1668年坦城8.5级地震南部断裂范围的动态破裂建模约束

《Tectonophysics》：Dynamic rupture modeling constraints on the southern rupture extent of the 1668 M 8.5 Tancheng earthquake

　　

邱海阳|卢泽宇|胡峰|张文强|臧阳

中国科学技术大学地球与空间科学学院精密大地测量国家重点实验室，合肥230026，中国

摘要

1668年郯城8.5级地震是中国东部有记录以来最大的板块内地震之一，其破裂长度仍存在争议，尤其是其向南延伸至姚上断层的部分。我们使用四种不同的断层几何模型来研究其动态破裂过程。模型1包含六个近乎平行的断层段F1-F6，总长度为360公里，震中位于郯城附近的F3断层上。姚上断层位于F3断层的南端，与F4断层之间有13公里的间隙。在模型2中，一条连接断层使得破裂能够跨越这一间隙，但最终在F4断层处终止。模型3和模型4考虑了热压效应，这有助于破裂向F5和F6断层扩展。然而，与历史强度数据的比较表明，涉及F5和F6断层滑动的模型预测的 Bengbu 东南部的强度分布与观测结果不符。模型2在强度分布和地表滑动约束方面与观测结果最为吻合，表明破裂主要向北扩展，从姚上断层到F4断层的向南延伸有限。在北部断层段上推断出存在超剪切现象。尽管热压效应增强了破裂的跳跃能力，但在1668年郯城地震的破裂扩展中作用有限。我们的研究为这一历史性大地震的破裂范围提供了新的见解。

引言

1668年7月25日发生的郯城8.5级地震是中国历史上最大的板块内地震之一，震中位于中国东部的郯庐断层带中南部，该断层是一条长度超过2400公里的走滑断层。地震影响区域约为$\sim 1\times {10}^6$' role="presentation">$～1\times {10}^6$平方公里，许多县份都受到了破坏，报告的受灾面积超过190,000平方公里，造成超过50,000人死亡，并引发了山体滑坡、地面沉降、泉水涌出和洪水（Ma和Zhong，2009年）。山东省和苏皖北部的150多个县不同程度地遭受了破坏，最大地震强度达到XII级。地表破裂从Ju县延伸至Xinyi，其中山东Zuoshan附近观测到的最大右旋走滑位移为10–11米（Wang和Geng，1992年）。Murotani等人（2015年）提出了一个关于内陆地壳巨型断层系统震源面积与地震矩之间的经验关系，推测8.5级地震的破裂长度约为400公里。由于缺乏仪器记录，估计破裂长度的差异突显了约束历史地震震源参数的挑战性。

郯庐断层是一条呈NNE走向的走滑断层，横跨湖北、安徽、江苏和山东三个省份，穿过渤海，并在沈阳附近分成伊兰-仪同断层和密山-抚顺断层，延伸至俄罗斯（Deng等人，2003年；Xu等人，1984年；Zhu等人，2004年）。该断层形成于中三叠世华南地块与华北克拉通的碰撞期间（Yin和Nie，1993年；Zhao等人，2016年；Zhu等人，2018年），在早白垩世经历了左旋走滑和复杂的构造活动（Zhu等人，2018年），后来转变为右旋走滑并伴有逆冲成分（Yan等人，2014年）。该断层包括南部（宿迁-广济段）、中部（沈阳-宿迁段）和北部（赵兴-沈阳段）（Zhang等人，2013年）。1668年郯城8.5级地震发生在其中部段（图1），属于伊舒断层系统，该系统受到苏鲁造山带（SLOB）和胶莱盆地（JLB）的边界限制，邻近庐西隆起（LXU）（Zhang等人，2015年）。这一段由四条近乎平行的断层组成，从西到东依次为：汤坞-葛沟断层（TGF）、伊水-汤头断层、安丘-莒县断层和长义-大甸断层。1668年郯城8.5级地震的宏观震中位于山东郯城附近的安丘-莒县断层上。

