沂沭断裂带构造区光弹实验与地震危险区判定研究

黄兴 胡宏玖 王华林 黄大卫 王纪强陈平 胡超 刘军 刘红欣

1）上海大学理学院力学系，上海市上大路99号 200444

2）上海市应用数学与力学研究所，上海 200072

3）山东省地震工程研究院，济南 250021

0 引言

沂沭断裂带属于郯庐断裂带，是地震多发断裂带（晁洪太等，1994；方仲景等，1976；李家灵等，1994；林伟凡等，1987；王华林，1995a、1995b；魏光兴等，1993）。对地震多发断裂带的危险区域判定能够有效地预防由地震造成的巨大损失。由于地震的发生与地质断裂带的关系十分紧密，因而研究构造地质断裂带的实验手段是必要的，而通过光弹实验的方法能很好地模拟特定区域的地震断裂带分布（陈树珍等，1983；许忠淮等，1979；颜玉定等，2006；殷秀兰等，2007；张兴等，1996）。殷秀兰等（2007）、张兴等（1996）通过光弹实验找到渤中坳陷的地应力区域，陈树珍等（1983）应用光弹实验模拟郯庐断裂构造应力场，这些研究都取得了较好的效果。本文借助光弹实验模拟沂沭断裂带构造区域的地质环境，试图通过对刻有断裂带的光弹模型的应力、应变场的研究，找到沂沭断裂带构造区中的应力、应变累积区域和地震危险区域。

1 沂沭断裂带地质构造环境

1.1 沂沭断裂带地质构造概况

沂沭断裂带是郯庐断裂带中出露清楚、发育最好的一段（陈国星等，1988）。在卫星与航空影像上清晰醒目，实地考察显而易见。因其错断了岩层、岩脉、第四系沉积物、夷平面、阶地、洪积扇、冲沟水系等，所以多处可见白垩系地层逆冲到上更新统或全新统之上。断层的上盘形成断褶隆起的低山、丘陵，呈长条状控制在断层的一侧；断层的下盘一侧为缓倾斜的平原、断层崖，高数米，成为现代地貌的分界线。沂沭断裂带是我国东部一条著名的深大断裂带，断裂带由几条平行的主干断裂及分支断裂构成。断裂带的构造活动十分复杂并且具有明显的分带性和分段性，现代断裂活动和地震活动十分强烈，沂沭断裂带北段发生过公元前70年安丘7级地震（王华林，1990），中南段发生过1668年郯城 8⅟2级地震和6280（±120）BP至公元前70年间的大地震（7～8级）。

沂沭断裂带新构造活动具有继承性活动的特点，延续了两堑夹一垒（图1）的构造格局，形成了沂沭断裂谷活动区。受长期构造活动及岩性的控制，沿沂沭断裂带为宽约40km的狭长的地貌单元，是本区的主导构造，新构造活动比较强烈，仍继承了前期的构造格局特点，在东、西地堑中分别发育了近SN向的沭河和沂河，见有一、二级阶地发育。其东、西两侧块体新构造活动亦有明显的差异，山东陆地范围内西强东弱。郯庐断裂带东地堑内的安丘-莒县断裂是全新世活动断裂，在其中部发现了1668年郯城地震断层。沿安丘-莒县断裂形成了马陵山、岭泉、晓店和窑湾等一系列隆起和凹陷，地质调查表明，这些隆起和凹陷形成于晚更新世以来（林伟凡等，1987）。

图1 沂沭断裂带横剖面结构（据国家地震局地震研究所（1987））

沂沭断裂带是整个郯庐断裂带上出露最好、规模最大、新活动最强烈的地区。沂沭带的主要构造特征如下：

（1）重力图显示为一条宽缓的、走向多扭曲畸变的梯度带；人工地震和大地电磁测深结果表明，断裂切割深度已达莫霍面。

（2）构成鲁东、鲁西2大地块的构造结合带，其两侧的基底类型、盖层类型和地球物理特征等均不同。

（3）断裂带第四纪活动强烈，全新世以来断裂以右旋走滑运动为主，沿断裂带多处发现古地震和全新世活动证据。如在莒县-郯城段上，除1668年郯城 8⅟2级地震外，全新世以来还有3次古地震事件，这3次古地震事件发震时间间隔约为3500a。全新世以来断裂的水平、垂直位移速率分别为 2、0.5mm/a。

