華北地區構造應力場年動態變化特征的數值模擬*

陳連旺 詹自敏

(中國地震局地殼應力研究所數值模擬實驗室，北京 100085)

華北地區構造應力場年動態變化特征的數值模擬*

陳連旺 詹自敏

(中國地震局地殼應力研究所數值模擬實驗室，北京 100085)

利用華北地區巖石圈三維黏彈性有限元數值模型，模擬得出華北地區構造應力場現今年變化特征：1)構造應力年變化場的主張應力方向為NNW-SSE，平均量級為3～9 kPa a-1;構造應力年變化場的主壓應力方向為NEE-SWW，平均量級為1～6 kPa a-1;華北地區現今主要處于張性構造應力場作用下;2)構造應力年變化場的最大主張應力(NNW向)總體呈現西高東低，且東北部地區較高的空間分布特征，構造應力年變化場的最大主壓應力(NEE向)的高值區位于東北部和西南部，上述變化特征有利于山西地區和遼寧地區斷裂活動的增強，進而有可能加速這些地區潛在地震的孕震過程;3)郯廬帶斷裂面庫侖破裂應力年累積速率具有分段特征：嘉山-廣濟段的年累積速率最高，平均達6 kPa a-1;鞍山-遼東灣段的年累積速率次之，平均達5 kPa a-1;渤海段和萊州灣-嘉山段的年累積速率相對較低，平均為3～4 kPa a-1。

華北地區;構造應力場;數值模擬;年變化特征;活動斷裂

1 引言

1986—1990年開展的“世界應力圖”的合作研究，建立了世界性的地應力數據庫，編制了世界應力圖，對板內應力場研究成果進行了總結［1，2］，并分析了與板塊運動密切相關的一級應力場的基本特征，指出一級應力場的基本動力源很可能主要是板塊碰撞力和洋脊推力。新生代以來，特別是第四紀以來，構造應力場在某些地區發生了明顯的變化。對于一個地區而言，區域背景應力場的絕對值是一個非常重要的因素，但是一個地區深部應力場的絕對值是很難準確得到的。因此，研究區域應力場的變化則可能成為許多研究課題取得進展的關鍵所在。例如，對于地震的孕育進程而言，未來潛在地震的孕育區，應力場的增強將加快地震孕育的進程;反之，應力值的減弱將延遲地震孕育的進程。張超和陳連旺曾經在對于應力場的演化機制做過理論研究①張超，陳連旺.我國大陸斷層現代形變與地震活動關系的研究.1994，由于當時的條件所限，沒有進行具體的模擬計算。

本文根據華北地區構造邊界、全新世活動斷裂、地殼上地幔三維波速結構以及地殼深部構造物理環境等資料，確定適當的華北地區幾何邊界條件，建立橫向分區且有起伏、縱向分層的華北地區三維巖石圈黏彈性有限元模型，模擬華北地區構造應力場近年來發生的變化，研究華北地區現今構造應力場的年平均變化特征及其對主要活動斷裂的影響。

2 華北地區的三維黏彈性有限元模型

綜合考慮新構造活動性斷裂、斷陷盆地、地震活動性特征及其相關性，確定地質模型的邊界如下∶北部邊界基本上沿著大華北地區的北界，大約在43°附近;西部邊界以鄂爾多斯隆起西緣為界;南部邊界沿秦嶺大別山一線;東部邊界在郯廬斷裂帶以東的125°E;垂直方向從地表至上地幔。

選取的華北地區36條活斷層的具體參數如表1所示。

本文使用PRONY模型來模擬巖石圈介質的流變特性，其中彈性參數主要依據黃忠賢提供的波速結構數據［3，4］導出，流變參數的確定參考了臧紹先等2002年建立的華北巖石圈流變結構初步模型［5-7］;對于斷層，介質參數取為周邊塊體的十分之一。地形起伏數據來源于 http：//srtm.csi.cgiar.org/。有別于以往較粗糙的按照地質構造格局確定三維模型介質物性分區的方法，本文依據華北地區三維波速結構的反演數據，分別對模型中的每一個單元確定各自的物性參數，這種方法實現了物性參數較為連續的變化，相對而言，模型物性結構更為精細。因此，本文模型介質屬性的組數等于單元個數，共有254 156組介質參數。

本文的華北地區三維有限元模型共有254 156個單元，234 056個節點，有限元模型簡圖見圖1。

圖1 華北模型網格劃分及傾斜斷層示意圖Fig.1 Gridiron and sloping fault of the model of North China

3 華北地區現今構造應力場年變化圖像

3.1 華北地區現今構造應力場年變化邊界載荷的確定

華北地區的GPS網開展了多期高精度流動觀測。符養等［8］利用IERS公布的ITRF97速度場建立全球板塊運動模型，并利用基本網1998年和2000年的觀測結果，給出了相對于ITRF97歐亞板塊模型的速度數據。張靜華［9］利用華北及鄰區的GPS觀測數據研究了區域現今構造形變場。本文利用文獻［9］獲得的GPS年平均位移數據插值出有限元模型四周邊界節點上的位移數據，作為模擬計算的邊界條件開展華北地區構造應力場現今年變化特征的數值模擬研究。

