基于GPS觀測的張渤帶形變

紀　靜， 郭良遷， 陳聚忠

(1.天津市地震局,天津　300201; 2.中國地震局第一監(jiān)測中心,天津　300180)

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基于GPS觀測的張渤帶形變

紀靜1， 郭良遷2， 陳聚忠2

(1.天津市地震局,天津300201; 2.中國地震局第一監(jiān)測中心,天津300180)

收集整理了研究區(qū)內近年來5期的GPS區(qū)域觀測站和27個GPS連續(xù)觀測站數據，在解算站坐標的基礎上，計算得到了GPS區(qū)域站水平形變和GPS連續(xù)站垂直形變。分析研究了張家口-渤海地震構造帶(張渤帶)近期形變狀態(tài)，得出張渤帶在2011—2013年時段內形變相對較大且區(qū)別于以前的形變形態(tài)。結果顯示：張渤帶近期受到明顯擠壓，呈應力應變能積累增強的趨勢，表明張渤帶地殼形變差異活動增強，具有地震孕育的形變背景。

GPS區(qū)域站；地震構造帶；水平形變；垂直形變

0　引言

因此，利用GPS區(qū)域站和連續(xù)站數據資料對研究區(qū)近期地殼形變狀態(tài)和張渤帶的形變趨勢及含義進行分析研究，對于中長期地震趨勢分析具有重要的現實意義[1-7]。

1　數據整理計算

收集整理了研究區(qū)內1999年、2007年、2009年、2011年和2013年5期的GPS區(qū)域站和27個GPS連續(xù)觀測站數據資料，GPS區(qū)域站分布見圖1。GPS觀測值的數據解算采用GAMIT/QOCA軟件，通過計算得到相對于全球參考框架ITRF2005下的單日解，即GPS區(qū)域站ENU三維坐標。5期相鄰期GPS區(qū)域站數據資料分成了1999—2007年、2007—2009年、2009—2011年和2011—2013年4個時段，4個時段GPS區(qū)域站數量分別為157個、140個、258個和249個。計算了4個時段GPS區(qū)域站的站速度，并擬合計算了研究區(qū)內的水平形變速度。利用27個 GPS連續(xù)觀測站垂向數據，在顧及周期影響情況下，計算得到了垂直形變速率[8-12]。

圖1　研究區(qū)范圍及GPS區(qū)域站分布圖

2　形變位移場

2.1水平形變

2.1.11999—2007年時段

1999—2007年整個研究區(qū)的水平形變速率在0.07～3.08 mm/a，平均水平形變速率為0.90 mm/a。研究區(qū)水平形變矢量存在差別，按照其運動方向和矢量大小的分群特征可分為西南區(qū)、西北區(qū)、東北區(qū)和東南區(qū)(圖2)。西南區(qū)總體上向東運動，水平形變方向主要集中在NE36°～SE135°，優(yōu)勢方向為E90°。西南區(qū)的水平形變速率在0.07～0.88 mm/a，平均速率為0.51 mm/a。西北區(qū)總體向西北運動，水平形變方向集中于NW266°～360°，優(yōu)勢方向為W270°。西北區(qū)的水平形變速率在0.07～0.96 mm/a，平均速率為0.49 mm/a。東北區(qū)總體運動方向為SW向，水平形變矢量集中于SW226°～265°，優(yōu)勢方向為SW240°。東北區(qū)的水平形變速率在0.33～3.08 mm/a，平均速率為1.46 mm/a。東南區(qū)向西南偏南運動，水平形變矢量集中于SE126°～SW235°，優(yōu)勢方向為SW220°。東南區(qū)的水平形變速率在0.16～1.87 mm/a，平均為0.84 mm/a。

圖2　1999—2007年水平形變場

上述表明，1999—2007年東北區(qū)的水平形變速率最大，西北區(qū)的速率最小，研究區(qū)的南部也是東區(qū)水平形變速率大，西區(qū)水平形變速率小，水平形變場在東西方向上變化相對明顯。各區(qū)內部的速率差異(最大值減去最小值)顯示，西南區(qū)差異變化最大，差值為2.75 mm/a，西北區(qū)差異變化最小，差值為0.81 mm/a，表明西南區(qū)活動性相對較強。就研究區(qū)總體趨勢而言，水平形變場有北部向西、南部向東的運動，張渤帶位于水平形變場變化的過渡帶上，因而張渤帶具有左旋走滑趨勢。雖然該時段水平形變場顯現出一定的分群現象，但不同水平形變區(qū)之間分界帶并不顯著。

