沂沭断裂带是郯庐深断裂穿过山东境内的区段,北起莱州湾,南至江苏新沂,主要由4条主干断裂组成“两堑夹一垒”的地质构造。在沂沭断裂带的东西两侧,一系列规模不等的NE和NW、NWW 向断裂,与沂沭带一起构成了区内活动断裂的主体。特别是一些NW向断裂,活动时期在晚更新世末至全新世初,与沂沭断裂带强烈活动时期一致(满洪敏,2005)。在沂沭带以北的渤海凹陷区内广泛发育着NE和NW、NWW以及近EW向多组活动断裂,其中NWW向张家口—蓬莱断裂规模最大,是华北地区7级强震复发周期最短的区域。据历史文献记载及近代中小地震记录,自公元前70年至今,沂沭带主干断裂区发生6级以上的地震4次,北西向次级断裂发生6级以上的地震1次,北部渤中凹陷区及胶东半岛北部海域发生7级以上的地震4次,其中1668年郯城81/2级地震是中国东部发生的最为强烈的地震(图1)。

F₁:无棣—益都断裂; F₂:冀北断裂; F₃:黄县断裂; F₄:风仪

店断裂; F₅:桃村—东陵山断裂; F₆:安丘—莒县断裂; F₇:昌

邑—大店断裂; F₈:蒙山断裂; F₉:苍山尼断裂;

F₁₀:响水—嘉比断裂; F₁₁:威海蓬莱断裂

图1 研究区域断裂带及历史中强地震分布
Fig.1 Distribution of the faults and historical medium-strong earthquakes in study area

图2 沂沭断裂带及附近地区台站分布及子区域划分(ML≥1.0,2002-01～2012-04)
Fig.2 The station distribution and sub-region division in Yishu Fault and its adjacent areas (ML≥1.0,2002-01～2012-04)

根据沂沭断裂带及附近地区地质构造特点、台站布局及2002年以来中小地震空间分布特征对研究区进行分段。沂沐断裂带主干地区现代中小地震活动在空间分布上南北分段性表现明显。沿N36°线南北两侧,小震频度及空间分布差异显著:其北部地震活动频度低,空间分布零散; 其南部则相反,地震活动频度高,主要沿沂沭带走向分布; 另外依据小震震源机制解所推断出的沂沭断裂带现代构造应力场取向(魏光兴等,1988),将N36°线以南区域沿窑上—麦坡再划分成两个子区域,加上莱州湾及附近海域,由南向北将研究区划分成4个子区域(图2):

Ⅰ区:新沂—宿迁,空间范围约为0.72°×1.6°,共计32次地震,震级范围M_L0.6～4.3,子区域内布设观测台站5个,震源机制P轴取向大致为近东西向。

Ⅱ区:郯城—高桥,空间范围约为1.33°×2°,共计157次地震,震级范围M_L0.6～3.4,子区域内布设观测台站15个,震源机制P轴取向为北东或北东东向。

Ⅲ区:孟曈—潍坊,空间范围约为1.3°×2.3°,共计117次地震,震级范围M_L1.3～3.7,子区域内布设观测台站10个,震源机制P轴取向似为北西西向。

Ⅳ区:莱州湾及附近海域,空间范围约为1.5°×2.5°,共计355次地震,震级范围M_L0.7～4.4,子区域内布设观测台站8个,震源机制较为复杂,P轴的优势取向大致为近东西向。

本文采用的计算方法为多台和达法,是由日本地震学家和达清夫(Wadati,1928)提出。其计算公式有两种(黎明晓,张晓东,2004),通过公式换算可以发现两种计算公式的原理是一致的。其原理为在假定震源区到地表介质是均匀各向同性的条件下,一次地震事件以一组台站记录到的直达P、S波到时差与P波走时拟合的线性关系得到波速比r=v_P/v_S,以及线性相关系数R和波速比剩余标准差S分别为

r=v_p/v_S=1+(n∑ⁿ_i=1ΔT²_i-(∑ⁿ_i=1ΔT_i)²)/(n∑ⁿ_i=1ΔT_iT_Pi-∑ⁿ_i=1T_Pi∑ⁿ_i=1ΔT_i),(1)

