郯廬斷裂帶魯蘇皖段地殼速度結(jié)構(gòu)的分段特征及其地質(zhì)意義

熊振， 李清河*， 張?jiān)?畢雪梅， 金淑梅

1 江蘇省地震局， 南京　210014　2 中國地震局蘭州地震研究所， 蘭州　730000

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郯廬斷裂帶魯蘇皖段地殼速度結(jié)構(gòu)的分段特征及其地質(zhì)意義

熊振1， 李清河1*， 張?jiān)?， 畢雪梅1， 金淑梅1

1 江蘇省地震局， 南京2100142 中國地震局蘭州地震研究所， 蘭州730000

摘要本文采用天然地震近震走時反演地殼三維速度結(jié)構(gòu)的方法獲得了郯廬斷裂帶魯蘇皖段及附近地殼(30°N—37°N，113°E—122°E)三維速度結(jié)構(gòu).對地殼內(nèi)分層速度結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)，郯廬斷裂帶魯蘇皖段存在速度的分段特征.郯廬斷裂帶魯蘇皖段淺層35.3°N以北，34.5°N—35.3°N間，33°N—34.5°N間呈現(xiàn)的速度分段和地表出露地層有關(guān)，與地質(zhì)上安丘段、莒縣—郯城段，新沂—泗洪段三個破裂單元相對應(yīng)，且和各段的地震活動相呼應(yīng)，表明郯廬帶新沂到泗洪段可能是斷裂的閉鎖段.郯廬斷裂帶魯蘇皖段地殼速度結(jié)構(gòu)自淺至深分為三段, 大體位置是：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).上地殼分段與蘇魯超高壓變質(zhì)巖帶的插入有關(guān)，中、下地殼速度分段則可能和火山巖滯留有關(guān).地殼各層速度結(jié)構(gòu)不同段的速度差異反映了構(gòu)造塊體的速度差異，表明各構(gòu)造塊體在地殼下部仍有差異，郯廬帶西側(cè)速度總體高于東側(cè)，反映了不同構(gòu)造塊體的形成和組成差別，也說明了該斷裂帶可能延伸到莫霍面.而不同深度的分段性可能反映了不同地質(zhì)演化過程.

關(guān)鍵詞郯廬斷裂帶魯蘇皖段； 地殼三維速度結(jié)構(gòu)； 速度分段特征； 地震活動； 活動斷裂分段

We select the earthquakes occurred from 1980 to 2011 in the research area, and relocate these events through a relative relocation technique. Based on the travel-time data of Pg, Sg, Pm, Sm，Pn, Sn, pP, and sS waves of these earthquakes,using the multi-phase travel-time inversion method, the 3D velocity structure (inversion grid is 30 km×30 km)beneath the research area is imaged by seismic tomography.

The analysis of the velocity distribution patterns of different depths for the research area suggests that the crustal velocity structure has segmentation. For shallow layers, different velocity segments, north of 35.3°N, 34.5°N—35.3°N, and 33°N—34.5°N, are related to exposed strata, respectively corresponding to three rupture elements of the Tanlu fault zone. They are Anqiu segment, Ju county-Tancheng segment, and Xinyi-Sihong segment, which have different earthquake activity patterns. It indicates the Xinyi-Sihong segment is the blocked segment of the Tanlu fault. The crustal velocity structure beneath the Shandong-Jiangsu-Anhui segment of the Tanlu fault zone and adjacent areas can be roughly divided into three different segments from top to bottom. They include the south segment (south of 32.5°N—33°N), middle segment(between 32.5°N—33°N to 35°N—35.3°N)and north segment (north of 35°N—35.3°N. The segmentation of upper crust is related to insertion from the Su-Lu UHPM belt, the segmentation of middle and lower crust is related to detention of volcanics. The velocities in the west of the Tanlu fault zone is higher than that in the east. The differences of velocity distribution patterns at different depths show different tectonic blocks, which have different evolution histories and compositions, also meaning that this fault extends down to the Moho.

