華北北部地區(qū)地殼垂直形變演化特征及斷裂活動(dòng)性分析

孫啟凱 何慶龍 李臘月

摘要：基于華北北部地區(qū)3期復(fù)測區(qū)域精密水準(zhǔn)及跨斷層形變測量資料，計(jì)算得出1985—2015年多個(gè)時(shí)間段的地殼垂直形變速率。并結(jié)合跨斷層形變觀測資料，分析區(qū)域內(nèi)主要斷裂的活動(dòng)性，明確該區(qū)域的整體地殼垂直形變演化趨勢及地震危險(xiǎn)性。結(jié)果表明：除強(qiáng)下沉區(qū)外，華北北部地區(qū)以繼承性運(yùn)動(dòng)為主，太行山山前構(gòu)造帶以西總體上升，華北平原下沉，燕山塊體較為穩(wěn)定。張家口—渤海構(gòu)造帶西段總體活動(dòng)水平較低，山西斷陷帶中北段斷裂總體以張性正斷層活動(dòng)為主，兩條斷裂相交錯(cuò)區(qū)域是垂直形變高梯度集中區(qū)，且中強(qiáng)地震發(fā)生頻次相對(duì)較高，需持續(xù)和重點(diǎn)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：垂直形變；斷裂活動(dòng)性；高梯度；地震活動(dòng)性；華北北部地區(qū)

中圖分類號(hào)：P315.725 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2018）03-0438-08

0 引言

區(qū)域精密水準(zhǔn)和跨斷層形變測量是監(jiān)測地殼形變特征的重要觀測手段。地殼形變與地震對(duì)應(yīng)關(guān)系復(fù)雜，單一形變手段分析困難較大。區(qū)域精密水準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)測點(diǎn)密集、測量精度高；跨斷層形變測量數(shù)據(jù)豐富、針對(duì)性強(qiáng)，綜合利用這2類數(shù)據(jù)，從不同維度分析地殼形變?cè)跁r(shí)空域的演化特征，有助于獲取地震前兆信息及研判地震危險(xiǎn)性（周曉燕等，2002；蘇琴等，2010；徐東卓等，2017a；路珍等，2017；趙靜等，2018）。

華北北部地區(qū)是我國東部強(qiáng)震活躍區(qū)，曾發(fā)生過多次中強(qiáng)地震（黃立人等，2003；張躍剛等，2006）。區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)復(fù)雜，次級(jí)構(gòu)造有鄂爾多斯斷塊、山西斷陷帶、太行山斷塊、冀魯斷塊、燕山斷塊及陰山斷塊等。研究區(qū)內(nèi)主要有4條斷裂帶，分別是NE向的山西斷陷帶（北部）、三河—淶水?dāng)嗔褞?、唐山—寧河斷裂帶和NWW向的張家口—渤海斷裂帶（郭良遷等，2008；Roy，Royden，2000；Wang et al，2001）。2個(gè)方向的斷裂交叉區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，斷裂帶之間構(gòu)造活動(dòng)相異且不通透，應(yīng)變力易積累。該區(qū)歷史上地震活動(dòng)相對(duì)密集，是華北地震活動(dòng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。本文綜合利用區(qū)域精密水準(zhǔn)觀測資料和跨斷層形變測量資料，從地殼垂直形變演化、斷裂活動(dòng)性及其與地震活動(dòng)之間的聯(lián)系等角度分析華北北部地區(qū)地殼垂直形變演化特征及地震危險(xiǎn)性。

1 資料概況與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)研究區(qū)精密水準(zhǔn)路線及跨斷層場地、臺(tái)站的分布情況，收集并整理了多期觀測數(shù)據(jù)，對(duì)這些資料進(jìn)行挑選、預(yù)處理、計(jì)算、繪圖等處理后，獲取研究區(qū)垂直形變速率并分析。研究區(qū)內(nèi)水準(zhǔn)路線及臺(tái)站場地分布如圖1所示。

