首都圈地區(qū)現(xiàn)今垂直形變對一些中等地震的疑似反映研究

暢　柳，馬慶尊，許明元，張俊青

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津　300180)

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首都圈地區(qū)現(xiàn)今垂直形變對一些中等地震的疑似反映研究

暢柳，馬慶尊，許明元，張俊青

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津300180)

摘要：基于首都圈1983—2014年6期區(qū)域精密水準(zhǔn)觀測成果，分析華北地區(qū)近30年的垂直形變演化規(guī)律，探討該時(shí)空范圍內(nèi)3次MS4.0以上地震前垂直形變前兆特征以及震后形變恢復(fù)過程。結(jié)果表明,首都圈地區(qū)的垂直形變整體上是西北升、東南降的繼承性運(yùn)動(dòng)，并在此大背景下存在局部的垂直波動(dòng)；研究區(qū)域內(nèi)3次MS4.0以上地震震前5～7年，在震中附近長軸150 km左右的范圍均出現(xiàn)了局部垂直形變異常變化，震前異常消失，顯示該地區(qū)中等強(qiáng)度地震有可能發(fā)生于經(jīng)歷比較明顯的地殼運(yùn)動(dòng)之后轉(zhuǎn)入相對平靜的時(shí)空范圍。

關(guān)鍵詞：首都圈地區(qū)；垂直形變；前兆異常；演化特征

0引言

首都圈地區(qū)是我國重點(diǎn)地震監(jiān)測區(qū)，自20世紀(jì)80年代初對水準(zhǔn)路線進(jìn)行改造、調(diào)整及系統(tǒng)施測后，其觀測資料的使用價(jià)值有明顯提高[1]。張祖勝等[2]基于垂直形變對唐山7.8級地震前后(1954—1976年)的地殼垂直形變進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在震前震中區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)有一個(gè)長期緩慢運(yùn)動(dòng)—活躍—平靜—發(fā)震的過程；趙金瑞等[3]對京津唐地區(qū)水準(zhǔn)網(wǎng)1968—1975年的復(fù)測成果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像分析研究，認(rèn)為唐山7.8級地震前的地殼垂直運(yùn)動(dòng)存在“形變峰”與“形變潮”的特征；黃立人等[4]分析了首都圈1977—1987年區(qū)域水準(zhǔn)垂直形變運(yùn)動(dòng)，結(jié)果顯示測區(qū)北區(qū)為隆起帶，南部為大面積沉降帶；楊國華等[1]基于對1983—1992年首都圈區(qū)域水準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為大同1989年6.1級地震前后，華北地區(qū)異態(tài)垂直運(yùn)動(dòng)在空間上具有一致性；韓月萍和郭良遷等[6-9]系統(tǒng)分析了華北地區(qū)1988—2008年的垂直形變特征，結(jié)果表明，華北地區(qū)以繼承性運(yùn)動(dòng)為主，但2008年華北北部地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)已從常態(tài)活動(dòng)開始轉(zhuǎn)向異態(tài)活動(dòng)。截止至2014年12月，首都圈區(qū)域水準(zhǔn)已進(jìn)行了多期復(fù)測，但尚無對本地區(qū)垂直形變與2006年文安5.1級、2012年唐山4.8級和2014年涿鹿4.3級地震之間關(guān)聯(lián)性分析的文獻(xiàn)，基于以上2點(diǎn),本文展開了針對首都圈地區(qū)垂直形變與地震前兆演化特征的研究。

1資料概況與數(shù)據(jù)處理

圖1　首都圈地區(qū)水準(zhǔn)測線空間分布圖

本文分析的區(qū)域精密水準(zhǔn)空間范圍如圖1所示，以北京為中心，西起懷安,東至秦皇島，南起黃驊,北至平泉。數(shù)據(jù)采用所選空間范圍內(nèi)1983年、2000年、2001年、2005年、2007年和2014年6期水準(zhǔn)路線(一等水準(zhǔn)測量規(guī)范施測)，分別為3 478.5 km、3 190.2 km、4 265.2 km、4 261.5 km、2 690.5 km和2 067.7 km。其中，1983—2001年的公共測點(diǎn)為512個(gè)，2000—2001年的公共測點(diǎn)為538個(gè)，2001—2005年的公共測點(diǎn)為1 017個(gè)，2005—2007年的公共測點(diǎn)為583個(gè)，2007—2014年的公共測點(diǎn)為322個(gè)，2005—2014年的公共測點(diǎn)為256個(gè)。計(jì)算時(shí)采用分段動(dòng)態(tài)線性速率模型，并以北京原點(diǎn)為參考基準(zhǔn)[6-10]。以上6段動(dòng)態(tài)平差的單位全中誤差都小于1 mm/km，說明本文采用的數(shù)據(jù)整體實(shí)測精度比較好。平差后對結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，刪除個(gè)別量級過大或與相鄰點(diǎn)差異過大的突變點(diǎn)[6]。采用多面函數(shù)法對結(jié)果進(jìn)行格網(wǎng)化，并計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的梯度模值，繪制垂直形變速率矢量圖、等值線圖與梯度圖。首先，采用曲面擬合將垂直形變速率格網(wǎng)化，格網(wǎng)大小為0.02°，然后按下述方法計(jì)算速率梯度[10]。