2.1.22007—2009年時段

2007—2009年整個研究區(qū)的水平形變速率在0.04～3.13 mm/a，平均速率為0.82 mm/a。 水平形變矢量仍然具有分群特征，按照水平形變方向仍可以分為西南區(qū)、西北區(qū)、東北區(qū)和東南區(qū)(圖3)。西南區(qū)以石家莊北部為頂點，自西而東向西北、北、東北、東南呈放射狀撒開，西南區(qū)的水平形變速率為0.07～1.05 mm/a，平均速率為0.39 mm/a；西北區(qū)總體向西北運動，水平形變矢量方向主要集中在NW226°～NW325°之間，優(yōu)勢水平形變方向為NW305°，水平形變速率在0.04～1.20 mm/a，平均為0.65 mm/a；東北區(qū)總體向西南運動，水平形變方向集中在SE166°～SW235°，優(yōu)勢水平形變方向為SW220°，東北區(qū)的水平形變速率在0.24～3.13 mm/a，平均速率為1.23 mm/a；東南區(qū)向東南偏南方向運動，水平形變方向集中在SE116°～175°，優(yōu)勢水平形變方向SE140°，東南區(qū)的水平形變速率在0.33～1.42 mm/a，平均為0.83 mm/a。

圖3　2007—2009年水平形變場

上述表明，西南區(qū)水平形變速率最小，東北區(qū)速率最大。各區(qū)的速率差異(最大值減去最小值)顯示，東北區(qū)較顯著，差值為2.89 mm/a，西南區(qū)最小為0.98 mm/a，說明東北區(qū)活動性相對較強，西南區(qū)較弱。各個水平形變區(qū)之間呈緩變過渡，沒有顯示出明顯的分區(qū)界線。

2.1.32009—2011年時段

2009—2011年研究區(qū)水平形變矢量可以分為西南區(qū)、西北區(qū)和東部地區(qū)3個不同的水平形變區(qū)(圖4)。西南區(qū)總體向東運動，水平形變速率為0.09～2.62 mm/a，平均為1.01 mm/a，優(yōu)勢水平形變方向為NE110°；西北區(qū)總體向西北運動，優(yōu)勢水平形變方向為NW260°，水平形變速率在0.05～0.43 mm/a，平均速率為0.27mm/a；東部地區(qū)總體向西南運動，優(yōu)勢水平形變方向為SW230°；東部地區(qū)的水平形變速率在0.39～2.91 mm/a，平均為1.17 mm/a。上述表明，東部地區(qū)的水平形變速率相對較大，西北區(qū)的速率較小，各區(qū)內部的速率差異變化顯示，西南區(qū)和東部地區(qū)較大，在2.50 mm/a以上，西北區(qū)較小，為0.38 mm/a，說明西南區(qū)和東部地區(qū)活動性相對較強。

圖4　2009—2011年水平形變場

總體上，研究區(qū)水平形變態(tài)勢在北部地區(qū)從東到西呈順時針弧形旋轉，弧頂在北京東部；在南部地區(qū)也具有順時針弧形旋轉態(tài)勢，弧頂位于天津西北；中間的張渤帶具有左旋走滑活動。2009—2011年研究區(qū)水平形變矢量雖然有分群性，但是各區(qū)之間呈過渡性緩變，分區(qū)界線不明顯。

2.1.42011—2013年時段

2011—2013年研究區(qū)平均水平形變速率為0.54 mm/a，水平形變矢量在北部地區(qū)以研究區(qū)的東北端部為聚點向西北、西和西南方向呈放射狀散開，南部地區(qū)自南往北向京津地段收攏，南北兩地區(qū)相聚于北京—天津一線(圖5)。 研究區(qū)南部的水平形變速率相對較大，為0.46～1.83 mm/a，平均為1.07 mm/a，優(yōu)勢水平形變方向為NE10°；中部水平形變速率最小，為0.01～0.44 mm/a，平均為0.24 mm/a，優(yōu)勢水平形變方向為SW220°；北部水平形變速率居中，為0.29～0.64 mm/a，平均為0.44 mm/a，優(yōu)勢水平形變方向為SW260°。

上述表明，研究區(qū)南部水平形變速率相對較大，活動性相對明顯。研究區(qū)大致以張渤帶為界，南部地區(qū)總體向北運動，方向比較集中一致，北部地區(qū)運動方向差別明顯。張渤帶兩側地塊近于相向運動，成為水平形變場南北分區(qū)的界線[13-15]。

圖5　2011—2013年水平形變場

2.2垂直形變

研究區(qū)內的27個GPS連續(xù)觀測站(圖6)多數站點是從2010年開始觀測運行，至2014年積累了4年多的資料。用GAMIT/QOCA軟件計算得到全球參考框架ITRF2005下的單日解的時間序列數據，在顧及周期影響情況下，計算得到垂直形變速率。

圖6　GPS連續(xù)站分布圖

根據不同時段的垂直形變速率繪制成圖7～9，以此為基礎進行分析。2013年研究區(qū)的地殼普遍下降，垂直形變?yōu)樨?，最大下降速率?5 mm/a以上，位于天津附近(圖7)，其中大部分是抽取地下水等干擾因素造成的。但是構造活動因素也起到了一定的作用，在張渤帶以南地區(qū)，下降速率大于北部地區(qū)，張渤帶對地面沉降起了一定程度的控制作用。

