相位及其模型曲线 Fig. 2 Apparent resistivity impedance phase and theirmodel-respondingcurves of typical sistes |
郯庐断裂带包括4个断裂(对应的测点为11~37)，结构复杂.12~18号测点为HK型，H段的存在说明有沉积盖层，为一局部凹陷.18~27号测点为郯庐断裂带内高阻区.
胶莱坳陷区，测点38~61，为低阻区.在胶莱坳陷区内，曲线基本为HK型，且H段所占频带较宽，说明有较厚的沉积地层，两枝曲线的组合为ρTM＜ρTE，为高阻基底凹陷区的组合特征.
胶南隆起区(鲁东隆起次级单元)，测点63~79，ρTM为K型，且在很高的频率时，曲线陡直上升，说明基底出露地表，ρTE曲线类型比较复杂，指示该构造单元内岩性不均匀，高阻区块以花岗岩为主，镶嵌元古界变质岩.
3.2 静位移校正、结构维性及区域电性结构方向通过对沿测线所有测点资料的综合分析，从中选取分布相对均匀、曲线类型有一定代表性并且资料质量较好的79个测点进行反演解释.
由于近地表水平方向的电阻率梯度能引起观测的视电阻率曲线整体发生静态移动[27, 28]，对发生静位移畸变的曲线进行了静校正，如采用首枝重合法进行曲线整体平移.采用Swift提出的二维判别参数---二维偏离度等[29]对测区电性结构特征进行分析，判断区域电性结构二维近似程度.所用测点的大部分频率对应的二维偏离度小于0.3，存在局部偏大的情况(大于0.3)，因此认为沿剖面可以用二维模型进行反演模拟.
郯庐断裂带走向NNE，接近于南北方向，测线方位为NWW，几乎接近于东西向，测线近似与构造走向垂直.XY方向(平行于断层)对应于TE极化模式下的阻抗张量，YX方向(垂直于断层走向)对应于TM极化模式下的阻抗张量.
3.3 二维电磁反演使用TE+TM联合模式下的二维反演可最大程度增加对反演模型的约束性，提高反演结果的可靠性[27].观测资料的质量较高，TE+TM两种极化方式的视电阻率和阻抗相位数据联合反演能全面地反映区域测量信息.在二维反演中选择了非线性共轭梯度法(NLCG)[30]进行反演计算，反演模型参数：第一层厚度10m；水平方向网格205，垂直方向网格100.给视电阻率和相位分别引入相应的误差水平，其目的是让反演模型在尽量拟合实测相位值同时也能拟合视电阻率曲线形态[12].拟合均方误差RMS达到5.9，反演迭代60次，稳定收敛(图 3).
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图 3 大地电磁测深二维反演电性结构模型 Fig. 3 2-D inversion electrical structure model of MT |
一般认为地壳是三部分组成，下部是更偏基性或麻粒岩层.它们的电阻率均高，约为103~105 Ωm.但是，一些地区地壳内部15~20km深处，发现有电阻率为几到几十欧姆米的高导层[31].壳内高导层往往和壳内地震波速度的低速层相一致.大地电磁探测发现，低阻带深度陡变带与巨型重力异常高梯度带对应[16].壳内高导层多出现在构造活动区，壳内高导层发育的地区大地热流值均高，因此，壳内高导层的研究有助于了解地壳构造运动.
中国大陆大多为壳内低阻层.壳内低阻层隆起的地区一般对应于活动构造区，地温大多较高[32].壳内高导层富含高温高压连通流体，推测对应地壳深部的韧性剪切带，其对应的岩石含有部分熔融岩体和高温流体，在拉张或挤压力的作用下，容易发生塑性变形，应力首先在其上部脆性介质中积累.研究统计表明，很多浅震震源位于壳内低阻层上方[33, 17, 20, 21]，下层的高导(低阻)层较软弱易滑脱，与上部的高阻脆性岩体受力运动不一致，导致应力积累，最终发生强烈地震.另一类，震源位于电性构造的陡变带[34, 16, 22].卢造勋在1990年研究1975年海城Ms7.3级地震时，认为闾阳-海城-东沟大地电磁剖面中辽宁岫岩就是地下40km处的高低阻分界点，而岫岩在1999年发生了Ms5.6级地震[33].随着对深部电性与地震关系的研究，发现有些中强地震在震前或震时出现电阻率的异常变化[35]，这种异常变化可能与震源所处电性的特殊部位有关.