式中,n为台站个数,ΔT_i=T_Si-T_Pi。

R=(∑ⁿ_i=1(T_Pi-T^-_P)(ΔT_i-ΔT^-))/((∑ⁿ_i=1(T_Pi-T^-_P)²·∑ⁿ_i=1(ΔT_i-ΔT^-)²)^1/2),(2)

其中,T^-_P=1/n∑ⁿ_i=1T_Pi, ΔT^-=1/n∑ⁿ_i=1T_i。

S=(((1-R)²∑ⁿ_i=1(ΔT_i-ΔT^-)²)/(n-2))^1/2.(3)

基于山东省地震台网中心提供的2002年1月1日至2012年4月30日沂沭断裂带及周围地区中小地震观测报告,利用各子区域内观测台站所记录震相到时数据对相应区域内每次地震事件做和达直线,同时对偏离直线的震相到时数据进行校对和修正,有些偏离较大而无法校正的,予以剔除。其中郯城台位于Ⅰ区和Ⅱ区的分界线上,因此在Ⅰ、Ⅱ区波速比计算中均用到郯城台记录资料。为保证计算结果的可靠性,我们做了如下约定:要求一次地震事件至少有4个以上台站同时记录到初动清晰的直达波到时数据; 选取S波与P波到时差在2～23 s之间的台站记录,且内陆地震T_S-P要求不大于15 s,海域地震T_S-P增加到23 s; 波速比剩余标准差小于0.05(包含0.05)及直线拟合相关系数大于0.95。由于计算条件的限制,整个研究时段内震级范围在1.0～4.4,震源深度在30 km以内(含30 km)共计662次地震参与波速比计算,符合计算约定的地震事件共568次,占可计算波速比地震事件总数的85.80%。

计算研究时段内各子区域中小地震多台波速比并做时序曲线见图3。由图可见,各子区域波速比原始曲线随时间变化起伏较大,不利于长期趋势性变化的分析,因此我们对其进行了5点3次的平滑处理。经近均值处理后各子区域波速比涨落幅度明显减小,在均值线附近波动。

(1)新沂—宿迁地区(Ⅰ区)。研究时段内该子区域共计27次有效波速比中,最低值为1.67,最高值为1.79,平均波速比为1.724,标准方差为0.030 1。如图3a所示,波速比5点3次滑动平均值都在一倍方差范围内波动,仅2010年1～12月出现相对低值区间,至2011年1月后波速比恢复到均值线附近。

(2)郯城—高桥地区(Ⅱ区)。研究时段内该子区域共计143次有效波速比,最低值为1.59,最高值为1.75,平均波速比为1.713,标准方差为0.022 5。如图3b所示,除2002年3月2日莒县1.7级地震波速比为1.59外,整个研究区波速比滑动平均值变化平稳,2010年4月波速比滑动平均值较前略有下降,与 Ⅰ 区波速比低值区间同步,距离最近发生的是2011年5月20日沂水北M_L3.7地震。

(3)孟曈—潍坊地区(Ⅲ区)。2003年1月～2012年4月该子区域共计101次有效波速比中,最低值1.62,最高值为1.83,平均波速比为1.723,标准方差为0.028 3。如图3c所示,波速比5点3次滑动平均值持续在均值线上下波动,长期变化稳定。该区域平均波速比明显低于张学民等(2007)的研究结果1.764,这主要与参与波速比计算的样本数相关,张学民等(2007)研究结果中该区域仅选用6次地震事件。因此足够多的样本数据可以提高平均波速比的精度和可信度。

(4)莱州湾及附近海域(Ⅳ区)。2002～2012年4月该子区域共计297次有效波速比中,最低值1.58,最高值为1.81,平均波速比为1.708,标准方差为0.034 6。如图3d所示,2002～2009年波速比滑动平均值变化趋势平缓,2009年4月后出现密集、起伏较大的波动。相应的在胶东半岛及北部海域尤其是渤海地区3级地震活动有序、增强,2级微震活动较为频繁,并发生了2010年5月17日渤海4.0级地震。