按照數(shù)量場中函數(shù)Z=Z(x,y)的水平梯度定義：

(1)

(2)

垂直形變梯度采用格網(wǎng)化后速度曲面的水平梯度的模表示。

2地殼垂直運(yùn)動(dòng)的時(shí)空演化特征

為了便于分析，給出首都圈地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造單元分布圖(圖2)。按照資料的時(shí)間順序分別計(jì)算了1983—2001年，2000—2001年、2001—2005年、2005—2007年、2005—2014年、2007—2014年的運(yùn)動(dòng)速率,如圖3a～3f所示。公共測點(diǎn)區(qū)之外的結(jié)果為外推值，會(huì)快速失真，因此，未完全給出公共測點(diǎn)區(qū)之外的垂直形變速度信息。

圖2　首都圈地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造單元分布圖

圖3　1983—2014年首都圈地區(qū)垂直形變演化圖

分析表明，華北地區(qū)的垂直形變場有如下特征：

1)從時(shí)空角度整體上看，首都圈地區(qū)垂直形變場以繼承性運(yùn)動(dòng)為主，局部存在波動(dòng)，主要表現(xiàn)為：西升東降，北升南降。具體表現(xiàn)為太行山隆起區(qū)、燕山隆起區(qū)相對上升，冀中凹陷等凹陷區(qū)相對下沉，由于區(qū)域內(nèi)沉降區(qū)的控制，大興隆起區(qū)、滄縣隆起區(qū)并沒有表現(xiàn)出繼承性的隆起態(tài)勢。此外，短期(2000—2001年、2005—2007年、2007—2014年)速率空間差異大于長期(1983—2001年、2005—2014年)速率空間差異，同樣說明首都圈地區(qū)的垂直運(yùn)動(dòng)不是線性的，具有波動(dòng)變化的特征。

2)北京通縣附近存在直徑為15～50 km的沉降區(qū)。北京通縣沉降區(qū)域在逐步擴(kuò)大，沉降區(qū)內(nèi)的沉降峰值也在增大，由1983—2001年到2007—2014年峰值的沉降速率增加了近5倍。

3)漢沽至沙河橋以西在長軸超過250 km的沉降區(qū)，由于監(jiān)測區(qū)域沙河橋西南沒有觀測點(diǎn)且2007年測區(qū)南部只觀測到了李七莊(天津)，2014年并沒有觀測到漢沽至沙河橋這一沉降區(qū)，因此無法準(zhǔn)確估計(jì)該沉降區(qū)的沉降空間范圍。漢沽至沙河橋沉降區(qū)存在3個(gè)次級沉降區(qū)，分別在漢沽、天津市區(qū)、沙河橋附近。漢沽沉降區(qū)沉降在減速，天津市區(qū)沉降區(qū)沉降有“加速—減速—再加速”的過程，沙河橋沉降區(qū)1983—2007年沉降一直在加速。

4)2006年7月4日文安發(fā)生了5.1級地震，地震位于冀中凹陷帶東南部。冀中凹陷帶1983—2014年一直相對周邊區(qū)域下沉[11]。地震前5年左右震中附近出現(xiàn)了長軸半徑75 km左右，相對震中附近的環(huán)狀下沉(圖3b)；臨震時(shí)，該區(qū)域環(huán)狀相對運(yùn)動(dòng)消失，恢復(fù)繼承性運(yùn)動(dòng)(圖3c)；震后缺少震中南部觀測數(shù)據(jù)，外推結(jié)果的信度不高。地震位于冀中凹陷帶東南部的霸縣凹陷與牛駝鎮(zhèn)—容城凸起交界附近，震中附近斷裂都是正斷層；牛駝鎮(zhèn)—容城凸起西北側(cè)為徐水凹陷，地殼運(yùn)動(dòng)活躍時(shí)，牛駝鎮(zhèn)—容城凸起在兩側(cè)凹陷帶的綜合作用下可能會(huì)產(chǎn)生如圖3b所示近似環(huán)形的兩側(cè)相對下沉的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

