利用跨斷層形變資料研究近期唐山斷裂活動性*

周海濤，周 偉，杜雪松，余 敏，夏 峰

0 引言

近30年來，唐山臺積累了豐富的跨斷層短水準(zhǔn)和短基線測線資料，為研究唐山斷裂活動奠定了基礎(chǔ)。唐山地區(qū)是現(xiàn)代地震活動區(qū)，構(gòu)造活動性強烈，很多學(xué)者根據(jù)地球物理探測資料、區(qū)域水準(zhǔn)監(jiān)測資料和水平形變觀測資料 (三角、測距、GPS)對唐山斷裂習(xí)性進行過研究 (李建華等，1998;謝覺民，華彩虹，1999;劉若等，1997;李紹炳，1986;郝書儉，尤惠川，2001)。在1984～1991年間，唐山斷裂附近發(fā)生7次4.5級以上中強震，可以認(rèn)為此時的地震主要是唐山大地震后的余震釋放。此后近4年沒有中強地震發(fā)生，可以認(rèn)為1991年后較強余震已基本釋放完成。2008年汶川8.0級地震和2011年日本東海岸附近海域9.0級特大地震，對華北地區(qū)都產(chǎn)生了一定的影響，2012年5月28日，在唐山市轄區(qū)與灤縣交界處發(fā)生了MS4.7地震，震源深度22 km(大震速報參數(shù)為MS4.8地震，震源深度8 km)，預(yù)示著地震活動性在增強。因此有必要對唐山跨斷層形變資料進行精細(xì)的分析，從而研究斷裂活動性及其對周邊的影響。唐山斷裂處于華北地區(qū)，而華北地區(qū) (本次工作選用的范圍為34°～ 42°N，106°～ 124°E)自1998年1月10日張北MS6.2地震以來，已14年沒有發(fā)生過MS6.0以上地震，則可以簡單地認(rèn)為整個華北地區(qū)自1998年以來處于一個應(yīng)力積累階段，本文通過研究1999年以來的跨唐山斷裂的水準(zhǔn)和基線資料，以期找出斷裂在此階段的活動狀況。

1 唐山斷裂概況

唐山斷裂帶位于燕山斷褶帶的南緣，山區(qū)和平原的交界地帶，主要由陡河斷裂、巍山—長山南坡斷裂、唐山—古冶斷裂和唐山斷裂構(gòu)成。唐山斷裂和唐山—古冶斷裂為唐山斷裂帶的東支斷裂，為唐山7.8級地震的發(fā)震斷裂，唐山斷裂走向NNE，為一條高角度斷層。據(jù)淺層地震探測研究，唐山臺站所跨的唐山斷裂與其上部的地表主破帶產(chǎn)狀一致，上下貫通，都呈近直立狀態(tài) (謝覺民，1997)，斷層的傾角約為72°(郝書儉等，1998)。唐山市區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及唐山臺位置見圖1。

2 唐山斷裂形變特征

唐山臺站共布設(shè)有4條基線測線和4條水準(zhǔn)測線。每個基線樁的基座上都設(shè)有水準(zhǔn)點 (它們在同一樁墩上)，布設(shè)情況如圖2所示。本文研究的跨斷層測量資料從1999年1月1日至2012年9月28日。

為了更好的展示唐山斷裂運動變化特征與斷裂周邊地震之間的關(guān)系，本次工作選取了唐山臺外圍100 km內(nèi)MS4.0以上，200 km內(nèi)MS5.0以上的地震作為研究對象，為了不排除遠場大震的可能影響，把可能對華北地區(qū)產(chǎn)生影響的2008年汶川MS8.0地震和2011年日本東海MS9.0特大地震也列為研究對象，分析其與唐山斷裂運動變化之間可能存在的聯(lián)系。

2.1 垂直運動

圖1 唐山市區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖及唐山臺位置示意圖Fig.1 Sketch of regional geological structure of Tangshan area and the position of Tangshan Station

圖2 臺站基線和水準(zhǔn)測線布設(shè)示意圖Fig.2 Sketch of baseline and leveling line layout at Tangshang Station

由于只有水準(zhǔn)2－3和水準(zhǔn)1－4跨斷層，因此只對這兩條水準(zhǔn)測線進行研究。假定斷裂在圖2所示的小范圍內(nèi)垂直方向上運動方式近似相同，而將兩條跨斷層測線測得斷層垂直活動的差異看作誤差所致，則根據(jù)式 (1)，可求解唐山斷裂的垂直運動參數(shù)。

