基于GNSS數(shù)據(jù)的河北地區(qū)形變特征

屈 曼，侯曉真，馬 棟，陳建國

（河北省地震局，石家莊 050021）

0 引言

河北地區(qū)存在許多重要的發(fā)震斷裂，主要斷裂包括河北平原斷裂帶、張渤斷裂帶和唐山斷裂帶等。河北平原帶為華北第三、第四活動期強震活動主體地區(qū)之一, 主要發(fā)育一系列新生地震構造帶[1]；NW向張家口-蓬萊斷裂帶由近20條NW至NWW向斷裂組成，是一條對新生代區(qū)域地質構造發(fā)育起到重要控制作用的地殼構造帶[2]；唐山斷裂帶存在明顯剪切應力高值區(qū)，深部斷裂存在孕育較強地震的可能性[3]。該區(qū)歷史上發(fā)生過多次重大破壞性地震，給社會帶來了嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失，如1966年邢臺6.8級、7.2級地震、1978年唐山7.8級大地震等。河北地區(qū)是中國經(jīng)濟發(fā)展水平較高、大中城市集中、人口較稠密地區(qū)，一旦發(fā)生嚴重破壞性地震，損失將十分慘重。因此加強該地區(qū)的震情監(jiān)測，掌握該地區(qū)構造運動和地形變特征是當前一項十分重要的工作。

以GPS為代表的空間對地觀測技術為高精度、高密度的地殼運動觀測研究提供了革命性的手段。國內外許多學者利用GPS數(shù)據(jù)對地殼形變和地震預測進行了大量的研究工作，取得了一些有價值的地球動力學和大地構造學的新認識、新結論。江在森等利用最小二乘配置方法獲取了中國大陸連續(xù)速度場和低頻應變場，并且分析了這些連續(xù)場的特征與地震的關系[4]；王敏等通過分析中國地殼運動觀測網(wǎng)絡GPS數(shù)據(jù)特別是1999年、2001年區(qū)域網(wǎng)數(shù)據(jù)，初步得到了中國大陸地殼運動速度場[5]。許多學者針對華北地區(qū)的地形變特征進行了深入的分析研究，例如趙斌等[6]對華北地區(qū)大規(guī)模GPS流動站和連續(xù)站觀測資料進行統(tǒng)一處理,獲得有效垂直運動速度場特征；劉峽等[7]利用GPS觀測資料，研究華北地區(qū)現(xiàn)今地殼運動及形變動力學機理。雖然利用GPS數(shù)據(jù)對大地形變特征進行的分析研究做了很多，但是利用GPS資料針對河北地區(qū)地形變特征的分析研究相對較少。本文利用中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡（簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡”）GNSS連續(xù)站觀測數(shù)據(jù)，在分析河北地區(qū)現(xiàn)今水平運動和變形特征的基礎上，重點分析張渤帶、唐山地區(qū)以及河北平原帶的地變形特征，以期為河北地區(qū)未來地震形勢分析提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)處理

陸態(tài)網(wǎng)絡在河北省共建設有8個GNSS站，分別是隆堯站、鹿泉站、滄縣站、承德站、唐山站、陽原站、赤城站、張家口站。搜集研究區(qū)域GNSS連續(xù)觀測站和309個全球IGS站的數(shù)據(jù)資料，其中GNSS數(shù)據(jù)資料以河北省8個GNSS站為主，以北京、天津、山西、山東等周邊地區(qū)GNSS觀測資料為輔（圖1）。采用的數(shù)據(jù)處理軟件是美國研發(fā)的GAMIT/GLOBK10.7軟件，利用該軟件將上述數(shù)據(jù)資料進行統(tǒng)一解算，得到各測站的單日解，再進行整網(wǎng)平差，最終得到ITRF2014框架下的時間序列結果。解算過程中使用的具體模型和參數(shù)見表1。

圖1 GNSS測站分布圖

表1 解算過程中使用的具體模型和參數(shù)統(tǒng)計表

2 河北地區(qū)近期水平運動分析

利用河北省和周邊地區(qū)17個陸態(tài)網(wǎng)絡GNSS連續(xù)站2010—2021年水平方向時間序列獲得了各測站在全球參考框架ITRF2014下水平運動速度場。結果顯示：在全球參考框架下，河北地區(qū)整體運動方向為東南向，東向運動速率約為30 mm/a，北向速率約為?10 mm/a（圖2a）。

圖2 河北地區(qū)水平速度場.

