2011, Vol. 54
2. 中国地震局兰州地震研究所, 兰州 730000
2. Lanzhou Institute of Seismology, CEA, Lanzhou 730000, China
全长2400多千米的郯庐断裂带(简称郯庐带)北起黑龙江的萝北，南至江西九江，是我国东部规模最大的深断裂带[1-5].按构造习性和地震活动又可分为北､中､南段，其中本文研究区位于30°N-37°N，115°E-122°E 的郯庐带鲁苏皖段，属于该断裂带的中段和南段[1,3].郯庐带鲁苏皖段及邻区跨越了华北断块区､扬子断块区和秦祁昆断褶系三大一级单元构造，地质构造十分复杂.研究区内发育多条深大断裂(图 1):研究区南部的江山-绍兴-木浦-光州断裂划分扬子断块区和华南断褶系，是极其重要的区域性断裂；横贯研究区中部的郯庐带是华北断块区､扬子断块区两大构造单元的分界断裂；研究区西南是以肥中断裂和襄樊-广济断裂为界与华北断块区和扬子断块区相接的大别断褶带；东北部的苏鲁断块夹持于华北和扬子两个断块之间，西部以郯庐断裂为界，北部以五莲-烟台断裂为界，南部以嘉山-响水断裂为界，东临黄海[1-5].自大别山和苏鲁断块发现了超高压变质的岩石以来，大别-苏鲁超高压变质带吸引了全球地学家的关注[6].因此郯庐带鲁苏皖地区是研究郯庐断裂带和大别-苏鲁超高压变质带的关键地带，进一步研究这个地区的深部结构，对了解该区超高压变质岩作用及地球动力学作用有着十分重要的意义.郯庐断裂带鲁苏皖段中强地震活跃，曾发生过多次7级以上大震，其中包括中国东部最大的1668年山东郯城8.5级地震，因此研究该区地壳速度结构对认识大震发生的深部环境和条件有着十分重要的意义.
郯庐带鲁苏皖段及邻区深部结构的研究成果很丰富，为重建研究区三维速度结构提供了重要基础，深部探测包括大别造山带､苏鲁超高压变质岩带和跨沪､苏､皖的系列人工地震测深剖面探测[7-15]，大别山地区和跨郯庐带山东段的宽频带地震台阵壳幔结构研究[16-18]，大地电磁测深研究[19,20]，此外还有重､磁､热的地球物理场研究[21-24]等，这些研究初步揭示了大别-苏鲁超高压变质岩带地区和郯庐带鲁苏皖段部分地区的深部结构特征，对认识该区域的大地构造､地球动力学､成矿､大地震成因等有重要启示.
与本研究区有关的天然地震体波层析成像研究工作主要有:刘建华等[25]利用秦岭-大别山带及邻区1980-1990年的P 波到时资料，研究了29°N-38.7°N，102°E-119°E 区域1°×1°的地壳上地幔三维速度图像；徐佩芬等[26]选用1981-1996 年间各省地震观测报告的数据和远震到时数据对28°N-39°N，112°E-124°E 区域进行地震层析成像研究，获得了该区地壳上地幔速度结构的研究结果；李志伟等[27]用1978 年到2003 年间环渤海地震台网记录，反演了0.5°×0.6°网格的地壳上地幔速度结构.另外有一些面波层析成像的研究结果[28-30]，虽然也部分涉及到本研究区，但研究范围大，故分辨率受到影响.这些结果均无法避免地震定位精度的限制，显然，对大量地震事件重新精确定位并利用重新精确定位的地震走时进行地震层析成像研究，将可望获得该区深部速度结构的更可靠信息.
本研究基于对研究区地震重新精确定位，进而采用三维分块模型速度随机分布逐次迭代方法进行射线追踪，通过非线性全局优化的遗传算法反演，反演时用已有的人工地震测深研究结果做约束，获得了郯庐带鲁苏皖段及邻区的三维地壳速度结构成像结果；分析了研究区深部速度分布､不同大地构造单元的速度结构､苏鲁超高压变质岩带平面范围和深度以及研究区内郯庐断裂带的速度分布特征，探讨了研究区内的中强地震与低速层的关系.
2 研究方法本研究采用天然地震近震走时反演地壳上地幔三维速度结构的方法，即多震相地震走时成像法[31-34].该方法使用天然地震的Pg､Sg､Pm､Sm, Pn､Sn震相到时资料，并联合利用人工地震测深资料进行约束反演，以保证三维地壳结构成像的有效先验信息利用和反演信息综合约束.
采用三维射线追踪逐次迭代法进行射线追踪.其基本原理是:由接收点与源点所构成的关系计算出与部分模块边界的交点，中间点作为第一次迭代的初始点，在射线路径上任意连续三点均满足Snell定律，逐段迭代，求得中间折射点，从而实现逐次迭代计算过程.此方法除了追踪路径结果符合射线追踪要求外，还具有计算速度快，精度高以及可以克服射线追踪的路径非唯一性等特点，文献[31]､[33]对相关方法作了专门论述.反演方法最优化过程采用非线性全局优化方法的遗传算法[35-37].它首先用随机过程产生一组模型，然后同时对这组模型进行改善，该算法类似生物进化的特性，使这组模型的拟合差函数信息快速进行交换，且其中每个模型可以吸纳这组模型的优点，使模型的选取快速聚焦于最优解附近.此算法还可以通过变异过程局部开发最优信息并迅速地参与交换，随着迭代的进行可快速逼近于全局最优解.遗传算法对参数空间搜索点的顺序是随机的，即它从参数空间的一个点到另一个点是不确定的，然而其收缩和集中于最优解是确定的，这种简单的随机过程能导致高效的搜索机制.该方法可适用于震源定位､走时反演和波形反演等.