區(qū)域精密水準(zhǔn)資料總共4期，具體信息見表1。數(shù)據(jù)處理過程主要有：（1）數(shù)據(jù)挑選、拼環(huán)與平差，采用分段線性速率模型，聯(lián)合GNSS數(shù)據(jù)約束平差，對(duì)結(jié)果預(yù)處理獲取測點(diǎn)速率。結(jié)果顯示，4個(gè)階段（1985—2000年、2000—2005年、2005—2015年、1985—2015年）動(dòng)態(tài)平差單位權(quán)中誤差分別為0.90，0.95，0.96和0.89 mm/a，均小于1.0 mm/a，表明利用的區(qū)域測量數(shù)據(jù)整體精度較好；（2）對(duì)垂直形變速率進(jìn)行處理，分別繪制研究區(qū)的垂直形變矢量圖、等值線圖和梯度圖。

研究區(qū)內(nèi)相關(guān)的跨斷層場地及臺(tái)站主要分布在山西、河北、北京3個(gè)地區(qū)。流動(dòng)場地基本信息見表2，其中定點(diǎn)臺(tái)站有6個(gè)，監(jiān)測手段為短水準(zhǔn)測量，流動(dòng)場地有29個(gè)，有11個(gè)場地（張家臺(tái)、張山營、小水峪、德勝口、燕家臺(tái)、沿河城、上萬、大灰廠、八寶山、墻子路、施莊村）監(jiān)測手段為短水準(zhǔn)和基線測量，其余場地為短水準(zhǔn)測量。其中百善場地測點(diǎn)垂直形變速率值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常的斷層活動(dòng)量值，淶水、狼山、南口、繁峙山會(huì)、房山、易縣臺(tái)跨斷層水準(zhǔn)資料記錄年份偏少，不具有統(tǒng)計(jì)意義。

2 垂直形變演化特征及水準(zhǔn)剖面分析

2.1 垂直形變特征分析

采用連續(xù)曲率張力樣條法將計(jì)算得到的地殼垂直形變速率值進(jìn)行網(wǎng)格化處理，同時(shí)為提高計(jì)算效率，利用Boxcar卷積濾波器進(jìn)行平滑處理，獲取研究區(qū)地殼垂直形變演化特征及梯度變化（張祖勝等，1996；謝覺民，張祖勝，1997；宋海平等，2011）。華北北部地區(qū)地殼垂直形變演化如圖2所示。其中北京東南部天津—保定一帶存在強(qiáng)下沉區(qū)，下沉年變速率較大，主要是受非構(gòu)造因素影響，所以不對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行形變、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)分析。

圖2a顯示，研究區(qū)1985—2000年地殼垂直形變特征以太行山山前構(gòu)造帶為界上升與下沉區(qū)較為明顯，西部主要以上升為主，速率為0～4.5 mm/a，東部為強(qiáng)下沉區(qū)，最大下沉速率達(dá)20.7 mm/a，主要集中在北京、天津及沙河橋附近。東北部半壁山—高麗鋪—唐山一帶呈現(xiàn)0～1.5 mm/a的小幅隆升。岱海斷陷帶東部與北部、山西斷陷帶北部的呼和浩特—集寧—豐鎮(zhèn)一帶出現(xiàn)0～2 mm/a的下沉，而其他地區(qū)包括太行山斷塊均呈隆升趨勢，自北往南上升速率逐步增大?？傮w來看下沉區(qū)域主要集中在盆地，除強(qiáng)下沉區(qū)外，區(qū)域總體形變特征與近代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征較為一致，表現(xiàn)為繼承性運(yùn)動(dòng)（應(yīng)紹奮，1992；王若柏，1995；劉經(jīng)南等，2002）。

圖2b顯示，研究區(qū)2000—2005年地殼垂直形變特征與上期相比總體趨勢較為一致，太行山山前構(gòu)造帶以西區(qū)域?yàn)槁∩?，最大速率約為6.3 mm/a，但下花園—化稍營、高碑店—北京—密云一帶呈現(xiàn)下沉趨勢，而這2個(gè)區(qū)域恰好是NNE向的延慶—懷來構(gòu)造帶、懷柔—北京—涿縣構(gòu)造帶與NWW向的張渤構(gòu)造帶的交錯(cuò)位置（張祖勝等，1981；韓月萍等，2010；張四新，張希，2012；蘇建鋒，薄萬舉，2016），表明了這個(gè)時(shí)期內(nèi)這3個(gè)構(gòu)造帶活動(dòng)明顯。研究區(qū)西部形變特征變化較大，岱海斷陷帶東北部及山西斷陷帶北部由微沉變?yōu)樯仙?，而大同盆地、忻定盆地北部出現(xiàn)較大的下沉，下沉速率最大達(dá)7.5 mm/a，太行山斷塊仍以隆升為主，但上升速率有所減小，約為2 mm/a。