Different velocity segments at different depths beneath the Shandong-Jiangsu-Anhui segment of the Tanlu fault zone are related to geology factors such as exposed strata, rupture units of the fault zone, Su-Lu UHPM belt, detention of volcanics or different tectonic blocks. Through analysis of the seismic activity of the different rupture umits of the Tanlu fault zone in the researched area, the consistency of velocity segments and rupture units indicate the Xinyi-Sihong segment is the blocked segment of the Tanlu fault zone, where strong earthquakes may occure in the future.

1引言

郯廬斷裂帶(以下簡稱郯廬帶)魯蘇皖段主要是沂沭斷裂帶，該段及鄰區(qū)在大地構(gòu)造位置上跨越中朝斷塊、秦嶺—大別褶皺帶和揚(yáng)子斷塊三個大地構(gòu)造單元.

沂沭斷裂帶自東向西分布著5條斷裂.地質(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)該段又分別有安丘、莒縣—郯城，新沂—泗洪三個破裂單元，反映了斷裂的不同活動水平(李家靈等，1994)，在地質(zhì)上呈現(xiàn)了明顯的分段性.

郯廬帶魯蘇皖段及鄰區(qū)深部結(jié)構(gòu)的研究成果較多，兩條寬角反射和折射剖面跨過郯廬帶(劉昌銓等，1983；國家地震局地學(xué)斷面編委會， 1991, 1992)，跨郯廬帶山東段的寬頻帶地震臺陣殼幔結(jié)構(gòu)研究(Ling et al.,2006)，大地電磁測深研究也跨郯廬帶(Ling et al.,2006; 肖騎彬等，2008；張繼紅，2010)，此外還有重、磁、熱的地球物理場研究(王良書等，1995；郝天珧等，2004；李春峰等，2009).天然地震體波層析成像是研究大范圍地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有效方法，根據(jù)資料和研究目的可以獲得地殼、地幔乃至地核不同精度的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像.與郯廬斷裂帶魯蘇皖段及鄰區(qū)有關(guān)的天然地震體波層析成像研究工作主要有：李志偉等利用1978—2003年間環(huán)渤海地震臺網(wǎng)記錄， 以0.5°×0.6°網(wǎng)格反演了地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)(李志偉等，2006)，該研究范圍較大(30°N—45°N，110°E—130°E )，且網(wǎng)格較大，并未特別關(guān)注郯廬帶.劉建華等利用秦嶺—大別山帶1980—1990年期間的P波到時資料，研究了29°N—38.7°N，102°E—119°E范圍內(nèi)1°×1°的地殼上地幔三維速度圖像(劉建華等，1995)；徐佩芬等選用1981—1996年間各省地震觀測報告的數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)震到時數(shù)據(jù)，對28°N—39°N，112°E—124°E范圍進(jìn)行了地震層析成像研究，獲得了該區(qū)地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)(徐佩芬等，2000).上述文章均未特別對區(qū)內(nèi)郯廬斷裂帶的速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.黃耘等在對郯廬斷裂帶魯蘇皖段及鄰區(qū)大量地震事件在重新精確定位的基礎(chǔ)上，利用地震走時進(jìn)行40 km×40 km網(wǎng)格的地殼速度結(jié)構(gòu)反演(黃耘等，2011).綜合人工地震和天然地震的研究成果，對該地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)有一些基本認(rèn)識，即地殼可分為上、中、下三層；莫霍面埋深自東北向西南逐漸加深，最深處在大別山一帶；一些地方中地殼有低速層，且與中強(qiáng)地震有呼應(yīng)關(guān)系；蘇魯斷褶帶上、中地殼速度高于鄰區(qū)等.有關(guān)研究區(qū)速度結(jié)構(gòu)的主要特征，我們已在相應(yīng)文章中較系統(tǒng)地論述過(黃耘等，2011；李清河等，2014).