3 资料及处理 3.1 资料选取本文研究区域为29°N-38°N，114°E-124°E，图 1为研究区构造､台网分布和模型网格示意图.基于江苏､安徽､山东､上海和浙江五个省(市)区域地震台网共224个台站记录到的近震震相资料，选取1980-2005 年共25 年内发生在研究区内震级在M1.0-6.5之间的地震，要求每个地震事件至少有4个以上台站记录到，符合要求的地震事件有10123个.根据前人在此区所做的人工地震测深的结果，计算多震相理论走时曲线，考虑到模型的简单和实际地壳结构的复杂性，对理论走时曲线设定了误差区间.将所有观测报告给出的数据画出时距曲线，对偏离统计大多数和理论曲线的数据查图重读数据，对Pm, Sm, Pn, Sn到时查图读数据，删去不可靠数据，最后筛选出可用于重新定位和地壳结构成像的地震事件8700个.
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图 1 江苏及邻区构造､地震台网分布和模型网格示意图 ① 郯城-庐江断裂，② 江山-绍兴断裂，③ 淮阴-响水断裂，④ 烟台-五莲断裂，⑤ 广济-襄樊断裂，⑥ 肥中断裂，▲地震台站. Fig. 1 Over view of tectonics and distribution of seismicnet work in Jiangsu and neighbor in gareas ① Tancheng-Rujian fault , ② Jiangshan-shaoxing fault , ③Huaiyin-Xiangshui fault , ④ Yantai-wulian fault , ⑤ Guangji-Xiangfan fault , ⑥ Feizhong fault , ▲ Seismic station . |
分别采用双差法和遗传算法对8700个地震事件进行重新定位，最终5742个地震获得了精定位结果[38].使用精定位后的地震S-P 走时差资料进行反演计算，可避免发震时刻不准确带来的误差，提高原始资料的精度.另外，该方法亦可减少未知参数的个数，降低解的不唯一性.为保证反演资料的可靠性，本文采用的精定位后地震，要求每个地震事件至少有4个台站的S-P信息.最终，用于本研究的S-P数据共有66265个.
3.2 地震成像中初始模型的选取根据地震射线密集程度选择网格大小，本研究设计网格个数为22×22×7，其中研究区中部大多射线密集的区域，网格为40km×40km, 可以保证研究区中部网格内至少有20条以上射线通过，对研究区域的边缘部位(地震射线密度较少的地区)，网格单元加宽.本文另参考了上海奉贤至内蒙古阿拉善左旗地学断面的HQ-13 测线[14]､江苏响水至内蒙古满都拉地学断面的连云港至泗水测线[15]､大别造山带的人工地震测线[7-13]结果.基于以上研究成果，建立初始模型，将地壳分成7 层，表 1 给出了这7层介质的P 波速度.初始模型另含Moho界面､与Moho界面对应的滑行速度信息.要求Moho 界面及其变化位于第7 层内(25-40km)，因此第7 层的地层为25km 至Moho之间.在速度模型中，假设每一模块内速度均匀.Pm､Sm, Pn､Sn 震相分别是Moho界面的反射和折射波震相.对有人工地震测线通过的网格，用地震测深结果对模型参数进行约束，在反演迭代过程中，被约束的模型参数不变，从而加快收敛.
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表 1 初始模型 Table 1 Initial modle |
当前，常用的判断层析成像结果分辨率的方法主要有两种，即地震射线数与检测板分辨试验.丁志峰[39]分析反演结果的质量时，曾经详细对比地震射线数与检测板分辨试验的结果，发现它们之间有很强的相关性.王志铄[40]将不同深度的射线分布和检测板结果进行对比分析，发现两者的结果一致.本研究区地震台站较为密集，地震分布随机.由于地震射线密集，随机取总射线数的1/6约10000条射线画出射线分布图(图 2)，由图可以看到地震波射线分布均匀，没有明显的方向性，故采用单元地震射线数密度作为反演结果分辨率的直接判断指标.图 3 为射线密度分布图，我们选取了射线分布相对较好层位(15-20km)和射线密度分布最差层位(2-5km)为例，来分析结果的可靠范围.总体来说，各层在31°N-37°N，115°E-121°E 间单元射线密度均在20条以上，因此反演结果在此范围可信.此范围可以满足郯庐带鲁苏皖段及邻区地壳速度结构的研究.图 4为反演得到的不同层速度结构.
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图 2 地震射线分布图(取全部射线的1/6) Fig. 2 Seismic rays distribution (one sixth extracted from whole rays) |
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图 3 不同深度剖面的射线密度分布 (a)15-20km 层，射线分布较密集，研究目标地区网格内已超过50条；(b)2-5km 层，射线分布较差的层，研究目标地区多数网格射线超过50条. Fig. 3 The ray densityat different depth section (a)15-20km section, over 50rays in every network of research area； (b)2-5km section, over50 rays in most network of research area. |
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图 4 不同深度-速度剖面 (a)2-5km； (b)5-10km； (c)10-15km； (d)15-20km； (e)20-25km； (f)25-40km. Fig. 4 Veolcity section at different depth |
借鉴研究区人工地震测深的结果和本研究各层速度梯度的分析，研究区地壳可分为上地壳､中地壳和下地壳三层，其中上地壳底部埋深约10-14km, 中地壳底部埋深约20-25km.图 4a为2-5km 深P 波速度的反演结果.此层一般在第四纪或中､新生代沉积和古生带基底之间[14]，速度在5.20-5.36km/s间变动.其中下扬子断块速度偏低，在5.20-5.24之间；而华北断块､苏鲁断块､大别断褶带速度在5.23-5.36 之间，略高于下扬子断块，并呈现高低速相间分布格局.图 4b为反演得到的5-10km 深度范围的P波速度图像.此深度层对应于元古代基底，其P 波速度变化范围为5.54-5.76km/s.基底界面对应的P 波速度为6km/s左右.下扬子断块P 波速度偏低，约为5.56-5.62km/s之间；华北断块速度高低相间，其中鲁西南地区速度较低，约5.54km/s左右.在33.5°N-35.5°N 间，即连云港至徐州间P 波速度较高，约5.63-5.65km/s, 可能为郯庐断裂带东侧的超高压变质岩带的地震学指示.35°N-38°N，119°E-120°E 范围内，即胶辽断块靠近郯庐带的区域，P 波速度较低，约为5.56km/s.大别断褶带总体上表现为高速特征，P波速度在5.63-5.75km/s范围内变化.