根據(jù)求解的垂直運動參數(shù)可以繪制垂直運動變化曲線，圖3為唐山斷裂垂直運動變化曲線，該曲線變化顯示斷層兩盤的相對運動，因為所求得的唐山斷裂垂直運動變化曲線有很明顯的年周期變化 (周海濤等，2010)，本文采用傅立葉滑動去年周期的方法進行處理，得出了去除年周期的斷裂垂直運動變化曲線，斷裂正斷活動表現(xiàn)為曲線上升;逆斷活動表現(xiàn)為曲線下降。

圖3 1999年1月～2012年9月唐山斷裂垂向運動變化曲線(a)唐山斷裂垂向運動;(b)周期估計值;(c)垂向運動與周期估計值之差Fig.3 Vertical movement variation curves of Tangshan Fault from Jan.，1999 to Sep.，2012(a)the vertial movement of Tangshan Fault;(b)the estimated period value;(c)the difference of the vertical movement of Tangshan Fault and the estimated period value

式中，vU為斷裂兩盤垂向相對運動速率;ΔH為兩次觀測得到的斷裂上下盤高差的變化量;ΔHi為第i個跨斷層水準(zhǔn)測線所測高差變化量 (其中正值為正斷運動，負(fù)值為逆斷運動);n為跨斷層水準(zhǔn)測線數(shù);Δt為兩次觀測時間的間隔。

從圖3a中可以看出唐山斷裂垂直運動結(jié)果中包含比較明顯的年周期變化，通過去除的年周期變化 (圖3b)，可得到去年周期變化曲線 (圖3c)。從圖3c中可以看出，從1999年1月至2003年9月，唐山斷裂垂直運動主要呈正逆斷交互運動形式，2001～2002年表現(xiàn)為趨勢性正斷活動，2002～2003年表現(xiàn)為趨勢性逆斷活動，但2003年底表現(xiàn)為明顯的趨勢性正斷運動，之后是長達1年多的相對比較顯著的逆斷運動，此逆斷運動開始后，在唐山臺以東約50 km處發(fā)生了MS4.2地震，這可能是對周邊應(yīng)力場發(fā)生較大變化的一種響應(yīng)。2005～2008年中期，主要表現(xiàn)為一種正逆斷交互運動形式，2006年在唐山臺西南約200 km處發(fā)生了文安MS5.1地震，但從圖3c中不能直觀的總結(jié)出文安MS5.1地震與唐山斷裂運動變化存在某種特定關(guān)系。

2008年汶川MS8.0地震前，唐山斷裂并沒有表現(xiàn)出明顯的趨勢性變化，但地震一個多月后唐山斷裂表現(xiàn)出近一個月大幅急劇逆斷活動，這種現(xiàn)象可能是汶川8.0級地震對唐山地區(qū)影響的一種體現(xiàn)。唐山斷裂的逆斷活動一直持續(xù)至2009年中期，之后表現(xiàn)為正斷活動，在此期間唐山斷裂周邊發(fā)生了兩次MS4.0以上地震。在2011年日本東海MS9.0特大地震后，斷裂的垂向運動方式呈急速的正斷運動，持續(xù)了近2個半月，后又變?yōu)榧彼俚哪鏀噙\動，該現(xiàn)象可能是唐山斷裂及周邊地區(qū)對日本MS9.0大地震的響應(yīng)。2012年5月28日唐山MS4.7地震前近一個月內(nèi)，斷裂呈急速的正斷運動，地震后呈一種低速的正逆交替運動。由此可見遠場大震和華北地區(qū)中強地震在唐山斷裂的垂向運動變化的方式中可能有一定的顯示，這意味著唐山地區(qū)及周邊地殼應(yīng)力場可能有一定的異常變化，應(yīng)當(dāng)加以密切關(guān)注。

分析唐山斷裂垂向運動變化對其周邊中等地震響應(yīng)情況，筆者發(fā)現(xiàn)在唐山斷裂周邊發(fā)生中等地震前，斷裂多呈急速的正斷運動，之后在恢復(fù)調(diào)整階段容易發(fā)生地震。而華北地區(qū)的中強地震對唐山斷裂的影響形式和程度有待進一步研究。

而遠場大震對于唐山斷裂垂向運動的影響主要體現(xiàn)在同震形變上，但該同震形變有其滯后性和繼承性，一般會在遠場大震發(fā)生后幾天表現(xiàn)出來，并持續(xù)1～2個月的急速變化，而后是急速的恢復(fù)階段。

