利用跨斷層資料研究首都圈地區(qū)斷層活動特征及地震危險性1

王世進 張 超 劉文龍 蘇廣利

?

利用跨斷層資料研究首都圈地區(qū)斷層活動特征及地震危險性1

王世進 張 超 劉文龍 蘇廣利

（中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180）

本文針對首都圈的跨斷層形變資料（1984—2016年），利用11個場地的基線和水準觀測資料，計算了斷層三維活動量，以此來分析首都圈斷層現今的活動特征。同時計算了斷層形變協調比序列，分析其與首都圈中強地震的關系。結果表明：首都圈的斷層活動有明顯的區(qū)域特征，受張家口-渤海斷裂帶影響的西北地區(qū)的斷層以左旋張性活動為主，而中部和東部斷層表現為右旋壓性特征。斷層協調比結果顯示在首都圈及其鄰區(qū)出現中強地震前后，協調比會出現發(fā)散現象，這種現象可以作為今后首都圈及鄰近地區(qū)中強地震危險性分析的一種依據。

首都圈地區(qū) 跨斷層形變資料 斷層活動特征 斷層活動協調比

引言

前人利用跨斷層形變資料做了大量的研究工作。游麗蘭（1995）和樓關壽等（2010）對跨斷層資料中的干擾因素進行了分類，并較為有效地提取了跨斷層資料中的斷層活動信息。許多學者進一步利用跨斷層形變資料分析斷層的活動速率、活動性質及其與中強地震之間的關系等（薄萬舉等，1998；劉辛中等，2015；馬伶俐等，2015；李臘月等，2016），并為區(qū)域斷層動力學特征的研究提供了大量的支持和佐證。此外還有學者將主成分分析、時頻分析等方法引入跨斷層資料的分析中（李臘月等，2013；方穎等，2015），不僅大大豐富了跨斷層資料的研究內容和方法，還從更科學、準確的角度提取跨斷層形變資料中反映斷層構造活動的信息。

基于斷層協調比的概念，前人也做了卓有成效的研究（張晶等，2011），也有學者對華北地區(qū)的跨斷層場地（大灰廠、唐山臺站）進行了協調比計算分析（李瑞莎等，2013；李文靜，2014）。結果顯示，對于不同的場地，由于受環(huán)境因素等影響，協調比與區(qū)域地震的對應關系有較大的差異。目前，還鮮有對首都圈地區(qū)所有11個跨斷層綜合場地開展的協調比分析，基于此，本文根據前人的研究結果，對首都圈地區(qū)11個跨斷層綜合場地的觀測資料進行分析，更為全面地研究首都圈地區(qū)的斷層活動特征及活動狀態(tài)。通過利用跨斷層水準和基線的綜合觀測資料計算的斷層三維活動量（沿走向方向的走滑量、垂直于走向方向的張壓量及垂直活動量），可以很直觀地了解區(qū)域斷層的活動特征。然后利用斷層協調比反映的斷層活動狀態(tài)，結合首都圈地區(qū)及其附近的中強震例，分析斷層活動特征、活動狀態(tài)與區(qū)域中強地震的關系，以此作為首都圈地區(qū)地震危險性的判定依據，為今后將跨斷層資料應用于地震危險性判定提供一定的方法支持。

1 跨斷層資料情況

本文采用的數據包括首都圈地區(qū)（38.5°—41.0°N、113.0°—120.0°E）10處流動跨斷層場地及唐山臺的基線水準綜合觀測資料。11個綜合觀測的場地分布情況如下圖1所示。各場地觀測時間及其所跨斷層幾何產狀等信息如表1所示。

圖1 首都圈綜合觀測的跨斷層場地分布圖（五角星代表北京）

表1 首都圈地區(qū)跨斷層場地信息表

續(xù)表

從表中可以看出，各場地的起始觀測時間差距較大。為了便于統(tǒng)一分析，我們在處理數據之前將資料的起始時間統(tǒng)一為1984年1月。此外，由于流動場地的觀測周期為1個月，而唐山臺的觀測周期為1天，為了進行統(tǒng)一分析，首先將原始觀測資料統(tǒng)一為1月周期（唐山臺的數據取月均值）。