為了凸顯河北地區(qū)內部相對運動，利用河北地區(qū)和周邊省市陸態(tài)網(wǎng)絡GNSS連續(xù)站水平速率計算整體運動參數(shù)[8]。根據(jù)公式（1），理論上只需有2個測站即可求得歐拉運動矢量。

為了增加歐拉運動矢量的穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)計算過程中盡可能應用較多的公共點。為了消除某些誤差較大的公共點影響，采用“n倍中誤差準則”，即設置準則（所有公共點殘差絕對值小于n倍均方差）。如果計算結果滿足準則即退出循環(huán)，反之則刪除殘差絕對值大于閾值的測點，重新求解歐拉運動矢量，直至滿足準則為止。每次歸化時，調整n值，測站數(shù)量較多時調低n值（1～2之間），測站數(shù)量較少時則調高n值（2～3），在參與解算的測站數(shù)量和解算精度之間尋找一個最佳結果[9]。最后調試結果為n=1.8，選用10個測站（圖2b藍色三角型）計算歐拉運動矢量。

各測站相對水平運動結果表明（圖2b）：河北地區(qū)及周邊省市水平相對運動較為平穩(wěn)，6個測站相對運動量值在1 mm/a以內；在水平運動方向上，整體運動方向均為東南向運動，反映出該區(qū)域整體水平運動比較平穩(wěn)，年變化量不大。一些測站（如HETS、TJWQ）由于測站環(huán)境的影響，相對運動量值較大。2016年11月10日，HETS站更換了接收機，導致數(shù)據(jù)變化受到干擾。

3 應變時間序列分析

3.1 應變分區(qū)結果分析

河北及其周邊地區(qū)主要斷裂包括河北省北部的張渤斷裂帶和河北平原斷裂帶。晉冀蒙交界地區(qū)連續(xù)多年來被劃為全國地震危險區(qū)，首都圈地區(qū)作為全國政治經(jīng)濟中心，也是地震系統(tǒng)內高度關注的地區(qū)。流動重力觀測顯示華北地區(qū)存在異常，異常區(qū)仍處于河北西南部，流動地磁觀測也顯示河北省中西部及南部存在異常。鑒于以上地區(qū)存在的地震危險性，同時考慮到河北省GNSS站數(shù)量較少，其分布南少北多，大多數(shù)站點集中在河北中北部地區(qū)即張家口-渤海斷裂帶（簡稱“張渤帶”）及附近地區(qū)，而在中南部地區(qū)只有2個站點，所以選取山西省、河南省、內蒙古自治區(qū)的部分站點一起組建河北地區(qū)應變分區(qū)（圖3）。

圖3 河北地區(qū)應變分區(qū)圖

根據(jù)河北地區(qū)的分區(qū)情況，將每個分區(qū)分別進行了應變計算。由于不同分區(qū)所處的應力環(huán)境和地質條件不同，各分區(qū)應變時序結果顯示出不同的變化特征（表2）。

表2 應變時序變化特征統(tǒng)計表

3.1.1 河北平原帶

SXLQ—SXYC—HAHB—HECX—TJWQ—BJFS區(qū)域位于河北省中南部，覆蓋了河北平原帶的主要斷裂，包括太行山山前斷裂帶—元氏斷裂、邯鄲斷裂、邢臺斷裂、新河段裂等。該區(qū)域的主張、主壓應力均存在較穩(wěn)定的變化趨勢和年變形態(tài)。冬季背景噪聲比較小，夏季背景噪聲比較大；冬季處于年變形態(tài)的波谷階段，夏季處于年變形態(tài)的波峰階段（圖4）。

圖4 河北平原帶應變時序

3.1.2 唐山地區(qū)

JIXN—TJBD—TJBH—HETS區(qū)域位于唐山和天津地區(qū)，主要斷裂包括唐山斷裂、薊運河斷裂、潘莊西斷裂等。該區(qū)域主張應力在2016年出現(xiàn)趨勢轉折，由以往的趨勢上升轉為趨勢緩慢下降，表明該區(qū)域主張應力自2016年出現(xiàn)減小跡象；主壓應力未出現(xiàn)明顯的異常變化（圖5）。

圖5 唐山地區(qū)應變時序

3.1.3 張渤帶

BJFS—TJBD—BJGB—HECC—BJYQ區(qū)域位于北京、廊坊地區(qū)，為張渤帶的中段，主要斷裂包括南口山前斷裂、東北旺-小湯山斷裂、永定河斷裂、孫河-小口斷裂、順義良鄉(xiāng)斷裂、大興-通縣斷裂等。該區(qū)域主張應變未出現(xiàn)明顯的大幅異常；主壓應變自2016年出現(xiàn)了趨勢轉折變化，由以往的平穩(wěn)變化轉為趨勢下降變化，表明區(qū)域內主壓應力的減小（圖6）。