沂沭斷裂帶是1668年81/2級地震發(fā)震斷裂， 也是大家關(guān)注的未來可能發(fā)生大震的地區(qū)，地震地質(zhì)確認(rèn)其各段斷裂構(gòu)造活動水平不同(李家靈等，1994)，但該帶的速度分布如何，速度結(jié)構(gòu)與斷裂活動及地震活動是什么關(guān)系，是我們很關(guān)心的問題.本項(xiàng)研究對郯廬斷裂帶魯蘇皖段及鄰區(qū)(30°N—37°N, 113°E—122°E)1980—2011年期間的天然地震進(jìn)行重新精確定位，用多震相地震走時成像法進(jìn)行反演(反演網(wǎng)格是30 km×30 km).反演時用已有的人工地震測深研究結(jié)果做約束，獲得了郯廬斷裂帶魯蘇皖段及鄰區(qū)的三維地殼速度結(jié)構(gòu)成像結(jié)果.本文重點(diǎn)研究郯廬斷裂帶魯蘇皖段各層速度分布的分段特征，分析地震速度結(jié)構(gòu)分段特征與淺部地質(zhì)構(gòu)造分段活動特征的關(guān)系，并對速度結(jié)構(gòu)與大地構(gòu)造單元的關(guān)系，分段性與地震活動水平的關(guān)系，郯廬帶兩側(cè)的速度分布等進(jìn)行了討論.

2研究方法

本項(xiàng)研究采用多震相地震走時成像法(張?jiān)龋?998, 2003, 2004；李清河等, 2007)反演地殼上地幔三維速度結(jié)構(gòu)，該方法使用天然地震的Pg、Sg、Pm、Sm，Pn、Sn、pP、sS震相到時資料，并聯(lián)合利用人工地震測深資料進(jìn)行約束反演，以保證三維地殼結(jié)構(gòu)成像的有效先驗(yàn)信息利用和反演信息綜合約束.采用三維射線追蹤逐次迭代法進(jìn)行射線追蹤，反演方法最優(yōu)化過程采用非線性全局優(yōu)化方法的遺傳算法(Sambridge and Drijkoningen, 1992；Koch,1993； 高爾根和徐果明，1996)，反演結(jié)果用檢測板試驗(yàn)檢驗(yàn).

3資料及主要結(jié)果

3.1資料

研究區(qū)域?yàn)?1°N—37°N, 116°E—121°E, 反演范圍擴(kuò)到30°N—37°N, 113°E—122°E,地震資料的時間段為1980年1月—2011年12月.要求每個地震事件被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(jì)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)分別為130、30、30、…30、137.1 km；沿經(jīng)度方向(Y軸)分別為80、30、30、…30、97.6 km；沿深度方向(Z軸)分別為2、3、5、5、5、5、20 km.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).本項(xiàng)研究選用的地震臺站、地震事件和計(jì)算網(wǎng)格見圖1.

圖1　地震事件和臺站分布及計(jì)算網(wǎng)格分布 圖中圓圈是地震事件，三角形是地震臺站，虛線是坐標(biāo)線，實(shí)線是網(wǎng)格線.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.

本研究用檢測板進(jìn)行分辨檢驗(yàn)，研究區(qū)內(nèi)各層的分辨率均較高，限于篇幅， 僅給出10～15 km層的檢測板，見圖2.由圖可見， 研究區(qū)內(nèi)分辨率較高， 結(jié)果可信.

3.2主要結(jié)果

我們曾對29°N—38°N, 114°～124°E范圍以40 km×40 km網(wǎng)格計(jì)算了地殼三維速度結(jié)構(gòu)， 獲得了該區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)特征的基本認(rèn)識(黃耘等，2011),這些結(jié)果與人工地震測深的結(jié)果也基本一致(劉昌銓等，1983；國家地震局地學(xué)斷面編委會，1991,1992)，本文研究范圍較之縮小， 資料更豐富，計(jì)算網(wǎng)格更小些，獲得的結(jié)果更精細(xì)些，但兩者獲得的主要結(jié)果基本相同，加之在其它文章中也有論述(黃耘等，2011),故本文不再贅述.本文僅就郯廬帶的速度結(jié)構(gòu)分段特征加以分析.