2 研究方法

為了消除觀測值中年變化等的周期性影響，我們采用首年的數據作為參考，用以后每一年的月觀測值減去觀測首年相應月份的觀測值，得到一組水準高差或基線長度變化量，以此作為研究對象進行分析。

2.1 計算斷層活動量

假定在跨斷層場地的局部范圍內，斷層兩盤是不變形的剛體，那么測線的變化能反映斷層的三維運動，根據空間幾何關系，可以得到（1）式，用以計算斷層走滑、張壓及垂直三維活動量（曹建玲等，2011）：

Therefore,the denominator of Eq.(25)can be rewritten as the following polynomial:

在首都圈地區(qū)11個水準基線綜合觀測場地中，僅有1條綜合觀測（同時進行基線和水準測量）測段的場地有八寶山、德勝口、施莊和張山營。對于僅有1條綜合觀測測段（以下簡稱為綜合測段）的場地監(jiān)測資料，直接利用（1）式即可計算其水平活動量、水平張壓量及垂直活動量，由于張山營場地的測線僅有垂直于斷層的1條測段，根據（1）式僅能計算其水平張壓量。

圖2 1條綜合測段觀測資料計算的活動量

從圖2可以看出，八寶山、德勝口、施莊3個場地所跨斷層的水平活動以左旋走滑為主要特征，其中施莊的水平走滑活動在2011年以后出現明顯的轉折現象，這種現象預示著區(qū)域斷層的活動性質發(fā)生改變。4個場地的斷層以張性活動為主要特征，所跨斷層均有明顯的正斷活動特征。

首都圈地區(qū)2條及以上基線水準同測的場地有大灰廠、墻子路、上萬、小水峪、燕家臺、張家臺和唐山臺。對于這7個場地，對（1）式進行變換，得到計算斷層三維活動量的矩陣形式：

從上式可以看出，多于2條測段的斷層活動量已經不受斷層傾角的影響。由于斷層傾角的誤差較大，所以（2）式要比（1）式的計算精度高。根據（2）式，利用最小二乘法即可到和的值，可以參考（1）式得到。

從圖3中可以看出，唐山臺站和大灰廠的斷層水平走滑活動表現為右旋走滑特征。大灰廠水平走滑活動量近期出現的大幅度下降是由于更換測線引起。其余5個場地的斷層水平走滑活動均表現為左旋活動特征。

圖3 2條及以上綜合測段觀測資料計算的三維活動量

從水平張壓和垂直活動量來看，唐山臺站和大灰廠場地表現為壓性活動，且水準計算出的垂直活動量值較大，不排除受水準測點的穩(wěn)定性所影響。其余5個場地顯示為張性活動特征。

通過（1）式和（2）式計算得到三維活動量，并對其反映的斷層活動特征進行分析，總結得到表2。

表2 跨斷層資料反映的斷層活動特征

從表2中可以看出，斷層水平活動以左旋走滑為主的跨斷層場地主要分布在首都圈的北部及西北地區(qū)，這一區(qū)域的斷層主要受到張家口-渤海斷裂帶的控制。由GPS的研究成果可知，首都圈地區(qū)地殼以張家口-渤海斷裂帶上的左旋剪切形變?yōu)橹鳎▍莻ィ?014），與跨斷層資料反映的斷層活動性質較為一致。以右旋走滑為主的場地主要分布在首都圈地區(qū)中東部的NE走向斷層上。跨斷層資料反映的區(qū)域張壓性分布也有類似的區(qū)域分布特征，這與區(qū)域水準數據反映的首都圈地區(qū)的垂直形變特征有一定的相似性（郭良遷等，2012）。

2.2 地震危險性分析

為了研究跨斷層資料反映的斷層活動特征與區(qū)域中強地震之間的關系，采用協調比進一步分析。協調比是描述斷層活動狀態(tài)的參數，用三維活動量的比值表示，公式如下：

在跨斷層場地的局部范圍內，將斷層兩盤看作兩塊剛體，在斷層兩盤無應變積累而進行無障礙蠕滑活動時，協調比應該是一個常數。反之，當協調比以較大幅度偏離常數時，預示著斷層的三維活動出現了不一致的變化，有可能因區(qū)域應變累積而導致。

