郯庐断裂带(以下简称郯庐带)鲁苏皖段主要是沂沭断裂带，该段及邻区在大地构造位置上跨越中朝断块、秦岭—大别褶皱带和扬子断块三个大地构造单元.

沂沭断裂带自东向西分布着5条断裂.地质学家发现该段又分别有安丘、莒县—郯城，新沂—泗洪三个破裂单元，反映了断裂的不同活动水平(李家灵等，1994)，在地质上呈现了明显的分段性.

郯庐带鲁苏皖段及邻区深部结构的研究成果较多，两条宽角反射和折射剖面跨过郯庐带(刘昌铨等，1983；国家地震局地学断面编委会，1991，1992)，跨郯庐带山东段的宽频带地震台阵壳幔结构研究(Ling et al.，2006)，大地电磁测深研究也跨郯庐带(Ling et al.，2006; 肖骑彬等，2008；张继红，2010)，此外还有重、磁、热的地球物理场研究(王良书等，1995；郝天珧等，2004；李春峰等，2009).天然地震体波层析成像是研究大范围地球内部结构的有效方法，根据资料和研究目的可以获得地壳、地幔乃至地核不同精度的内部结构图像.与郯庐断裂带鲁苏皖段及邻区有关的天然地震体波层析成像研究工作主要有：李志伟等利用1978—2003年间环渤海地震台网记录，以0.5°×0.6°网格反演了地壳上地幔速度结构(李志伟等，2006)，该研究范围较大(30°N—45°N，110°E—130°E)，且网格较大，并未特别关注郯庐带.刘建华等利用秦岭—大别山带1980—1990年期间的P波到时资料，研究了29°N—38.7°N，102°E—119°E范围内1°×1°的地壳上地幔三维速度图像(刘建华等，1995)；徐佩芬等选用1981—1996年间各省地震观测报告的数据和远震到时数据，对28°N—39°N，112°E—124°E范围进行了地震层析成像研究，获得了该区地壳上地幔速度结构(徐佩芬等，2000).上述文章均未特别对区内郯庐断裂带的速度结构进行分析.黄耘等在对郯庐断裂带鲁苏皖段及邻区大量地震事件在重新精确定位的基础上，利用地震走时进行40 km×40 km网格的地壳速度结构反演(黄耘等，2011).综合人工地震和天然地震的研究成果，对该地区地壳速度结构有一些基本认识，即地壳可分为上、中、下三层；莫霍面埋深自东北向西南逐渐加深，最深处在大别山一带；一些地方中地壳有低速层，且与中强地震有呼应关系；苏鲁断褶带上、中地壳速度高于邻区等.有关研究区速度结构的主要特征，我们已在相应文章中较系统地论述过(黄耘等，2011；李清河等，2014).

沂沭断裂带是1668年8¹/₂级地震发震断裂，也是大家关注的未来可能发生大震的地区，地震地质确认其各段断裂构造活动水平不同(李家灵等，1994)，但该带的速度分布如何，速度结构与断裂活动及地震活动是什么关系，是我们很关心的问题.本项研究对郯庐断裂带鲁苏皖段及邻区(30°N—37°N，113°E—122°E)1980—2011年期间的天然地震进行重新精确定位，用多震相地震走时成像法进行反演(反演网格是30 km×30 km).反演时用已有的人工地震测深研究结果做约束，获得了郯庐断裂带鲁苏皖段及邻区的三维地壳速度结构成像结果.本文重点研究郯庐断裂带鲁苏皖段各层速度分布的分段特征，分析地震速度结构分段特征与浅部地质构造分段活动特征的关系，并对速度结构与大地构造单元的关系，分段性与地震活动水平的关系，郯庐带两侧的速度分布等进行了讨论.

本项研究采用多震相地震走时成像法(张元生等，1998，2003，2004；李清河等，2007)反演地壳上地幔三维速度结构，该方法使用天然地震的Pg、Sg、Pm、Sm，Pn、Sn、pP、sS震相到时资料，并联合利用人工地震测深资料进行约束反演，以保证三维地壳结构成像的有效先验信息利用和反演信息综合约束.采用三维射线追踪逐次迭代法进行射线追踪，反演方法最优化过程采用非线性全局优化方法的遗传算法(Sambridge and Drijkoningen，1992；Koch，1993； 高尔根和徐果明，1996)，反演结果用检测板试验检验.

研究区域为31°N—37°N，116°E—121°E，反演范围扩到30°N—37°N，113°E—122°E，地震资料的时间段为1980年1月—2011年12月.要求每个地震事件被3个以上台站记录到，共有6278个地震参与反演，能够参加反演计算的震相到时资料为123022个(包括Pg、Sg、Pm、Sm、Pn和Sn震相).