(1) 0～2 km層：圖3為0～2 km速度成像結(jié)果.研究區(qū)內(nèi)郯廬斷裂帶在此層速度分布可大體分為三段： 35.3°N(莒南)以北，速度高，約3.95～4.03 km·s-1, 32.5°N—35.3°N間，速度偏低,約3.89～3.93 km·s-1；32.5°N(定遠(yuǎn))以南，速度高,約3.94～3.97 km·s-1.如果細(xì)分，可為五段：(1)35.3°N(莒南)以北段，此段速度較高；(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遷到新沂，宿遷到泗洪速度略低；(4)32.5°N—33°N(五河到定遠(yuǎn)), 速度較低； (5)32.5°N(定遠(yuǎn))以南，速度高.

斷裂帶東西兩側(cè)速度存在差異.總體看西側(cè)速度高于東側(cè)，分段看，約35.3°N以北，西側(cè)速度低于東側(cè)；34.5°N—35.3°N,兩側(cè)速度差異不大；34°N—34.5°N，西側(cè)速度低于東側(cè)；32.5°N—34°N，西側(cè)速度高于東側(cè).

(2) 2～5 km層：圖4為2～5 km速度成像結(jié)果.本層主要是古生代基底，在32.7°N以南， 速度較高，約5.28～5.29 km·s-1,； 32.7°N—35.1°N間速度中等，約5.23～5.26 km·s-1；35.1°N以北速度又偏低,約5.20～5.22 km·s-1.故本層的分段性總體是南段速度高，中段中等，北段偏低.可以大體看出其分段性，斷裂帶內(nèi)部也可看到有速度差異.

斷裂帶東西兩側(cè)速度存在差異.約35.2°N以北，東西西側(cè)速度差異不大；33°N—35.2°N,西側(cè)速度高于東側(cè)；33°N以南，東西兩側(cè)速度差異不大.

(3) 5～10 km層：圖5為5～10 km速度成像結(jié)果.本層仍為上地殼，大約在33°N以南， 速度居中, 約5.59～5.62 km·s-1； 33°N—35.2 °N間速度高, 約5.65～5.68 km·s-1，這是蘇魯超高壓變質(zhì)巖帶的反映； 在35.2°N以北， 速度偏低,約5.58～5.59 km·s-1.可以大體看出其分段性，斷裂帶內(nèi)部也可看到有速度差異.

(4) 10～15 km層：圖6為10～15 km速度成像結(jié)果，此層是上地殼底部和中地殼上部，大約在32.5°N以南，速度較高，約6.18～6.30 km·s-1, 32.5°N—35.1°N間，速度變化較大， 其中32.5°N—33.7°N間速度低，約6.13～6.16 km·s-1,而33.7°N—35.1°N間速度很高， 達(dá)6.22～6.30 km·s-1,此處是蘇魯超高壓變質(zhì)巖帶，在上地殼速度很高.35.1°N以北,速度偏低，約6.15～6.16 km·s-1.故亦呈現(xiàn)分段性.

斷裂帶東西兩側(cè)速度差異總體上也是西側(cè)速度低于東側(cè)，但在南北方向上各段上的速度值不一樣.

(5) 15～20 km層：圖7是15～20 km速度成像結(jié)果.此層是中地殼，沿郯廬斷裂帶總體是南、北兩段速度偏高，中間偏低.約35.1°N以北，速度偏高，約6.51～6.52 km·s-1；約32.8°N以南，速度也高,約6.51～6.52 km·s-1； 只有32.8°N—35.1°N間，相對偏低些,約6.48～6.49 km·s-1.可見，在此層仍然可以看到該斷層的分段性.

斷裂帶東西兩側(cè)速度差異總體上也是西側(cè)速度低于東側(cè)，但南北方向上各段速度值不一樣.