图 4c为10-15km 深度范围的P波速度图像.对大多数地区而言，此深度层对应于上地壳底部，P波速度变化范围为6.00-6.37km/s.由图可见，研究区北纬35°线附近是高低速变化的梯度带；其中，35°N 以北地区P 波速度整体偏低，约为6.00-6.15km/s； 35°N以南地区P波速度整体高于北部，而在33°N-35°N 间，速度较高，约为6.17-6.33km/s.合肥附近地区为速度低值区，P 波速度仅在6.12km/s左右.下扬子断块速度相对较低些，约6.12-6.21km/s.大别断褶带速度相对高些，约6.19-6.23km/s.值得注意的是大别山地区与苏鲁地区具有相似的高速度分布特征，尤其是郯庐断裂带东侧34°-35°的连云港附近地区(即超高压变质岩带所在地区)，P波速度达到6.25-6.33km/s.表明超高压变质岩带的影响可延伸至该深度.图 4d为15-20km 深度范围(中地壳)的P 波速度分布图像.此层P 波速度变化范围为6.37-6.55km/s.不同构造区速度分布特征各异:下扬子断块P 波速度约6.45-6.53km/s； 华北断块速度整体偏低，约6.37-6.50km/s, 35°N以北地区低于6.37km/s, 35°N 以南地区速度略高.大别断褶带速度整体较高，约6.50-6.55km/s.图 4e为20-25km 深度范围的P 波速度分布图像.该深度范围与中地壳底部或下地壳相对应，其速度变化范围为6.37-6.61km/s.其中，在30°N-36°N，115°E-124°E 间，速度明显较低，为6.37-6.49km/s.36°N 以北的华北断块P波速度为6.50-6.61km/s.大别-苏鲁地区速度与周边地区呈较低的速度特征，可能反映了超高压变质岩带高速影响在15km 以上，并未达中地壳，这与HQ-13人工地震测深资料解释结果相吻合.
图 4f为25km 深(-莫霍面)的P 波速度分布图像.因本区莫霍面深度在40km 以内，计算该深度层速度时，对25-40km 深度范围速度进行平均处理.该深度层P波速度变化范围为6.97-7.07km/s.其中，下扬子断块速度约为7.02-7.04km/s； 华北断块内高低速度相间分布，其变化范围为6.97-7.05km/s； 苏鲁断块具有高地震波速特征(约7.05-7.07km/s)，值得注意的是，1668年郯城8.5级地震发生在此高速区.
4.2 郯庐带鲁苏皖段及邻区地壳厚度空间变化特征图 5为反演获得的郯庐带鲁苏皖段及邻区莫霍面深度图.该区莫霍面深度总体呈现西深东浅､南深北浅的特征.莫霍面深度与构造分区大体吻合.其中，黄海海域莫霍面深度在30km左右.长江口以东海域存在一个莫霍面深度为29.1km 的区域.苏鲁断块莫霍面平均深度为32.7km, 五莲-荣成断裂与嘉山-响水断裂和郯庐带之间超高压变质岩带莫霍面深度为32km.华北断块北部的山东地区莫霍面深度约31-33km, 中部的安徽､河南一带莫霍面深度约为33-35km.下扬子断块莫霍面深度平均为34.14km.苏南地区莫霍面较苏北地区的莫霍面深，其中，苏南地区莫霍面深度为35km 左右，苏北地区为33km 左右.在苏南的太仓至上海崇明､苏州､镇江一带存在莫霍面下凹现象(深度达36.6km).大别断褶带莫霍面最深，合肥以南的大别山地区莫霍面深度为35-35.8km.
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图 5 反演的莫霍面埋深图 Fig. 5 Contour of Moho depth |
苏鲁超高压变质带东临黄海，其西部以郯庐断裂为界，北部以五莲-烟台断裂为界，南部以嘉山-响水断裂为界.苏鲁超高压变质带约在220Ma由华北断块与扬子断块碰撞而成[41,42]，是世界上研究陆-陆碰撞俯冲和壳幔作用的最佳场所之一[10].上述各层的速度结构分析中，可注意到苏鲁超高压变质岩带与周边地区的速度结构存在一定差异，即在5-10km 层，10-15km 层苏鲁超高压变质岩速度均高于周边地区(图 4b，4c).在5-10km深度层，南部以嘉山-响水断裂为界，北未达五莲-烟台断裂，西已过郯庐断裂，速度较高的地区包括东海､郯城､新沂､邳州､宿迁､睢宁､连云港.10-15km 层速度较高地区较上层有所变动，北邻五莲-烟台断裂，南过嘉山-响水断裂，可达滨海.速度更高的地区包括连云港､赣榆､东海､新沂､灌云等，其变化范围为6.25-6.33km/s.杨文采等[10,11]认为，超高压变质岩带的超高压变质岩片和韧性剪切复合岩套反映了三叠纪的碰撞造山作用及超高压变质作用，其波速特征主要表现在上地壳顶部的高速层，其厚度一般小于10km.肖骑彬等[19]从苏鲁断块及邻区的深部电性研究中得出了郯庐断裂带和嘉山-响水断裂间的苏鲁超高压变质岩带所在区域的深部电阻率高的结果，这种高电阻率一直延伸到80km 深度.本研究的结果与杨文采等的结果均认为超高压变质岩带存在于上地壳，本文认为其存在深度范围为5-15km.
