據(jù)地殼速度結(jié)構(gòu)推測1668年山東郯城級大地震震中

李清河 張元生 鮑海英 金淑梅

1)江蘇省地震局，南京市衛(wèi)崗3號 210014

2)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

0 前言

歷史地震的位置，特別是歷史大震的位置對地震預(yù)測研究非常重要。地震準(zhǔn)確定位對研究地震的發(fā)震機(jī)制、地震斷層破裂狀況、閉鎖段與障礙體的位置、調(diào)整單元和積累單元的狀況以及推測未來大震位置等都非常重要。由于條件所限，此前確認(rèn)歷史地震位置主要有3種方法:據(jù)史料記載判斷推測;據(jù)地震地質(zhì)考察推測;用現(xiàn)代小震記錄結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造推測。史料記載因側(cè)重面不同和完整性缺失，使得推測地震震中的誤差很大;地震地質(zhì)考察受地震造成的地質(zhì)現(xiàn)象可能遭到破壞而難以準(zhǔn)確判定地震宏觀震中;用現(xiàn)代小震記錄結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造推測震中位置，必須假定現(xiàn)代小震與歷史大震同源，但這往往缺少科學(xué)依據(jù)。就定位精度看，據(jù)史料記載推測震中的精度最差，通過宏觀地質(zhì)考察得出的結(jié)果要好些，在上述基礎(chǔ)上通過現(xiàn)代小震分布的分析得出的震中精度可能更高些。

研究表明，大地震的發(fā)生都有其特定的深部結(jié)構(gòu)，這種特定的深部結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長時間內(nèi)不會發(fā)生變化，因此可以根據(jù)深部結(jié)構(gòu)特點推測歷史大震震中位置。

此前對這個地震位置的主要研究結(jié)果有(馬玉香，2009):①35°N，118.5°E(宏觀震中)(李善邦);②35.3°N，118.6°E(宏觀震中)(中央地震工作小組辦公室);③34.8°N，118.5°E(宏觀震中)(高維明等，1991);④35.5°N，118.9°E(宏觀震中)(朱書俊等);⑤莒縣和莒南間(宏觀震中)(國家地震局地質(zhì)研究所);⑥35.5°N，118.5°E(宇佐美龍夫);⑦郯城(王安岳);⑧34.5°N，118.5°E(高立保等);⑨35.15°N，118.65°E(山東省地震局)。

除第⑧項結(jié)果外其它結(jié)果均是通過地震地質(zhì)工作得出的宏觀震中，第⑧項結(jié)果則是根據(jù)史料記載、發(fā)震斷層考察和現(xiàn)代小震分布的分析得出的。宏觀震中與微觀震中在位置上是有區(qū)別的。用現(xiàn)代地震記錄推測歷史地震震中位置主要是根據(jù)大地震和中小地震的叢集效應(yīng)原理，即發(fā)生大地震的地方會發(fā)生很多中小地震，反過來，用現(xiàn)今發(fā)生的中小地震推測歷史上已發(fā)生的大震。此方法在保證上述前提成立的基礎(chǔ)上，基本可以確定歷史大震位置。不過由于無法確定現(xiàn)代小震與歷史大震、特別是年代久遠(yuǎn)的歷史大震的關(guān)系，故用現(xiàn)代小震推斷歷史大震震中的可靠性也受到很大局限。

1 山東郯城級大地震附近深部結(jié)構(gòu)特點

圖1 連云港-臨沂-泗水地殼結(jié)構(gòu)橫剖面圖(據(jù)劉昌銓等(1983)文章圖改繪)

(1)郯廬斷裂帶內(nèi)及兩側(cè)速度結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其西部較東部更復(fù)雜些，呈現(xiàn)了較強(qiáng)的非均勻性，郯廬斷裂帶深部主斷裂面向西。

(2)中地殼上部和下部各存在低速層，中地殼上部低速層以斷裂帶西部為主，深度約16～19km，中地殼下部低速層深度約20.7～23.3km。中下地殼速度橫向變化較大。

