朱成林，賈 媛，殷海濤，李 杰，陳時軍

(山東省地震局，山東濟南250014)

0 引言

2011年3月11日在日本東海岸發(fā)生了MW9.0地震，受此影響，處于中國大陸東部的深大斷裂郯廬斷裂帶的構(gòu)造活動值得關(guān)注(楊少敏等，2011;殷海濤，2013)。茂木清夫(1976)研究表明，太平洋板塊對歐亞板塊的俯沖作用是華北地區(qū)地震活動的重要動力來源之一。洪川等(2008)通過對1978～2006年6級以上地震活動時間序列的對比分析，也說明了郯廬斷裂帶與日本海溝地震帶的地震活動性在時間分布上具有一致性。從板塊內(nèi)部講，活動地塊的運動及其相互作用對中國大陸強震孕育和發(fā)生起著直接控制作用(張培震等，2003)。根據(jù)張培震等(2003)對活動地塊的劃分結(jié)果，山東及其周邊地區(qū)處于華北地塊區(qū)的次級塊體華北平原地塊和魯東—黃海地塊中(兩地塊以郯廬斷裂山東境內(nèi)部分——沂沭斷裂帶為界劃分)。山東及周邊地區(qū)受到太平洋、歐亞及菲律賓板塊的交匯影響，無論是研究大陸東部、華北地區(qū)還是山東地區(qū)的地震活動，都有必要在中國大陸塊體運動背景下分析山東及周邊地區(qū)的地殼運動狀態(tài)。

中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)(1999年開始觀測)已經(jīng)積累了日本9.0級地震后跨年周期的GPS觀測數(shù)據(jù)。中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(2011年開始觀測)及山東地殼運動GPS觀測網(wǎng)(2007年開始觀測)也在沂沭斷裂帶兩側(cè)展布了一定數(shù)量的站點，這些都為分析中國東部尤其是山東及周邊地區(qū)的地殼運動狀態(tài)提供了有利條件。本文利用上述44個連續(xù)觀測站，結(jié)合周邊IGS全球基準站，解算了GPS站點運動背景及近期的運動狀態(tài)。研究區(qū)域由中國大陸到山東內(nèi)部逐步展開，作以下分析:(1)分析日本9.0級地震前后中國大陸區(qū)域各地塊的運動狀態(tài);(2)在華北區(qū)域內(nèi)分析日本9.0級地震前后山東所在地塊與周邊地塊間的相對運動狀態(tài);(3)分析山東地區(qū)內(nèi)部近期的地殼運動狀態(tài)，并利用GPS基線描述沂沭斷裂帶的走滑特征，對判定、理解日本9.0級地震后山東及周邊地區(qū)所處地塊間的地殼形變模式以及研究沂沭斷裂帶的動力學(xué)機制具有重要意義。

1 GPS數(shù)據(jù)處理方法

本文所選用的站點均為連續(xù)跟蹤站。GPS數(shù)據(jù)處理(王敏等，2003)主要如下:(1)利用GAMIT(10.4)軟件求解獲得站點坐標和衛(wèi)星軌道的單日松弛約束解;(2)用GLOBK軟件將區(qū)域站的單日解與周邊IGS核心跟蹤站的已有松弛解合并，得到所有站點的單日松弛約束解。(3)通過GLOBK軟件，在連續(xù)的卡爾漫濾波模式下對數(shù)據(jù)進行平差處理，獲得各站點在ITRF2005下的NEU坐標序列。(4)對站點的三維坐標序列采用滑動傅立葉變換方法(殷海濤等，2011)，分析連續(xù)觀測序列的頻譜特征并分離周期信號;(5)利用最佳直線擬合K－L方法提取速度信息，所提取的速度場將扣除NNR－NUVEL地質(zhì)模型速率(榮敏，周巍，2009)?？紤]到日本9.0級地震為太平洋板塊俯沖的結(jié)果，同震位移較大，分時段計算各站點相對于NNR－NUVEL地質(zhì)模型的速率。時段劃分方法為:第一時段為1999年3月1日(山東GPS網(wǎng)從2007年1月1日開始觀測)至日本9.0級地震前的2011年3月1日，此時段用于計算日本9.0級地震前各站點的背景速率;另一時段從日本9.0級地震后的2011年4月20日至2012年9月1日，作為各站點日本9.0級地震后的運動狀態(tài)。(6)需要用到站點間的相對運動關(guān)系時，本文將ITRF下的三維約束坐標轉(zhuǎn)換成站心坐標系下的基線成果，這樣不僅提高了基線精度，也保證了多條基線基準的統(tǒng)一。

