張北6.2級(jí)地震前后斷層活動(dòng)時(shí)空演化特征分析*

李臘月 邢成起 武安緒 胡樂銀

1)中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

2)北京市地震局，北京100080

1 引言

張北6.2級(jí)地震發(fā)生在燕山-陰山東西向斷塊隆起的南緣，北西向張家口-蓬萊地震構(gòu)造帶和北東向的汾渭地震構(gòu)造帶交匯的晉冀北張性區(qū)［1］。

文獻(xiàn)［2－9］利用華北地區(qū)的精密水準(zhǔn)、重力測網(wǎng)、大量定點(diǎn)、地磁、流動(dòng)形變及地應(yīng)變等資料分析了張北地震前兆異常的演化過程;孟國杰［6］等應(yīng)用GPS 資料、跨斷層形變觀測及定點(diǎn)臺(tái)站觀測資料，并針對(duì)首都圈地區(qū)的地殼形變特征，探討了張北地震前華北北部地區(qū)地殼形變與張北地震的關(guān)系。本文應(yīng)用首都圈地區(qū)的24 處跨斷層流動(dòng)水準(zhǔn)資料，基于主成分分析方法對(duì)張北地震前后首都圈地區(qū)斷層活動(dòng)特征進(jìn)行了分析，并繪制了斷層活動(dòng)空間演化圖像，從時(shí)空角度研究地震孕育、發(fā)生過程中斷層活動(dòng)的演化特征。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

張北6.2級(jí)地震發(fā)生在前兆觀測臺(tái)網(wǎng)高度密集的首都圈重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)邊緣(圖1)，該區(qū)共有24 處跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場地，其中13 處為水準(zhǔn)監(jiān)測場地，10 處為基線、水準(zhǔn)同樁監(jiān)測場地，1 處為基線、水準(zhǔn)不同樁監(jiān)測場地。大多數(shù)場地每月觀測1 次，少數(shù)場地每兩個(gè)月觀測1 次。這些資料時(shí)間跨度較長，最長的達(dá)40年，最短的也將近20年;且大多數(shù)場地布設(shè)在基巖上，觀測精度較高。本研究選用的跨斷層流動(dòng)水準(zhǔn)資料其分布范圍為113° ～120°E，38.5° ～41°N，時(shí)間為1985—2011年12月。

圖1 首都圈跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場地分布Fig.1 Distribution of cross-fault mobile deformation monitoring sites in the Capital circle

資料處理情況如下:

1)對(duì)原始資料剔除重復(fù)的數(shù)據(jù)，然后采用線性插值法填補(bǔ)缺失的數(shù)據(jù)，得到統(tǒng)一的每年12 個(gè)周期的形變數(shù)據(jù)。一個(gè)場地有多條測線時(shí)，選用測線跨斷層的、且選擇高差變化有規(guī)律、變化量較大、資料時(shí)間長、連續(xù)性好的測線。

2)為了消除季節(jié)和年變的影響，用每月測值減去上年同期測值，再除以一年時(shí)間尺度，得到12 個(gè)月份的形變年速率。

3)運(yùn)用主成分分析方法［4］對(duì)研究區(qū)斷層垂直形變速率進(jìn)行合成。

①將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，消除量級(jí)不同的影響，其計(jì)算式為:

③計(jì)算R 的特征值λ1，λ2，…，λp，并使特征值從大到小排列:λ1≥λ2≥…≥λp＞0 和相應(yīng)的特征向量ui=(ui1，ui2，…，uip)，i=1，2，…，p。

④計(jì)算主成分

⑤計(jì)算主成分的貢獻(xiàn)率

和累積貢獻(xiàn)率

⑥根據(jù)主成分分析得到的主成分zi和相應(yīng)的權(quán)值(貢獻(xiàn)率)ei，計(jì)算斷層垂直活動(dòng)速率的綜合指標(biāo)w，

4)歸一化處理。對(duì)12 個(gè)月的年速率取平均值，得到斷層活動(dòng)年速率的平均值。為了更好地反映斷層活動(dòng)的空間特征，對(duì)年速率的平均值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到無量綱的值γ，當(dāng)γ ＞0 時(shí)，表示斷層上盤下降，為張性;反之，表示斷層上盤上升，為壓性。