(3)莫霍面埋深變化較明顯。

(4)郯廬斷裂帶內(nèi)部電阻率低于外部，郯廬帶下部處于兩個高電阻率區(qū)之間，電阻率高低的分界可能是郯廬斷裂帶的邊界。

(5)地震多發(fā)生在速度變化較大也是電阻率變化較大的地方，且偏向高速一側(cè)。

2 研究方法

2.1 推測微觀震中的原則

(1)此次大地震發(fā)生在郯廬帶內(nèi)。前人所給出的宏觀震中結(jié)果表明，盡管各個結(jié)果在位置上有差異，但無一例外的是均發(fā)生在郯廬斷裂帶內(nèi)(馬玉香，2009)，此段郯廬斷裂帶寬度為20～60km，北寬南窄。就是說，此次大地震發(fā)生在東西寬約20～60km的區(qū)域內(nèi)。事實上這與地震地質(zhì)理論也是相符的。

(2)前人對此次大震區(qū)深部結(jié)構(gòu)的研究成果是本研究重要的基本依據(jù)。大震區(qū)有其特定的深部結(jié)構(gòu)，與區(qū)外有明顯不同。綜合前人和我們對1668年郯城級大地震區(qū)深部結(jié)構(gòu)特點的分析，判斷大震區(qū)位置。

(3)宏觀震中限定的范圍。從前面論述可見，盡管各個結(jié)果位置不同，但可以看出，微觀震中基本上應(yīng)該在宏觀震中給定的范圍，各定位結(jié)果的范圍在34°～36°N，118°～119°E。

(4)等震線分布。對于本次大震不少人給出了幾個版本的等震線分布結(jié)果，其中用得最多的是高維明等(1991)的等震線圖(圖2)，這也為我們推測微觀震中劃定了邊界。

從地震層析成像結(jié)果看，主要是地殼內(nèi)低速層的存在和莫霍面埋深的變化，故我們主要以這兩個參數(shù)判斷大震位置。

2.2 研究方法與步驟

本研究采用天然地震近震走時反演地殼上地幔三維速度結(jié)構(gòu)的方法，即多震相地震走時成像法(李清河等，1994、2007;張元生等，1998、2003a、2003b)，獲得研究區(qū)地殼三維速度結(jié)構(gòu)，對 34°～36°N，118°～119°E 范圍按 0.3°間隔作縱橫掃描，獲得每隔 0.3°～0.5°的深部速度結(jié)構(gòu)剖面，限于篇幅，本文僅給出部分掃描的剖面圖，并對震中可能區(qū)域斜向掃描，分析各個剖面的特點，便可得到符合大地震發(fā)生深部特點的區(qū)域。

3 結(jié)果

3.1 速度結(jié)構(gòu)成像

反演范圍為30°～37°N，113°～122°E，地震資料的時間范圍為 1980年 1月 ～2011年12月，每個地震事件都被3個以上臺站記錄到，共有6278個地震參與反演，能夠參加反演計算的震相到時資料為123022個(包括Pg、Sg、Pm、Sm、Pn和Sn震相)。

模型網(wǎng)格數(shù)確定為22×22×7，網(wǎng)格大小不等，沿緯度方向(X軸)其網(wǎng)格線間距分別為130、30、30、…、30、137.1km，沿經(jīng)度方向(Y軸)分別為 80、30、30、…、30、97.6km，沿深度方向(Z軸)分別2、3、5、5、5、5、20km。地殼 P波速度模型參考了 HQ-13人工地震測深速度剖面資料(國家地震局地學(xué)斷面編委會，1992)。本研究涉及的地震臺站及地震事件的分布和計算網(wǎng)格見圖3。

圖2 1668年山東郯城級地震等震線(高維明等，1991)

圖3 地震臺站、地震事件和計算網(wǎng)格

反演結(jié)果用檢測板試驗檢驗。圖4是深度為10～15km層的檢測板，由圖可見，研究區(qū)域的分辨率較高，結(jié)果可信。

圖4 10～15km層檢測板

研究區(qū)地殼可分為上、中、下地殼3層，上底部埋深約10～14km，中地殼底部埋深約20～25km(黃耘等，2011)，在中地殼下部部分地區(qū)存在低速層，其深度約21～24km。

圖5為研究區(qū)域21～24km深處的速度分布，對整個區(qū)域分層速度結(jié)構(gòu)分析表明，在20～25km層，特別是21～24km層局部區(qū)域存在低速層，圖中郯廬帶及附近就有低速層存在，圖中用紅色線圍住，在34°N以北有兩個區(qū)域存在低速層，即34.0°～34.3°N和34.8°～35.2°N。