波速比是反映地壳介质性质的参数,一般情况下,假定地球内部介质是理想的弹性体,其波速比为1.73,但在实际情况中即使是在同一构造单元内,由于地壳深部构造、构成岩石的物理性质和断层分布不同,波速比也有所差异。分析沂沭带及附近地区平均波速比发现,莱州湾及附近海域(Ⅳ区)平均波速比最低(1.708),其次是郯城—高桥地区(Ⅱ区)(1.713)略低于Ⅰ区(1.724)和Ⅲ区(1.723)。这可能与研究区深部构造及断层运动特性有关。由深部探测结果可以看出,在郯城—高桥段(Ⅱ区)地壳层的拗曲变形最强烈,地壳介质虽有破裂但破裂程度不是很高; 其中、下层地壳内存在不连续的低速体,且在临沂附近地区上地壳速度偏高(张碧秀,汤永安,1988)。这一区域是现代中小地震最活跃的区段,也是1668年郯城8.5级强震的主破裂区。

莱州湾及附近海域(Ⅳ区)位于郯庐断裂与燕山—渤海断裂的交汇部位,现代中小地震集中分布在庙岛群岛和1948年6级地震震源区及成山角附近海域。胶东半岛的结晶基底由上元古、中元古和下元古代地层构成,这些古老的基岩明显提高了地壳中部与浅表层的地震波速度(李志伟等,2006)。环渤海地区中生代末至早第三纪初,在NE向大型断裂的分割控制下形成多个大型隆起和凹陷区,地壳上地幔介质在不同深度均存在显著的横向不均匀性(卢造勋等,1999)。而孟曈—潍坊段(Ⅲ区)中、下层地壳介质破碎,说明在形成这一断裂的中生代之前及中生代沉积过程中有过强烈活动,尚存的破碎使其不易集结能量而活动弱(满洪敏,2005); 由图2可知,该区域中小地震多发生在沂沭带西侧的北西向断裂附近,这一区域的沉积盖层为古生代碳酸岩,结晶基底为古老的泰山群变质岩,其地震波速度会有所提高(王志才等,2001)。

新沂—宿迁(Ⅰ区)地壳破裂程度及断层的拗曲变形较其北部断裂明显减弱,缺失中、下地壳低速体,地震活动水平偏低。波速比的高低能够反映一定地区的介质的脆韧性转变和横向不均匀性,沂沭断裂带及附近区域分段平均波速比值的高低同样反映了同一构造单元内各区段特殊地质环境的细节差异。

图3 各子区域波速比原始曲线与近均值滑动曲线的叠加对比
Fig.3 The superposition comparison of the wave velocity ratio original curve and its nearest-mean sliding curve in each sub-regions

图4 沂沭断裂带及附近地区波速比值空间分布
Fig.4 Space distribution of wave velocity ratio in Yishu Fault and its adjacent areas

图5 研究区波速比与震源深度的关系
Fig.5 The relationship between the wave velocity ratio and focal depth in study area

蔡静观(2000)和李永莉等(2008)研究认为,计算波速比时产生的剩余标准差S主要与参与计算的台站个数和研究区域大小等因素相关。本文计算中,一次地震事件最少使用4个台站的到时资料,其中台站数目最多的达到13个。统计剩余标准差与记录台站的关系(图6)可以看出,随着台站数目的增多,剩余标准差越小,有10个以上台站参与波速比计算的剩余标准差基本都小于等于0.02。因此波速比计算精度与记录台站数目密切相关。对于4～9个记录台站参与波速比计算的的标准差,内陆地震精度相对较高,海域一些地震数据标准差较大,拟合精度相对偏低。

从数据精度而言,沂沭断裂带及附近地区是山东区域地震活动最为集中、台站分布密度最大、数据采集精度最高的区域,本文在波速比计算中又将研究区划分为4个现代构造应力场取向有所差异的更小的时空范围进行分析,更能反映出同一构造单元内,不同区段地壳介质的物性差异。根据赵明淳等(2005)的统计及本文计算结果,发现多台波速比计算中,台站数目越多,数据的线性相关度越高,波速比计算误差就越小。为避免大面积的平均波速比掩盖了孕震信息,空间范围的大小相对时间范围的长短对平均波速比计算结果的影响更大。因此,本文的计算结果具有更高的精确度和可信度。

图6 波速比剩余标准差与台站数的关系
Fig.6 The relationship between the residual standard deviation of wave velocity ratio and the number of stations