2.2 水平運動

基線觀測可以監(jiān)測到斷層兩盤間的水平運動與形變，本文忽略應(yīng)變部分，將其基線變化近似地看做由斷層兩盤相對水平運動引起，來研究斷層水平運動特征。一般的跨斷層基線與斷層的位置關(guān)系如圖4。唐山臺有4條跨斷層基線，為了綜合分析斷裂的水平向運動，在假定斷裂兩邊在較小的范圍內(nèi)水平方向上的相對運動可看作在剛性運動的前提下，利用最小二乘法，采用公式 (2)求解斷裂的水平向運動參數(shù) (周海濤等，2009):

式中，x為張壓分量 (垂直于斷裂走向，張性運動為正);y為走滑分量 (沿斷裂走向，左旋走滑為正);δL1和δL2分別是基線1與基線2的兩期觀測值之間變化量 (伸長為正);α1、α2分別是基線1、基線2與斷裂走向的夾角 (由斷層走向順時針轉(zhuǎn)動到基線方向所轉(zhuǎn)過的角度)。

圖4 斷層與基線位置關(guān)系示意圖Fig.4 Sketch of the position relation between the fault and the baseline

圖5 為唐山斷裂水平向運動變化曲線，其中水平向運動主要分為沿斷層走向的走滑運動和垂直斷層走向的張壓運動，從圖5a中可以看出，1999年1月至2003年6月，唐山斷裂呈張性運動。而2003～2004年唐山斷裂張壓運動和走滑運動都出現(xiàn)急劇逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象 (呈急劇的壓性和急劇的右旋走滑運動)，這與斷層在此期間表現(xiàn)為急速的逆斷活動有一定的一致性。在急劇變化過后，在唐山臺站東約50 km處發(fā)生了MS4.2地震。從圖5a和圖5b中可以看出2003～2004年是唐山斷裂水平向運動發(fā)生重大轉(zhuǎn)折的時期，結(jié)合唐山斷裂2003～2004年垂向運動的運動特征，可以很明確地得出2003～2004年唐山斷裂周邊應(yīng)變場有重大轉(zhuǎn)折，這種轉(zhuǎn)變的起因還有待探究。

圖5 1999年1月～2012年9月唐山斷裂水平向運動變化曲線(a)張壓運動;(b)走滑運動Fig.5 Horizontal movement variation curve of the Tangshan Fault from Jan.，1999 to Sep.，2012(a)the opening and compression movement;(b)the strike-ship movement

從圖5a中可以看出在2006年文安MS5.1地震、2008年汶川MS8.0地震和2011年日本東海MS9.0特大地震后短暫時間內(nèi)唐山斷裂都呈快速的張性運動，可見唐山斷裂的張壓運動對于區(qū)域中強地震和遠場大震可能有一定響應(yīng)。2008年汶川MS8.0地震后出現(xiàn)了短期的急速張壓運動，之后一直到2011年中期唐山斷裂一直呈張性運動，說明汶川MS8.0級地震可能對華北地區(qū)的應(yīng)力有所卸載。2011年日本東海MS9.0特大地震后唐山斷裂也表現(xiàn)為急劇的張性和壓性運動。2012年3月變?yōu)榧彼俚膲盒宰兓?，之后變化相對平穩(wěn)，在2012年5月18日發(fā)生了唐山MS4.7地震，可能是對周邊應(yīng)力積累的一種釋放。2012年1～9月唐山斷裂整體表現(xiàn)為壓性運動，而2011年表現(xiàn)為張性運動，但不能確定2011～2012年為唐山斷裂周邊應(yīng)變場重大轉(zhuǎn)折期，而2011年日本東海MS9.0特大地震肯定對于華北地區(qū)存在一定的影響。2012年唐山MS4.7地震能否釋放掉唐山斷裂周邊的應(yīng)變積累還是未知的，而遠場大震可能也只是在一定時間能使唐山斷裂的運動狀態(tài)發(fā)生改變，而不足以長久的改變區(qū)域的應(yīng)變積累。2008年汶川MS8.0地震和2011年日本東海MS9.0特大地震對唐山斷裂垂向運動和張壓運動的影響就是例子，雖然這兩個地震對于唐山斷裂的應(yīng)力積累可能有一定的釋放作用，但到了2012年唐山斷裂又表現(xiàn)為壓性運動。

