華北1999—2009年水平形變應變場特征*

郭良遷 薄萬舉 楊國華 郭赫

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津300180)

華北1999—2009年水平形變應變場特征*

郭良遷 薄萬舉 楊國華 郭赫

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津300180)

根據(jù)華北地區(qū)GPS觀測數(shù)據(jù)計算了華北活動塊體的運動速度和應變率，以及塊體邊界帶的活動速率和應變率，研究了華北塊體的運動和應變率特征，以及邊界斷裂帶的應力作用特征。形變揭示出華北亞板塊從西向東運動方向由東向偏轉(zhuǎn)為南東向，NE-NNE向斷裂帶呈現(xiàn)右旋，NWW-EW向斷裂帶呈現(xiàn)左旋。各個次級塊體的主壓應變應力軸方向存在一定的差異。邊界斷裂帶現(xiàn)今應變應力狀態(tài)頁不相同，郯廬斷裂帶北段和山西斷陷帶以壓性為主，具有應變能積累顯示，但是應變率相對較小，應變能積累緩慢。

塊體運動;應變應力場;斷裂帶;應力作用;蘊震分析

AbstractOn the basis of the GPS data of Chinese Crustal Motion Network in North China，the velocities and the strain rates on blocks in North China were calculated，as well as these on block’s boundary fault zones.The North China subplates’motion and features of the strain rate，and also the features of the strain stress of the block’s boundary fault zones were studied.The results show that the direction of the west-east movement field of North China subplates turns from east to southeast，the NE-NNE fault zone is of right-lateral strike slip activity and the NWW-EW fault zone is of left-lateral strike slip activity.The directions of the principal compressive strain axis of the sub-blocks are different.The present strain of the block’s boundary fault zones indicates that the force of the north part of Tanlu fault zone and the Shanxi downfaulted zone is mainly compressive，the strain energy is accumulating，but the strain rate is small，the speed of the accumulation is slow，so we should pay attention to the variation in future.

Key words:block movement;the field of strain and stress;fault zone;stress effect;analysis of seismogenic process

1 引言

GPS觀測便捷直觀，既可以獲得地殼長趨勢構(gòu)造變化信息，也可以捕捉短暫的微動態(tài)變化信息。用GPS觀測數(shù)據(jù)可以計算得到地殼運動場和地殼應變應力場［1－4］。

網(wǎng)絡工程的實施，在華北亞板塊上布設(shè)了325個GPS站點，是中國大陸上比較密集的地區(qū)之一。自1999年以來經(jīng)過多次復測，積累了相對豐富的資料，為探討華北地殼的現(xiàn)今活動性創(chuàng)造了條件。本文旨在根據(jù)華北地區(qū)1999—2009年多期觀測數(shù)據(jù)計算的結(jié)果，研究華北亞板塊和次一級構(gòu)造塊體的運動和應變應力場。

2 數(shù)據(jù)處理

大地震研究顯示，M≥7的地震主要發(fā)生在Ⅰ、Ⅱ級塊體的邊界斷裂帶上［5，6］，說明塊體邊界帶是相對活動的單元。大震需要大的空間構(gòu)造單元——塊體運動提供能量。GPS觀測提供了研究區(qū)域構(gòu)造活動和應變應力集中程度的條件從而為地震蘊育發(fā)生的危險性預測評估奠定了基礎(chǔ)。而彈性運動方程

是由GPS資料計算塊體運動和應變參數(shù)，研究塊體應變應力狀態(tài)的一種有效工具［7］。式中，ωx、ωy、ωz是塊體旋轉(zhuǎn)參數(shù)，A0、B0、C0、ξ1、ξ2、ξ3、ζ1、ζ2、ζ3是塊體的應變參數(shù)。

3 塊體運動

以東北亞板塊為參考基準的華北亞板塊1999—2009年的位移場如表1所示。表1中第一行給出了華北亞板塊整體運動方向和速率。華北亞板塊自西向東位移速度矢量的方向逐漸變化:EW→SEE→SE→SSE。

華北亞板塊的各次一級構(gòu)造單元的位移方向和速率存在一定的差異。鄂爾多斯塊體總體運動方向為東向偏南的角度相對最小，豫晥塊體東向偏南的角度最大(表1)，太行塊體、冀魯塊體和膠東-蘇北塊體的運動方向介于其間。華北各次一級塊體的位移速率顯示，鄂爾多斯塊體相對最大，冀魯塊體相對最小，平均速率為2.1 mm/a。