模型网格数确定为22×22×7，网格大小不等，沿纬度方向(X轴)分别为130、30、30、…30、137.1 km；沿经度方向(Y轴)分别为80、30、30、…30、97.6 km；沿深度方向(Z轴)分别为2、3、5、5、5、5、20 km.地壳P波速度模型参考了HQ-13人工地震测深速度剖面资料(国家地震局地学断面编委会，1992).本项研究选用的地震台站、地震事件和计算网格见图 1.

图 1

Fig. 1

图 1 地震事件和台站分布及计算网格分布 图中圆圈是地震事件，三角形是地震台站，虚线是坐标线，实线是网格线. Fig. 1 Distribution of seismic events，seismic stations and computational grid circles denote seismic events，triangles denote seismic stations，dashed lines show coordinate system，and solid lines show computational grid.

本研究用检测板进行分辨检验，研究区内各层的分辨率均较高，限于篇幅，仅给出10~15 km层的检测板，见图 2.由图可见，研究区内分辨率较高，结果可信.

图 2

Fig. 2

图 2 10~15 km 分辨率检测板 Fig. 2 Checkerboard at 10~15 km depth

我们曾对29°N—38°N，114°～124°E范围以40 km×40 km网格计算了地壳三维速度结构，获得了该区地壳速度结构特征的基本认识(黄耘等，2011)，这些结果与人工地震测深的结果也基本一致(刘昌铨等，1983；国家地震局地学断面编委会，1991，1992)，本文研究范围较之缩小，资料更丰富，计算网格更小些，获得的结果更精细些，但两者获得的主要结果基本相同，加之在其它文章中也有论述(黄耘等，2011)，故本文不再赘述.本文仅就郯庐带的速度结构分段特征加以分析.

(1) 0~2 km层：图 3为0~2 km速度成像结果.研究区内郯庐断裂带在此层速度分布可大体分为三段： 35.3°N(莒南)以北，速度高，约3.95~4.03 km·s^-1，32.5°N—35.3°N间，速度偏低，约3.89~3.93 km·s^-1；32.5°N(定远)以南，速度高，约3.94~3.97 km·s^-1.如果细分，可为五段：(1) 35.3°N(莒南)以北段，此段速度较高；(2) 34.5°N—35.2°N(莒南到郯城)，速度低些；(3) 33°N—34.5°N(新沂到五河)，其中速度略高些的是宿迁到新沂，宿迁到泗洪速度略低；(4) 32.5°N—33°N(五河到定远)，速度较低；(5) 32.5°N(定远)以南，速度高.

图 3

Fig. 3

图 3 0~2 km速度成像 Fig. 3 Velocity image at depth 0~2 km

断裂带东西两侧速度存在差异.总体看西侧速度高于东侧，分段看，约35.3°N以北，西侧速度低于东侧；34.5°N—35.3°N，两侧速度差异不大；34°N—34.5°N，西侧速度低于东侧；32.5°N—34°N，西侧速度高于东侧.

(2) 2~5 km层：图 4为2~5 km速度成像结果.本层主要是古生代基底，在32.7°N以南，速度较高，约5.28~5.29 km·s^-1，； 32.7°N—35.1°N间速度中等，约5.23~5.26 km·s^-1；35.1°N以北速度又偏低，约5.20~5.22 km·s^-1.故本层的分段性总体是南段速度高，中段中等，北段偏低.可以大体看出其分段性，断裂带内部也可看到有速度差异.

图 4

Fig. 4

图 4 2~5 km速度成像 Fig. 4 Velocity image at depth 2~5 km

断裂带东西两侧速度存在差异.约35.2°N以北，东西西侧速度差异不大；33°N—35.2°N，西侧速度高于东侧；33°N以南，东西两侧速度差异不大.

(3) 5~10 km层：图 5为5~10 km速度成像结果.本层仍为上地壳，大约在33°N以南，速度居中，约5.59~5.62 km·s^-1； 33°N—35.2 °N间速度高，约5.65~5.68 km·s^-1，这是苏鲁超高压变质岩带的反映； 在35.2°N以北，速度偏低，约5.58~5.59 km·s^-1.可以大体看出其分段性，断裂带内部也可看到有速度差异.