4.4 研究区内郯庐断裂带的深部速度响应本研究区跨郯庐断裂带中段和南段.从图 4可以看出:
(1) 研究区内沿郯庐断裂带速度结构呈现分段性.在2-5km 深度层，5-10km 深度层，10-15km深度层，大约在35°N 以北､35°N-33°N 之间､33°N以南三段，速度结构各不相同.尽管不同层位在速度分界位置上略有差别，但基本界限大体与北西向､北东向构造和郯庐带相交部位一致.研究区内郯庐带东侧自北向南依次是华北断块区的胶东断块､苏鲁断块和扬子断块区的下扬子断块，其分界大体在35°N 附近和33°N 附近.西侧自北向南依次是华北断块区的鲁西断块､徐淮断块，其分界大体在35°N附近，再往南为秦祁昆断褶系的大别断褶带，它与华北断块区的徐淮断块分界大体在32°N 附近.郯庐断裂带速度结构呈现分段性，这种速度差异实际上反映了不同构造块体间的速度差异，因此郯庐断裂带作为构造区间的边界是明显的.
(2) 从郯庐断裂带延伸深度上看，自浅部到15km均可见明显的速度分段性，但在15-20km 深度层和20-25深度km 层则分段性不明显.然而，在25-40km 层又显现这种分段性.有关研究表明[38]，研究区地震震源深度多在9-20km 内，占68%，深度在21-30km 的占17%，少数地震的深度超过30km, 而震源深度在21-30km 深的地震事件多发生在郯庐断裂带及其附近区域，这一结果与郯庐断裂带为一深大断裂的特征相符.
4.5 低速层分布特征与中强地震空间分布相关性本研究区15-20km 深度层的平均速度为6.52km/s(图 4d)，而20-25km 深度层的平均速度为6.49km/s(图 4e)，说明在20-25km 深度层地震波速度已显现为负梯度特征.在30°N-36°N，115°E-124°E 范围内，具有低地震波速特点.特别值得注意的是黄海南部至长江口地区､安徽霍山地区､郯庐断裂带江苏段､安徽西北地区和江苏茅山断裂带以东五个区域地震波速度更低.
本研究区内发生了多次6级以上地震.图 4e为1900年有仪器记录以来研究区内发生的6 级以上地震分布图.其中，1668 年山东郯城8.5 级地震是历史地震，但因其震级大､能量强､影响显著､故也标出.前人对中强地震区的深部速度结构有了颇多研究，总结出一些基本的特征，如较大地震多发生在(1)速度梯度变化明显的部位，且偏向高速区；(2)地震震源体的上面或下面多存在低速层；(3)震源区下面的莫霍面深度较邻区有变化；(4)深部存在高角度断层[43,44]等等.本文仅就低速层与中强地震的关系加以初步讨论.
较大地震区地壳内存在低速层是普遍的现象.岩石圈内低速层显现韧性，反映了岩石的塑性流变.岩石圈的物质组成(矿物组成､结构等)和构造环境(俯冲带､地壳物质的物理化学性质､岩浆､流体､温度梯度､应力状态及岩石变形程度等)是影响岩石圈流变性质和低速层分布的主要因素，不同的地质单元，因其物质组成和构造环境不同，其地壳速度结构和流变性质会有较大的差别[45-47].研究发现较大地震多发生在地壳内高速体和低速体间，位于高速体一侧[48,49]，介质参数差异大的地方，易发生较大地震[48,49].就震源位置而言，多数大地震震源下方存在低速层､高泊松体异常，如华北平原的大地震[49].由图 4e(20-25km)可见，在黄海南部至长江口地区这个低速区西侧曾于1984 年5月21日连续发生了南黄海5.7级和6.2级地震，低速区东侧于1996年11月9日发生了一次南黄海6.1级地震；在安徽霍山这个低速区于1917年1月24日发生一次6.2级地震，并分别于1917年2月､1934年3月和1954年6月分别发生3次5级多地震；在江苏茅山断裂带以东低速区也曾于1979年7月9日发生了一次6.0级地震和1974年4月22日发生了5.5级地震；此外在安徽西北地区低速区曾于1481年发生过涡阳6.5 级地震(此为历史地震，其震中位置和震级大小信度不如现代地震高)，这几个6级强震均发生在速度较低处或其边缘.实际上，本区地震深度多在20km 以内，重新定位结果表明[38]，1979年溧阳6.0 级地震震源深度为12km, 1984年南黄海6.2 级地震震源深度为15.5km, 1996年南黄海6.1级地震震源深度为20km, 即这些地震震源深度以下存在低速层.
