2. 山东省地震局, 济南 250014
2. Shandong Earthquake Agency, Jinan 250014, China
受太平洋板块俯冲影响,2011年3月11日日本发生了MW9.0地震(下文简称日本地震),对我国东北和华北地区造成了毫米至厘米级的同震水平位移(Wang et al., 2011).太平洋板块对欧亚板块的俯冲作用是华北地区地震活动的重要动力来源(茂木清夫,1976).已有研究表明,位于太平洋板块俯冲带的日本地区的强震活动对我国华北地区的地震活动具有重要的影响(孙文斌等,1985;马宏生等,2003;郑建常和蒋海坤,2007).郯庐断裂带(图 1)作为横跨中国东部的深大断裂带,与日本海沟同属于一个地质构造系统,同样受到太平洋板块俯冲的影响,日本地震后的构造活动十分值得关注(杨少敏等,2011;殷海涛等,2013).郯庐断裂带位于山东部分称为沂沭断裂带,第四纪以来以右旋走滑兼逆冲活动为主要特征,对现代地震活动具有明显的控制作用(王志才等,2005),历史上曾发生公元前70年安丘MS7地震和1668年郯城MS8½地震.
日本地震发生前研究区地震活动水平较弱,能量释放较为平缓.日本地震发生后,沂沭断裂带及其两侧地区中小地震活动频繁(图 2和图 3),至2016年底已发生16次ML4.0以上地震.2013年11月23日邻近沂沭断裂带北部区域发生了莱州ML5.0地震,为山东地区自1995年苍山Ms5.2地震以来最大的陆地地震,并在此前后形成了持续时间较长的地震序列;2013年10月1日在沂沭断裂带东侧地区发生乳山ML3.8地震后形成乳山震群(图 3),持续至今已发生12000余次地震,其中4次ML4.1~ML5.0地震.作为活动地块的边界带,沂沭断裂带两侧地区分属华北平原地块、鲁东—黄海地块(张培震等,2003;图 1).活动地块相关研究(张培震等,2003;张国民等,2004)表明,活动地块间的差异运动及其相互作用对地震活动起着直接控制作用.日本地震的同震位移场也表明,受太平洋板块俯冲的影响,须关注构造应力在沂沭断裂带两侧块体间的传递(杨少敏等,2011).因此对日本地震以来沂沭断裂带及两侧块体间的地壳运动状态如何以及它对沂沭断裂带及其两侧地区地震活动有何影响等问题的研究很有必要.
GPS作为现代化空间大地测量技术,是大范围构造变形研究的重要手段(Wang et al., 2001;江在森等,2003),据此开展郯庐断裂带或沂沭断裂带的地壳形变研究已有很多(杨国华等,2001;许才军等,2002;殷海涛等, 2011, 2013;刘晓霞等,2012;苏建锋和薄万举,2016),对了解该断裂的活动特征具有重要意义.但是已有研究未能给出沂沭断裂带两侧块体连续的相对运动状态,关于两侧块体相对运动对地震活动有何影响的研究也相对较少.本文将在前人研究的基础上,利用研究区(图 1)连续GPS观测站,研究日本地震前后沂沭断裂带两侧块体相对运动的演化过程,并研究其对研究区地震活动的影响,对从动力学机制上研究该区域地震形势,具有理论意义及应用价值.
1 沂沭断裂带两侧块体相对运动过程的获取本文GPS数据来源于“陆态网络”和“山东省地壳运动GPS观测网”在本文研究区布设的GPS连续观测站(图 1),前者数据起止时间为2011年04月至2016年12月,后者为2007年1月至2016年12月.利用GAMIT/GLOBK(Herring et al., 2010)解算ITRF2008下单日解序列(殷海涛等,2013),受篇幅所限展示其中TAIN和JIMO站的位移序列(图 4).水平方向单日解精度优于2 mm,剔除时间序列中的异常点,采用滑动傅里叶变换方法分析连续观测序列的频谱特征并分离气压、气温等引起的周期性非构造因素(殷海涛等,2011).
