廬斷裂帶濰坊郯廬斷裂帶濰坊嘉山段全新世活斷層的活動(dòng)方式與發(fā)震模式

0斷層模型組合錯(cuò)誤有兩種活動(dòng)方式。其中之一是滑倒。另一種是平滑。事實(shí)上,大多數(shù)斷層的活動(dòng),既有粘滑運(yùn)動(dòng)成分,又有蠕滑運(yùn)動(dòng)成分。斷層的粘滑運(yùn)動(dòng)是地震發(fā)生的原因。斷層的活動(dòng)方式與斷層周圍巖性、斷層本身性質(zhì)、斷層的受力方式以及斷層的發(fā)育程度等有關(guān)。就時(shí)間上說(shuō),一條斷層可以長(zhǎng)期地遵循一種活動(dòng)方式,也可以隨時(shí)間而變化,比如,一段時(shí)期為粘滑運(yùn)動(dòng),一段時(shí)期為蠕滑運(yùn)動(dòng)。因此,其組合形式就復(fù)雜了。但簡(jiǎn)單地說(shuō),可以建立三種模式。第一種如圖1a所示,斷層的位移是伴隨斷層的粘滑運(yùn)動(dòng)發(fā)生的,具周期性,即斷層閉鎖后,積累能量,然后產(chǎn)生位移并發(fā)震,之后進(jìn)入再閉鎖階段,孕育下一次地震。第二種如圖1b所示,與斷層的蠕滑運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng),隨時(shí)間T,位移D在均勻地變大。斷層活動(dòng)過(guò)程中,沒(méi)有大的地震發(fā)生,可產(chǎn)生一系列小地震。第三種如圖1c所示,對(duì)應(yīng)于斷層的粘滑—蠕滑運(yùn)動(dòng)。在粘滑運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí),產(chǎn)生大的位移,并伴隨地震的發(fā)生。地震發(fā)生后斷層產(chǎn)生蠕滑運(yùn)動(dòng)(在大多數(shù)情況下,為震后調(diào)整)。然后斷層再閉鎖,積累能量,孕育下一次地震。由此可見(jiàn),上述三種模型,大體代表了所有斷層活動(dòng)的基本類型。每種模型對(duì)應(yīng)的斷層活動(dòng)過(guò)程是不同的,因此仔細(xì)研究一條斷層的活動(dòng)方式,對(duì)預(yù)測(cè)地震發(fā)生具有重要意義。本文在前人研究基礎(chǔ)上,利用近年來(lái)1∶5萬(wàn)活動(dòng)斷裂地質(zhì)填圖所獲得的新資料,結(jié)合歷史地震和古地震資料,分析了郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段全新世活斷層的活動(dòng)方式,并對(duì)地震的孕育模式進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段全新世斷層活動(dòng)屬粘滑—蠕滑(震后調(diào)整)型,地震孕育和發(fā)生遵循第三種模式。1地質(zhì)填圖、地質(zhì)研究進(jìn)展和地質(zhì)學(xué)特征郯廬帶濰坊—嘉山段由五條平行的斷層組成,自東而西分別為F1、F5、F2、F3和F4。F5是一條新生的斷層,郯廬帶濰坊—嘉山段第四紀(jì)晚期以來(lái)的新活動(dòng)主要表現(xiàn)在這條斷層上。全新世活動(dòng)斷層就追蹤它發(fā)育。該全新世活斷層沿安丘、莒縣、莒南、臨沭、郯城、新沂、宿遷、泗洪一線展布,全長(zhǎng)360km,總體走向N10°—25°E(圖2)。該斷層是一條右旋逆走滑性質(zhì)的斷層。近幾年來(lái),我們對(duì)該斷層進(jìn)行了1∶5萬(wàn)地質(zhì)填圖,獲得了許多新的進(jìn)展。主要有以下幾點(diǎn):①該斷層并不是一條連續(xù)的斷層,而是由許多長(zhǎng)數(shù)公里至數(shù)十公里的次級(jí)斷層斜列組成。各次級(jí)斷層之間的組合主要為右階斜列,僅在莒縣管帥—招賢地區(qū)和郯城縣窯上—麥坡地區(qū)存在兩個(gè)左階橋區(qū)。②上述兩個(gè)左階橋區(qū)構(gòu)成了斷層分段的障礙體,并把這條斷層分成了三段:安丘段、莒縣—郯城段和新沂—泗洪段。它們分別是三個(gè)獨(dú)立的破裂單元。這三段的幾何結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)性質(zhì)、最大位移量、最新活動(dòng)時(shí)代、大震復(fù)發(fā)周期、現(xiàn)代活動(dòng)狀態(tài)以及深部構(gòu)造背景等均具獨(dú)立性(表1)。③組成該斷層的各次級(jí)斷層形態(tài)是復(fù)雜的,可分直線形、不對(duì)稱弧形和對(duì)稱弧形三種類型。這三種類型的次級(jí)斷層在各段中分別位于不同的構(gòu)造部位。其中直線形斷層位于中部,向兩端依次為不對(duì)稱弧形斷層和對(duì)稱弧形斷層。④這種不同形態(tài)的次級(jí)斷層分布特點(diǎn),與斷層的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和位移分布相對(duì)應(yīng)。