3 斷層活動(dòng)異常特征分析

3.1 張北6.2級(jí)地震前后斷層活動(dòng)的時(shí)間演化特征

圖2是部分測點(diǎn)的斷層垂直形變年速率曲線，從圖中可以看出張北地震前各觀測曲線都出現(xiàn)了明顯的異常變化。小水峪測點(diǎn)的斜交水準(zhǔn)曲線在1993年出現(xiàn)向上的大幅度變化后發(fā)生轉(zhuǎn)折，在1996—1997年又開始出現(xiàn)向上的加速變化，逐漸恢復(fù)后發(fā)生地震;張家臺(tái)測點(diǎn)的斜交水準(zhǔn)曲線震前出現(xiàn)向上和向下的大幅度變化，逐漸恢復(fù)后發(fā)生地震;張山營測點(diǎn)水準(zhǔn)曲線在震前出現(xiàn)向下加速變化，轉(zhuǎn)折過程中發(fā)生地震;沿河城測點(diǎn)的水準(zhǔn)曲線震前出現(xiàn)向上的大幅度變化，震后恢復(fù);狼山測點(diǎn)的水準(zhǔn)曲線在震前逐漸轉(zhuǎn)為向下的變化趨勢，從張性逐漸轉(zhuǎn)為壓性，震后仍保持壓性的活動(dòng)狀態(tài);密云測點(diǎn)的水準(zhǔn)曲線震前未見明顯異常變化，但震后出現(xiàn)向下的大幅度變化。

運(yùn)用主成分分析方法可以更加客觀地獲得一個(gè)地區(qū)斷層活動(dòng)的總體水平。由于篇幅所限，本文只列出前6 個(gè)主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率(表1)。從表1 中可以看出主成分1 的特征值和貢獻(xiàn)率最大，貢獻(xiàn)率占總信息量的20.89%，而主成分6 的特征值和貢獻(xiàn)率最小，貢獻(xiàn)率占總信息量的5.26%。當(dāng)取6 個(gè)主成分時(shí)，累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到了53.96%，這表明前6 個(gè)主成分就已經(jīng)包含了原始數(shù)據(jù)一半以上的信息。

圖2 部分水準(zhǔn)測點(diǎn)垂直形變年速率曲線Fig.2 Annual rate series of vertical deformation at a part of leveling sites

表1 前六個(gè)主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率Tab.1 Eigenvalue，the contribution rate and the cumulative contribution rate of the first 6 principle components

圖3是通過計(jì)算得到的前6 個(gè)主成分隨時(shí)間的變化曲線，從圖3 可以看出，各主成分曲線在張北地震前都出現(xiàn)了不同的異常變化。主成分1 在張北地震前的異常變化最為顯著，在1994年出現(xiàn)大幅度的上升變化，到1995年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，并逐漸恢復(fù)震前的平緩變化趨勢，到1997年下半年，曲線出現(xiàn)大幅度的下降變化，異常持續(xù)半年后發(fā)生了張北地震，地震后曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折;主成分2 與主成分1 的變化趨勢有所不同，主成分2 在1995年開始出現(xiàn)大幅度的下降變化，1996年發(fā)生轉(zhuǎn)折，曲線持續(xù)上升1年左右，1997年曲線再一次發(fā)生轉(zhuǎn)折，持續(xù)下降直至地震發(fā)生，地震發(fā)生后，異常持續(xù)一定時(shí)間后恢復(fù);主成分3 的異常變化趨勢和主成分2 相似，1995年出現(xiàn)大幅度的下降變化，1996年異常發(fā)生轉(zhuǎn)折，到1997年異常恢復(fù)，張北地震發(fā)生在異常恢復(fù)后;主成分4 在1996年以前變化形態(tài)基本穩(wěn)定，1997年出現(xiàn)大幅度下降變化，異常達(dá)到最大值時(shí)發(fā)生地震，震后異?；謴?fù);主成分5 和主成分6 的異常變化并不顯著，這是因?yàn)橹鞒煞?、6 在總信息量里所占的比例較小。

圖4是研究區(qū)整體斷層活動(dòng)水平的綜合指標(biāo)w隨時(shí)間的變化曲線，可見其變化形態(tài)與圖3 中的主成分1 的變化形態(tài)最相似。從圖4 可見曲線在1990—1993年變化平緩，在1994年出現(xiàn)大幅度的向上變化，1995年發(fā)生轉(zhuǎn)折后逐漸趨于穩(wěn)定，到1997年下半年曲線又開始出現(xiàn)大幅度的下降，直到地震發(fā)生，震后曲線逐漸恢復(fù)到原來的變化形態(tài)。通過首都圈斷層活動(dòng)速率的合成曲線可知首都圈斷層活動(dòng)在1994年出現(xiàn)了異常變化，1997年6月斷層活動(dòng)再一次出現(xiàn)異常變化，應(yīng)屬于短臨異常［2－5］。