利用滑动块体模型提取沂沭断裂带两侧块体的相对运动过程,计算过程如下:1)以沂沭断裂带为边界将研究区划分为东西两侧块体(张培震等,2003);2)分时段计算各GPS连续观测站的运动速率;3)分别对沂沭断裂带两侧块体建立块体模型(李延兴等,2004),求解模型参数和块体间整体相对运动速率并估计其精度(朱成林等,2016);4)将两侧块体相对运动分解为平行和垂直沂沭带方向(沂沭断裂带平均走向为N17°);5)为了既能反映两侧块体的动态变化,也能避开年周期干扰因素的影响,对2)中的时段进行窗口长度为1.5年的逐月滑动计算.此窗口长度下块体间整体相对运动速率平均模型方差为0.2 mm2,可以分辨出连续运动过程趋势信号(朱成林等,2016).由于研究区在日本地震之前连续观测站点较少(图 1),首选使用整体旋转模型(RRM)给出两侧块体在日本地震前后连续的相对运动过程(图 5).而随着GPS站点的增多,利用整体旋转与均匀应变模型(REHSM)给出日本地震后两侧块体连续的相对运动过程(图 6).
为了研究区域地震活动与沂沭断裂带两侧块体相对运动过程之间的关系,本文利用地震频次N、总释放能量折算震级M(将总释放能量E折算为一次地震的相当震级)、地震活动度S值(谷继成和魏富胜,1987)和b值等地震活动参数的时间扫描曲线来反映地震活动过程,与两侧块体相对运动过程作相关性分析,并分析相关性与空间范围和震级强度的关系.具体算法如下:1)以距离沂沭断裂带中点一定半径R的圆形检索区拾取一定震级下限的地震目录,计算上述地震活动参数的时间扫描曲线(时间窗口为6个月);2)计算它们与两侧块体相对运动曲线之间的相关系数,并对相关系数进行显著性检验(T检验,以置信水平表示,95%以上为显著相关);3)以一定步长调整检索半径R及震级下限,得到地震活动参数与两侧块体相对运动(以速率表示)的相关性在不同检索半径及震级下限的分布关系(图 7).
由于日本地震之前两侧块体GPS站点较少,相对运动精度相对较低(图 5),且地震活动水平较低、相对运动过程较为平稳,本文分析日本地震以来研究区地震活动与两侧块体相对运动的相关性,结果表明:两侧块体相对运动与N、M、S值呈正相关,与b值呈负相关.当检索半径R在250~500 km时相关性较好,最优相关系数分别为0.66、0.69、0.74、-0.6,可以认为距离沂沭断裂带中点250~500 km区域为两侧块体相对运动对地震活动的大致影响区域.由于b值与区域应力成反比(Scholz,1968),上述结果均表明研究区的地震活动受两侧块体相对运动过程影响显著(表 1,图 8).因为地震释放能量为震级的指数关系,较大震级地震在总释放能量中起决定作用,所以M与两侧块体相对运动的相关性对下限震级不敏感,而N、b值与地震目录完整性有关,它们与两侧块体相对运动的相关性对下限震级较为敏感.若以两侧块体相对运动分量分别研究上述相关性,结果表明两侧块体相对运动速率对地震活动的影响要大于其两个分量(表 1).
块体运动是中国大陆东部地区地壳运动的主要形式(王敏等,2003),加之大陆东部地区地壳相对运动量级较小,通过块体模型可以滤掉块体内部形变噪声,提高信噪比.通过窗口滑动的方法,能在有限的信噪比条件下提取相对可靠的趋势信号.窗口长度选择1.5年是为了既能反映两侧块体的动态变化,也能去掉年周期干扰因素的影响.沂沭断裂带两侧块体受来自中国大陆西部较强的SW向推挤和东部太平洋和菲律宾两大板块的挤压作用(魏光兴等,1993).日本地震之前,虽然研究区连续观测的GPS站点较少,但是滑动RRM仍能反映出两侧块体呈右旋走滑兼挤压的平稳运动状态.排除站点中断观测的影响区间,平均走滑、挤压速率分别为0.6±0.1 mm·a-1和-1.2±0.1 mm·a-1.日本地震显著的同震位错和和震后应力松弛对我国大陆东部造成显著的影响(Wang et al., 2011;王丽凤等,2013),虽然本文对站点序列的日本地震同震位移进行了改正,但仍然无法完全消除同震及其震后影响,受窗口滑动影响,2011年3月至2012年6月结果予以剔除(图 5).