表1 塊體位移矢量及速率Tab.1Displacement vector rates of blocks

鄂爾多斯塊體西部位移速率相對較大，東部變小，北部的位移方向為SEE，中、南部為近EW(圖1)。太行塊體的位移矢量方向較為均一，內(nèi)部差異不明顯。冀魯塊體北部的位移方向為SEE，南部的位移方向為SE。冀魯塊體的速率北部相對小，南部相對大，最大者在西南部。豫晥塊體與北鄰的太行塊體和冀魯塊體相比，運動方向明顯向南偏轉(zhuǎn)，與東鄰的膠東-蘇北塊體較為一致。膠東-蘇北塊體北部向SSE位移，南部向SE位移。

上述表明，華北亞板塊的運動方向自西而東，由北向南，存在順時針偏轉(zhuǎn)趨勢，從西部到東南部由100.1°變化為146.6°。西部的鄂爾多斯塊體、南部的豫晥塊體和東部的膠東-蘇北塊體速率在2 mm/a以上，中部的太行塊體和冀魯塊體小于2 mm/a。各塊體的位移方向向南偏轉(zhuǎn)，將使北北東走向的邊界帶具有右旋走滑活動趨勢。

圖11999 —2009年華北塊體水平位移場Fig.1Horizontal movement fields of North China block during 1999－2009

4 塊體應變率

表2給出了華北亞板塊和其次一級塊體應變參量，其中壓應變軸方向代表了塊體的主壓應力作用方向，主壓應變率的相對大小代表了1999—2009年時間段的主壓應力的相對大小。由表2可見，計算得到的主壓應力方向與本區(qū)大震震源機制解的P軸方向基本一致。

表2 塊體應變率(單位:10－9/a)Tab.2Strain rates of some blocks(unit:10－9/a)

華北亞板塊的各次一級塊體1999—2009年主壓應變方向所代表的主壓應力方向具有一定的差別，變化范圍從NNE～SEE向(表2，圖2)，其中太行塊體的主壓應力作用方向為NNE-SSW向，鄂爾多斯塊體和冀魯塊體為NEE-SWW向，膠東-蘇北塊體和豫晥塊體為SEE-NWW向。

98例腎損傷患者中有37例 （38%）聯(lián)合使用了其他可能引起腎損傷的藥物，其中阿米卡星17例，更昔洛韋18例，兩性霉素B 12例，呋塞米4例，順鉑2例，部分人群合并有2種以上的藥物。

圖2 華北塊體主應變率(1999—2009年)Fig.2Principal strain rates of the North China block (1999－2009)

華北各次一級塊體的主壓應變率為:太行塊體的最小，冀魯塊體的最大，其他塊體居于其間。

綜上所述，華北亞板塊的西部和中北部主壓應變軸為NE向，東部和南部為近EW-NWW向。華北亞板塊東西兩側(cè)塊體壓性活動相對明顯，中部各塊體張性活動較為突出。

5 面應變率

華北亞板塊各次一級塊體面應變率如圖3所示。鄂爾多斯塊體西部、冀魯塊體西部和膠東-蘇北塊體北部為負值，說明壓性變化相對明顯。鄂爾多斯塊體西部的面應變率最大值為－5×10－9/a，冀魯塊體西南部最大值為－4×10－9/a，膠東地段最大值為－9×10－9/a。太行塊體、豫皖塊體、鄂爾多斯塊體東部、冀魯塊體東部和膠東-蘇北塊體西南部為正值，說明張性變化明顯。太行塊體南部面應變率相對較大，最大為9×10－9/a，北部較小，最小值為0。豫皖塊體的面應變率值由西南向東北逐漸減小，從7×10－9/a變?yōu)?。鄂爾多斯東南部的面應變率最大為6×10－9/a，冀魯塊體東部最大值為9×10－9/ a，膠東-蘇北塊體西南部的最大值為6×10－9/a。面應變率在山西斷陷帶南段、平原地震構(gòu)造帶南段、郯廬斷裂帶北段(沂沭段)、陰山-燕山南緣構(gòu)造帶的東西兩端等直線相對密集，形成了梯度帶，說明這些地帶兩側(cè)的面應變率差異顯著，現(xiàn)階段構(gòu)造活動性較強，尤其后二者是張壓性變化的接界地帶。

圖3 華北塊體面應變率分布(1999—2009年)Fig.3Surface strain rates of the North China block(1999－2009)