3.2 張北6.2級(jí)地震前后斷層活動(dòng)的空間演化特征

3.2.1 震前斷層活動(dòng)速率空間演化分析

從1993—1994年的斷層垂直形變速率空間演化圖(圖5(a)、(b))可以看出，研究區(qū)在1993年整體上呈張性，只有少數(shù)測點(diǎn)附近地區(qū)呈壓性。1995—1997年的空間演化圖(圖5(c)、(d)，圖6(a))顯示，研究區(qū)在1995—1996年出現(xiàn)大范圍的壓性區(qū)，震中附近地區(qū)由原來的張性轉(zhuǎn)為壓性，且研究區(qū)的西北部地區(qū)壓性逐漸增強(qiáng)，東南部地區(qū)壓性逐漸減弱;到1997年南孟、墻子路、古北口附近地區(qū)由原來的壓性轉(zhuǎn)為張性，研究區(qū)的西北部轉(zhuǎn)為壓性區(qū)，東南部轉(zhuǎn)為張性區(qū)，且大致以北東向?yàn)榉纸?。此外，?997年的斷層垂直形變速率空間演化圖像中還可以看出，隨著震中距的減小壓性逐漸增強(qiáng)，靠近震中的地區(qū)壓性較強(qiáng)，遠(yuǎn)離震中的地區(qū)壓性較弱。

圖3 主成分1 ～6 隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Time series of principal component 1－6

圖4 跨斷層垂直形變速率綜合指標(biāo)隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Time series of the composite indicator of cross-fault vertical deformation rate

從1993—1997年的動(dòng)態(tài)圖像可以看出，研究區(qū)的張壓特性出現(xiàn)了變化，震中附近地區(qū)由原來的張性逐漸變?yōu)閴盒裕h(yuǎn)離震中的地區(qū)逐漸變?yōu)閺埿?，整個(gè)研究區(qū)經(jīng)歷了從無序到有序的應(yīng)力調(diào)整狀態(tài);整個(gè)圖形的等值線也從無序狀態(tài)逐漸趨于有序的狀態(tài)，等值線的走向分布更加清晰，主要為北東方向，等值線的這種從無序到有序的分布狀態(tài)反映了區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)的結(jié)果，也反映了區(qū)域應(yīng)力場在逐漸的增強(qiáng)。

3.2.2 震后斷層活動(dòng)速率空間演化分析

1998年的空間演化圖(圖6(b))主要顯示地震后的斷層活動(dòng)狀態(tài)，震后研究區(qū)整體上出現(xiàn)了大范圍的張性區(qū)，震中附近地區(qū)由震前的壓性轉(zhuǎn)為張性，紫荊關(guān)、淶水、南孟以南地區(qū)也轉(zhuǎn)為張性且張性逐漸增強(qiáng)，北京附近地區(qū)構(gòu)成了研究區(qū)內(nèi)的壓性區(qū)，北京西部的燕家臺(tái)、沿河城附近地區(qū)的壓性相對(duì)較強(qiáng)，等值線的走向大致為北東向和北西向，這與研究區(qū)的區(qū)域應(yīng)力場方向一致［10，11］。1999—2000年的斷層垂直形變速率演化圖(圖6(c)、(d))顯示，研究區(qū)未出現(xiàn)明顯異常變化，整體上仍呈張性，正負(fù)值區(qū)的空間分布相對(duì)穩(wěn)定，這可能與震源區(qū)應(yīng)變能的充分釋放有關(guān)。

5 結(jié)論

1)張北地震前2 ～3年首都圈部分跨斷層形變測點(diǎn)出現(xiàn)了顯著異常變化。張山營、小水峪、張家臺(tái)、南口、密云、狼山、燕家臺(tái)等測點(diǎn)在1994年前后同步出現(xiàn)異常變化，1996—1997年這批異常有的出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，有的恢復(fù)到原有水平，異常結(jié)束后發(fā)震，如張家臺(tái)、小水峪等測點(diǎn);有的異常發(fā)展到最大值時(shí)發(fā)震，如張山營、沿河城等測點(diǎn)。