图 5、图 6分别基于滑动RRM和滑动RRHSM获取了日本地震后两侧块体的相对运动运动过程,两者基本一致,但RRM模型为刚性块体模块,不符合地壳的弹性属性,RRHSM模型精度稍优于RRM(朱成林等,2016).剖面投影也是一种获取断裂滑动速率的常用方法(Shen et al., 2005;Kirby et al., 2007),反正切函数给出了闭锁深度D和长期滑动速率v0的关系(Savage and Burford, 1973;Meade and Hager, 2005),公式为
(1) |
式中v(x)为地表站点速率;x为站点到边界断裂的距离.山东及邻区地震精定位结果显示(李霞等,2012)研究区10 km和16 km深度存在两个地震优势分布层,2011年以来研究区94%的ML3.0以上地震震源深度在16 km以内,因此假设D为10 km和16 km分别作反演.作为验证,以与滑动REHSM同样的时间窗口给出滑动速率的演化过程,平行沂沭带方向的滑动过程与REHSM结果差值均方差分别为0.08 mm·a-1和0.05 mm·a-1,两种方法结果几乎一致(图 6a).日本地震以来两侧块体呈右旋走滑兼挤压状态,平均走滑、挤压速率分别为0.9±0.1 mm·a-1和-0.7±0.1 mm·a-1,但相对运动过程具有起伏特征,相对运动速率在0.5~2.5 mm·a-1范围内波动.华北克拉通东部P波三维速度结构显示脆韧转换带位于17~20 km深的上下地壳分界面(段永红等,2016),因此上述结果反映了两侧块体上地壳的相对运动,研究区的地震活动也主要发生于上地壳.
日本地震前后,沂沭断裂带两侧块体表现出右旋挤压状态,与新生代以来沂沭断裂带在NEE区域主压应力场作用下呈右旋走滑兼逆冲的活动性质(王志才等,2015)相符合.然而日本地震以后,撇除同震影响时段,两侧块体相对运动表现出波动特征,且波动特征主要源于垂直沂沭断裂带方向(图 6)的近东西向.从研究区的泰安站(TAIN)和邻近日本东海岸的筑波站(TSKB)之间的GPS基线序列可以看出(图 9),日本地震之前基线呈平稳缩短状态,表明研究区受来自板块俯冲的西向挤压;而日本地震破裂发生时长期积累的东西向压应变中弹性部分突然释放,基线快速伸长,随着应变逐步释放完毕基线逐步再次转为缩短状态,表现出较地震前明显复杂的运动状态.TAIN-TSKB基线变化也主要来源于其东向分量,基线所反映的板块间复杂的相对运动必然会引起位于它们之间的本文研究区所处块体间相对运动状态的调整.
日本地震之前研究区地震活动相对平静,虽然GPS观测站点较少,也表明两侧块体相对稳定的相对运动状态,因此主要分析日本地震以后沂沭断裂带两侧块体相对运动对区域地震活动的影响.日本地震后初期阶段(2011年3月至2013年1月),两侧块体垂直沂沭带方向相对拉张,平行方向变化平稳.日本地震的同震位移场显示我国华北地区东向位移显著,而南北向位移不明显(Wang et al., 2011;杨少敏等,2011).活动地块的上地壳脆性层主要靠下地壳和上地幔的黏塑性流变驱动(张培震等,2002),当太平洋板块和北美板块长期作用下产生变形累积突然破裂错动时(薄万举,2013),长期积累的东西向压应变释放驱动华北地区的地壳向东运动,对沂沭断裂带东侧块体驱动强于西侧块体而造成相对拉张.从TAIN-TSKB的GPS基线序列(图 9)也可以发现日本地震后至2013年存在明显的拉张变化,且主要来源于其东向分量.两侧块体垂直沂沭带方向的拉张有助于降低脆性上地壳内部的应力(薄万举,2013),期间研究区地震活动水平较低(图 2).
2013年1月至8月,两侧块体垂直沂沭带方向挤压增强,平行方向走滑减缓,相对运动方向发生偏转而量级减小(图 6),由于研究区内分布众多NNE、NE、NW向规模较小的活动断裂,此时两侧块体的相对运动有利于脆性层活动断层产生应变能积累,期间研究区地震活动水平较低.
2013年9月至2014年5月,两侧块体垂直沂沭带方向挤压增强,平行方向右滑加速,相对运动近东西向(图 6c绿色箭头),量级增大.对于研究区内众多的NNE、NE、NW向活动断裂,垂直沂沭带方向的挤压增强有利于主压应力克服发震断层面的凹凸体,而平行方向滑动增强有利于脆性层内断层的走滑剪切.期间研究区地震能量集中释放,乳山震群10月开始活跃,11月发生了主震为ML5.0的莱州地震序列.