（4）沂沭断裂带与NW走向断裂（燕山-渤海、苍尼、蒙山、益都等断裂）的交汇处，正是重力梯度带扭曲畸变部位，也是形变特征发生转换和强震发生的部位（王华林等，1988）。

（5）据历史记载，沂沭断裂发生过公元前70年安丘7级地震、1668年郯城 8⅟2级地震和6280（±120）BP至公元前70年间大地震（7～8级），具有地震活动频度低、强度大的特点。

（6）流动重力、地磁、形变资料表明，沂沭断裂带近期活动较弱，具有蠕动特点。极微震、小震的应力降和Q值的研究表明，沂沭断裂带中、南段应力集中不明显，北段小震稀少并形成活动空区。

1.2 沂沭断裂带断裂构造活动特征

研究区地处华北地震区，区内NE向沂沭断裂带是区域的主体构造，构造活动强烈，构成了强震活动构造带。NNE向沂沭断裂带构成了区域的主体构造，鲁西断块区内发育NW向、NE向和NNE向等断裂，鲁东断块区内发育一系列NNE-NE向断裂，这些断裂相互交汇（图2），构成了沂沭断裂带的基本断裂构造格架。这些断裂的切割深度和活动强度存在明显差异（陈国星等，1988；王华林，1995b；孙洁等，1988；张碧秀等，1988），控制着沂沭断裂带及其两侧的地震活动。沂沭断裂带主要断裂的特征见表1。

1.3 沂沭断裂带地震活动特征

沂沭断裂带历史地震、现代地震活动具有频度低、强度大的特点。空间分布具有继承性、集群、空段和条带等特征。其中，继承性表现在小震分布与沂沭断裂带的中强地震分布区非常一致，构成了NNE向、NW向的地震条带，地震集群分布主要表现为郯城 8⅟2级地震震中周围中小地震的密集分布。

沂沭断裂带MS≥4.7地震震中分布图（图3）显示，公元前70～2013年6月，区域范围内共记录到破坏性地震26次，其中4.7～4.9级7次、5.0～5.9级15次、6.0～6.9级2次、7.0～7.9级1次、8.0～8.9级1次。分析认为，研究区内中、强地震活动的空间分布是不均匀的，主要表现为集群、条带的分布特征；地震活动受NNE向沂沭断裂和几条NW向活动断裂的控制，表现为条带分布。8.0～8.9级地震即1668年山东郯城8.5级地震，震中位于安丘-莒县断裂南段；7.0～7.9级地震即公元前70年山东安丘7级地震，震中位于安丘-莒县断裂的北段；2次6.0～6.9级地震，1次为1672年山东莒县6级地震，震中位于安丘-莒县断裂的中段，另1次为1829年山东临朐 6⅟4级地震，震中位于双山-李家庄断裂和益都断裂的交汇处；15次5.0～5.9级地震，主要分布在NE向郯庐断裂带和几条NW向活动断裂带附近；7次4.7～4.9级地震，主要分布在NE向断层附近。分析认为，区域6级以上地震都位于晚更新世断裂附近，主要表现为集群分布，其中，3次位于全新世活动断层安丘-莒县断裂附近，1次位于双山-李家庄断裂和益都断裂的交汇处。沂沭断裂带MS≥4.7地震在沂沭断裂带东、西两侧表现为西强、东弱之特点。

沂沭断裂带现代地震中MS≥4.7地震震中分布图（图3）和现代地震统计资料显示，1970～2013年6月，区域范围内有地震台网观测到的2.0≤ML≤5.9地震998次，其中2.0～2.9级878次、3.0～3.9级106次、4.0～4.6级13次、5.0～5.9级1次。分析认为，这些地震受断裂控制明显，主要沿新构造活动强烈的断裂带密集分布，并在NE向活动断裂附近丛集分布；海域地震主要沿着串场河断裂和响水河断裂附近丛集分布，沂沭断裂带西侧地震受几条NW向晚更新世以来断层控制明显，沿NW向断层周围丛集分布；3级以上地震都分布在这些晚更新世以来断层附近，受NW向断裂控制。