壳内低速层，即软弱层的存在，使坚硬层和软弱层间的相互作用更复杂，在构造块体的运动和相互作用过程中，低速层可能起到底部边界和解耦的作用，既可使深浅断层性质和活动方式有所不同，又能为应力集中和调整､释放提供条件.中地壳内脆性-韧性过渡带的局部弱化，熔融物质侵入，使地壳内的水力学和热力学性质产生扰动，致使中地壳脆性-韧性过渡带附近的强度降低，形成弱化带，在区域应力作用下，弱化带变形导致应力集中，进而发生地震[50].而俯冲板块上部，壳内低速区被认为存在板块脱水流体[49]，故有利于大地震的发生.
从图 4d 可见，1668 年山东郯城8.5 级地震处也显示为低速，郯城地震的深度推测为23km 左右[45]，因此郯城大地震可能发生在低速层以下.重磁异常表明郯庐带在此处是深部岩浆向上运移､火山活动的良好通道；人工地震测深结合重磁异常和地质资料表明，地壳的垂直运动十分强烈[44]；郯庐带苏鲁段岩石圈厚度比邻区明显薄[18,51,52]；1668年郯城8.5级地震的地震断层为一高角度右旋走滑逆断层[45]；因此与华北其他大地震有所不同，推测郯城大地震不仅受水平力的作用，上地幔向上的垂直运动可能是大地震发生的重要力源，而中地壳低速层的存在，为应力集中和调整､释放提供了条件，可能是该大地震的上部边界.本文仅对此大地震作初步讨论，由于郯庐断裂带深部结构的复杂性，两者关系还有待深入研究.
值得注意的是图 3e中沿郯庐带的32.5°N-34.5°N 及以东的区域(安徽嘉山至郯庐带江苏段)存在一个较明显的低速区，该区域历史上没有6 级以上地震记载，现今也没有发生过6级以上强震，是否意味该区也具备发生6 级以上强震的深部环境?此外，在南黄海北部坳陷地区也存在一个低速区，尽管该区域曾经发生过1924年2月19日5级地震和1992年1月24 日的5.2 级地震，该处是否还具有发生6级以上强震的可能?还需后续有针对性研究.
5 结论本文获得以下主要认识:
(1) 郯庐带鲁苏皖段及邻区地壳可分为上地壳､中地壳和下地壳三层.不同层反演的速度结构显示不同构造块体的速度结构存在明显的差异，下扬子断块总体速度偏低，华北断块速度高于下扬子断块，大别断褶带和苏鲁断块总体速度最高.在20-25km层，30°N-36°N，115°E-124°E 间速度出现低速层.莫霍面总体呈现西深东浅，南深北浅的形态；黄海海域较浅，多在30km 左右；苏鲁断块深于海域，平均深度为32.7km, 超高压变质岩带相对浅些，为32km； 华北断块平均深度33.24km, 其中合肥盆地深些；下扬子断块平均深度为34.14km； 大别断褶带最深，最深处达39.8km.
(2) 在上地壳主要是5-15km 内苏鲁超高压变质岩带的P波速度明显高于其他地区.大体位置为:在5-10km 层，南以嘉山-响水断裂为界，北未及五莲-烟台断裂，西已过郯庐断裂，速度较高的地区包括东海､郯城､新沂､邳县､宿迁､睢宁，连云港；10-15km 层速度较高地区较上层有所变动，北邻五莲-烟台断裂，南跨嘉山-响水断裂，东可达黄海，速度最高可达6.25-6.33km/s.中地壳速度与周围区别不大，但该区域下地壳的速度也较高.
(3) 研究区内郯庐断裂带速度结构呈现分段性，这可能反映了不同构造块体间的速度差异，郯庐带作为构造区间的边界是明显的.
(4) 研究区内中地壳低速层与中强地震有较好的对应关系.
本文深度多以5km 为层厚度，因此给出的速度是该5km 层的平均速度，虽然可以看出该层的整体速度分布，但由于其平均效果，也在一定程度上减小了横向差异.不过从地表向下，各层地震波速度的横向变化量不同，浅部达到4% -5%，这与浅层沉积变质变化较大有关；深部横向变化量在3% 左右.从大的构造区看，构造单元内部变化不大，但不同构造区之间的差异相对明显.强震与地壳结构的关系很复杂，罕见普适的规律.本文对研究区域低速层与强震关系的讨论是初步的，还需就每个地震做更细致的研究.
致谢感谢中国科学院地质与地球物理研究所张中杰研究员对本文撰写提出的有益的意见和建议.