圖2c顯示，研究區(qū)2005—2015年地殼垂直形變?cè)诶^承前期特征的基礎(chǔ)上主要變化體現(xiàn)在量值上，尤其是上升區(qū)域年速率明顯增大，鄂爾多斯斷塊東緣、太行山斷塊上升速率約為1～8 mm/a，研究區(qū)東部的唐山斷裂、灤縣—樂亭斷裂也有2 mm/a的小幅下沉。延慶—懷柔構(gòu)造帶與張渤構(gòu)造帶均呈下沉趨勢，但速率不大，約為0～3 mm/a。主要下沉區(qū)集中在山西斷陷帶，包括呼包盆地、大同盆地和太原盆地。

1985—2015年，由于間隔時(shí)間較長，公共測點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少，圖2d顯示30年內(nèi)研究區(qū)地殼垂直運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)，以繼承性運(yùn)動(dòng)為主，但該時(shí)期的不同時(shí)間段內(nèi)存在小幅波動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特征。延慶—懷來構(gòu)造帶與張渤構(gòu)造帶交叉地帶是形變較為復(fù)雜的區(qū)域，這也說明這段時(shí)間內(nèi)相應(yīng)的斷層構(gòu)造較為活躍。少部分下沉區(qū)分布在盆地附近，主要有呼包盆地、大同盆地、太行山斷塊北段與張渤構(gòu)造帶交界地區(qū)。

2.2 水準(zhǔn)剖面分析

豐鎮(zhèn)—大同—淶源水準(zhǔn)剖面自北向南穿過口泉斷裂、六棱山北麓斷裂和太白山山前斷裂等?？谌獢嗔颜共荚诖笸璧氐奈鱾?cè)，NNE走向，SE傾向，斷層性質(zhì)為右旋走滑，其西側(cè)為口泉山脈，東側(cè)為大同盆地。圖3顯示，1985—2015年各個(gè)時(shí)期口泉斷裂上下盤斷層相對(duì)形變速率分別為-0.5，0.13，-0.03 mm/a，說明這個(gè)時(shí)期內(nèi)口泉斷裂活躍度較低。六棱山北麓斷裂為正斷層，走向NEE—NE，傾向NNW—NW，各時(shí)期上下盤形變相對(duì)速率分別為0.25，-1.4，-5.4 mm/a，該斷裂由弱壓性變?yōu)閺埿曰顒?dòng)，且近期活動(dòng)速率有增大趨勢。太白山山前斷裂為正斷層，走向NEE，傾向NW，各時(shí)期斷層兩側(cè)速率差分別為-0.8，0.04，0.24 mm/a，速率變化不大，表明該斷裂處于一定的閉鎖狀態(tài)。

張家口—下花園—延慶水準(zhǔn)剖面自西向東分別跨越了懷涿盆地北緣斷裂、延礬盆地北緣斷裂等。懷涿盆地北緣斷裂傾向?yàn)镾E，為正斷層，計(jì)算該斷裂兩側(cè)20 km內(nèi)測點(diǎn)形變量，如圖4所示。從圖中可看出，1985—2015年各時(shí)間段上盤相對(duì)于下盤形變速率均表現(xiàn)為張性活動(dòng)。延礬盆地北緣斷裂傾向?yàn)镾E，活動(dòng)性質(zhì)為正斷層，上盤相對(duì)于下盤形變總體上也以張性活動(dòng)為主。該剖面2條斷裂近年活動(dòng)特征與正斷層的性質(zhì)相符，可以看出張家口—下花園—延慶水準(zhǔn)剖面的垂向形變以繼承性運(yùn)動(dòng)為主。