6 最大剪應變率

華北亞板塊剪應變率分布如圖4所示。最大剪應變率值出現(xiàn)在冀魯塊體西南部，其次在豫皖塊體西部和膠蘇塊體東南部。鄂爾多斯塊體的最大剪應變率由西向東逐漸增大，從2×10－9/a變化到5× 10－9/a，等直線較為稀疏，整體差異變化量為3× 10－9/a。太行塊體中南段由東向西增大，最大剪應變率值從2×10－9/a增加到9×10－9/a;北部由西向東增大，從4×10－9/a增加到9×10－9/a。太行塊體的等直線比鄂爾多斯塊體密集，整體差異變化量為7×10－9/a。冀魯塊體的最大剪應變率值從東南部的魯中山區(qū)向西、向北逐漸增大。西南部最大剪應變率在18×10－9/a以上，北部達到9×10－9/a以上，整體差異變化量為16×10－9/a。冀魯塊體的最大剪應變率等直線是華北亞板塊中最為密集的塊體。膠東－蘇北塊體的最大剪應變率值從西北向東南逐漸增大，由3×10－9/a增加到15×10－9/a，等直線密集度居中，整體差異變化量為12×10－9/a。豫皖塊體的最大剪應變率從東向西增大，由2×10－9/ a變?yōu)?8×10－9/a，整體差異變化量為16×10－9/a。等直線密集度大于鄂爾多斯塊體，但小于其他3個塊體。

各個塊體的等值線密集程度和量值大小表明，鄂爾多斯塊體剪切活動較弱，冀魯塊體最強，其他塊體介于其間。

最大剪應變率等直線在河北平原地震構(gòu)造帶南段、山西斷陷帶南段、陰山-燕山南緣構(gòu)造帶的東西兩端和郯廬斷裂帶(沂沭段)北段至萊州灣相對較密集，形成了梯度帶，說明這些地帶兩側(cè)塊體的剪應變率差別較大，塊體邊界帶活動性相對明顯。

圖4 華北塊體最大剪應變率分布圖(1999—2009年)Fig.4Maximum shear strain rates of the North China block (1999－2009)

7 塊體邊界帶活動

7.1 邊界帶活動

圖5 華北次級塊體邊界帶活動速率(1999—2009年)Fig.5Displacement rate of boundary zones of secondary North China blocks(1999－2009)

平原地震構(gòu)造帶北段走向NE，南段走向NNE。其東側(cè)相對西側(cè)的位移矢量顯示，北段向SW-W位移，平原地震構(gòu)造帶由走滑變?yōu)閿D壓;南段位移方向為E-SSE，由拉張變?yōu)樽呋?。平原地震?gòu)造帶總體位移速率為1.00 mm/a，平均位移方向為SW214.6°，以右旋走滑為主。

郯廬斷裂帶北段(新沂-萊州灣)東側(cè)相對西側(cè)向W位移，運動方向為SW261.2°，速率為1.24 mm/a。郯廬斷裂帶南段(宿遷-廬江)東側(cè)相對西側(cè)向SE位移，位移方向為SE148.2°，位移速率為1.06 mm/a，該段斷裂帶呈現(xiàn)張性右旋。

陰山-燕山南緣活動構(gòu)造帶是華北亞板塊與東北亞板塊的分界，該構(gòu)造帶的活動參量是由兩個Ⅰ級塊體相互作用決定的，因此由華北亞板塊和東北亞板塊的運動參數(shù)計算得到。陰山-燕山南緣活動構(gòu)造帶南側(cè)相對北側(cè)的位移方向，在包頭以西向NW位移，以東至渤海，向NEE方向位移(圖5)，平均位移方向為SE109.1°，速度均值為0.66 mm/a。

上述表明，山西斷陷帶和郯廬斷裂帶北段(新沂-萊州灣)以擠壓活動為主導，平原帶、郯廬斷裂帶南段和陰山-燕山南緣構(gòu)造帶走滑活動相對明顯，它們或者壓扭，或者張扭。

7.2 邊界帶的應變應力作用

表3是由塊體活動使邊界帶產(chǎn)生的應變應力狀態(tài)。從表3和圖6可見，山西斷陷帶的主壓應變軸和其走向夾角較大，近于垂直，說明該帶受擠壓應力作用為主。應變參量顯示該帶現(xiàn)今活動有利于應變能積累，由于主壓應變率不算大，相對積累較緩慢。