图2 沂沭断裂带区域地震构造

表1 沂沭断裂带主要断裂特征一览表

续表1

1.4 沂沭断裂带断裂与强震活动的关系

根据前人区域断裂和地震活动特征的研究结果，将区域断裂与强震活动的关系归纳如下：

（1）断裂的成带、分段和衰减等特征（王华林等1995）决定了强震活动的成带、分段和衰减特征。NW向益都断裂带活动强度由SE向NW衰减，决定了地震震级由7.0级向6.0、5.5和5.0级过渡。沂沭断裂带强、弱交替的分段活动，决定了6、7级地震和5级地震的分段差异活动。沂沭断裂带东、西分带，决定了沂沭断裂带东、西地堑地震活动的差异性。

（2）壳幔结构的横向不均匀性，如上地幔隆起、重力、航磁、电性、形变梯度、扭曲带以及高速体与低速体互层，是深大断裂强烈活动作用的结果，它们构成了7级以上强震活动的深部构造条件。可见活动的深大断裂与7级地震活动之间存在内在的成因上的联系。如郯城8.5级地震区均为上地幔隆起区，存在明显的速度结构和电性结构的不均匀性（张碧秀等，1988）。公元前70年安丘7级地震发生在NNE向重力、航磁和形变梯度向NW扭曲畸变带上。6280（±120）BP至公元前70年间大地震（7～8级）区具有与郯城8.5级地震区相似的壳幔结构的横向不均匀性。

（3）第四纪晚期，尤其是全新世活动的交汇断裂构成了沂沭断裂带6级以上地震发震构造。研究表明，本区所有7级以上地震的发震构造均为NNE断裂与NWW断裂以及NE断裂与NW断裂交汇构造，大部分的6级、5级以上地震的发震构造亦以不同方向断层的相互交汇为特征。简单的单一方向的断层往往第四纪晚期以来活动较弱，对本区的6级以上地震无控制作用。

图3 公元495～2013年6月沂沭断裂带M≥4.7地震震中分布

（4）NNE、NE、NW和NWW向断层为区域范围内的主要活动断层，它决定了本区所有6级以上地震的发生。其中，有些是共轭交汇发震断层，如公元前70年间的安丘7级地震和郯城8.5级地震。有些是深大断裂为控震断裂，而与之交汇的次级断层为发震断层，如公元前70年安丘7级地震。

2 光弹实验

光弹性实验方法是将全息照相和光弹性法相结合而发展起来的一种实验应力分析方法。利用光弹性法可以研究几何形状和载荷条件都比较复杂的工程构件的应力分布状态，特别是应力集中的区域问题（黄庆华等，1989）。由于光弹性实验的全场性和直观性，所以可将其应用于构造模拟地质模型的应力场，并能够解决许多实际问题。

2.1 实验原理

依据光的波动理论可知，由光源发出的光经过偏振片P成为平面偏振光，平面偏振光在应力作用下透过由光敏性材料制成的模型后产生双折射，使光沿着2个主应力方向分解为2个折射路径不同的平面偏振光，其传播速度不同而产生光程差δ，当检偏镜A的振动轴与起偏镜P的振动轴正交时，光通过A镜后就变成了与A镜振动轴平行的平面振动波，并产生光干涉现象（图4）。

图4 光弹实验原理

根据二维应力光学定律

式中，f为材料的条纹常数（kg/（cm·条））；t为试件厚度；σ1、σ2为第 1、2主应力；n为等色条纹的级数。当试验试样制成以后，t和f为可被测得的常数，而最大剪应力与等色条纹级数n成正比。因此，光弹实验的等色线条纹图案能够直接地反映最大剪应力或差应力的分布。

2.2 实验仪器与模型制作

本研究采用409-Ⅱ型光弹仪。由于聚碳酸酯（PC）具有良好的双折射性质且易加工，所以使用新型的PC工程塑料作为基体。按照地质坳陷裂纹的纹路对PC薄板进行机械加工雕刻，制作环氧树脂的渤海强震构造区地质坳陷裂纹的纹路地质模型。该模型尺寸及其与实际地质体的比例见表2。

表2 渤海强震构造区地质坳陷裂纹的纹路地质模型

2.3 光弹实验结果分析

依据相似性原理，选取沂沭断裂带构造区域为目标实验区域。由山东省地震工程研究院的构造活动调查（王华林等，1988、1995；王华林，1995a、1995b）研究以及现今的实地研究数据可知，沂沭断裂带构造区域主要受挤压作用，而挤压作用的实际情况不清楚。因此，实验中采用3种加载方式：①EW向均布加载；②东向单点加载，西向均布加载；③东向2点加载，西向均布加载。