3 斷裂活動(dòng)性與地震關(guān)系

利用華北北部地區(qū)跨斷層形變測量觀測資料，分別從斷層活動(dòng)方式和活動(dòng)速率研究區(qū)域內(nèi)各條斷層的活動(dòng)特征，由于跨斷層場地較多，僅給出部分變化顯著的場地或臺(tái)站計(jì)算結(jié)果（李臘月等，2014；王永安等，2011；徐東卓等，2017b）。精密水準(zhǔn)觀測資料獲取的背景場給出了中長期垂直形變梯度，定性分析研究區(qū)垂直形變速率與周邊地震的關(guān)系。

3.1 斷裂活動(dòng)性分析

基于跨斷層短水準(zhǔn)資料，以起始年觀測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，將每年各個(gè)月份觀測值減去基準(zhǔn)年對(duì)應(yīng)月份的數(shù)值，計(jì)算垂直形變累積量及速率，這樣可以消除季節(jié)、氣象變化等引起的年周變影響。華北北部地區(qū)的跨斷層場地及臺(tái)站主要分布在首都圈地區(qū)的張家口—渤海構(gòu)造帶西部及山西斷陷帶中北段，故分別對(duì)這2個(gè)區(qū)域跨斷層數(shù)據(jù)處理分析。

圖5給出了張家口—渤海構(gòu)造帶部分跨斷層場地垂直形變累積活動(dòng)量變化曲線。大灰廠、京西測點(diǎn)跨越八寶山斷裂，密云測點(diǎn)跨越二甲峪—密云斷裂，數(shù)據(jù)顯示這2條斷裂均從相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)轉(zhuǎn)向壓性活動(dòng)，尤其是從1992年后，大灰廠測點(diǎn)垂直活動(dòng)速率明顯加大，直至2005年變化幅度逐步減緩；其他測點(diǎn)監(jiān)測的相應(yīng)斷裂活動(dòng)均為張性運(yùn)動(dòng)，而且大多數(shù)從1990年左右開始，斷層的活動(dòng)性明顯加強(qiáng)。

山西斷陷帶中北段測點(diǎn)垂直形變累積量變化如圖6所示，結(jié)果顯示各個(gè)場地及臺(tái)站監(jiān)測斷裂活動(dòng)性一致，均表現(xiàn)為張性正斷層活動(dòng)，且活動(dòng)量逐年增加，涉及的斷裂主要有系舟山北麓斷裂、口泉斷裂、恒山北麓斷裂等。其間，茶房口與眉音口測點(diǎn)出現(xiàn)過破趨勢變化，即1995年呈現(xiàn)大幅加速，1年后又急速下降，這種異常變化可能與1996年包頭M6.4地震有關(guān)。

3.2 地震危險(xiǎn)性分析

圖7展示了研究區(qū)1985—2015年的垂直形變梯度與MS≥5.5地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系。地震目錄統(tǒng)計(jì)顯示，1985—2015年該地區(qū)發(fā)生MS≥5.5地震10余次。除強(qiáng)下沉區(qū)外，高梯度分布區(qū)主要有5個(gè)，分別是太行山斷塊北部的張家口—下花園—岔道、北京—密云、高麗鋪—唐山，岱海盆地西部的呼和浩特—和林格爾、山西斷陷帶的大同—山陰—陽明堡。

1989年10月18日大同MS6.1地震與1998年1月10日張北MS6.2地震均發(fā)生在高梯度帶附近區(qū)域。大同所處的山西斷陷帶一直是中小地震活躍區(qū)，主要分布有口泉斷裂、六棱山北麓斷裂等，1985—2000年豐鎮(zhèn)—大同—山陰形變表現(xiàn)出下沉趨勢，從2000年開始下沉趨勢明顯增大，高梯度區(qū)也向大同東南方向擴(kuò)大，剖面結(jié)果顯示六棱山北麓斷裂由1985—2000年的弱壓性（0.25 mm/a）到張性活動(dòng)（-1.4 mm/a）。2004年1月20日，河北灤縣附近發(fā)生MS5.0地震，這一帶育有灤縣—樂亭斷裂、唐山斷裂等，灤縣周邊地區(qū)呈弱上升趨勢，而從唐山到灤縣是等值線變化的交界區(qū)，由下降變?yōu)樯仙?，也位于高梯度范圍?nèi)。2006年7月4日文安發(fā)生MS5.0地震，該區(qū)域恰好處于張家口—渤海構(gòu)造帶與太行山斷塊交會(huì)地帶，懷涿盆地北緣斷裂和延礬盆地北緣斷裂西南端，斷裂發(fā)育豐富，1985—2005年文安地區(qū)相對(duì)周邊形變特征均表現(xiàn)為下沉，且延礬盆地北緣斷裂活動(dòng)由0.1 mm/a的弱壓性活動(dòng)變?yōu)?0.9 mm/a的張性運(yùn)動(dòng)，斷層活動(dòng)性質(zhì)變化明顯，同時(shí)文安地區(qū)也是形變速率高梯度帶集中的一個(gè)重要區(qū)域。