選擇首都圈區(qū)域的中強地震（表3）進行震例分析，選取原則為100km以內4—5級地震、200km內的5—6級地震和300km以內的6級以上地震。

表3 震例三要素

圖4為通過1條綜合測段觀測資料計算的協調比及其與地震之間的關系。從圖中可以看出，4個場地的協調比大致符合上文中的分析，即斷層活動協調比是一個常數。

圖4 1條綜合測段觀測資料計算的協調比

為了從視覺上更突出協調比偏離常數的狀態(tài)，我們用條形框將協調比發(fā)散部分突出標記出來。通過對圖4的分析可以得出以下認識：

（1）八寶山場地的斷層活動協調比在1989年大同5.7級地震、1991年大同5.8級地震以及1998年張北6.2級地震前均出現較大幅度的偏離現象。這種協調比的大幅度離散與斷層活動的異常緊密相關，而斷層的活動異常與區(qū)域應變累積預示著區(qū)域地震危險性的增強。這也說明八寶山跨斷層場地斷層活動協調比的發(fā)散與首都圈西北地區(qū)的中強地震有緊密的關系。

（2）德勝口場地的斷層活動協調比發(fā)散現象與地震并沒有明顯的相關性，其最近一次比較明顯的發(fā)散現象出現在2006年文安5.1級地震前后，最近來看斷層活動協調比處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

（3）張山營跨斷層活動協調比的發(fā)散現象與選取的幾組中強地震在時間上有一定的相關性。

圖5顯示的是由2條及以上綜合測段觀測資料計算的斷層活動協調比及其與地震之間的關系，通過對圖5的分析可以得到以下認識：

（1）首都圈地區(qū)的沉降作用對跨斷層水準資料的影響較大，而對基線資料影響較小，在分析協調比時應考慮這一前提條件。

（2）協調比1、2、3的發(fā)散有明顯的不同步現象，這是由于1是由基線變化量計算得到的（張壓）和（走滑）分量的比值，所以僅與基線資料相關。而2和3是由水準資料計算得到的（垂直活動量）與、的比值，故與跨斷層水準資料有較大的相關性。

（3）張家臺場地的斷層活動協調比發(fā)散現象和首都圈地區(qū)的中強地震相關性比較突出，大約在地震發(fā)生前2—3年，其斷層活動協調比1出現較大幅度的發(fā)散，往往在震后恢復常數態(tài)。其中2006年文安地震以后，協調比持續(xù)發(fā)散現象沒有對應地震發(fā)生，直到2014年的涿鹿地震以后，協調比有恢復正常的趨勢，這也說明協調比的發(fā)散對應斷層正處于應變積累狀態(tài)，從而應該引起對區(qū)域地震形勢的關注。

（4）唐山臺站、小水峪及燕家臺場地在1986年之前均出現斷層活動協調比大幅發(fā)散的現象，其中小水峪及燕家臺場地記錄了1976年前后的觀測數據，故計算了其1976年前后的協調比。從圖5中可以看出，唐山7.6級大地震與上述場地協調比的發(fā)散情況相關性比較大，故從協調比發(fā)散的時間和場地地點上綜合考慮，認為這3個場地在1986年以前協調比同步發(fā)散現象可能和唐山地震前后相應斷層有一定的應變積累有關。

圖5 2條及以上綜合測段觀測資料計算的協調比

3 結論

本文采用了首都圈11個場地跨斷層綜合觀測資料，計算了斷層的三維活動量及其斷層活動協調比。其中從三維活動量所反映的區(qū)域斷層活動特征可以看出，首都圈地區(qū)的北部及西北地區(qū)斷層以左旋張性的活動特征為主，首都圈地區(qū)的中東部斷層主要以右旋壓性活動為主，有明顯的區(qū)域分布特征。

通過對斷層活動協調比的分析可以看出，八寶山、張家臺及張山營場地的斷層活動協調比的發(fā)散現象與區(qū)域內的中強地震有比較大的相關性。由于在以往震例中，大灰廠場地反映的協調比均在震后幾年保持持續(xù)狀態(tài)，故其近期的發(fā)散現象可能與2014年涿鹿4.3級地震較為相關。小水峪和燕家臺的斷層活動協調比近期有一定的發(fā)散現象，應引起一定的注意。