为了体现挤压强度对沂沭断裂带构造区域的影响，实验中对模型施加不同的压力。其中，EW向均布加载压力分别选取 5、7、9、11、13、15kg；东向单点加载，西向均布加载的压力分别选取5、7kg；东向2点加载，西向均布加载的压力分别选取5、7kg。

通过对实验数据的处理获得沂沭断裂带构造区域的等色条纹分布图像。将此等色条纹分布图像与原地质研究区域进行叠加。对叠加后的图像进行分析，找到应力累积区域与地质断裂带之间的关系，如图5～7所示。图5～7中的数字区域1、2、3（数字3为红色）分别表示光弹模型上的等色条纹级数数值，其中等色条纹级数为3的区域即是剪应力最大的区域，即地震危险区域。

图5给出了模型分别承受9、13、15kg载荷时应力累积区域与地质断裂带的分布图。随着载荷的增加，可以看到应力累积区域逐步发育的过程。由图5（a）可知，在9kgEW向均布加载的条件下，出现了小型3级等色条纹区域。3级等色条纹区域主要集中在昌邑-大店断裂与安丘-莒县断裂的南段附近（郯城县北部的两堑夹一垒区域相对于断裂带呈中心对称分布）以及新泰-蒙阴断裂、蒙山山前断裂、苍尼断裂的东南部断裂尖端。当EW向均布加载载荷增加至13kg（图5（b））时，在更多的区域出现了3级等色条纹区域。值得注意的是，南部断裂带的3级等色条纹区域减少，而北部区域出现3级等色条纹区域，并且相对于断裂条纹具有明显的局部对称性。出现3级等色条纹的区域有：昌邑-大店断裂南段的东侧和安丘-莒县断裂南端的西侧；沂水-汤头断裂中段的东南侧、西南侧、东北侧与西北侧；沂水-汤头断裂北部尖端的东侧与西侧；沂源-沂水断裂的东南部尖端区域；双山-李家庄断裂与益都断裂相夹区域；安丘-莒县断裂北段的东侧与西侧。当EW向均布加载载荷增至15kg（图5（c））时，研究区的南、中、北部区域都出现了大量的3级等色条纹区域，其中昌邑-大店断裂的全段东侧与安丘-莒县断裂全段西侧的3级等色条纹区域几乎成对出现。由于西侧裂纹的复杂性增加了该区域应力分布的复杂性，此处3级等色条纹区域相对分散。而在安丘-莒县断裂全段西侧的3级等色条纹区域分布大致相对于沂水-汤头断裂呈东西对称。受沂源-沂水断裂的影响，沂源-沂水断裂东南端的3级等色条纹区域面积非常大。与加载载荷为13kg相比，加载载荷15kg的3级等色条纹区域发展迅速。

由于渤海强震构造区域受挤压作用的实际情况不清楚，所以为了更好地反映地震发生时可能存在的实际情况，本文采取了另外2种典型的加载方式进行比较。图6为不同载荷下东向单点加载（单点加载区域为35°～35.7°N）以及西向均布加载的光弹等色条纹图，其中由于单点加载的特性使得在加载点附近等色条纹级数有所增加。由图6（a）可知，在5kg的东向单点加载、西向均布加载载荷作用下，3级等色条纹区域主要出现在昌邑-大店断裂中段东侧，而在沂源-沂水断裂东南末端与苍尼断裂东南末端也出现了3级等色条纹区域。由图6（b）可知，当东向单点加载、西向均布加载载荷增至7kg时，3级等色条纹区域出现了由东向西的扩散现象，这使得区域整体应力、应变场更加复杂。分布在昌邑-大店断裂东侧的3级等色条纹区域在SN方向上出现分散现象，而在大断裂带西侧更是出现了4级等色条纹区域。3级等色条纹分布在以下区域：双山-李家山断裂与张店-仁河断裂相夹区域以及张店-仁河断裂西南侧；沂源-沂水断裂北端以及鄌郚-葛沟断裂北段东侧；沂水-汤头断裂东侧；铜冶店-孙祖断裂南段和新泰-蒙阴断裂南段周边区域；蒙山山前断裂南段与苍尼断裂南段相夹区域的中心地带。值得注意的是，唯一的4级等色条纹区域出现在铜冶店-孙祖断裂南段和新泰-蒙阴断裂南段的相夹区域。