| [1] | 国家地震局地质研究所. 郯庐断裂. 北京: 地震出版社, 1987 Institute of Geology, The National Earthquake Bureau. Tanlu Fault (in Chinese). Beijing: Earthquake Publishing House, 1987 http://www.oalib.com/references/19232687 |
| [2] | 张文佑, 李阴槐, 张弛, 等. 中国及邻区海陆大地构造. 北京: 科学出版社, 1986 : 267 -278. Zhang W Y, Li Y H, Zhang C, et al. Marine and Continental Geotectonics of China and Its Environs (in Chinese). Beijing: Science Press, 1986 : 267 -278. |
| [3] | 万桂梅, 汤良杰, 金文正, 等. 郯庐断裂带研究进展及存在问题探讨. 地质论评 , 2009, 55(2): 251–259. Wan G M, Tang L J, Jin W Z, et al. Progresses and problems in the study of Tancheng-Lujiang Fault Zone. Geological Review (in Chinese) , 2009, 55(2): 251-259. |
| [4] | Teng J W, Wang G J, Zhang Z J, et al. The 3-D structure of shear wave in South China and the southward extension of Tanlu fault. Chinese Sci. Bulletin , 2001, 46(4): 284-289. DOI:10.1007/BF03187186 |
| [5] | Zhang Z J, Badal J, Li Y K, et al. Crust-upper mantle seismic velocity structure across Southeastern China. Tectonophysics , 2005, 39(1-2): 137-157. |
| [6] | 许志琴. 深俯冲和折返动力学:来自中国大陆科学钻探主孔及苏鲁超高压变质带的制约. 岩石学报 , 2007, 23(12): 3041–3053. Xu Z Q. Continental deep subduction and exhumation dynamics: Evidence from the main hole of the Chinese Continental Scientific Drilling and the Sulu HP-UHP metamorphic terrane. Acta Petrologica Sinica (in Chinese) , 2007, 23(12): 3041-3053. |
| [7] | 董树文, 吴宣治, 高锐, 等. 大别造山带地壳速度结构与动力学. 地球物理学报 , 1998, 41(3): 349–361. Dong S W, Wu X Z, Gao R, et al. On the crust velocity levels and dynamics of the Dabieshan orogenic belt. Chinese J. Geophys. (Acta Geophysica Sinica) (in Chinese) , 1998, 41(3): 349-361. |
| [8] | 刘福田, 徐佩芬, 刘劲松, 等. 大陆深俯冲带的地壳速度结构-东大别造山带深地震宽角反射/折射研究. 地球物理学报 , 2003, 46(3): 366–372. Liu F T, Xu P F, Liu J S, et al. The crustal velocity structure of the continental deep subduction belt: study on the eastern Dabie orogen by seismic wide angle reflection/refraction. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2003, 46(3): 366-372. |
| [9] | 王椿镛, 张先康, 陈步云, 等. 大别造山带的地壳结构研究. 中国科学(D辑) , 1997, 27(3): 221–226. Wang C Y, Zhang X K, Chen B Y, et al. Crustal structure of Dabieshan orogenic belt. Science in China (Series D) (in Chinese) , 1997, 27(3): 221-226. |
| [10] | 杨文采, 程振炎, 陈国九, 等. 苏鲁超高压变质岩带北部地球物理调查(Ⅰ)-深反射地震. 地球物理学报 , 1999, 42(1): 41–52. Yang W C, Cheng Z Y, Cheng G J, et al. Geophysical investigations in northern Sulu UHPM belt, part Ⅰ: deep seismic reflection. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 1999, 42(1): 41-52. |
| [11] | 杨文采, 胡振远, 程振炎, 等. 郯城-涟水综合地球物理剖面. 地球物理学报 , 1999, 42(2): 206–217. Yang W C, Hu Z Y, Cheng Z Y, et al. Long profile of geophysical investigation from Tanchen to Lianshui, east-central China. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 1999, 42(2): 206-217. |
| [12] | Zhang Z J, Li Y K, Lu D Y, et al. Velocity and anisotropy structure of the crust in the Dabieshan orogenic belt from wide-angle seismic data. Physics of the Earth and Planetary Interiors , 2000, 122(1-2): 115-131. DOI:10.1016/S0031-9201(00)00190-4 |
| [13] | Bai Z M, Zhang Z J, Wang Y H. Crustal structure across the Dabie-Sulu orogenic belt revealed by seismic velocity profiles. Journal of Geophysics and Engineering , 2007, 4(4): 436-442. DOI:10.1088/1742-2132/4/4/009 |
| [14] | 国家地震局地学断面编委会. 上海奉贤至内蒙古阿拉善左旗地学断面说明书. 北京: 地震出版社, 1992 . Geoseience Transect Research Group of CSB. Explanatory Notes of the Geoseience Transect of Shanghai Fengxian-Neimenggu Alashan (in Chinese). Beijing: Seismological Press, 1992 . |
| [15] | 国家地震局地学断面编委会. 江苏响水至内蒙古满都拉地学剖面说明书. 北京: 地质出版社, 1991 . Geoseience Transect Research Group of CSB. Explanatory Notes of the Geoseience Transect of Jiangsu Xiangshui-Neimenggu Mandula (in Chinese). Beijing: Seismological Press, 1991 . |
| [16] | 刘启元, RainerKind, 陈九辉, 等. 大别造山带壳幔界面的断错结构和壳内低速体. 中国科学(D辑) , 2005, 35(4): 304–313. Liu Q Y, Rainer Kind, Chen J H, et al. Dislocation structure of the crust-mantle boundary and low-velocity body within the crust beneath the Dabie Shan collision orogen. Science in China (Series D) (in Chinese) , 2005, 35(4): 304-313. |
| [17] | 刘因, 汪青, 姜枚, 等. 苏鲁造山带深部构造的接收函数图象. 岩石学报 , 2009, 25(7): 1658–1662. Liu Y, Wang Q, Jiang M, et al. The receiver function image of the deep structure in Sulu orogenic belt. Acta Petrologica Sinica (in Chinese) , 2009, 25(7): 1658-1662. |