表3 塊體邊界帶應變率參數(shù)(單位:10－9/a)Tab.3Strain rate parameters of the boundary zones of the North China block(unit:10－9/a)

平原地震構(gòu)造帶的兩個主應變軸均和斷裂帶走向斜交，表明在水平主壓應力作用下，有利于斷裂走滑。平原構(gòu)造帶北段主壓應變率相對較大，主壓應變軸為NWW向，南段主張應變率相對較大，主張應變軸呈NNW向。應變參量表明，該斷裂帶不利于壓應變能積累。

郯廬斷裂帶北段主壓應變率相對較大，主壓應變軸與斷裂帶走向夾角較大，近于垂直，有利于應變能積累，但是積累速度不顯著。郯廬斷裂帶南段(宿遷-廬江)的主張應變率相對突出，主張應變軸T的方向為NW324.2°，主壓應變率較小，表現(xiàn)為張性活動，不利于應變能積累。

陰山-燕山南緣活動構(gòu)造帶的主應變率顯示，在包頭以西主壓應變率相對較大，包頭-懷安地段主張應變率相對突出，延懷盆地向東主壓應變率逐漸增大，到渤海灣大于主張應變率。陰山-燕山南緣活動構(gòu)造帶東西兩段為壓扭活動，中段為張扭活動，不具有強應變積累。

邊界構(gòu)造帶的應變顯示出，山西斷陷帶和郯廬斷裂帶北段主壓應變軸基本垂直于斷裂帶走向，有利于應變能積聚，平原構(gòu)造帶、郯廬斷裂帶南段和陰山-燕山南緣構(gòu)造帶主應變軸與斷裂帶走向斜交，或者主張應變軸與斷裂帶走向近于垂直，不利于應變能積累。

圖6 華北亞板塊次級塊體邊界帶主應變率分布(1999—2009)Fig.6Principal strain rates of boundary zones of the secondary blocks of North China subptale(1999－2009)

8 結(jié)論

1)以東北亞板塊為參考基準(整體運動框架)的華北亞板塊的次一級塊體運動顯示，亞板塊由西向東位移矢量方向逐漸從東向南偏轉(zhuǎn)為南東向，各次級塊體的位移速率存在差別。在這種運動態(tài)勢下，NNE-NE向斷裂帶具有右旋走滑性質(zhì)，并且兼有一定程度的擠壓或者拉張，NWW及近EW向斷裂帶具有左旋走滑性質(zhì)，兼有一定程度的擠壓或者拉張。

2)由次級塊體相互作用使邊界斷裂帶產(chǎn)生的運動顯示，山西斷陷帶以擠壓運動為主，平原構(gòu)造帶北段為右旋壓扭運動，南段為右旋張扭運動，郯廬斷裂帶北段以擠壓運動為主，南段呈張扭運動，陰山-燕山南緣構(gòu)造帶以左旋走滑運動為主。

3)邊界斷裂帶的應變率反映出，郯廬斷裂帶北段和山西斷陷帶受壓應力作用，但是應變率相對較小，應力增加緩慢，可能有大震在緩慢地孕育，郯廬斷裂帶南段、平原構(gòu)造帶和陰山-燕山南緣活動帶以走滑蠕動為主，不利于應變能的積累。

4)面應變率和最大剪應變率等值線反映出，在山西斷陷帶南段、平原構(gòu)造帶南段和郯廬斷裂帶北段等值線相對密集，成為應變率梯度較高的地段，差異活動明顯，其附近是中-小地震易發(fā)的場所。

5)主應變軸顯示，華北亞板塊的西部主壓應力P軸為NE向，中部、東部和東南部為近EW-NWW向。鄂爾多斯塊體西部和膠東地區(qū)壓性活動相對較強，太行塊體和豫皖塊體張性活動相對明顯，冀魯塊體西南部壓性較為突出，東北部張性相對顯著。

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CHARACTERISTICS OF HORIZONTAL DEFORMATION-STRAIN FIELD IN NORTH CHINA FROM 1999 TO 2009

Guo Liangqian，Bo Wanju，Yang Guohua and Guo He
(First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin300180)

P315.72+6

A

1671-5942(2011)03-0015-05

2011-02-11

天津市應用基礎(chǔ)研究項目(08JCZDJC18900);“十一五”國家科技支撐課題(2006BAC01B02－02－03)

郭良遷，男，1950年生，研究員，主要從事地形變、構(gòu)造活動和地震預測研究.E－mail:guoliangqian@163.com