綜上所述，本文利用首都圈地區(qū)跨斷層資料計算了斷層活動量和協調比，并進行了一定的分析研究，其重要的前提是將斷層兩盤相對活動視為符合剛體運動的模型。而在實際中，由于首都圈地區(qū)地質地貌的復雜多變，環(huán)境變化、地下水的升降等均會影響跨斷層資料的可靠性，故今后還應探索更有效的物理及數學計算模型對跨斷層資料進行有效的分析。

薄萬舉，謝覺民，郭良遷，1998．八寶山斷裂帶形變分析與探討．地震，18（1）：63—68．

曹建玲，張晶，王輝等，2011．首都圈跨斷層形變反映的斷層活動方式及其成因探討．地震，31（4）：77—85．

方穎，張晶，江在森等，2015．用跨斷層形變資料分析鮮水河斷裂西北段的運動特征．地球物理學報，58（5）：1646—1653．

郭良遷，陳聚忠，塔拉，2012．京津唐地區(qū)的現今垂直形變特征及其構造活動的含義．大地測量與地球動力學，32（4）：1—4．

李臘月，邢成起，武安緒等，2013．用主成分分析方法綜合分析首都圈跨斷層形變資料．中國地震，29（2）：246—255．

李臘月，季靈運，李玉江等，2016．基于跨斷層測量的鮮水河斷裂帶現今活動特征及其與強震關系研究．地震學報，38（5）：739—750．

李瑞莎，張希，賈曉東等，2013．斷層活動協調比計算方法的改進及震例分析．中國地震，29（1）：75—80．

李文靜，2014．基于斷層形變協調比的斷層形變分析．中國地震，30（3）：454—461．

劉辛中，劉志廣，朱爽等，2015．安寧河-則木河斷裂帶斷層活動特征及其與地震活動的關系．震災防御技術，10（2）：253—261．

樓關壽，周偉，金鵬等，2010．跨斷層形變觀測干擾因素的調查．大地測量與地球動力學，30（增刊2）：68—74．

馬伶俐，蘇琴，李菲菲等，2015．康定6.3級地震前鮮水河南段跨斷層形變異常分析．震災防御技術，10（增刊）：724—731．

吳偉偉，2014．華北地區(qū)GPS連續(xù)站坐標序列特征研究．北京：中國地震局地震預測研究所，112—114．

游麗蘭，1995．跨斷層測量基礎理論及標準化研究．北京：地震出版社，16—35．

張晶，黎凱武，武艷強等，2011．斷層活動協調比在地震預測中的應用．地震，31（3）：19—26．

王世進，張超，劉文龍，蘇廣利，2017．利用跨斷層資料研究首都圈地區(qū)斷層活動特征及地震危險性．震災防御技術，12（3）：547—556．

Study on Fault Activity and Seismic Risk in the Capital Region by the Cross-fault Measurement Data

Wang Shijin, Zhang Chao, Liu Wenlong and Su Guangli

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

According to fault crossing deformation data of capital circle region, we collected a few decades of data (1984—2016). In order to analyze the present-day activity characteristics of the fault in capital circle region, the three-dimensional activity of the fault is calculated based on these data of 11 sites. The fault motion coordination ration is calculated in order to analyze the relationship with the earthquakes above medium intensity in capital circle region. The results show that: there are obvious regional characteristics of the fault activity in the capital circle region. And it provides a certain method of support for determining the seismic risk of the capital circle region and its adjacent areas in the future and the faults activity is mainly characterized by left lateral and tensional movement. The faults is mainly characterized by right-lateral and compressive movement in central and eastern capital circle region. The result of fault coordination ratio show that divergence will arise before and after the strong earthquakes occurred in the capital circle and its adjacent areas. This phenomenon can be used for the risk analysis of moderately strong earthquakes in the capital circle and adjacent areas.

Capital Region; Fault crossing deformation data; Fault activity characteristics; Fault motion coordination ration

10.11899/zzfy20170311

中國地震局監(jiān)測、預測、科研三結合課題（CEA-JC/3JH-163705）和（CEA-JC/3JH-163703）共同資助

2017-02-15

王世進，男，生于1988年。助理工程師。主要從事跨斷層測量與斷裂活動特征研究。E-mail：275201600@qq.com