2014年6月以来,两侧块体垂直沂沭带方向挤压增强的趋势上叠加“张压交替”波动,平行方向走滑减弱基础上波动变化.类似于2013年1月至8月的相对运动状态,此时段两侧块体脆性层内断层是否存在应变能积累值得关注.缓慢能量积累过程中也存在着应变能释放,其中2015年4月至2015年9月两侧块体垂直沂沭带方向挤压增强,平行方向右滑增强,促进了研究区的应变能集中释放.
山东地区近年来的震源机制结果显示研究区最大水平主压应力方向为NEE至近EW向(郑建常等,2013),在2013年9月至2014年5月、2015年4月至2015年9月研究区两个地震能量集中释放阶段两侧块体的相对运动方向(图 6c绿色箭头)和区内主压应力方向一致,而且两侧块体相对运动速率和地震活动强度变化具有同步特征,因此可以认为两侧块体的相对运动对沂沭断裂带及其两侧地区的地震活动具有控制作用.
3.3 研究区两次地震序列的震源机制分析(1) 莱州地震序列
2013年11月23日邻近沂沭断裂带北部区域(37.10°N,120.02°E)发生了莱州ML5.0地震(图 3),并在此前后形成了持续时间较长的地震序列,为叙述方便称之为“莱州序列”.郑建常等(2015a)给出了莱州序列中12次ML3.0以上地震的震源机制,本文将其按时间先后编号为lz01~lz12(图 10),结果显示莱州序列主要为走滑型机制.根据地震序列精定位展布方向及宏观考察认为主震(lz09)震源机制的NE向截面为莱州序列的发震断层,其P轴方向为101.20°±24°(郑建常等,2015a).值得注意的是lz07、lz08在主震前2h发生,其走滑机制带有逆冲分量.前文讨论表明2013年1月至8月两侧块体的相对运动有利于区内NE向断层的应变能积累.2013年9月以后,垂直沂沭带方向挤压增强,当挤压应力能克服断层面的“凹凸体”时,平行沂沭带方向右滑增强促进了发震断层面的右滑剪切,进而发生主震(lz09),此时两侧块体相对运动方向与其P轴方向基本一致,可见lz07、lz08显示的逆冲分量很可能是挤压应力增强克服断层面“凹凸体”的信号.精定位显示该序列震源深度分布在6.6~8.4 km(郑建常等,2015a),P波三维速度结构(苏道磊等,2016)显示该区域存在高速-低速转换带,很多研究表明高速-低速转换带易于应力集中(Artyushkov, 1973;Zhang et al., 2009;苏道磊等,2016),因此莱州序列的发生与两侧块体相对运动造成该地区的应变能积累释放有关.
(2) 乳山震群
2013年10月1日位于沂沭断裂带东部的乳山市(36.83°N,121.70°E)发生ML3.8地震后形成乳山震群(图 3),至今发生了12000余次余震,其中有4次ML4.0以上地震(图 11).本文收集了部分ML3.0以上共计15个地震震源机制(曲均浩等,2015),按时间先后编号为rs01~rs15(图 12),结果显示乳山震群为走滑型机制.乳山震群活动具有起伏特征:2013年10月开始后频次逐渐增加,至2014年4月稍有衰减,期间发生了2次ML4.0以上地震(rs04、rs08);2015年5月至9月再次活跃,期间发生了ML5.0地震(rs11).根据主震震源机制及序列精定位的优势分布方向,郑建常等(2015b)、曲均浩等(2015)对乳山震群的发震断层面走向估计为299.5°和291°,大致与沂沭断裂带垂直,因此2013年9月两侧块体垂直沂沭带方向相对运动增强,对乳山发震构造具有左滑增强作用,而两侧块体平行沂沭带方向相对运动增强(图 6c绿色箭头)对其具有挤压增强作用,增强的构造应力推动乳山震群发震构造左滑剪切的发生.2013年10月至2014年5月两侧块体相对运动处于高值,相对运动方向(图 6c绿色箭头)与乳山震群P轴方向基本一致,促进了乳山震群的应变能集中释放.2014年11月至2015年4月,垂直沂沭断裂带方向相对减弱,此阶段乳山震群活动相对减弱,可能存在应变能积累现象.2015年5月至2015年9月,两侧块体相对运动增强再次促进了乳山震群的能量集中释放.2016年2月以来两侧块体垂直沂沭带方向相对运动减速,期间乳山震群活动也明显减弱,乳山发震构造是否再次积累应变能值得关注.乳山震群的震源深度为4~10 km(曲均浩等,2015),P波三维速度结构(苏道磊等,2016)显示该区域同样存在高速-低速转换带,两侧块体相对运动容易造成该地区的应变能积累释放过程,因此乳山震群的发生也与两侧块体相对运动造成该地区的应力积累和应变能释放有关.