| [18] | Chen L, Zheng T Y, Xu W W. A thinned lithospheric image of the Tanlu Fault Zone, eastern China: Constructed from wave equation based receiver function migration. Journal of Geophysical Research , 2006, 111(B9): 1-15. |
| [19] | 肖骑彬, 赵国泽, 王继军, 等. 苏鲁造山带及邻区深部电性结构研究. 中国科学(D辑) , 2008, 38(10): 1258–1267. Xiao Q B, Zhao G Z, Wang J J, et al. Deep electrical structure of the Sulu orogen and neighboring areas. Science in China (Series D) (in Chinese) , 2008, 38(10): 1258-1267. |
| [20] | 张继红, 赵国泽, 肖骑彬, 等. 郯庐断裂带中段(沂沭断裂带)电性结构研究与孕震环境. 地球物理学报 , 2010, 53(3): 605–611. Zhang J H, Zhao G Z, Xiao Q B, et al. Analysis of electric structure of the central Tan-Lu fault zone (Yi-Shu fault zone, 36°N) and seismogenic condition. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2010, 53(3): 605-611. |
| [21] | 郝天珧, SUHMancheol, 刘建华, 等. 黄海深部结构与中朝-扬子块体结合带在海区位置的地球物理研究. 地学前缘 , 2004, 11(3): 51–61. Hao T Y, SUH Mancheol, Liu J H, et al. Deep structure and boundary belt position between Sino-Korean and Yangtze blocks in Yellow Sea. Earth Science Frontiers (in Chinese) , 2004, 11(3): 51-61. |
| [22] | 李春峰, 陈冰, 周祖翼. 中国东部及邻近海域磁异常数据所揭示的深部构造. 中国科学(D辑) , 2009, 39(12): 1770–1779. Li C F, Chen B, Zhou Z Y, et al. Deep crustal structures of eastern China and adjacent seas revealed by magnetic data. Science in China (Series D) (in Chinese) , 2009, 39(12): 1770-1779. |
| [23] | 王良书, 李成, 施央申, 等. 下扬子区地温场和大地热流流密度分布. 地球物理学报 , 1995, 38(4): 469–476. Wang L S, Li C, Shi Y S, et al. Distributions of geotemperature and terrestrial heat flow dendity in lower Yangtze area. Chinese J. Geophys. (Acta Geophysica Sinica) (in Chinese) , 1995, 38(4): 469-476. |
| [24] | 李云平, 吴时国, 韩文功, 等. 合肥盆地和郯庐断裂带南段深部地球物理特征研究. 地球物理学报 , 2006, 49(1): 115–122. Li Y P, Wu S G., Han W G, et al. A study on geophysical features of deep structures of the Hefei Basin and the southern Tanlu fault zone. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2006, 49(1): 115-122. |
| [25] | 刘建华, 刘福田, 孙若昧, 等. 秦岭-大别造山带及其南北缘地震层析成像. 地球物理学报 , 1995, 38(1): 46–54. Liu J H, Liu F T, Sun R M, et al. Seismic tomography beneath the Qinling-Dabie orogenic belts and both the northern and southern fringes. Chinese J. Geophys. (Acta Geophysica Sinica) (in Chinese) , 1995, 38(1): 46-54. |
| [26] | 徐佩芬, 刘福田, 王清晨, 等. 大别-苏鲁碰撞造山带的地震层析成像研究-岩石圈三维速度结构. 地球物理学报 , 2000, 43(3): 377–385. Xu P F, Liu F T, Wang Q C, et al. Seismic tomogrphy beneath the Dabie-Sulu collision orogen-3-D velocity structures of lithosphere. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2000, 43(3): 377-385. |
| [27] | 李志伟, 胥颐, 郝天珧, 等. 环渤海地区的地震层析成像与地壳上地幔结构. 地球物理学报 , 2006, 49(3): 797–804. Li Z W, Xu Y, Hao T Y, et al. Seismic tomography and velocity structure in the crust and upper mantle around Bohai Sea area. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2006, 49(3): 797-804. |
| [28] | 徐果明, 李光品, 王善恩, 等. 用瑞利面波资料反演中国大陆东部地壳上地幔横波速度的三维结构. 地球物理学报 , 2000, 43(3): 366–376. Xu G M, Li G P, Wang S E, et al. The 3-D structure of shear waves in the crust and mantle of east continental China inverted by rayleigh wave data. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2000, 43(3): 366-376. |
| [29] | 郑月军, 黄忠贤, 刘福田, 等. 中国东部海域地壳-上地幔瑞利波速度结构研究. 地球物理学报 , 2000, 43(4): 480–487. Zheng Y J, Huang Z X, Li F T, et al. Rayleigh wave velocity and structure of the crust and upper mantle beneath the seas in eastern China. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2000, 43(4): 480-487. |
| [30] | 朱介寿, 曹家敏, 蔡学林, 等. 东亚及西太平洋边缘海高分辨率面波层析成像. 地球物理学报 , 2002, 45(5): 646–664. Zhu J S, Cao J M, Cai X L, et al. High resolution surface wave tomography in east asia and west Pacific marginal seas. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2002, 45(5): 646-664. |
| [31] | 张元生, 李清河, 徐果明. 联合利用走时与波形反演技术研究地壳三维速度结构(Ⅰ)-理论与方法. 西北地震学报 , 1998, 20(2): 8–15. Zhang Y S, Li Q H, Xu G M. Combined inversion technique to study 3-crustal velocity structure by using seismic wave travel time and wave form (I)-theory and method. Northwestern Seismological Journal (in Chinese) , 1998, 20(2): 8-15. |
| [32] | 张元生, 李清河, 刘耀炜, 等. 地震层析成像软件. 西北地震学报 , 2003, 25(2): 170–174. Zhang Y S, Li Q H, Liu Y W, et al. The seismic tomography software. Northwestern Seismological Journal (in chinese) (in Chinese) , 2003, 25(2): 170-174. |
| [33] | 张元生, 周民都, 荣代潞, 等. 祁连山中东段地区三维速度结构研究. 地震学报 , 2003, 26(2): 247–255. Zhang Y S, Zhou M D, Rong D L, et al. 3-D Velocity structure in the central eastern part of Qilin Shan. Acta Seismologica Sinica (in Chinese) , 2003, 26(2): 247-255. |