公元前70年诸城、昌乐一带发生M7级地震(测线北)，对应测线大约在27~28测点(图 3，图中震源位置是根据该区域震源深度及电性结构推测而定)，位于郯庐断裂带F2断裂与F3断裂之间，震中西侧是郯庐断裂带的高阻段，西接鲁西隆起；震中东侧，视电阻率陡然降低，属电性陡变带，电性结构复杂.
测线南侧曾发生两次5级地震(1856年和1796年).1856年的地震对应测点20~21，在F3断裂带上.地质构造为不连续界面-断层，其电性结构也显示出电性的不连续性，与地质构造吻合.在F3~F4之间高阻块体中夹杂着小块低阻(高导)层，东西长约10多公里，高导层顶端距地面约15km左右，很可能是震源位置.20~21号测点在高导体东翼，同时也是电性变化剧烈的部位.另一个5级地震发生在山东诸城对应46、47号测点，在郯庐断裂带东，位于两个高导体之间，是电性结构变化比较大的区域.
5 结论及探讨通过对郯庐断裂带中段(36°N)及其附近大地电磁测深剖面的二维解释，获得了该区域深部二维电性结构，该结构体现了实测曲线表现出的电性分区，与地质解释具有较好的一致性.分析了测区附近发生的一个M7级和2个M5级地震震源所处电性环境.
(1)电性结构揭示，沿剖面自西向东穿过四个构造单元：Ⅰ鲁西隆起区，地壳为高阻体；Ⅱ郯庐断裂带，高、低阻(高导)交错，电性变化复杂，电性突变与断裂带有对应性；Ⅲ胶莱坳陷，富含高导层.地壳内高导层不是主要由岩性差异造成的，而是由岩石内所含高导物质所为[20]，推测高导层可能含有熔融或其他液态成分；Ⅳ胶南隆起，高阻区.大地电磁测深剖面东西两端为高阻，郯庐断裂带是连接鲁西、鲁东隆起之间的构造结合带.
(2)在大地电磁测深剖面附近发生的1次M7级地震和2次M5级地震的震源都处于地壳电性的特殊构造部位，高导层边缘或电性突变带(高、低阻衔接部位).历史记载的昌邑、诸城一带M7级地震发生在F2~F3断裂之间，测线上相对于震中的区域在10~20km深度即震源深度范围内有明显的高、低阻分区，而且电性变化大，推断地震发生在电性陡变带.
(3)两个5级地震所处电性构造环境并不相同，与所处不同的构造单元有关.21号点附近的地震(图 3)，其震源在高导层上部，由于历史地震无确切震源深度，根据电性结构推断，发震部位大约在10~18km范围内高导层顶部偏东的高阻体中.该区域反映了纵向(垂直方向)高导塑性层与高阻脆性体因受力变化不一致，高导体不易积累能量受力易变形，对上部的脆性体有“拖曳”作用，脆性体能量积累达到一定程度引发地震.另一个5级地震发生在郯庐断裂带以东46、47测点附近(图 3)，胶莱坳陷在中上地壳存在3处高导体，这个地震恰在两个高导体之间，反映了横向(水平方向)高导塑性体与脆性体间受力，能量积累之不同而引起地震.可见高导层的存在与地质构造活动强烈具有对应性.
(4)郯庐断裂带中段(36°N)及附近区域电性变化复杂，具有发生强震的孕震环境，尤其在MT测线(36°N) F3与F4之间区域存在高导层，高导层顶部在15~18km，且上部为高阻体，上下电性差别大，易于能量积累，是值得密切关注地区.
致谢感谢胜利油田地球物理勘探公司提供研究资料.
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