2 中國大陸區(qū)域內(nèi)地塊運動狀態(tài)分析

由于太平洋板塊和印度洋板塊的擠壓是大陸地塊間的動力來源，因此有必要在全國區(qū)域范圍內(nèi)來描述各地塊的運動狀態(tài)及其對山東地區(qū)的影響。利用中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)(1999年以來)和山東地殼運動GPS觀測網(wǎng)(2007年以來)數(shù)據(jù)分時段計算速度場，結(jié)果如圖1所示。

從圖1看出，中國大陸主要受印度板塊北偏東方向的擠壓，各大地塊對這種推擠作用的逐漸吸收和調(diào)節(jié)，向北逐漸衰減，呈現(xiàn)由北轉(zhuǎn)向東南的順時針旋轉(zhuǎn)的運動態(tài)勢。日本9.0級地震前，山東地區(qū)所處華北地塊區(qū)還受到太平洋板塊西北向的俯沖(日本TSKB站NS向 7.14 mm/a，EW向－18.22 mm/a)。地震后，通過對板塊俯沖所積累應(yīng)力的釋放，TSKB站運動方向轉(zhuǎn)為東南向(NS向－17.89 mm/a，EW向90.56 mm/a)。中國大陸地塊近期運動狀態(tài)表明，日本9.0級地震對處于中國大陸東部的東北地塊、華北地塊區(qū)及華南地塊的運動造成較大影響，而對距其較遠的青藏、西域地塊區(qū)影響較小(表1為根據(jù)各地塊或地塊區(qū)內(nèi)GPS站點計算得到的平均速率)。日本9.0級地震使得大陸東部地塊向東的速率加大，運動方向朝地震發(fā)生區(qū)域(板塊俯沖區(qū)域)偏轉(zhuǎn)，表明中國大陸東部近期處于日本9.0級地震前太平洋板塊向西的俯沖所積累的應(yīng)力的釋放階段。

圖1 日本9.0級地震前后各GPS站點相對于NNR－NUVEL的速率分布Fig.1 Rate distribution relative to NNR－NUVEL geologic model of the GPS sites before and after Japan M9.0 earthquake

表1 日本9.0級地震前后各地塊平均速度的變化(相對NNR－NUVEL地質(zhì)模型)Tab.1 The average rate change of the blocks before and after Japan M9.0 earthquake(relative to NNR－NUVEL geologic model)

3 山東與周邊地區(qū)相對運動狀態(tài)分析

華北區(qū)域內(nèi)GPS站點相對于TAIN站的速率分布，表明山東與周邊地區(qū)所在鄂爾多斯地塊、華南地塊、燕山地塊、魯東—黃海地塊與華北平原地塊之間的相對運動關(guān)系。為了統(tǒng)一基準描述各地塊對山東所處地塊的影響，本文建立以TAIN站為原點的站心坐標系(李征航，黃勁松，2005)，求出其它站點在TAIN站心坐標系中的空間坐標，計算出各基線的變化在TAIN站N方向和E方向的投影，這樣可以在統(tǒng)一的笛卡爾坐標下進行分析(圖2)。

從圖2可以看出，燕山地塊、鄂爾多斯地塊對TAIN站所處的華北平原地塊具有拉張作用，華南地塊對華北平原地塊具有擠壓作用，而魯東—黃海地塊與華北平原地塊之間運動差異相對較小。日本9.0級地震后的1年多時間里，燕山地塊及華南地塊相對TAIN站向東偏轉(zhuǎn)，而處于西邊鄂爾多斯地塊(XIAA站)沒有此種偏轉(zhuǎn)，表明處于東部的地塊受日本9.0級地震的釋放影響更大。通過序列分析發(fā)現(xiàn)TAIN－XIAA站一直以來具有拉張變化(1.7 mm/a)，2011年以來變化幅值加大，且加速拉升(3.3 mm/a)，其原因為TAIN站所處地塊相對于XIAA站所處地塊更快地向太平洋板塊移動。

