Three-dimensional geological modeling of Cenozoic erathem in Jiangsu segment of the Tanlu fault zone
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摘要:
本文基于SKUA-GOCAD三维建模软件平台的构造-地层实体建模流程，通过整合研究区大量地质、地球物理资料和数据利用地质时间域坐标系转换和离散光滑插值（DSI）技术，并结合非定量化的地质基础利用地质网格功能建立了郯庐断裂带江苏段新生界的三维地质构造模型，该模型包括地表、第四系底部、新近系底部和基岩顶部等四个层面的地层模型和断层模型。该模型定量化地给出了研究区第四系、新近系底界的三维结构和特征，并刻画了主要活动断裂的三维空间分布，通过该模型可以更直观地显示研究区新生代地层单元和断裂的变化规律，对深入分析活动断裂带的沉积与构造具有重要的意义。
Abstract:The establishment of three-dimensional geological structure model of active fault zones is an important basis for studying active faults, earthquake and geological disasters. Based on the tectonic-stratigraphic entity model flow of the 3D modeling platform SKUA-GOCAD, the UVT and DSI techniques in the geological time domain are used in this study. A 3D geological structure model of the Neogene in the Jiangsu segment of the Tanlu fault system is established, combined with the non-quantified geological foundation and the geological grid function. The three-dimensional model includes fault model and strata model with four layers （the surface, Quaternary bottom, Neogene bottom and bedrock top surface）. The 3D model of Cenozoic erathem in Jiangsu segment of Tanlu fault zone gives the 3D structure and characteristics of Quaternary and Neogene basement quantitatively, and describes the 3D spatial distribution of main active faults. The three-dimensional model can more intuitively understand the Cenozoic stratigraphic units and faults in the studied area, which is of great significance to the in-depth analyses on the sedimentation and structure of active fault zones.
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根据中国地震台网中心测定，北京时间2021年5月22日02时04分，中国青海省果洛州玛多县发生了震级达到M7.4的地震，震中位于（98.34°E，34.59°N），震源深度为17 km。美国地质调查局（United States Geological Survey，缩写为USGS）国家地震信息中心（National Earthquake Information Centre，缩写为NEIC）也给出了相应的结果，其标定的发震时间为北京时间2021年5月22日02时04分13秒（协调世界时：2021年5月21日18时04分13秒），震中位于（98.254 8°E，34.586 4°N），震源深度为10 km。震后16小时内在震中100 km范围内共发生M＞4.3的余震10次。这是自2008年汶川大地震以来我国境内发生的震级最高的一次事件，也是自2017年九寨沟MS7.0地震后时隔1 382天发生的又一次震级大于M7.0的事件。美国地质调查局（USGS，2021）和全球矩心矩张量组（GCMT，2021）在震后数小时发布了本次事件的矩心矩张量解（表1）和最佳双力偶解（表2）。
表 1 GCMT，USGS与本研究所得青海玛多MW7.5地震的矩心矩张量解Table 1. The centroid moment tensor solutions of the MW7.5 Maduo，Qinghai，earthquake from GCMT，USGS and this study机构 矩张量/（1020 N·m） 矩心参数 Mrr Mtt Mpp Mrt Mrp Mtp τc/s 北纬/° 东经/° 深度/km GCMT （2021） −0.220 0.840 −0.620 0.186 −0.224 1.510 15.4 34.65 98.46 12 USGS （2021） −0.598 0.648 −0.050 −0.589 0.402 0.898 12.9 34.59 98.25 23.5 本文 −0.160 0.804 −0.643 −0.058 −0.063 1.745 23.0 34.59 98.55 18 表 2 GCMT，USGS与本研究所得青海玛多MW7.5地震的最佳双力偶解Table 2. The best double-couple solutions of the MW7.5 Maduo，Qinghai， earthquake from GCMT，USGS and this study机构 标量地震矩