图 5

Fig. 5

图 5 5~10 km速度成像 Fig. 5 Velocity image at depth 5~10 km

(4) 10~15 km层：图 6为10~15 km速度成像结果，此层是上地壳底部和中地壳上部，大约在32.5°N以南，速度较高，约6.18~6.30 km·s^-1，32.5°N—35.1°N间，速度变化较大，其中32.5°N—33.7°N间速度低，约6.13~6.16 km·s^-1，而33.7°N—35.1°N间速度很高，达6.22~6.30 km·s^-1，此处是苏鲁超高压变质岩带，在上地壳速度很高.35.1°N以北，速度偏低，约6.15~6.16 km·s^-1.故亦呈现分段性.

图 6

Fig. 6

图 6 10~15 km速度成像 Fig. 6 Velocity image at depth 10~15 km

断裂带东西两侧速度差异总体上也是西侧速度低于东侧，但在南北方向上各段上的速度值不一样.

(5) 15~20 km层：图 7是15~20 km速度成像结果.此层是中地壳，沿郯庐断裂带总体是南、北两段速度偏高，中间偏低.约35.1°N以北，速度偏高，约6.51~6.52 km·s^-1；约32.8°N以南，速度也高，约6.51~6.52 km·s^-1； 只有32.8°N—35.1°N间，相对偏低些，约6.48~6.49 km·s^-1.可见，在此层仍然可以看到该断层的分段性.

图 7

Fig. 7

图 7 15~20 km速度成像 Fig. 7 Velocity image at depth 15~20 km

断裂带东西两侧速度差异总体上也是西侧速度低于东侧，但南北方向上各段速度值不一样.

(6) 20~25 km层：图 8是20~25 km速度成像结果.此层是中地壳下部和下地壳上部，本层依然是南、北两段速度高，中间低.约35°N以北，速度高，约6.51~6.52 km·s^-1；约32.5°N以南，速度也偏高，约6.51~6.52 km·s^-1，32.5°N—35°N间速度偏低，约6.48~6.50 km·s^-1.沿断裂带呈现分段性.就断裂带东西两侧而言，也可以看见两侧速度的差异，总体均是表现为西侧速度高，东侧速度低，只是不同段速度差异不同而已.可见不同构造块体的速度差异.

图 8

Fig. 8

图 8 20~25 km速度成像 Fig. 8 Velocity image at depth 20~25 km

(7) 25 km~M面层：图 9是25 km~M面速度成像结果.此层是下地壳.沿郯庐断裂带速度只有33°N—34.7°N间速度偏低，约7.05~7.06 km·s^-1 其余段均较高，约7.09~7.10 km·s^-1，可见在此层仍然可以看到该断层的分段性，且与该断裂的不同段构造属性和地震活动相关，与北西向断裂与郯庐断裂带相交位置有关.

图 9

Fig. 9

图 9 25 km~M速度成像 Fig. 9 Velocity image at depth 25 km to MOHO

断裂带东西两侧速度存在差异，35.2°N以北，断裂带西侧速度低于东侧，面33°N—35.2°N之间则相反.

各层速度结构的表现不完全一样，表 1给出各层各段的速度特点.

表 1(Table 1)

表 1 各层各段的速度特点 Table 1 Velocity characters of each segment at different depths 北段 中段 南段 0~2km 35.3°N以北速度较高 32.5°N—35.3°N速度较低 32.5°N以南速度较高 2~5 km 35.1°N以北速度较低 32.7°N—35.1°N速度居中 32.7°N以南速度较高 5~10 km 35.2°N以北速度较低 33°N—35.2°N速度较高 33°N以南速度居中 10~15 km 35.1°N以北速度较低 33.7°N—35.1°N速度高，32.5°N—33.7°N，速度低 32．5°N以南速度较高 15~20 km 35.1°N以北速度较高 32.8°N—35.1°N速度较低 32.8°N以南速度较高 20~25 km 35°N以北速度较高 32.5°N—35°N速度较低 32.5°N以南速度居中 25 km~M面 34.7°N以北 速度较高 33°N—34.7°N 速度较低 33°N以南速度居中

表 1 各层各段的速度特点 Table 1 Velocity characters of each segment at different depths

根据以上分析，郯庐断裂带鲁苏皖段地壳速度结构自浅至深大体以分为三段，位置大体是：南段(32.5°N—33°N以南)，中段(32.5°N—33°N至35°N—35.3°N)，北段(35°N—35.3°N以北).

我们编制了研究区地震构造图(图 10)，本图中仅给出震级大于或等于4³/₄级的历史地震和震级大于4.7级的现代地震.另外我们将本研究中用于反演的地震(1980—2011年)重新定位画于图 11，图中震级为6级以下.