| [34] | 李清河, 张元生, SoGu Kim. 朝鲜半岛南部三维地壳速度结构成像. 地球物理学报 , 2007, 50(4): 1073–1081. Li Q H, Zhang Y S, So Gu Kim. 3-D crustal velocity tomography in the southern Korean Peninsula. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2007, 50(4): 1073-1081. |
| [35] | 高尔根, 徐果明. 二维速度随机分布逐步迭代射线追踪方法. 地球物理学报 , 1996, 39(S1): 302–308. Gao E G, Xu G M. A new kind of step by step iterative ray-tracing method. Chinese J. Geophys. (Acta Geophysica Sinica) (in Chinese) , 1996, 39(S1): 302-308. |
| [36] | Koch M. Simultaneous inversion for 3-D crustal structure and hypocentres including direct, refracted and reflected phases-Ⅰ. development, validation and optimal regularization of the method. Geophys.J. Int. , 1993, 112(3): 385-412. DOI:10.1111/gji.1993.112.issue-3 |
| [37] | Sambridge M, Drijkoningen G. Genetic algorithms in seismic waveform inversion. Geophys.J. Int. , 1992, 109(2): 323-342. DOI:10.1111/gji.1992.109.issue-2 |
| [38] | 黄耘, 李清河, 张元生, 等. 江苏及邻区地震重新定位和构造特征分析. 地球物理学报 , 2008, 51(1): 175–185. Huang Y, Li Q H, Zhang Y S, et al. Relocation of earthquakes in Jiangsu and neighboring areas, China and analysis of structural features. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2008, 51(1): 175-185. |
| [39] | 丁志峰. 近震层析成像的理论及应用. 北京: 中国地震局地球物理研究所, 1999 Ding Z F. Regional seismic tomography: theory and applications(in Chinese). Beijing: Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, 1999 |
| [40] | 王志铄. 大华北及邻区地壳上地幔结构. 北京: 中国地震局地球物理研究所, 2005 Wang Z S. Tomographic Imaging of velocity structures beneath north China and its vicinity(in Chinese). Beijing: Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, 2005 |
| [41] | Wang Q C, Cong B L. Tectonic implication of UHP rocks from the Dabie Mountains. Sciences in China (Series D) , 1996, 39(3): 311-318. |
| [42] | Liou J G, Zhang R Y, Wang X, et al. Metamorphism and tectonics of and belts region. In: Yin A, Harrison T M. Tectonic Evolution of Asia. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1995 : 345 -370. |
| [43] | 王椿镛, 王贵美, 林中洋, 等. 用深地震反射方法研究邢台地震区地壳细结构. 地球物理学报 , 1993, 36(4): 445–452. Wang C Y, Wang G M, Lin Z Y, et al. A study on fine crustal structure in Xingtai earthquake area based on deep seismic reflection profiling. Chinese J. Geophys. (Acta Geophysica Sinica) (in Chinese) , 1993, 36(4): 445-452. |
| [44] | 刘昌铨, 祝治平, 李捍东, 等. 连云港-临沂-泗水测深剖面及临沂8.5级地震深部构造背景. 地震 , 1983(3): 11–17. Liu C Q, Zhu Y P, Li H D, et al. Lianyungang-Linyi-Sishui DSS profile and the deep structure bachground of the Linyi earthquake of M8.5. Earthquake (in Chinese) , 1983(3): 11-17. |
| [45] | 王华林, 耿杰. 1668年郯城8.5级地震震源参数及其讨论. 地震学刊 , 1996(4): 27–33. Wang H L, Geng J. Discussion about focus parameters of Tancheng earthquake ofMs8. 5 in 1668. Journal of Seismology (in Chinese) , 1996(4): 27-33. |
| [46] | 周永胜, 何昌荣. 华北地区壳内低速层与地壳流变的关系及其对强震孕育的影响. 地震地质 , 2002, 24(1): 124–132. Zhou Y S, He C R. The relationship between low velocity layers and rheology of the crust in North China and its effect on strong earthquake. Seismology and Geology (in Chinese) , 2002, 24(1): 124-132. |
| [47] | Zhang Z J, Yang L Q, Teng J W, et al. An overview of the earth crust under China. Earth Science Reviews , 2011, 104(1-3): 143-166. DOI:10.1016/j.earscirev.2010.10.003 |
| [48] | 滕吉文. 强烈地震孕育与发生的地点、时间及强度预测的思考与探讨. 地球物理学报 , 2010, 53(8): 1749–1766. Teng J W. Ponder and research on the genesis occurrence of strong earthquakes and the prediction of their place, time and intensity. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2010, 53(8): 1749-1766. |
| [49] | 齐诚, 赵大鹏, 陈颙, 等. 首都圈地区地壳P波和S波三维速度结构及其与大地震的关系. 地球物理学报 , 2006, 49(3): 805–815. Qi C, Zhao D P, Chen Y, et al. 3-D P and S wave velocity structures and their relationship to strong earthquakes in the Chinese capital region. Chinese J. Geophys. (in Chinese) , 2006, 49(3): 805-815. |
| [50] | Long L T, Zelt K H. A local weaking of the bittle-ductile transition can explain some intraplate seismic zones. Tectonophysics , 1991, 186(1-2): 175-192. DOI:10.1016/0040-1951(91)90392-6 |
| [51] | Huang J L, Zhao D P. High-resolution mantle tomography of China and surrounding regions. J. Geophys. Res. , 2006, 111: B09305. DOI:10.1029/2005JB004066 |
| [52] | 张鹏, 王良书, 钟锴, 等. 郯庐断裂带的分段性研究. 地质论评 , 2007, 53(5): 586–591. Zhang P, Wang L S, Zhong K, et al. Research on the segmentation of Tancheng-Lujiang fault zone. Geological Review (in Chinese) , 2007, 53(5): 586-591. |