/（1020 N·m）双力偶成分
占比节面I 节面II 走向/° 倾角/° 滑动角/° 走向/° 倾角/° 滑动角/° GCMT （2021） 1.710 95% 282 83 −9 13 81 −173 USGS （2021） 1.306 99% 92 67 −40 200 53 −151 本文 1.896 96% 281 88 1 191 89 178 本研究收集震中距处于30°—90°范围内的全球地震台网（Global Seismograph Network，缩写为GSN）和宽频带数字台网联盟（International Federation of Digital Seismograph Network，缩写为FDSN）共435道长周期多分量数据作为初始观测资料，经多次迭代筛选，最终选取震中距处于31.58°— 89.51°范围内的77道数据作为反演资料，利用AK135模型计算相应的格林函数（Wang，1999）。根据震级与半持续时间特征选用频带范围为0.006 7—0.033 0 Hz的长周期P波。为满足速报需求，这里采用我们惯用的网格搜索方法（张喆等，2020；张喆，许力生，2021）在震后短时间内实现了快速反演，得到了相关参数，如图1所示。
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图 1 矩心矩张量解反演过程（a） 矩心时间τc的搜索；（b） 矩心水平空间的搜索，黄色圆圈表示矩心水平坐标；（c） 矩心深度hc的搜索；（d） 矩心相对震中位置，红色沙滩球表示矩心矩张量解，红色星形表示震中Figure 1. Inversion process of the centroid moment tensor（a） Search for centroid time τc；（b） Search for the horizontal location of the centroid；（c） Search for centroid depth hc；（d） The centroid location （beach-ball） with respect to the instrumental epicenter （red hexagon）根据矩心矩张量反演结果（图2），最优矩心时间为23 s，矩心的水平坐标为（34.59°N，98.55°E），矩心深度为18 km，双力偶成分占比为96%，最佳双力偶解共轭节面分别为: 节面 Ⅰ ：走向281°，倾角88°，滑动角1°；节面 Ⅱ ：走向191°，倾角89°，滑动角178°，标量地震矩为1.896×1020 N·m，对应的矩震级约MW7.5，观测数据与合成数据之间的相关度为0.88 （图3），二次误差为5.973×10−8。
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图 2 矩心矩张量反演参数以及台站分布与反演结果Figure 2. The parameters of the centroid moment tensor inversion，the station distribution and the inversion results![]()
图 3 观测数据与合成数据的比较Figure 3. Comparison between the observed （blue） and synthetic （red） waveforms对比可见：本研究结果与USGS给出的震源机制解、矩心位置差异较大（表1，图4），USGS给出的矩心位置与预设震中（Preliminary Determination Epicenter，缩写为PDE）重合，而本研究给出的矩心位置处于震中东侧，该结果与GCMT发布的震源机制解非常接近，但矩心位置位于GCMT标定的矩心位置东南约11 km处（图4）。另外，矩心深度明显不同，本研究的结果（18 km）介于USGS的结果（23.5 km）与GCMT的结果（12 km）之间，经过修改模型(如：CRUST1.0模型)并多次重复试验仍未消除这种差异，造成这种深度不确定性的原因是多方面的，除因多数矩心矩张量反演所用的频带较低导致垂直分辨率较弱以外，青藏高原本身地下结构与反演所用的AK135模型（或CRUST1.0模型）存在偏差也会影响矩心深度的定位。本研究反演得到的标量地震矩略高于GCMT和USGS的结果，矩心时间（23 s）也明显滞后（表1）。根据余震展布的总体趋势估计断层面走向约为284°，这与本研究反演得到的281°的节面非常吻合，表明这是发生在走向为281°且近乎直立的断层面上的一次走滑事件。
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图 4 青海MW7.5地震矩心矩张量解的对比及较大余震分布Figure 4. Comparison of the centroid moment tensor solutions of the MW7.5 Qinghai earthquake together with larger aftershocks附录： 本文结果与USGS于2021年5月25日17:53:33 （UTC）更新反演结果的对比