(6) 20～25 km層：圖8是20～25 km速度成像結(jié)果.此層是中地殼下部和下地殼上部，本層依然是南、北兩段速度高，中間低.約35°N以北，速度高,約6.51～6.52 km·s-1；約32.5°N以南，速度也偏高，約6.51～6.52 km·s-1, 32.5°N—35°N間速度偏低,約6.48～6.50 km·s-1.沿斷裂帶呈現(xiàn)分段性.就斷裂帶東西兩側(cè)而言，也可以看見兩側(cè)速度的差異，總體均是表現(xiàn)為西側(cè)速度高，東側(cè)速度低，只是不同段速度差異不同而已.可見不同構(gòu)造塊體的速度差異.

(7) 25 km～M面層：圖9是25 km～M面速度成像結(jié)果.此層是下地殼.沿郯廬斷裂帶速度只有33°N—34.7°N間速度偏低，約7.05～7.06 km·s-1其余段均較高，約7.09～7.10 km·s-1,可見在此層仍然可以看到該斷層的分段性，且與該斷裂的不同段構(gòu)造屬性和地震活動相關(guān)， 與北西向斷裂與郯廬斷裂帶相交位置有關(guān).

斷裂帶東西兩側(cè)速度存在差異，35.2°N以北，斷裂帶西側(cè)速度低于東側(cè)，面33°N—35.2°N之間則相反.

各層速度結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)不完全一樣，表1給出各層各段的速度特點(diǎn).

根據(jù)以上分析，郯廬斷裂帶魯蘇皖段地殼速度結(jié)構(gòu)自淺至深大體以分為三段,位置大體是：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).

表1　各層各段的速度特點(diǎn)

4郯廬斷裂帶魯蘇皖段地殼速度結(jié)構(gòu)分段性的初步認(rèn)識

4.1郯廬斷裂帶魯蘇皖段淺部地質(zhì)構(gòu)造的分段活動性和地震活動

我們編制了研究區(qū)地震構(gòu)造圖(圖10)，本圖中僅給出震級大于或等于43/4級的歷史地震和震級大于4.7級的現(xiàn)代地震.另外我們將本研究中用于反演的地震(1980—2011年)重新定位畫于圖11，圖中震級為6級以下.

本文涉及范圍屬于郯廬帶中段南部.又稱為沂沭斷裂帶，李家靈等對郯廬帶濰坊至嘉山段進(jìn)行的1∶50000填圖發(fā)現(xiàn)這條斷層可分成三段：安丘段、莒縣—郯城段和新沂—泗洪段.它們分別是三個獨(dú)立的破裂單元.這三段的幾何結(jié)構(gòu)、運(yùn)動性質(zhì)、最大位移量、最新活動時代、大震復(fù)發(fā)周期、現(xiàn)代活動狀態(tài)以及深部構(gòu)造背景等均具獨(dú)立性(李家靈等，1994).晁洪太等編繪的郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段全新世活斷層分布圖(晁洪太等，1997)，在泗洪以北的三段均是晚第四紀(jì)活動斷裂，而泗洪以南是早第四紀(jì)斷裂.由圖3可以看到，郯廬帶在0～2 km層速度分布可分為五段：

(1) 35.3°N以北段，與安丘段位置大體一致，此段速度較高，曾發(fā)生公元前70年安丘7級地震(圖10)，現(xiàn)代中小地震也較多(圖11).由圖10可見 此段及東西兩側(cè)地表為中生代或更早地層， 速度結(jié)構(gòu)的結(jié)果和地表地層反映的可能速度一致.