圖6是研究區(qū)域莫霍面深度分布，圖中紅色虛線表示莫霍面深度變化區(qū)域，由圖可見，34.0°～34.3°N，34.7°～34.9°N，35.1°～35.3°N 間莫霍面深度發(fā)生變化。

圖5 21～24km深處的層速度分布

圖6 莫霍面深度分布

3.2 按緯度掃描

圖7 是掃描位置示意圖，圖8～9是按緯度掃描的剖面圖。

圖7 掃描位置示意圖

從圖 8(a)(34°N、116°E ～34°N、120°E)剖面看到: 在約 15 ～23km 深度上顯現(xiàn)低速層，特別是在郯廬斷裂帶下方有一低速體，此處地面位置是宿遷市附近，下面深度約23km。

從圖 8(b)剖面(34.3°N、116°E ～34.3°N、120°E)看到:在中地殼下部在郯廬帶下方有一低速體，與圖8(a)比較，兩圖很相似，不過此低速體變大，其下面深度約23km，此處郯廬帶內(nèi)地面位置大約是新沂市附近。

從圖 8(c)剖面(34.6°N、116°E ～34.6°N、120°E)看到:在中地殼速度變化較大，在 100～150km和250～300km兩處中地殼顯現(xiàn)高速區(qū)，但在郯廬斷裂帶附近沒有明顯異常。此處郯廬帶內(nèi)地面位置大約是郯城附近。

圖8 (a) 過34°N沿EW方向的速度-深度剖面

本區(qū)域沿剖面34.8°～35.05°N剖面的圖像基本相同。從圖8(d)剖面(35.0°N、116°E～35.0°N、119°E)看到:在中地殼下部在郯廬帶下方有一低速體，該低速體底面深度約23km，從緯度剖面看，在34.8°～35.05°N區(qū)間郯廬帶范圍內(nèi)中地殼下部有低速體存在，有可能是大震位置。

圖8 (b) 過34.3°N沿EW方向的速度-深度剖面

圖8 (c) 過34.6°N沿EW方向的速度-深度剖面

圖8 (d) 過35°N沿EW方向的速度-深度剖面

圖8 (e) 過35.2°N沿EW方向的速度-深度剖面

圖8 (f) 沿35.5°N的速度-深度剖面

圖8 (g) 沿36°N的速度-深度剖面

緯度剖面中35.1°～35.2°N 間的圖像基本相同。從圖 8(e)剖面(35.2°N、116°E～35.2°N、120°E)看到:自剖面西端點150～185km間在中地殼底部有一低速體，不過該低速體在郯廬帶西面約40～50km，可能與大震位置無關(guān)。

圖 8(f)是 35.5°N、116°E ～35.5°N、120°E 剖面，我們注意到 35.45°～35.75°N 間有相同圖像，從圖可以看到，在250～270km下面，有一低速層，其底面深度約23km，此處位于郯廬帶下方。

圖 8(g)為 36°N、116°E ～36°N、120°E 剖面，從圖可以看到，在郯廬帶下方，沒有發(fā)現(xiàn)低速異常體存在。

綜上所述，按緯度掃描，可以看到郯廬帶在北偉34.0°、34.3°、35.0°、35.5°及其附近中、下地殼出現(xiàn)低速層，考慮到地震造成的宏觀破壞程度，34.0°N及34.3°N附近不可能是震中。

3.3 按經(jīng)度掃描

我們再按經(jīng)度從118°～119°E掃描剖面，其緯度范圍是32°～37°N(圖9)。

圖 9(a)為 31°N、118°E ～36°N、118°E 剖面，可見在郯廬斷裂帶內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)速度異常。郯廬帶過此經(jīng)度的區(qū)域較少，僅有嘉山、五河、宿遷西，約在33°～34°N間，此范圍不是速度異常區(qū)。