5)2012年5月28日唐山發(fā)生了4.8級地震，地震位于燕山隆起區(qū)東南角，NE向正右旋走滑的唐山斷裂附近。該斷裂東端有灤縣—樂亭斷裂，北面有豐潤斷裂，南面有寧河—昌黎斷裂，他們將唐山地區(qū)圍成1個(gè)菱形塊體。在灤縣—樂亭斷裂的控制下，山海關(guān)塊隆上升，唐山塊陷下沉。1983—2001年震中附近相對運(yùn)動(dòng)比較平緩，而地震前7年左右，震中東北側(cè)長軸直徑約150 km處出現(xiàn)隆升現(xiàn)象，震中東北側(cè)相對西南側(cè)隆起15 mm左右(圖3c)；臨震，震中兩側(cè)明顯的相對運(yùn)動(dòng)消失(圖3d)；震后震中附近幾乎無相對運(yùn)動(dòng)(圖3f)。

6)2014年9月6日涿鹿發(fā)生了4.3級地震，地震位于山西斷陷帶北部與太行山隆起交界附近[12]。1983—2001年山西斷陷帶東北部相對太行山隆起區(qū)下沉， 2000—2001年出現(xiàn)反向，山西斷陷帶東北部相對太行山隆起區(qū)上升；2001—2005年兩者運(yùn)動(dòng)差異不明顯；2005—2007山西斷陷帶東北部整體相對太行山隆起區(qū)又開始上升，但是在涿鹿附近的分界處延礬盆地北緣斷裂附近，山西斷陷帶相對太行山隆起區(qū)下沉；2007—2014年兩者相對運(yùn)動(dòng)差異不明顯。涿鹿4.3級地震前7年左右，震中附近約75 km處出現(xiàn)相對震中區(qū)域的近似環(huán)形隆起(圖3d)；臨震(圖3f，地震前震中附近大部分測段已完成觀測，但仍有部分測段在震后才完成觀測，臨震是整體的趨勢性的判斷，特此說明)，該區(qū)域恢復(fù)平靜，無明顯相對運(yùn)動(dòng)。震中西北側(cè)有一系列正斷(宣化盆地南緣斷裂、懷安盆地南緣斷裂、六棱山北麓斷裂、桑干河斷裂等)，上盤位于(東)南側(cè)，震中東南側(cè)有一系列正斷(延礬盆地北緣斷裂、南口山前斷裂等)，上盤位于(西)北側(cè)，這種斷層分布特征是盆—嶺式構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的典型特征，再考慮到周邊地殼運(yùn)動(dòng)的綜合作用，在震中附近斷層受到的水平擠壓應(yīng)力增強(qiáng)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生如圖3d所展示的環(huán)形上升的相對垂直運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

通過上述的分析可看出，首都圈地區(qū)局部垂直形變演化與研究時(shí)空范圍內(nèi)發(fā)生的3次4級以上地震可能存在一定的對應(yīng)關(guān)系。

在垂直形變速率結(jié)果的基礎(chǔ)上，依次計(jì)算1983—2001年、2000—2001年、2001—2005年、2005—2007年、2005—2014年、2007—2014年的運(yùn)動(dòng)速率梯度(圖4a～4f)。公共測點(diǎn)區(qū)之外的結(jié)果為外推值，會(huì)快速失真，因此未完全給出公共測點(diǎn)區(qū)之外的梯度信息。

從圖4中可以觀察到，垂直形變梯度大的地區(qū)主要是沉降區(qū)，達(dá)到了0.15～0.30 (mm/a)/km。除了北京、天津市區(qū)、漢沽、沙河橋等主要沉降區(qū)，涿鹿、密云、唐山附近也是相對高梯度區(qū)域，而且這3個(gè)區(qū)域都發(fā)生過MS4級以上地震。唐山附近1983—2005年的高梯度區(qū)在空間和幅度上有逐漸擴(kuò)大的趨勢， 2005—2007年、2007—2014年唐山附近梯度趨近于0，2012年發(fā)生唐山4.3級地震，這一現(xiàn)象一定程度上反映了唐山4.3級地震的震前孕育和震后恢復(fù)過程；涿鹿附近1983—2007年高梯度區(qū)在空間及幅度上有擴(kuò)大的趨勢，2007—2014年高梯度區(qū)在空間及幅度上明顯減弱，這一現(xiàn)象一定程度反映了2014年涿鹿4.3級地震的孕育過程。由于文安附近為明顯的沉降區(qū)，沉降對垂直形變梯度分布起到了主要作用，因此，無法從垂直形變梯度演化規(guī)律的角度上分析2006年文安5.1級地震。