圖2　10～15 km 分辨率檢測板Fig.2　Checkerboard at 10～15 km depth

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

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

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

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

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

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

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

圖10　郯廬斷裂帶魯蘇皖段及鄰近地區(qū)地震構(gòu)造(根據(jù)《中國巖石圈動力學(xué)地圖集》，1989改編)Fig.10　Seismotectonics of the Shandong-Jiangsu-Anhui segment of the Tanlu fault zone and adjacent areas

(2) 34.5°N—35.3°N, 在郯廬帶與莒南—郯城段位置一致，速度低些，曾發(fā)生了1668年郯城81/2級地震，現(xiàn)代中小地震非常多.此段東側(cè)以海州灣為中心速度較低，約3.87 km·s-1,向外速度逐漸增高，地表地層主要為白堊紀(jì)及新近紀(jì)以來沉積地層，速度較低; 郯廬帶西側(cè)主要為古生代地層，速度較低，再往西，是結(jié)晶基底，速度較高，本研究的速度圖像與地質(zhì)結(jié)果基本一致.

(3) 33°N—34.5°N, 與郯廬帶新沂—泗洪段位置基本一致，段內(nèi)速度約3.91～3.94 km·s-1;其中速度較高處是宿遷到新沂，約3.93～3.94 km·s-1，此段為白堊紀(jì)地層，沒有發(fā)生大地震，但發(fā)生過一些現(xiàn)代小震.宿遷到泗洪速度略低，沒有發(fā)生大地震，現(xiàn)代小震也較少.帶外總體是西側(cè)略高于東側(cè)，西側(cè)徐州附近為古生代地層，速度略高些.

(4) 32.5°N—33°N, 在郯廬帶為泗洪—定遠(yuǎn)段，其速度約3.89 km·s-1，發(fā)生過4～5級地震.本段東側(cè)為蘇北平原，有很厚的沉積蓋層，N+Q厚度可達(dá)1000 m，前震旦紀(jì)基底深達(dá)7～10 km，表現(xiàn)為速度較低，故本研究結(jié)果與地質(zhì)結(jié)果基本一致.本段西側(cè)在五河與定遠(yuǎn)間速度約3.89 km·s-1,該區(qū)域地表地層主要為新近紀(jì)以來沉積地層，速度偏低，與本研究的結(jié)果基本一致.

(5) 32.5°N以南，速度較高，有一些4～5級或5級地震，小地震也較多.地表主要為晚侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)地層或古生代地層，本層速度偏高.

本研究區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)的三個分段， 地震活動水平差異較大：約35°N 以北， 地震活動水平較高， 發(fā)生了公元前70年安丘7級地震， 中小地震也很多，32.5°N—35°N間， 地震頻次不高， 但發(fā)生了1668年郯城81/2級大震，32.5°以南， 小地震較多，但最大震級為5～6級， 見圖10—圖11.

淺層速度結(jié)構(gòu)的分段與地質(zhì)學(xué)家給出的不同破裂段大體相同絕非偶然.地質(zhì)構(gòu)造活動的分段性和速度結(jié)構(gòu)分段的一致性表明，郯廬帶新沂到泗洪段可能是斷裂的閉鎖段，未來有可能發(fā)生較大地震.

4.2深部速度分段與構(gòu)造塊體的關(guān)系

本研究區(qū)在大地構(gòu)造上包括了華北斷塊區(qū)內(nèi)的魯西斷塊、徐淮斷塊(郯廬帶以西)，膠遼斷塊(郯廬帶以東，五蓮—榮成斷裂以北)，秦嶺—大別褶皺帶的魯蘇斷褶帶(郯廬帶以東， 嘉山—響水?dāng)嗔岩员保迳彙獦s成斷裂以南)和揚(yáng)子斷塊區(qū)內(nèi)的下?lián)P子斷塊(郯廬帶以東，嘉山—響水?dāng)嗔岩阅?見圖10.與郯廬帶相交的大地構(gòu)造分界斷裂位置大體是：嘉山—響水?dāng)嗔言?2.5°N左右， 五蓮—榮成斷裂在35.1°N左右.