2)主成分在張北地震前都出現(xiàn)了異常變化，且變化較為顯著，對(duì)張北地震有較好的反映;斷層形變速率綜合指標(biāo)w 在1994年出現(xiàn)了明顯的異常變化，1997年6月再一次出現(xiàn)異常，這對(duì)張北地震的判別具有一定的前兆意義。

3)張北地震斷層垂直形變速率演化圖像顯示，地震前2 ～3年研究區(qū)整體由張性轉(zhuǎn)為壓性，最后形成了以震中區(qū)為壓性區(qū)而遠(yuǎn)離震中的地區(qū)壓性逐漸減弱的空間分布格局。根據(jù)郭良遷等［10］的研究結(jié)果，張北地震的震中區(qū)在震前2 ～3年也處于壓縮狀態(tài)。地震后，研究區(qū)出現(xiàn)了大范圍的張性區(qū)，震中附近地區(qū)及北京外圍地區(qū)都呈張性，僅北京附近地區(qū)呈壓性，1998—2000年的空間圖像未出現(xiàn)明顯的變化，基本上保持穩(wěn)定的空間分布狀態(tài)，這表明地震后震源區(qū)能量主體已得到了充分釋放。

致謝感謝陸明勇、張晶研究員為本研究提供幫助!

1 陳棋福.中國震例(1997—1999)［M］.北京:地震出版社，2003.(Chen Qifu.Earthquake cases in China(1997－1999)［M］.Beijing:Seismology Press，2003)

2 劉峽，等，用GPS 資料研究華北地區(qū)形變場和構(gòu)造應(yīng)力場［J］.大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2006，(3):33－38.(Liu Xia，et al.Deformation field and tectonic stress field constrained by GPS observations in North China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，(3):33－38)

3 車兆宏，等.張北6.2級(jí)地震地形變前兆演化特征［J］.地震，1999，19(4):315－322.(Che Zhaohong，et al.Precursory evolution characteristics of ground deformation before Zhangbei Ms6.2 earthquake［J］.Earthquake，1999，19(4):315－322)

4 郝洪濤，等.華北地區(qū)流動(dòng)觀測資料的初步清理［J］.大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2012，(6):54－58.(Hao Hongtao，et al.Preliminary sort of repeated gravity datd in North China area［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2012，(6):54－58)

5 張建國，關(guān)華平.張北6.2級(jí)地震前電磁波頻譜分析［J］.大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，(增刊):29－32.(Zhang Jianguo and Guan Huaping.Analysis of electromagnetc spectrum before Zhangbei Ms6.2 earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(Supp.):29－32)

6 孟國杰，黎凱武.張北6.2級(jí)地震前的地殼形變特征［J］.地震，1999，19(3):261－266.(Meng Guojie and Li Kaiwu.The characteristics of crustal deformation before Zhangbei earthquake with Ms6.2［J］.Earthquake，1999，19(3):261－266)

7 李衛(wèi)東.應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2008.(Li Weidong.Applied multivariate statistical analysis［M］.Being:Peking University Press，2008)

8 龔復(fù)華，王剛軍.張北-尚義6.2級(jí)地震跨斷層形變資料異常特征分析［A］.國家地震局地殼應(yīng)力研究所.地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集(11)［C］.北京:地震出版社，1998.(Gong Fuhua and Wang Gangjun.Analyses of anomalies of Geodetic data measured across fault prior to the Zhangbei-Shangyi M=6.2 earthquake［A］.Institute of Crustal Dynamics of China Earthquake Administration.Crustal structure and crustal stress anthology(11)［C］.Beijing:Seismology Press，1998)

9 徐紀(jì)人，等.中國大陸地殼應(yīng)力場與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)區(qū)域特征研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2008，51(3):770－781.(Xu Jiren，et al.Regional characteristics of crustal stress field and tectonic motions in and around Chinese mainland［J］.Chinese J Geophys.，2008，51(3):770－781)

10 武敏捷，等.華北北部地區(qū)震源機(jī)制解及構(gòu)造應(yīng)力場特征分析［J］.大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2011，31(5):39－43.(Wu Minjie，et al.Analysis of focal mechanism and tectonic stress field features in northern part of North China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，31(5):39－43)

11 郭良遷，華彩虹.華北GPS 網(wǎng)基線變化與地震活動(dòng)［J］.中國圖像圖形學(xué)報(bào)，1998，3(9):88－92.(Guo Liangqian and Hua Caihong.Baseline changes of GPS Network and seismic activity in North China［J］.Journal of Image and Graphics，1998，3(9):88－92)