圖7　2013年垂直形變圖

2014年全區(qū)仍然以下降為主，其下降態(tài)勢與前期相似，最大下降速率仍在45 mm/a以上，位于天津附近(圖8)。區(qū)域的東南部下降速率較前期有所增加，年下降速率從幾毫米增加到十幾毫米；研究區(qū)西北部下降減緩，由前期的9 mm/a減少為5 mm/a；東北部和西南部的垂直形變速率與2013年垂直形變大致相同。張渤帶仍然對下降變化起著明顯的控制作用，使其南部下降快，北部下降慢。

圖8　2014年垂直形變圖

2010—2014年垂直形變速率總趨勢表明石家莊以西太行山區(qū)上升(圖9)，垂直形變速率為0～1 mm/a，東部平原地區(qū)和北部的燕山地區(qū)為下降區(qū)，平原區(qū)下降速率較大，最大為30 mm/a，燕山地區(qū)的最大下降速率為20 mm/a。平原區(qū)與燕山地區(qū)之間的山前地帶為下降速率相對較小的地區(qū)，垂直變化速率在1～2 mm/a。張渤帶南側下降，北側相對上升，說明張渤帶對垂直形變起了明顯的控制作用。

基于GPS連續(xù)觀測站的垂直形變表明，燕山地區(qū)和平原地區(qū)為下降區(qū)，燕山山前地帶和太行山地區(qū)為上升區(qū)，張渤帶具有一定的活動性，成為控制垂直形變分區(qū)的界線。太行山地區(qū)垂直形變表現為上升。張渤帶東部下降，與新生代時期活動性質基本相同，呈繼承性運動。而燕山地區(qū)近一時期表現為下降，與新生代時期的隆升運動相反，呈反向活動[16-18]。

圖9　2010—2014年垂直形變圖

3　結論

研究區(qū)GPS區(qū)域站的4個時段水平形變場顯示：以張渤帶為界，張渤帶北側地區(qū)的西部各時段都不同程度地向西運動，東部具有向西偏南方向的趨勢運動。張渤帶以南變化相對復雜，1999—2007年和2009—2011年主體趨勢運動為東南，2007—2009年水平形變東西分異，相背運動，而2011—2013年則一致性向北運動。2011—2013年以張渤帶為界，南部地區(qū)總體向北運動，方向比較集中一致，北部地區(qū)運動方向差別明顯，但在靠近張渤帶地區(qū)向南運動，相對擠壓的形變運動狀態(tài)逐漸清晰明顯。以2011年為時間分界點，形成2011年以前和2011年以后的兩大時段水平形變差異：前一時段1999—2011年的3個時段，張渤帶作為水平形變異常變化的分界作用不明顯，為緩變過渡階段；后一時段的2011—2013年，張渤帶的分界作用清晰顯著，兩側運動差異明顯，形成水平形變異常帶，成為水平形變運動不協調地帶，反映出區(qū)域構造活動性有序增強。

GPS連續(xù)觀測站的垂直形變揭示出燕山地區(qū)與新生代的隆升運動不同，呈反向下降。太行山地區(qū)現今表現為上升，平原地區(qū)表現為下降，與新生代時期的構造運動基本相同，呈繼承性活動。太行山以東的張渤帶南側廣大平原區(qū)是強烈下降區(qū)，表明張渤帶對于現今地殼垂直形變具有明顯的控制作用，具有一定的活動性。

綜合分析基于GPS觀測結果的張渤帶區(qū)域形變特征，可以給出：近年來逐步趨于有序的形變狀態(tài)，能夠推斷張渤地震構造帶受到擠壓應力作用有所增強，成為地震孕育的有利區(qū)帶。

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Zhangjiakou-bohai Seismic Belt Deformation Based on GPS Observation

JI Jing1, GUO Liang-qian2, CHEN Jyu-zhong2

(1.Earthquake Administration of Tianjin Municipality, Tianjin 300201, China;2. First Crust Monitoring and Application Center, CEA, Tianjin 300180, China)

In this study, we calculated horizontal deformation of local GPS station and vertical deformation of the 27 GPS continuous station in the Zhangjiakou-bohai seismic belt area on basis of 5 periods’ observation data of the local GPS station and the 27 continuous stations. The results indicate that the deformation of the Zhangjiakou-bohai seismic belt in the period of 2011-2013 is relatively large and different than before. The Zhangjiakou-bohai seismic belt is in compressive stress state and the strain energy accumulation is enhancing, which indicates that the deformation difference activity is increasing and the background of developing earthquakes exists in the area.

GPS; seismic belt; horizontal deformation; vertical deformation

2015-12-29

天津市地震局青年基金項目(20131021)

紀靜(1984—)，女，天津人，工程師，主要從事工程抗震及災害學研究．E-mail：247277131@qq.com

P315.725

A

1003-1375(2016)03-0037-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.007

紀靜，郭良遷，陳聚忠．基于GPS觀測的張渤帶形變[J]．華北地震科學，2016，34(3):37-41.