圖2 2011年日本9.0級地震前后華北區(qū)域內(nèi)GPS站點相對于TAIN站的速率分布Fig.2 Rate distribution of the GPS sites in North China relative to TAIN site before and after Japan M9.0 earthquake in 2011

4 山東內(nèi)部地殼運動狀態(tài)分析

通過斷裂帶兩側(cè)GPS速度差異反演斷裂帶運動特征已取得較多成果(周德敏等，2005;肖根如等，2010)。山東所處地塊為華北平原地塊和魯東—黃海地塊，其邊界為沂沭斷裂帶。山東地區(qū)的GPS連續(xù)站主要沿沂沭斷裂帶兩側(cè)展布，這為研究沂沭斷裂帶的構(gòu)造運動特性提供了條件。為了定量研究沂沭斷裂帶的擠壓、拉張?zhí)卣骱妥呋卣?，本文利用跨沂沭斷裂帶GPS基線計算基線與沂沭斷裂帶交匯處的斷裂帶走滑和拉張分量。走滑分量方向為斷裂帶平均走向N17°E，拉張分量方向為107°。

計算結(jié)果表明，2007～2011年沂沭斷裂帶為擠壓右走滑狀態(tài)(圖3a)，該結(jié)論與劉曉霞等(2012)利用1999～2009年4期區(qū)域站速度場資料解算的結(jié)果基本一致。南端量級較弱，拉張與走滑分量運動速率從南到北逐漸增加(最北端拉張分量為(－1.9±0.1)mm/a，走滑分量為(－1.4±0.1)mm/a。日本9.0級地震后，2011～2012年沂沭斷裂帶的運動特征則出現(xiàn)了分段性特征(圖3b):大致以沂沭斷裂帶與其北段的北西向斷裂交匯處(安丘)為界，往北部分為擠壓右走滑特征，往南部分為拉張左走滑特征。相比于2007～2011年，2011～2012年沂沭斷裂帶安丘以北擠壓分量減弱，走滑分量增強;安丘以南則出現(xiàn)運動性質(zhì)反向，且量級增大(表2)?？梢娙毡?.0級地震后，膠東半島相對沂沭斷裂帶西側(cè)有拉張作用，使沂沭斷裂帶南段壓性轉(zhuǎn)為張性而北段張性減弱。

圖3 2007～2011年(a)和2011～2012年(b)沂沭斷裂帶拉張、走滑分量(沂沭斷裂帶東側(cè)相對于西側(cè))Fig.3 Tension，strike-slip components of Yishu Fault zone from 2007 to 2011(a)and from 2011 to 2012(b)(the east of Yishu Fault zone relative to the west)

由于連續(xù)站點相對較少，通過沂沭斷裂帶兩側(cè)的站點運動差異得到的斷裂帶運動狀態(tài)可能還包含有塊體內(nèi)部形變，但是通過不同時段的運動狀態(tài)的比較，也能反映出斷裂帶運動狀態(tài)的改變。為分析日本9.0級地震后山東區(qū)域拉張、擠壓情況，計算各相鄰GPS基線長度變化情況(圖2)。結(jié)合圖2、4可以看出，日本9.0級地震后，魯西、魯北地區(qū)呈拉張狀態(tài)，魯南區(qū)域具有擠壓特征，膠東區(qū)域(YATI－SDRC)具有拉張?zhí)卣鳌?/p>

表2 沂沭斷裂帶平均拉張、走滑分量(拉張分量以拉張為正，走滑分量以左滑為正)Tab.2 The average tension，strike-slip components of Yishu Fault zone(tension is positive in tension component and left sliding is positive in strike-slip component)

圖4 2011～2012年山東地區(qū)相鄰GPS站點基線長度變化速率分布Fig.4 The distribution of baseline length change rate of the adjacent GPS sites in Shandong during 2011 and 2012