地震成像显示，郯庐断层带是一个由多个近乎平行的分支和不连续段组成的复杂系统，断层间距从4公里到13公里不等（Ju等人，2012年）。远震层析成像揭示了上地幔中的低速异常区，这被认为是由太平洋板块俯冲引起的软流圈上涌所致（Lei等人，2012年；Lei等人，2020年；Tian等人，2009年；Zhao等人，2012年）。区域地震数据表明，郯庐断层周围的中下地壳存在低速异常层和高导电性层，可能反映了与扬子地块俯冲相关的部分熔融作用（Huang等人，2011年；Li等人，2006年）。最近的P波层析成像显示，郯庐断层系统下方存在低地震速度和高Vp/Vs比，这表明上地幔可能存在流体和热异常（Liu等人，2024年）。

这些特征表明，尽管长期滑动速率相对较低，但由于深层地壳或上地幔的作用，断层带的力学强度有所减弱，从而可能增加了其地震危险性。热压效应（TP）是一种由快速剪切加热驱动的断层弱化机制，它增加了孔隙流体压力，降低了有效正应力并削弱了断层的稳定性（Bizzarri和Cocco，2006年；Brantut等人，2019年；Noda和Lapusta，2013年；Lambert和Lapusta，2023年）。Shibazaki和Noda（2014年）基于准动态建模提出，热压效应对2011年Mw 9.0级的东北地震起到了重要作用。

动态破裂模拟为地震破裂过程提供了重要见解。以往的研究已经将数值模拟应用于历史地震。例如，Wang等人（2023年）再现了1679年三河-平谷地震的地表滑动和强度分布，与历史记录一致；Xu等人（2019年）探讨了1920年海原地震的破裂传播和滑动分布。Yu等人（2023年）研究了1850年西昌地震的破裂动力学和地面运动特征，强调了应力方向和 nucleation location 的作用。然而，1668年郯城地震的破裂动力学仍不明确。

在这项研究中，我们进行了动态破裂模拟，以约束1668年郯城8.5级地震的破裂长度和传播行为。我们还研究了热压效应在调节这个复杂且分段明显的走滑断层系统中的破裂过程中的作用，这些信息来自地质和古地震观测数据。

章节片段

断层几何模型

我们根据国家地震数据中心的断层数据构建了1668年郯城地震的地震生成断层系统。该系统包括六条近乎平行的右旋走滑断层（图1a中从北到南分别为F1至F6），沿走向方向的间距从4公里到13公里不等，总长度约为360公里。这些断层的走向为N20°E，倾角为60°-80°（Wang和Geng，1992年），这与该地区的NEE-SWW最大压缩应力状态一致。为简化问题，我们...

破裂过程

首先，我们比较了模型1-3的破裂情景。在模型1中，破裂从F3断层开始，并向其南端传播，但未能跨越与F4断层之间的13公里间隙，而是向北延伸至F1断层的北端（图3a）。在15公里深度处，F1断层的滑动速率表明发生了超剪切破裂（图3d），F3、F2和F1断层段上都有三个主要的滑动区域。

在模型2中，引入了一条12公里长的连接断层FL，使得破裂能够跨越这一间隙...

地震强度比较

我们计算了模型2-4的强度图，并将其与实地调查结果进行了比较。为了生成模拟的强度图，我们首先模拟了自由表面的地面运动。使用Generic Mapping Tools（GMT）提供的15弧秒全球地形数据集（earth_relief_15s）（Tozer等人，2019年）来考虑实际的地形效应。3-D速度结构采用Luo等人（2022年）的结果，空间分辨率为0.25°×0.25°。

结论

1668年郯城8.5级地震是中国东部有详细记录的最大地震之一，其破裂长度仍存在争议，特别是其向南延伸至姚上的部分（Gao等人，1988年；Li等人，1994年；Li等人，2016年）。在这项研究中，我们使用四种不同的断层几何模型研究了1668年郯城地震的动态破裂过程。模型1包含六个近乎平行的断层段F1-F6。在模型2中，一条连接断层...

CRediT作者贡献声明

邱海阳：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，验证，软件开发，方法论，研究，数据分析，概念化。卢泽宇：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法论。胡峰：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资金获取，数据分析，概念化。张文强：软件开发。臧阳：数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢编辑Gregory Houseman以及两位匿名审稿人的建设性评论和富有洞察力的建议，这些帮助改进了手稿。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42074049）和中国科学院青年创新促进会（项目编号2023471）的支持。我们还要感谢SCEC/USGS自发破裂代码验证项目（https://strike.scec.org/cvws/）在基准模型设计方面的帮助。