表現(xiàn)為在各段的中部以走滑運(yùn)動(dòng)為主,向兩端逐漸變?yōu)槟孀呋湍鏇_性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。并可以推測(cè)各段斷層的破裂首先產(chǎn)生于具有強(qiáng)走滑性質(zhì)的中部,之后向兩端傳播,并在端部受障礙體阻擋而使破裂終止,這是各次級(jí)斷層運(yùn)動(dòng)性質(zhì)有規(guī)律性變化的原因。⑤古地震和歷史地震研究表明,該斷層上地震活動(dòng)受斷層分段控制,各段均表現(xiàn)為原地重復(fù)發(fā)生的強(qiáng)震。每次強(qiáng)震滿足震級(jí)近似相等、間隔時(shí)間大致相同,即典型地符合特征地震模式。2活動(dòng)方式的判定郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段全新世活斷層活動(dòng)方式的判定可以從斷錯(cuò)地貌、松散堆積物的特征、斷層本身的特點(diǎn)以及斷層帶內(nèi)物質(zhì)的顯微構(gòu)造等方面進(jìn)行分析。2.1基巖坎的垂直位移表現(xiàn)郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段全新世活斷層的斷錯(cuò)地貌表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是斷層崖(或斷層陡坎)發(fā)育;二是水系位錯(cuò)發(fā)育。斷層崖的特點(diǎn)是表現(xiàn)為基巖坎,這是由于郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段全新世活斷層的活動(dòng)是由基巖逆沖于全新世松散堆積物之上而形成的?；鶐r坎的高度在某種意義上代表著斷層的垂直位移。雖然在實(shí)際工作中,由于這種斷層坎具繼承性發(fā)育,較難以區(qū)分新坎和老坎,但很顯然,新、老斷層坎的存在均反應(yīng)著斷層具快速活動(dòng)現(xiàn)象,是斷層快速活動(dòng)形成的。圖3是馬陵山西坡發(fā)育的斷層陡坎,其中1668年地震斷層沿西側(cè)斷層坎展布,東側(cè)斷層較老一些,反應(yīng)著斷層具有向山前擴(kuò)展的趨勢(shì)。從郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段全新世活斷層上水系位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,斷層位移數(shù)據(jù)具分組現(xiàn)象。以左山附近為例,該處水系位移就有幾組,分別集中于4-9m、14-20m、28-34m,大致成倍數(shù)關(guān)系(圖4)。華橋—窯上一帶的位移分布也具這種特點(diǎn)。這種成倍數(shù)增加的位移分布,反應(yīng)著斷層的多次快速活動(dòng),與強(qiáng)震事件是對(duì)應(yīng)的。這是斷層粘滑運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。2.2巖性石層結(jié)構(gòu)上的崩積物郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段全新世活斷層下盤的全新世松散堆積物,一般為雜亂堆積的礫石層,其中礫石為來(lái)自上盤的砂巖礫石,大小不一,棱角明顯(圖5)。因此,從巖性或堆積物結(jié)構(gòu)上看,均屬崩積物。這種崩積物的出現(xiàn),是在斷層快速運(yùn)動(dòng)后形成的。在中國(guó)許多斷層上,可根據(jù)崩積物構(gòu)成的崩積楔來(lái)確定古地震事件和期次。2.3斷層水岸結(jié)構(gòu)組成由多點(diǎn)破裂產(chǎn)生或者排從平面上看,郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段全新世活斷層并非是一條完整的斷層,而是由多條次級(jí)破裂段按一定的排列形式組成,是由多點(diǎn)破裂產(chǎn)生的。這種多點(diǎn)破裂也是斷層粘滑的產(chǎn)物。從剖面上看,斷層面一般比較平直,斷層下盤的第四紀(jì)地層沒(méi)有代表蠕滑運(yùn)動(dòng)的拖曳翹曲現(xiàn)象。在大多數(shù)情況下,斷層帶較薄,斷層泥具分帶現(xiàn)象,就是由不同顏色的斷層泥組成(圖6)。這種不同顏色的斷層泥相間出現(xiàn)的現(xiàn)象,也是斷層多次活動(dòng)的結(jié)果。2.4桐斷裂帶—顯微構(gòu)造標(biāo)志斷層泥中石英顆粒顯微構(gòu)造形貌是判定斷層活動(dòng)方式的主要顯微構(gòu)造標(biāo)志。據(jù)采樣分析,均具有棱角狀和次棱角狀的石英、貝殼斷口伴有放射狀破裂脊、“河流花樣”破裂、平行擦槽和寬擦槽、箕形坑與楔形坑等結(jié)構(gòu)。表現(xiàn)的是快速錯(cuò)動(dòng)下發(fā)生強(qiáng)烈撞擊和破裂保留下來(lái)的痕跡。綜上所述,郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段全新世活斷層主要表現(xiàn)為快速粘滑運(yùn)動(dòng)。