1 GCMT，USGS与本研究所得青海玛多MW7.5地震矩心矩张量解1. The centroid moment tensor solutions of the MW7.5 Maduo，Qinghai，earthquake from GCMT，USGS and this study机构 矩张量/（1020 N·m） 矩心参数 Mrr Mtt Mpp Mrt Mrp Mtp τc/s 北纬/° 东经/° 深度/km GCMT （2021） −0.220 0.840 −0.620 0.186 −0.224 1.510 15.4 34.65 98.46 12 USGS （2021）（W震相） −0.598 0.648 −0.050 −0.589 0.402 0.898 12.9 34.59 98.25 23.5 USGS （2021）（矩心解） −0.454 0.963 −0.509 −1.252 0.718 1.618 15.79 34.81 98.25 26 本文 −0.160 0.804 −0.643 −0.058 −0.063 1.745 23.0 34.59 98.55 18 2 GCMT，USGS与本研究所得青海玛多MW7.5地震最佳双力偶解2. The best double-couple solutions of the MW7.5 Maduo，Qinghai，earthquake from GCMT，USGS and this study机构 MW 标量地震矩
/（1020 N·m）双力偶
成分占比节面I 节面II 走向
/°倾角
/°滑动角
/°走向
/°倾角
/°滑动角
/°GCMT （2021） 7.42 1.710 95% 282 83 −9 13 81 −173 USGS （2021）（W震相） 7.34 1.306 99% 92 67 −40 200 53 −151 USGS （2021）（矩心解） 7.51 2.323 82% 99 79 −38 197 53 −166 本文 7.45 1.896 96% 281 88 1 191 89 178 ![]()
1 青海MW7.5地震矩心矩张量解的对比及较大余震分布（更新后）1. Comparison of the centroid moment tensor solutions of the MW7.5 Qinghai earthquake together with larger aftershocks （updated）江苏省地质矿产局. 1995. 郯城县幅1 ∶ 50 000地质图、基岩地质图说明书. 12−36.江苏省地质矿产局. 1995. 王庄镇幅1 ∶ 50 000地质图、基岩地质图说明书. 12−40.江苏省地质矿产局. 1995. 晓店幅1 ∶ 50 000地质图、基岩地质图说明书. 11−38.江苏省地质矿产局. 1995. 宿迁市幅1 ∶ 50 000地质图、基岩地质图说明书. 10−35.江苏省地质局. 1980. 新沂幅1 ∶ 20万区域水文地质普查报告. 12−27.江苏省地质局. 1980. 宿迁幅1 ∶ 20万区域水文地质普查报告. 13−21. -
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图 4 郯庐断裂带江苏段沿NE向（a）和SW向（b）的三维地质构造模型
F1：山左口—泗洪断裂；F2：新沂—新店断裂；F3：墨河—凌城断裂；F4：窑湾—高作断裂；F5：马陵山—重岗山断裂
Figure 4. 3-D geological structural models of the Jiangsu segment of the Tanlu fault zone along NE （a） and SW （b）
F1：Shanzuokou-Sihong fault；F2：Xinyi-Xindian fault；F3：Mohe-Lingcheng fault；F4：Yaowan-Gaozuo fault； F5：Malingshan-Chonggangshan fault
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图 1 研究区地质构造简图
F1：山左口—泗洪断裂；F2：新沂—新店断裂；F3：墨河—凌城断裂；F4：窑湾—高作断裂；F5：马陵山—重岗山断裂
Figure 1. Geological tectonic settings of the studied area
F1：Shanzuokou-Sihong fault；F2：Xinyi-Xindian fault；F3：Mohe-Lingcheng fault；F4：Yaowan-Gaozuo fault； F5：Malingshan-Chonggangshan fault
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图 5 郯庐断裂带江苏段三维断裂模型
Figure 5. 3D faults model of the Jiangsu segment of Tanlu fault zone
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图 6 研究区第四系底界地形（a）及第四系等厚线（b）
Figure 6. Quaternary bottom boundary （a） and Quaternary isopachs （b） in the studied area
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图 9 研究区新近系底界地形（a）及新近系等厚线（b）
Figure 9. Neogene bottom boundary （a） and Neogene isopachs （b） in the studied area
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