图 10

Fig. 10

图 10 郯庐断裂带鲁苏皖段及邻近地区地震构造(根据《中国岩石圈动力学地图集》，1989改编) Fig. 10 Seismotectonics of the Shandong-Jiangsu-Anhui segment of the Tanlu fault zone and adjacent areas

图 11

Fig. 11

图 11 郯庐断裂带鲁苏皖段及邻近地区地震分布(1980年1月—2011年12月) Fig. 11 Distribution of epicenters of the Shandong-Jiangsu-Anhui segment of the Tanlu fault zone and adjacent areas(Jan. 1980 to Dec. 2011)

本文涉及范围属于郯庐带中段南部.又称为沂沭断裂带，李家灵等对郯庐带潍坊至嘉山段进行的1∶50000填图发现这条断层可分成三段：安丘段、莒县—郯城段和新沂—泗洪段.它们分别是三个独立的破裂单元.这三段的几何结构、运动性质、最大位移量、最新活动时代、大震复发周期、现代活动状态以及深部构造背景等均具独立性(李家灵等，1994).晁洪太等编绘的郯庐断裂带潍坊—嘉山段全新世活断层分布图(晁洪太等，1997)，在泗洪以北的三段均是晚第四纪活动断裂，而泗洪以南是早第四纪断裂.由图 3可以看到，郯庐带在0~2 km层速度分布可分为五段：

(1) 35.3°N以北段，与安丘段位置大体一致，此段速度较高，曾发生公元前70年安丘7级地震(图 10)，现代中小地震也较多(图 11).由图 10可见 此段及东西两侧地表为中生代或更早地层，速度结构的结果和地表地层反映的可能速度一致.

(2) 34.5°N—35.3°N，在郯庐带与莒南—郯城段位置一致，速度低些，曾发生了1668年郯城8¹/₂级地震，现代中小地震非常多.此段东侧以海州湾为中心速度较低，约3.87km·s^-1，向外速度逐渐增高，地表地层主要为白垩纪及新近纪以来沉积地层，速度较低; 郯庐带西侧主要为古生代地层，速度较低，再往西，是结晶基底，速度较高，本研究的速度图像与地质结果基本一致.

(3) 33°N—34.5°N，与郯庐带新沂—泗洪段位置基本一致，段内速度约3.91~3.94 km·s^-1;其中速度较高处是宿迁到新沂，约3.93~3.94 km·s^-1，此段为白垩纪地层，没有发生大地震，但发生过一些现代小震.宿迁到泗洪速度略低，没有发生大地震，现代小震也较少.带外总体是西侧略高于东侧，西侧徐州附近为古生代地层，速度略高些.

(4) 32.5°N—33°N，在郯庐带为泗洪—定远段，其速度约3.89 km·s^-1，发生过4~5级地震.本段东侧为苏北平原，有很厚的沉积盖层，N+Q厚度可达1000 m，前震旦纪基底深达7~10 km，表现为速度较低，故本研究结果与地质结果基本一致.本段西侧在五河与定远间速度约3.89 km·s^-1，该区域地表地层主要为新近纪以来沉积地层，速度偏低，与本研究的结果基本一致.

(5) 32.5°N以南，速度较高，有一些4~5级或5级地震，小地震也较多.地表主要为晚侏罗纪—白垩纪地层或古生代地层，本层速度偏高.

本研究区地壳速度结构的三个分段，地震活动水平差异较大：约35°N 以北，地震活动水平较高，发生了公元前70年安丘7级地震，中小地震也很多，32.5°N—35°N间，地震频次不高，但发生了1668年郯城8¹/₂级大震，32.5°以南，小地震较多，但最大震级为5~6级，见图 10—图 11.

浅层速度结构的分段与地质学家给出的不同破裂段大体相同绝非偶然.地质构造活动的分段性和速度结构分段的一致性表明，郯庐带新沂到泗洪段可能是断裂的闭锁段，未来有可能发生较大地震.

本研究区在大地构造上包括了华北断块区内的鲁西断块、徐淮断块(郯庐带以西)，胶辽断块(郯庐带以东，五莲—荣成断裂以北)，秦岭—大别褶皱带的鲁苏断褶带(郯庐带以东，嘉山—响水断裂以北，五莲—荣成断裂以南)和扬子断块区内的下扬子断块(郯庐带以东，嘉山—响水断裂以南)见图 10.与郯庐带相交的大地构造分界断裂位置大体是：嘉山—响水断裂在32.5°N左右，五莲—荣成断裂在35.1°N左右.