圖4　1983—2014年首都圈地區(qū)垂直形變梯度演化圖

3討論和結(jié)論

1)首都圈地區(qū)整體為繼承性運(yùn)動(dòng)，局部存在隆起或下沉。其分布明顯與構(gòu)造格局相關(guān)，這是伸展裂陷構(gòu)造區(qū)地表形變的典型特征。裂陷構(gòu)造活動(dòng)以張性走滑為主，因地殼構(gòu)造和物性參數(shù)的不均勻分布，張性走滑必然受到局部的阻礙，故常見兼帶走向斜滑乃至局部逆沖現(xiàn)象存在[13-14]。在板塊活動(dòng)和固體潮汐等周期性因素的影響下，造成地表升、降相間和空間的遷移，導(dǎo)致了首都圈地區(qū)垂直形變時(shí)空上局部波動(dòng)的現(xiàn)象。

2)首都圈地區(qū)MS4.0以上地震在地震前5～7年的時(shí)間范圍，長軸為150 km左右的空間范圍會(huì)出現(xiàn)一定的前兆，正斷層群集分布區(qū)垂直形變根據(jù)斷層展布情況不同，有可能出現(xiàn)近似環(huán)形相對上升或下沉，正斷兼走滑與逆沖共軛區(qū)震前會(huì)出現(xiàn)相對隆起；在地震前1～5年垂直形變異常消失。

3)基于上述分析，認(rèn)為該地區(qū)中等強(qiáng)度地震發(fā)生于地震前5～7年，長軸約150 km的空間范圍經(jīng)歷比較劇烈地殼運(yùn)動(dòng)，之后轉(zhuǎn)入相對平靜的時(shí)空范圍。但這一認(rèn)識受到震例和水準(zhǔn)資料的雙重限制，作為一般性規(guī)律為時(shí)尚早，需要繼續(xù)積累震例和資料。長期堅(jiān)持下去，就有可能在發(fā)生大震前能獲得更顯著的異常信息，有望在大震發(fā)生前有所察覺，這也是我們希望取得減災(zāi)實(shí)效的目的所在。

致謝：中國地震局第一監(jiān)測中心提供的區(qū)域水準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及黃立人教授提供的動(dòng)態(tài)平差程序。

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Suspected Reflections of Vertical Deformation to Moderate Earthquake in the Capital Region

CHANG Liu, MA Qing-zun, XU Ming-yuan, ZHANG Jun-qing

(First Crust Deformation Monitoring and Application Center, CEA, Tianjin 300180, China)

Abstract:Crust vertical deformation and its characteristics in the past three decades is analyzed in accordance with precise re-leveling data (1983-2014) in the Chinese capital region, and the vertical deformation characteristics in this area before and after three MS>4.0 earthquakes are presented. The results show that the inheritance motion is dominant in the deformation field, which means there are uplift in the northwest (mountain zone) and subsidence in the southeast (basin and plain zone), as well as partial vertical fluctuations in such background. The results also show that vertical deformation anomalies appeared about 150 km near the epicenter and 5-7 years before the MS>4.0 earthquakes, and then anomalies disappeared before the earthquakes. It may mean that in this region middle strong earthquake may occur during a relatively quiet period after a period of perceivable crustal movement.

Key words:capital region； vertical deformation； precursory anomaly； evolution characteristics

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.01.005

中圖分類號:P315.725

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1003-1375(2016)01-0030-05

作者簡介：暢柳(1990—),女, 助理工程師, 主要從事大地測量形變分析與地震預(yù)報(bào)研究.E-mail:changliu6@foxmail.com

基金項(xiàng)目：中國地震局監(jiān)測、預(yù)報(bào)、科研三結(jié)合(153306)；中國地震局第一監(jiān)測中心科技創(chuàng)新主任基金(FMC2015005);中國大陸現(xiàn)代垂直形變圖集的編制與資料整編(2015FY210400)

收稿日期:2015-09-24

暢柳，馬慶尊，許明元，等．首都圈地區(qū)現(xiàn)今垂直形變對一些中等地震的疑似反映研究[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(1):30-35.