4 討論與結(jié)論

本文對(duì)華北北部地區(qū)多期復(fù)測精密水準(zhǔn)資料及跨斷層形變資料整理分析，總結(jié)了該區(qū)域的地殼垂直形變演化特征，分析獲取了部分?jǐn)嗔训幕顒?dòng)性，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景及地震活動(dòng)性，得出了以下結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

（1）華北北部地區(qū)的地殼垂直形變以繼承性運(yùn)動(dòng)為主，斷裂活動(dòng)總體上相對(duì)平穩(wěn)。研究期內(nèi)，地殼垂直形變首先表現(xiàn)為明顯的繼承性運(yùn)動(dòng)，太行山山前構(gòu)造帶以西總體上升，華北平原下沉，燕山塊體較為穩(wěn)定，構(gòu)造性運(yùn)動(dòng)明顯，這與各主要斷裂活動(dòng)性質(zhì)較一致。

（2）通過對(duì)斷層活動(dòng)性分析，發(fā)現(xiàn)張家口—渤海構(gòu)造帶西段總體活動(dòng)水平較低，張性活動(dòng)相對(duì)增強(qiáng)，壓性活動(dòng)有減弱趨勢；山西斷陷帶中北段斷裂垂直形變累積的量值較大，總體以張性正斷層活動(dòng)為主，這與地質(zhì)構(gòu)造背景吻合度較高，表明了山西斷陷帶斷裂仍以繼承性運(yùn)動(dòng)為主。

（3）統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)近年發(fā)生M≥5.5地震為10余次，從地震活動(dòng)性來看，該區(qū)域處于一種相對(duì)較為平靜的狀態(tài)。地殼垂直形變高梯度區(qū)與地震對(duì)應(yīng)關(guān)系較為明顯，可以認(rèn)為形變高梯度帶對(duì)危險(xiǎn)區(qū)的判定具有積極的指導(dǎo)意義。從中長期地殼形變趨勢分析，認(rèn)為太行山斷塊北部的張家口—下花園—岔道、北京—密云、高麗鋪—唐山，岱海盆地西部的呼和浩特—和林格爾、山西斷陷帶的大同—山陰—陽明堡等地區(qū)是地殼形變監(jiān)測與關(guān)注的重點(diǎn)地帶，值得持續(xù)跟蹤關(guān)注。

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Abstract Based on the repeated measurement data and cross-fault data in the northern area of North China，we calculate the vertical strain rate during 1985-2015 for several periods.The results reflect deformation characteristics and seismicity by contour line and gradient of vertical deformation.Combining the observation data of cross-fault deformation，the activity of the main faults in the region is analyzed.Then we identify the overall trend of deformation，and to require critical attention in the region and areas.The results show that the northern part of North China is dominated by the succession movement，at the same time the west of the Taihang Mountain front tectonic zone is generally raising，and the North China plain subsidence and the Yanshan block is steady.The overall activity of the western section of the Zhangjiakou-Bohai tectonic belt is low，and the main faults in the middle northern section of the Shanxi fault depression zone mainly present as normal fault activity.The interlaced area of the two fault phase is a high gradient concentrated area with high vertical deformation and the frequency of moderate strong earthquakes is high，and these areas need sustained and focused attention in the future.

Keywords：vertical deformation；fault activity；high gradient；seismic activity；in the northern area of North China