尽管不同深度呈现不同的速度分布，郯庐断裂带鲁苏皖段地壳速度结构自浅至深均可分为三段，大体位置是：南段(32.5°N—33°N以南)，中段(32.5°N—33°N至35°N)，北段(35°N以北).郯庐带35°N以北地区在华北断块区内，32.5°N至35°N则是苏鲁断褶带和华北断块区的分界，而32.5°以南是下扬子断块区和华北断块区的分界，其位置与研究区内的大地构造块体相吻合，故这种分段差异实际上可能是构造块体的速度差异，且这种差异在地壳深部亦存在.反过来从速度结构上也可证明此处的大地构造分区.由图 5和图 6可以看到，苏鲁超高压变质岩带主要反映在上地壳.肖骑彬等的大地电磁测深也给出了苏鲁断褶带高电阻率区域，与本文结果区域有相当的吻合，但其高电阻率深度可达80 km(肖骑彬等，2008).前人研究认为，高速度层厚度一般小于10 km(杨文采等，1999a，b)，本文认为其存在深度范围为5~15 km.苏鲁断褶带中深变质岩形成于中地壳，有较高的速度，经构造运动现今已抬升至上地壳.速度结构分段深到下地壳，似乎可以认为，自上而下的三段可能说明在长时间的地质演化中就已形成现今的构造块体格局.

杨文采等(1999a，b)认为郯庐带鲁苏皖段东西两侧，速度有明显差异，这种差异基本上和上面所述的分段相一致，只是各段各层速度不一.图 12是在宿迁附近垂直跨郯庐带的深度-速度剖面，可以看到上、中地壳郯庐带内速度低，西侧速度比东侧速度高，下地壳差异不大.我们的研究表明(黄耘等，2008)，研究区地震震源深度多在9～20 km内，占68%，深度在21～30 km的占17%，少数地震的深度超过30 km.较深的地震多分布在郯庐带内及附近，在某种意义上说明了郯庐断裂带是深大断裂，可能深到莫霍面，在更深的地方依然可以作为大的构造边界.郯庐带分段在不同深度显现的位置和速度分布特征不完全一致，反映了郯庐带并不是自上而下的简单几何面，而是在方向上大体如浅部展布，但在深部却犬牙交错，破裂断断续续.

图 12

Fig. 12

图 12 跨郯庐带的深度-速度剖面 Fig. 12 Velocity profile across of the Tanlu fault zone

地表到2 km(表 1)，浅层速度和地表出露地层相关联.2~15 km，为上地壳，其中段速度高，南北两段速度低，可能反映了断陷盆地底部速度较南北速度高的特点，由于苏鲁超高压变质岩带的插入，使速度结构的图像更为复杂.15 km以深，为中下地壳，郯庐带中段(33°N—35°N)速度低而南北速度高.郯庐带中段发育一条北北东方向狭长的中生代断陷盆地(图 10)，其中火山活动形成了白垩系青山组火山岩(K₁q)及新近系方山组玄武岩及凝灰质角砾岩(N₂f)，在火山岩喷发过程中岩浆分异作用形成的相对低密度熔岩滞留在中、下地壳，且断层多期次的活动将该段中、下地壳中岩石变得破碎，并有热液充填其中.表现在速度结构上，在15 km以深郯庐带中段(33°N—35°N)速度低而南、北两段速度高.由于速度结构的复杂性，局部低速层顶部或下部均会孕育大地震，故应注意郯庐带中段(33°N—35°N)中、下地壳发生大地震的可能.

本研究采用多震相地震走时成像法反演郯庐断裂带鲁苏皖段地壳三维速度结构，分析了各层速度的分段特征.郯庐断裂带鲁苏皖段浅层35.3°N以北，34.5°N—35.3°N间，33°N—34.5°N间呈现的速度分段与地质上安丘段、莒县—郯城段，新沂—泗洪段三个破裂单元相对应，且和各段的地震活动相呼应，新沂—泗洪段可能是断裂的闭锁段.郯庐断裂带鲁苏皖段地壳速度结构自浅至深分为三段，大体位置是：南段(32.5°N—33°N以南)，中段(32.5°N—33°N至35°N—35.3°N)，北段(35°N—35.3°N以北)，其位置与研究区内的大地构造块体相吻合，故这种分段差异实际上可能是构造块体的速度差异.反过来也可证明此处的大地构造分区.也说明这些大地构造单元速度结构的差异很深.郯庐断裂带鲁苏皖段东西两侧速度有明显差异，这种差异也基本上和上面所述的分段相一致，只是各段各层速度不一，说明了郯庐断裂带是深大断裂.浅部速度分段和地表出露地层有关，上地壳分段与苏鲁超高压变质岩带的插入有关，中、下地壳速度分段则可能和火山岩滞留有关，且应注意新沂—泗洪段发生大地震的可能.