5 結(jié)論和討論

通過分析日本9.0級地震前后中國大陸區(qū)域地塊及山東周邊區(qū)域地塊的運動狀態(tài)和山東區(qū)域內(nèi)部近期的地殼運動狀態(tài)，初步得到以下結(jié)論:(1)2011年“3·11”日本9.0級地震對中國大陸東部地塊的運動造成較大影響，使大陸地塊向東的速率加大(6～9)mm/a。東北地塊受日本9.0級地震后應(yīng)力釋放的影響最為直接，其次是燕山、華北地塊區(qū)，表明近期大陸東部處于太平洋板塊向西的俯沖所積累的應(yīng)力的釋放階段。(2)周邊的燕山地塊對TAIN站所處地塊有拉張作用，華南地塊(2011～2012年)對其轉(zhuǎn)為擠壓作用，鄂爾多斯地塊2011年以來對其具有拉張(3.3 mm/a)作用，說明了日本地震對山東地區(qū)所在地塊與處于西邊的鄂爾多斯地塊的差異。(3)日本9.0級地震后山東地區(qū)相鄰站點基線長度變化分布看出，魯西、魯北區(qū)域呈拉張狀態(tài)，魯南區(qū)域具有擠壓特征，膠東區(qū)域(YATI－SDRC)具有拉張?zhí)卣鳌Ｍㄟ^沂沭斷裂帶拉張分量的變化發(fā)現(xiàn)，日本9.0級地震后膠東半島相對沂沭斷裂帶西側(cè)有個拉張作用，使沂沭斷裂帶南段壓性轉(zhuǎn)為張性、北段壓性減弱;沂沭斷裂帶的滑動分量表明，2011～2012年沂沭斷裂帶以其北西向斷裂(安丘)為界具有南北相反的走滑特征。

日本9.0級地震引起了沂沭斷裂整體上的拉張變化，使沂沭斷裂帶南北兩段的走滑特征方向相反而出現(xiàn)了分段性。受數(shù)據(jù)所限，本文著重討論了山東地區(qū)(沂沭斷裂帶)的地殼形變狀態(tài)，而整個郯廬斷裂帶及大陸東部在日本9.0級地震之后的近2年里的運行特征還有待進一步分析研究。

感謝中國地震局地殼運動監(jiān)測工程研究中心、中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心和山東地殼運動GPS觀測網(wǎng)為本文提供的數(shù)據(jù)。

洪川，竇振亞，劉鋒濤.2008.郯廬地震帶與日本海溝、琉球群島地震帶之間的地震活動群體特征聯(lián)系［J］.海洋地質(zhì)動態(tài)，24(10):l－7.

李征航，黃勁松.2005.GPS測量與數(shù)據(jù)處理［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，161－162.

劉曉霞，江在森，武艷強.2012.利用GPS資料研究郯廬帶現(xiàn)今運動及變形狀態(tài)［J］.地震，32(4):1－10.

茂木清夫.1976.巨大地震論［J］.數(shù)理科學(xué)，158:16－23.

榮敏，周巍.2009.基于ITRF2005的全球板塊運動模型［J］.海洋測繪，29(1):1－3.

王敏，沈正康，牛之俊，等.2003.現(xiàn)今中國大陸地殼運動與活動塊體模型［J］.中國科學(xué)(D 輯)，33(增刊):65－81.

肖根如，甘衛(wèi)軍，陳為濤，等.2010.青藏高原班公—怒江縫合帶現(xiàn)今運動狀況的GPS觀測研究［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版)，40(6):1496－1502.

楊少敏，聶兆生，賈志革，等.2011.GPS解算的日本MW9.0地震的遠場同震地表位移［J］.武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，36(11):1336－1339.

殷海濤，甘衛(wèi)軍，黃蓓，等.2013.日本M9.0級巨震對山東地區(qū)地殼活動的影響研究［J］.地球物理學(xué)報，56(5):1497－1505.

殷海濤，王強，朱成林，等.2011.山東及周邊地塊間近期運動狀態(tài)分析［J］.大地測量與地球動力學(xué)，31(4):37－41.

張培震，鄧起東，張國民，等.2003.中國大陸的強震活動與活動地塊［J］.中國科學(xué)D 輯，33(增刊):12－20.

周德敏，甘衛(wèi)軍，任金衛(wèi)等.2005.基于GPS觀測資料反演莊浪河斷裂帶、馬銜山北緣斷裂帶的滑動速率［J］.地震地質(zhì)，27(4):706－715.