图5 EW向均布加载时的应力累积区域与地质断裂带的分布

图6 东向单点加载、西向均布加载时的应力累积区域与地质断裂带的分布

对地质模型进行东西点加载（2点加载区域为 33.8°～34.5°N；36.2°～36.7°N）、西向均布加载的光弹实验，加载载荷分别为5、7kg。对光弹实验数据进行处理得到图7。由图7（a）可知，东向2点加载、西向均布加载，在加载载荷为5kg的情况下，3级等色条纹区域出现在以下3个区域：①昌邑-大店断裂中北段东侧；②鄌郚-葛沟断裂北段东侧；③沂水-汤头断裂北端。当东向2点加载、西向均布加载载荷增加到7kg时（图7（b）），测试区域的等色条纹区域分布再次发生一些变化，应力场的扩散现象主要出现在研究区域北部。大断裂带西侧的3级等色条纹出现在以下4个区域：①双山-李家庄断裂东南端东部；②益都断裂东南端东部；③沂源-沂水断裂东南端北部；④沂水-汤头断裂北部。为了更好地反映地震发生时可能存在的实际情况，本文采用了3种典型的加载方式进行光弹实验测试，不同加载方式下的危险区域见图8。

图7 东向2点加载、西向均布加载时的应力累积区域与地质断裂带的分布

由图8可见，在沂源-沂水断裂东南端周边区域、苍尼断裂东南端周边区域、昌邑-大店断裂全段东侧区域、安丘-莒县断裂北段西侧区域，2种或3种加载方式下都出现了3级等色条纹区域，即高应力的孕育区域，故可以判定这些区域为地震危险区域。在EW向均布加载时，3级等色条纹区域沿断裂带走向呈东西对称分布的现象说明应力、应变场在断裂带周边以EW向应力控制为主。东向单点加载、西向均布加载的载荷为7kg时，出现了4级等色条纹区域，说明在特殊情况下该区域有应力集中现象。故可以判定铜冶店-孙祖断裂南段和新泰-蒙阴断裂南段的相夹区域也是地震危险区域。在东向单点加载、西向均布加载和东向2点加载、西向均布加载时，出现了3级等色条纹区域扩散现象，符合力学角度的应力、应变场的变化规律。

将光弹实验结果（图5～7）与断裂（图2）和地震活动分布（图3）进行对比后发现，全新世和晚更新世活动断裂，尤其是不同方向断裂的交汇区域，往往是6级以上地震，尤其是7～8级地震发生的区域，这些区域也是光弹实验应力、应变集中的区域。

因此，可以判定沂源-沂水断裂东南端周边区域、苍尼断裂东南端周边区域、昌邑-大店断裂全段东侧区域、安丘-莒县断裂北段西侧区域、铜冶店-孙祖断裂南段和新泰-蒙阴断裂南段的相夹区域为地震危险区（图2）。

图8 沂沭断裂带区域不同加载方式下的危险区域

3 结论

（1）沂沭断裂带对EW向的应力起到了有效的阻隔作用，但是东部边界在不同的加载方式及载荷下，沂沭断裂带出现呈东西对称的高应力区域。而在沂沭断裂带西部即双山-李家庄、张店-仁河和沂源-沂水等断裂附近也出现了不同大小的高应力孕育区域。

（2）将光弹实验结果与地震活动分布进行对比后发现，在全新世和晚更新世活动断裂尤其是不同方向断裂的交汇处，往往是6级，尤其是7～8级地震发生的地点，而这些区域也是光弹实验应力、应变集中的区域。

（3）将分析结果中的地震危险区在断裂带分布图上标出，并用不同颜色区别于不同加载条件下得到的地震危险区。其中，沂水县北部与南部、沂南县南部、安丘市东南部与西南部和东海县西部都处于2种甚至3种加载条件下的地震危险区。

本研究结果为沂沭断裂带的地震危险区判定提供了实验依据，对沂沭断裂带的地震预测研究和震情跟踪等工作具有实际意义。