盡管不同深度呈現(xiàn)不同的速度分布，郯廬斷裂帶魯蘇皖段地殼速度結(jié)構(gòu)自淺至深均可分為三段, 大體位置是：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).郯廬帶35°N以北地區(qū)在華北斷塊區(qū)內(nèi)， 32.5°N至35°N則是蘇魯斷褶帶和華北斷塊區(qū)的分界，而32.5°以南是下?lián)P子斷塊區(qū)和華北斷塊區(qū)的分界，其位置與研究區(qū)內(nèi)的大地構(gòu)造塊體相吻合，故這種分段差異實(shí)際上可能是構(gòu)造塊體的速度差異，且這種差異在地殼深部亦存在.反過來從速度結(jié)構(gòu)上也可證明此處的大地構(gòu)造分區(qū).由圖5和圖6可以看到，蘇魯超高壓變質(zhì)巖帶主要反映在上地殼.肖騎彬等的大地電磁測深也給出了蘇魯斷褶帶高電阻率區(qū)域，與本文結(jié)果區(qū)域有相當(dāng)?shù)奈呛?，但其高電阻率深度可達(dá)80 km(肖騎彬等，2008).前人研究認(rèn)為，高速度層厚度一般小于10 km(楊文采等，1999a,b),本文認(rèn)為其存在深度范圍為5～15 km.蘇魯斷褶帶中深變質(zhì)巖形成于中地殼，有較高的速度，經(jīng)構(gòu)造運(yùn)動現(xiàn)今已抬升至上地殼.速度結(jié)構(gòu)分段深到下地殼，似乎可以認(rèn)為，自上而下的三段可能說明在長時間的地質(zhì)演化中就已形成現(xiàn)今的構(gòu)造塊體格局.

圖11　郯廬斷裂帶魯蘇皖段及鄰近地區(qū)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)

4.3郯廬帶兩側(cè)速度差異

楊文采等(1999a，b)認(rèn)為郯廬帶魯蘇皖段東西兩側(cè)，速度有明顯差異，這種差異基本上和上面所述的分段相一致，只是各段各層速度不一.圖12是在宿遷附近垂直跨郯廬帶的深度-速度剖面，可以看到上、中地殼郯廬帶內(nèi)速度低，西側(cè)速度比東側(cè)速度高，下地殼差異不大.我們的研究表明(黃耘等，2008)，研究區(qū)地震震源深度多在9～20 km內(nèi)，占68%，深度在21～30 km的占17%，少數(shù)地震的深度超過30 km.較深的地震多分布在郯廬帶內(nèi)及附近，在某種意義上說明了郯廬斷裂帶是深大斷裂，可能深到莫霍面，在更深的地方依然可以作為大的構(gòu)造邊界.郯廬帶分段在不同深度顯現(xiàn)的位置和速度分布特征不完全一致， 反映了郯廬帶并不是自上而下的簡單幾何面， 而是在方向上大體如淺部展布， 但在深部卻犬牙交錯， 破裂斷斷續(xù)續(xù).

圖12　跨郯廬帶的深度-速度剖面Fig.12　Velocity profile across of the Tanlu fault zone

4.4深淺構(gòu)造關(guān)系

地表到2 km(表1),淺層速度和地表出露地層相關(guān)聯(lián).2～15 km，為上地殼，其中段速度高， 南北兩段速度低，可能反映了斷陷盆地底部速度較南北速度高的特點(diǎn)，由于蘇魯超高壓變質(zhì)巖帶的插入，使速度結(jié)構(gòu)的圖像更為復(fù)雜.15 km以深，為中下地殼，郯廬帶中段(33°N—35°N)速度低而南北速度高.郯廬帶中段發(fā)育一條北北東方向狹長的中生代斷陷盆地(圖10)，其中火山活動形成了白堊系青山組火山巖(K1q)及新近系方山組玄武巖及凝灰質(zhì)角礫巖(N2f),在火山巖噴發(fā)過程中巖漿分異作用形成的相對低密度熔巖滯留在中、下地殼，且斷層多期次的活動將該段中、下地殼中巖石變得破碎，并有熱液充填其中.表現(xiàn)在速度結(jié)構(gòu)上，在15 km以深郯廬帶中段(33°N—35°N)速度低而南、北兩段速度高.由于速度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，局部低速層頂部或下部均會孕育大地震，故應(yīng)注意郯廬帶中段(33°N—35°N)中、下地殼發(fā)生大地震的可能.