從圖5b可以看出，從1999年1月至2003年6月，唐山斷裂呈左旋走滑運動，而從2003年7月至2012年9月，唐山斷裂總體上呈右旋走滑運動，這也印證了唐山斷裂周邊應(yīng)變場在2003年發(fā)生了重大轉(zhuǎn)折。唐山斷裂自2004年以來存在長時間右旋形變的積累，可能是華北大范圍長時間區(qū)域右旋變形特征在局部的顯示，在華北長期缺震的背景下，這一長期右旋形變的持續(xù)性積累值得關(guān)注。

2.3 活動速率

為了更好地分析斷裂活動的定量結(jié)果，筆者求解了唐山斷裂在水平和垂直方向上的運動速率(表1)。

從表1可以看出，2003～2004年的各方向速率變化量 (2004與2003年的速率差)是歷年間變化量最大的，這也從定量的角度證實了2003～2004年是唐山斷裂周邊應(yīng)力調(diào)整較大的時期，在此期間唐山斷裂垂向、張壓、走滑運動特征出現(xiàn)了的顯著變化。

表1 1999年1月～2012年9月唐山斷裂運動速率Tab.1 Movement rate of Tangshan Fault from Jan.，1999 to Sep.，2012

3 水平應(yīng)變特征

為了能了解唐山斷裂附近的形變和應(yīng)變特征，本文從不同角度和假設(shè)條件下對跨斷層基線進行分析，假定所測區(qū)域是均勻的應(yīng)變場，而忽略斷層兩盤間可能存在的剛體錯動，在這種情況下，根據(jù)測區(qū)內(nèi)3個或3個以上不同方向的邊長變化，計算地應(yīng)變。采用公式 (3)可以求解區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變參量 (武漢測繪學(xué)院大地測量系地震測量教研組，1980):

式中，ea、eb、ec為各條邊長線應(yīng)變;θa、θb、θc為基線與軸夾角 (逆時針方向的量度)。

利用4條跨唐山斷裂基線數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進行分析擬合得到唐山斷裂附近的應(yīng)變參數(shù)，見表2。

從表2中可以看出，2003年最大壓應(yīng)變率達到－60.09×10－6/a，為歷年之最，與估計的唐山斷裂活動異常時段相符合，而主壓應(yīng)變方向為SEE向，這與華北地區(qū)的主壓應(yīng)力方向為NEE有一定差別 (塔拉等，2012)，這也許是小范圍與大范圍的應(yīng)力狀態(tài)可能不同的一種體現(xiàn)。而之后的2008年、2010和2012年的主壓應(yīng)變方向與2003年的主壓應(yīng)變方向比較相近，而2012年的面收縮率也是自2003年之后收縮最大的一年，雖然2012年已發(fā)生過唐山4.7級地震，但該地震能否完全釋放所積累應(yīng)力，需要繼續(xù)跟蹤監(jiān)視，以觀察其壓應(yīng)變和面收縮是否很快恢復(fù)。

表2 1999年1月～2012年9月唐山斷裂應(yīng)變參數(shù)表Tab.2 The strain parameters of Tangshan Fault from Jan.，1999 to Sep.，2012

4 結(jié)論

通過利用跨斷層形變資料研究近期唐山斷裂活動性，得出以下結(jié)論:

(1)較遠區(qū)域的大震和本地區(qū)中強地震對唐山斷裂的水平向張壓運動和垂向運動都可能有一定的影響。唐山斷裂自2004年以來存在長時間右旋形變的積累，可能是華北大范圍長時間區(qū)域右旋變形特征在局部的顯示。

(2)本文通過定性和定量分析，得出2003～2004年可能是唐山斷裂水平向和垂向運動特征發(fā)生重大轉(zhuǎn)折的時期，并求解了1999～2012年間唐山斷裂水平向和垂向運動速率。

(3)本文求解了唐山斷裂附近不同年份的最大張應(yīng)變、最大壓應(yīng)變、最大剪應(yīng)變和面膨脹及最大主壓應(yīng)變方向，得出2003年可能是唐山斷裂周邊應(yīng)力場發(fā)生較大改變的一年，最大主壓方向為SEE向。2012年的面收縮率是自2003年之后收縮最大的一年，最大主壓方向與2003年也相近，2012年發(fā)生了MS4.7地震，但是否為區(qū)域應(yīng)變場發(fā)生重大調(diào)整的時段還有待進一步研究。

(4)本文所得出的關(guān)于唐山斷裂的結(jié)論是基于唐山臺站這一小范圍的資料，實際上唐山斷裂的規(guī)模和范圍要遠大于唐山臺站，因此要想完整的描述整個唐山斷裂的活動性還需要更廣泛和詳實的資料。

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