圖 9(b)為 32°N、118.5°E ～36°N、118.5°E 剖面，我們注意到自 118.2°～118.7°E 間均呈現(xiàn)相同的圖像，則 118.2°～118.7°E 與郯廬帶相交的區(qū)域是由(33.65°N、118.2°E)、(33.65°N、118.7°E)、(35.85°N、118.7°E)和(35.85°N、118.2°E)4 點圍成的矩形區(qū)域，在圖9(b)中是294～539km的區(qū)間，在此區(qū)域內(nèi)，中地殼下部有低速層的有兩處，一是33.65°～34.3°N附近，此處在前面已論述，不可能是1668年大震區(qū)，另一處在34.5°～35.02°N間，而35.5°～36.0°N并沒有發(fā)現(xiàn)低速層。從圖可見，過郯廬帶的地方有臨沂、臨沭和郯城等地，其中地殼下部有低速異常，最低深度約22～23km。

圖 9(c)為 31°N、119°E ～36°N、119°E 剖面，我們注意到 118.8°～119°N 間的圖像相同，可見在郯廬斷裂帶內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)速度異常。

至此，我們將震中位置縮小到34.5°～35.1°N，118.2°～118.7°E間。為了更明確區(qū)域，我們又對此區(qū)域斜向切了幾條剖面(圖10)。

3.4 按斜向掃描

圖 10(a)是 NW-SW 向剖面(36°N、116°E ～34°N、120°E)，此剖面從郯廬帶的 34.75°～34.86°N間通過，從圖可見，自剖面端點約150～225km間在中地殼上部有一低速異常體，深度為17～20km，其地面位置在郯廬帶西面，位于蒼山-尼山斷裂與蒙陰山前斷裂之間。此剖面在郯廬帶內(nèi)并沒有異常出現(xiàn)，即34.75°～34.86°N間沒有出現(xiàn)低速異常。圖10(a)顯示了蒼山-尼山斷裂與蒙陰山前斷裂對地震區(qū)域的邊界控制作用。

圖 10(b)是 SW-NE 向剖面(34.19°N、116°E ～35.31°N、120°E)，此剖面從郯廬帶的34.84°～34.92°N間通過，從圖可見，在本剖面郯廬帶內(nèi)并沒有異常出現(xiàn)，即 34.84°～34.92°N間沒有出現(xiàn)低速異常。

圖9 (a) 過118°E沿SN向速度-深度剖面

圖9 (b) 過118.5°E沿 SN向速度-深度剖面

圖9 (c) 過119°E沿 SN向速度-深度剖面

圖10(c)是 SW-NE 向剖面(34.00°N、117.00°E ～36.00°N、120.00°E)，此剖面從郯廬帶的34.87°～35.19°N間通過，由圖可見，在本剖面郯廬帶內(nèi)在中地殼下部有低速異常體，埋深約21～23.4km。可能是大震震源區(qū)位置。

圖10 (a) 沿NW-SE向速度-深度剖面

圖10 (b) 沿SW-NE向速度-深度剖面

圖10 (c) 沿SW-NE向速度-深度剖面

圖10(d)是 WN-ES 向的 NN'剖面(36.00°N、116.00°E ～34.76°N、120.00°E)，此剖面從郯廬帶的35.18°～35.27°N間通過，從圖可見，在本剖面中郯廬帶下面并無低速異常出現(xiàn)。

圖10 (d) 沿NW-SE向速度-深度剖面

考慮到莫霍面深度變化，綜合分析，在本區(qū)域內(nèi)，有可能發(fā)生大震的區(qū)域是34.8°～35.2°N，118.2°～118.7°E，最有可能的區(qū)域是 35.1°N，118.6°E。

關(guān)于震源深度，王華林等認(rèn)為深度為23km(王華林等，1996)，本研究發(fā)現(xiàn)，下地殼低速層的埋深約21～24km，考慮到華北多數(shù)大地震均發(fā)生在低速層上面，故推測大地震的深度約20km。

4 結(jié)論

本研究采用天然地震近震走時反演地殼上地幔三維速度結(jié)構(gòu)的方法，獲得研究區(qū)地殼三維速度結(jié)構(gòu)，對 34°～36°N，118°～119°E 范圍按 0.3°間隔縱橫掃描，獲得每隔 0.3°～0.5°的地殼速度結(jié)構(gòu)剖面，并對震中區(qū)斜向掃描，分析各個剖面的特點，得到符合大地震發(fā)生深部特點的區(qū)域。