5結(jié)論

本研究采用多震相地震走時成像法反演郯廬斷

裂帶魯蘇皖段地殼三維速度結(jié)構(gòu)，分析了各層速度的分段特征.郯廬斷裂帶魯蘇皖段淺層35.3°N以北，34.5°N—35.3°N間，33°N—34.5°N間呈現(xiàn)的速度分段與地質(zhì)上安丘段、莒縣—郯城段，新沂—泗洪段三個破裂單元相對應(yīng)，且和各段的地震活動相呼應(yīng)，新沂—泗洪段可能是斷裂的閉鎖段.郯廬斷裂帶魯蘇皖段地殼速度結(jié)構(gòu)自淺至深分為三段, 大體位置是：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),其位置與研究區(qū)內(nèi)的大地構(gòu)造塊體相吻合，故這種分段差異實(shí)際上可能是構(gòu)造塊體的速度差異.反過來也可證明此處的大地構(gòu)造分區(qū).也說明這些大地構(gòu)造單元速度結(jié)構(gòu)的差異很深.郯廬斷裂帶魯蘇皖段東西兩側(cè)速度有明顯差異，這種差異也基本上和上面所述的分段相一致，只是各段各層速度不一，說明了郯廬斷裂帶是深大斷裂.淺部速度分段和地表出露地層有關(guān)，上地殼分段與蘇魯超高壓變質(zhì)巖帶的插入有關(guān)，中、下地殼速度分段則可能和火山巖滯留有關(guān)，且應(yīng)注意新沂—泗洪段發(fā)生大地震的可能.

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(本文編輯張正峰)

基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金(40974031)，江蘇省科技發(fā)展項(xiàng)目(BE2009691)和宿遷市活動斷裂與地震危險性評價項(xiàng)目聯(lián)合資助．

作者簡介熊振，男，1969年生，博士，高級工程師，主要從事地震地質(zhì)與地震工程方面科技工作.E-mail: Xz_nj@sina.com *通訊作者李清河，研究員，博士生導(dǎo)師．E-mail：qh_Li2005@163．com

doi:10.6038/cjg20160710 中圖分類號P313，P542

收稿日期2014-09-14，2015-10-11收修定稿

Segmentation of crustal velocity structure beneath the Shandong-Jiangsu-Anhui segmentof the Tanlu fault zone and adjacent areas and its geological implications

XIONG Zhen1， LI Qing-He1*， ZHANG Yuan-Sheng2， BI Xue-Mei1， JIN Shu-Mei1

1EarthquakeAdministrationofJiangsuProvince，Nanjing210014，China2LanzhouInstituteofSeismology，CEA，Lanzhou730000，China

AbstractThe Yishu segment of the Tanlu fault zone is the seismogenic structure of the 1668 Tangchen M81/2 earthquake, where is the research focus of the potential strong earthquake location in the future. Geological survey shows different activity degrees along the Shandong-Jiangsu-Anhui segment of the Tanlu fault zone, but few researches focus on the crustal velocity structure beneath this area, and the relationship of seismicity and the difference of crustal velocity structure. The 3D velocity structure beneath this segment of the Tanlu fault zone and adjacent areas (30°N—37°N，113°E—122°E) was imaged by seismic tomography．Crustal velocity structure segmentation beneath the researched area, its characters and relationship with the geological structure segmentations, and seismic levels are studied in this paper.

KeywordsShandong-Jiangsu-Anhui segment of Tanlu fault zone；3D crustal velocity structure；Segmentation of velocity；Seismicity；Segmentation of active fault

熊振， 李清河， 張?jiān)? 2016. 郯廬斷裂帶魯蘇皖段地殼速度結(jié)構(gòu)的分段特征及其地質(zhì)意義.地球物理學(xué)報，59(7):2433-2443,doi:10.6038/cjg20160710.

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