圖6 BJFS—TJBD—BJGB—HECC—BJYQ應變時序

HECC—BJYQ—BJFS—HEYY—HEZJ區(qū)域位于張家口地區(qū)，為張渤帶的西段，主要斷裂包括蔚縣盆地南緣斷裂、陽原盆地北緣斷裂、懷涿盆地北緣斷裂、延慶-礬山盆地北緣斷裂等。該區(qū)域主張應力背景值比較雜亂，但從趨勢上可以看出，一定程度上存在趨勢轉折現(xiàn)象。2018年出現(xiàn)轉折上升變化，表明主張應力有所增大；主壓應力在2015年出現(xiàn)了短期的下降變化，2016年轉折為平穩(wěn)變化（圖7）。

圖7 HECC—BJYQ—BJFS—HEYY—HEZJ應變時序

3.1.4 晉冀蒙地區(qū)

HEYY—HEZJ—HECC—NMZL—NMTK—SXDT區(qū)域位于晉冀蒙交界地區(qū)，該區(qū)主要斷裂包括懷安-萬全盆地北緣斷裂、天鎮(zhèn)-陽高盆地北緣斷裂、蠻漢山山前斷裂等。該區(qū)域的主張應力和主壓應力的變化背景都比較雜亂，但是從趨勢上分析，可以粗略地判斷趨勢變化。主張應力2017年下半年出現(xiàn)了趨勢轉折，由以往的趨勢上升轉折平穩(wěn)變化，表明主張應力有所減??；主壓應力2017年下半年出現(xiàn)了趨勢下降變化，表明該區(qū)內主壓應力有所減小（圖8）。

圖8 HEYY—HEZJ—HECC—NMZL—NMTK—SXDT應變時序

3.2 與定點形變觀測手段對比分析

通過將應變時序結果與定點形變觀測結果對比發(fā)現(xiàn)，張渤帶西段存在一定的對應關系，其他分區(qū)無較好對應。張渤帶西段即張家口地區(qū)的應變時序結果顯示，2017年底該區(qū)主張應變轉折上升趨勢變化，表明該區(qū)主張應變增大。通過對定點形變觀測手段進行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：張家口伸縮儀EW分量在同期也出現(xiàn)了轉折變化，由壓性變化轉折張性變化，并且時間一致性比較好；張家口伸縮儀NE分量2017年初也出現(xiàn)了轉折張性變化，在時間上較應變時序早，但變化性質一致（圖9），表明該區(qū)的應變變化情況比較可靠。

圖9 張家口地區(qū)應變數(shù)據(jù)對比

4 結論

利用河北及周邊地區(qū)的GNSS觀測數(shù)據(jù)，得到了河北地區(qū)2010—2021年水平運動速度場；根據(jù)GNSS測站分布和地震危險性對河北地區(qū)進行分區(qū)，分別計算各分區(qū)的應變時序結果，總結河北地區(qū)應變結果的時空變化特征，并與其他前兆觀測手段進行分析對比。

1）河北省內8個GNSS站點的原始時間序列水平運動結果主要表現(xiàn)為向東南方向運動。從長時間尺度來看，各站點的運動速率變化不大，基本較為平穩(wěn)。參考前人的研究成果，在ITRF08框架下中國大陸整體運動方向為東南向[5]，與本文的研究結果較為一致；扣除區(qū)域內整體運動后，省內測站相對水平運動不顯著，6個測站量值在1 mm/a以內，反映出該區(qū)域整體水平運動比較平穩(wěn)，年變化量不大。

2）針對河北地區(qū)各個分區(qū)應變時序結果進行了綜合分析，梳理了各分區(qū)的應變變化特征，結果表明：晉冀豫交界地區(qū)2018年主壓應力有所減弱；冀魯交界地區(qū)自2016年主壓應力有所增大；京津冀交界地區(qū)2016年主壓應力有所減??；唐山、天津地區(qū)2016年主張應力有所減?。粡埐硯У奈鞫?、張家口地區(qū)2016年主壓應變下降減緩，2018年主張應力增大；晉冀蒙交界地區(qū)自2017年下半年主壓應力減小。

致謝感謝中國地震局第一監(jiān)測中心提供陸態(tài)網(wǎng)絡連續(xù)站解算結果。