然而,震后調(diào)整也代表有蠕滑運(yùn)動(dòng)成分,尤其是在震源深處。比如,1668年地震距今已有320多年,然而,至今該區(qū)小震分布較多,呈帶狀分布。說(shuō)明斷層在震源深處具一定的蠕滑調(diào)整,并以小震形式出現(xiàn)。綜上所述,郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段全新世活斷層主要以粘滑運(yùn)動(dòng)為主,在震后存在蠕滑調(diào)整運(yùn)動(dòng)。3震后調(diào)整階段的大震研究根據(jù)歷史地震資料,前人早就指出,郯廬帶濰坊—嘉山段的地震活動(dòng)具強(qiáng)度大、頻度低的特點(diǎn)。山東地區(qū)是有最早地震記錄的省份,然而在郯廬帶中段上只有公元前70年安丘7級(jí)地震和1668年郯城812812級(jí)地震。其中安丘段缺失5—6級(jí)地震,莒縣—郯城段和新沂—泗洪段缺失5—7級(jí)地震。通過(guò)古地震研究,發(fā)現(xiàn)郯廬帶濰坊—嘉山段地震活動(dòng)以強(qiáng)震形式在不同段落上周期性地重復(fù)發(fā)生。例如在莒縣—郯城段上,除1668年以外,全新世以來(lái)還有三次古地震事件,這三次古地震事件具周期性,其發(fā)震時(shí)間分別是3500aB.P.、6000—7000aB.P.和10000aB.P.,古地震復(fù)發(fā)間隔約為3500年。在新沂—泗洪段的古地震也有相似的表現(xiàn)。在該段上,也發(fā)現(xiàn)了三次古地震事件,其中最近兩次事件的時(shí)代分別為3510—4960aB.P.和8230aB.P.,大震復(fù)發(fā)間隔為4000年左右。這種地震類型符合Schwartz和Coppersmith(1984)提出的特征地震模型,具有特征地震的典型表現(xiàn)。現(xiàn)代地震活動(dòng)以小震活動(dòng)為主,最大震級(jí)僅為412412級(jí)(圖7)。其分布呈非均勻性,主要集中于莒縣—郯城段。在安丘段和新沂一泗洪段,小震活動(dòng)稀少。這種小震分布為我們提供了這樣一個(gè)信息,就是安丘段和新沂—泗洪段目前已處于閉鎖狀態(tài)。而莒縣—郯城段則仍處于1668年地震后的震后調(diào)整階段。由此可見(jiàn),郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段以強(qiáng)震活動(dòng)為主,強(qiáng)震具周期性原地重復(fù)發(fā)生的特點(diǎn),且強(qiáng)度基本相同。這種地震活動(dòng)是斷層粘滑運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。在斷層粘滑運(yùn)動(dòng)發(fā)生后,也就是強(qiáng)震發(fā)生后,一般有一段時(shí)間的調(diào)整過(guò)程,在這個(gè)過(guò)程中,斷層具一定的蠕滑現(xiàn)象。以1668年郯城812812級(jí)地震為例,自發(fā)生后到現(xiàn)在,在震區(qū)范圍內(nèi)小震呈帶狀分布,至今已有320多年,按大震復(fù)發(fā)周期3500年計(jì)算,斷層震后調(diào)整的這段過(guò)程占去了大震復(fù)發(fā)周期的1/10。目前這個(gè)階段仍在繼續(xù)。然而,在1668年前的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)(一二千年或更長(zhǎng))中,卻是一個(gè)無(wú)震的區(qū)域?，F(xiàn)在,我們還無(wú)法得到震后蠕滑調(diào)整階段的滑動(dòng)量到底是多少。據(jù)近些年來(lái)在地表跨1668年地震斷層的形變測(cè)量,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的斷層滑動(dòng)。我們推測(cè),斷層的蠕滑調(diào)整過(guò)程可能僅存在于震源斷層上。因此,郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段地震發(fā)生模式就是:斷層閉鎖→粘滑發(fā)震→震后調(diào)整→斷層再次閉鎖的過(guò)程(圖8)。也就是滿足第三種類型。通過(guò)這種模式可以看出,莒縣—郯城段目前仍處于震后調(diào)整階段;而安丘段和新沂—泗洪段則已處于斷層閉鎖的后期階段,面臨粘滑發(fā)震的危險(xiǎn)。4震后調(diào)整期模式分析郯廬斷裂帶濰坊—嘉山段全新世活斷層由三個(gè)獨(dú)立的斷層段組成。從各段的斷錯(cuò)地貌、松散堆積物特征、斷層本身的特點(diǎn)以及斷層泥的顯微構(gòu)造標(biāo)志看,各段具有共同的特點(diǎn),就是主要以粘滑運(yùn)動(dòng)為主,并在震后有蠕滑調(diào)整運(yùn)動(dòng)。各段具有斷層閉鎖→粘滑發(fā)震→震后調(diào)整→斷層再次閉鎖的發(fā)震模式。目前莒縣——郯城仍處于震后調(diào)整階段,而安丘段和新沂—泗洪