地震预测是世界难题,但是在全球强震多发的严峻形势下,充分利用卫星对地观测资料,探索地壳运动与地震孕育的可能关系是十分必要的.本文研究了日本地震前后沂沭断裂带两侧块体的相对运动过程,并研究了块体相对运动对区域地震活动的影响机制.研究过程中发现了一些认识和讨论,总结如下:
1) 相对运动过程表明沂沭断裂带两侧块体呈右旋走滑兼挤压状态,与新生代以来沂沭断裂带在NEE区域主压应力场作用下呈右旋走滑兼逆冲的活动性质相符合.日本地震之前两侧块体相对运动过程相对平稳,平均走滑、挤压速率分别为0.6±0.1 mm·a-1和-1.2±0.1 mm·a-1;日本地震以来平均走滑、挤压速率分别为0.9±0.1 mm·a-1和-0.7±0.1 mm·a-1,但相对运动过程更具有起伏特征,相对运动速率在0.5~2.5 mm·a-1范围内波动.两侧块体的相对运动状态与日本地震前后俯冲带两侧板块间相互运动状态的改变有关.需要指出的是由于地壳的弹塑性及其不均匀分布,本文沂沭断裂带两侧块体相对运动虽然沿着平行/垂直沂沭断裂带方向进行分解,也并非代表沂沭断裂带自身的滑动速率,但是它可能影响沂沭断裂带及其他区内活动断裂的活动.
2) 两侧块体相对运动与地震活动的相关性与地震目录检索半径的分布关系表明两侧块体相对运动对地震活动的大致影响区域为沂沭断裂带周围250~500 km区域,两侧块体相对运动与地震活动参数N、M、S值、b值的最优相关系数分别为0.66、0.69、0.74、-0.6,T检验显示相关性显著.日本地震以来,在研究区地震能量集中释放阶段两侧块体相对运动方向和研究区主压应力方向一致,两侧块体相对运动速率和地震活动强度变化具有同步特征,因此两侧块体的相对运动对研究区的地震活动具有控制作用.
3) 通过莱州序列和乳山震群发生机制的讨论,可以在区域构造环境不变的情况下根据地震活动强度和震源机制演化来讨论区域应力的变化.分析认为,两次地震序列均与沂沭断裂带两侧块体相对运动促进的局部区域应力调整有关.
国家重点基础研究发展(973)计划项目《大陆强震机理与预测》研究结果表明(马宏生等,2003;王辉等,2003;张国民等2004,2005)研究表明强震大都发生在活动地块边界上,活动地块现今地壳运动变形的应变速率与地震应变能释放、活动地块边界带构造活动速率与强震活动水平之间均呈线性关系.这些结果从空间上表明了活动地块的运动及其相互作用对中国大陆强震孕育和发生起着直接控制作用.本文以沂沭断裂带两侧块体的相对运动与研究区地震活动过程的相关性从时间上印证了活动块体间相对运动对区域地震活动的控制作用.
由于本文研究区位于板块交汇处,动力学坏境复杂,研究区周围还分布有其他活动地块,均可能对研究区的地震活动造成影响.因此有必要进一步研究更多块体间相互作用过程及其对地震活动的影响.而且两侧块体的相对运动运动状态作为研究区动力来源,影响包括(且不局限于)沂沭断裂带(其自身也是一组不同产状的平行断裂)在内的所有的内部断裂的构造运动及能量积累,以及块体内部其他区域的应力应变积累,因此研究区的地震活动机制还必须结合区内构造单元划分以及活动断裂性质做进一步工作.另一方面,对于我国东部地区,受制于地壳内部变形相对微弱、GPS观测信噪比低、强震复发周期长等原因,GPS用于地壳形变研究相对困难.本文虽然尝试多种方法减轻非构造因素的影响,但是其影响仍然不可忽略,需要继续积累观测资料并深入非构造因素剔除方法的研究.即便如此,块体相对运动对区域地震活动的控制作用也是值得关注和研究的.
致谢感谢“陆态网络”和山东省地震台网中心提供的GPS观测数据和地震目录,感谢刘希强研究员、陈时军研究员、郑建常研究员的交流讨论,感谢审稿专家提出的宝贵意见.
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