3.2 華北地區構造應力場近期年變化特征

華北地區近期年變化特征的數值模擬結果見圖2、圖3和表2。

剔除有限元模擬的邊界效應以后，華北地區構造應力場現今變化主要特征為：

構造應力年變化場的主張應力為NNW-SSE方向，平均量級為3～9 kPa a-1;構造應力年變化場的主壓應力為NEE-SWW方向，平均量級為1～6 kPa a-1。華北地區現今主要處于張性構造應力變化場的作用之下，相應的形變場年變化特征主要體現為NNW-SSE方向張性構造運動。對比華北地區大約為幾十MPa量級的壓性背景構造應力場，模擬結果表明，現今華北地區的壓性構造應力場在NNW-SSE方向上正在減小，減小的平均量級約為6 kPa a-1;在NEE-SWW方向仍在增大，增大的平均量級約為3 kPa a-1。分析應力場與斷裂活動之間的關系，上述現今構造應力場的年變化特征，既有利于華北地區NE向斷裂的右旋走滑運動，又有利于華北地區NW向斷裂的左旋走滑運動。

表1 華北模型所選斷裂及斷層參數*Tab.1 Selected faults and their parameters in North China

圖2 華北地區構造應力場年變化圖像Fig.2 Annual change patterns of tectonic stress field in North China

圖3 華北地區構造應力場年變化矢量圖Fig.3 Vector pattern of annual change of tectonic stress field in North China

表2 華北地區構造應力場年變化矢量分區數據Tab.2 Sub-region vector data of annual change of tectonic stress field

構造應力年變化場的最大主張應力(NNW向)呈現西高東低的空間分布特征，說明華北地區西部的構造應力場沿NNW-SSE方向上的減小幅度比較大。山西斷陷帶是華北地區一條重要地震帶，它在華北地區構造運動中的作用引人關注。山西斷陷帶及其鄰區出現較大的NNW-SSE向應力減小，有利于促進山西斷陷帶的右旋走滑斷層活動。東北部地區的構造應力場沿NNW-SSE方向上的減小幅度也比較大，意味著較大的NNW-SSE向應力減小，有利于NE向斷裂的右旋走滑運動以及NW向斷裂的左旋走滑運動。華北地區構造應力年變化場的最大主壓應力(NEE向)的高值區位于東北部和西南部，表明在NEE方向上，華北地區的東北部和西南部的應力增大的量值相對較大，有利于NE向斷裂的右旋走滑運動以及NW向斷裂的左旋走滑運動。

張靜華等［9］研究了華北地區水平形變場，發現存在比較一致的SE向運動，且運動方向繞順時針方向逐漸旋轉，從西向東運動速率逐漸增大，華北EW向和NWW向斷裂基本上為左旋走滑型，NNE向和NE向斷裂基本上為右旋走滑型，華北地區應變場的基本格架是NEE-SWW方向壓縮與NNWSSE方向擴張，主壓應變率從西向東逐漸增大而主張應變率從西向東逐漸減小。上述華北地區水平形變場特征與本文利用邊界位移載荷計算得到的構造應力場年變化特征基本一致。

3.3 郯廬斷裂帶庫侖破裂應力累積速率分段特征

郯廬斷裂帶是中國東部一條巖石圈尺度的構造不連續帶，南起湖北廣濟，經安徽廬江、山東郯城、渤海，過沈陽后分為西支的依蘭-伊通斷裂帶和東支的密山-撫順斷裂帶，為一NNE向延伸的巨型走滑斷裂帶。根據文獻［10，11］的研究結果，并參考文獻［12］的分段方法，將研究區范圍內的郯廬帶分為①鞍山-遼東灣段、②渤海段、③萊州灣-嘉山北段、④萊州灣-嘉山中段、⑤萊州灣-嘉山南段、⑥嘉山-廣濟段等6段(圖4)，分別計算各段斷裂面上庫侖破裂應力年累積速率，考慮到華北地區地震震中優勢分布特征，僅給出深度為5～20 km斷裂面上的結果。

關于庫侖破裂應力理論與計算方法的文獻很多［13］，本文計算時摩擦系數取為0.4。具體計算結果見圖5。

圖4 郯廬帶分段圖Fig.4 Segmentation of Tanlu fault belt

在板塊運動的動力邊界作用下，對應于構造特征及地震活動的分段差異性，郯廬帶不同斷裂面上的庫侖破裂應力年累積速率也不同：1)郯廬帶南段(嘉山-廣濟段)的年累積速率最高，平均達6 kPa，最高值出現在南部。該區域近百年以來曾經發生了1917年霍山6.3級地震。2000年以來，在研究區的南側發生了2005年九江5.7級地震以及2011年九江4.6級地震，可能與現今庫侖破裂應力累積速率較大相關。2)郯廬帶北段(鞍山-遼東灣段)的年累積速率次高，平均達5 kPa;該區域近百年以來曾經發生過1940年遼東灣5.8級地震和1975年海城7.3級地震。M-T圖顯示海城7.3級地震之后的震級下降趨勢不明朗［12］，較高的庫侖破裂應力累積速率也可能預示著該區域地震形勢不容忽視。3)郯廬帶渤海段和中段(萊州灣-嘉山段)的年累積速率相對較低，平均為3～4 kPa;渤海段一百多年以來發生了1888年7.5地震和1969年7.4級地震;萊州灣-嘉山段雖然發生了1668年郯城8.5級地震(郯廬帶最大地震)和1829年青州6.3級地震，但震級總體呈下降趨勢［12］，與相對較低的庫侖破裂應力累積速率相符。

圖5 郯廬帶斷裂面庫侖破裂應力累積速率Fig.5 Annual cumulative rate of coulomb fracture stress of Tanlu fault belt

4 結論與討論

模擬結果表明，現今華北地區的壓性構造應力場在NNW-SSE方向上正在減小，在NEE-SWW方向仍在增大。NNW-SSE向張應力平均值大約是NEESWW向壓應力平均值的2倍，華北地區現今主要處于NNW-SSE方向張性構造應力變化場的作用之下，相應的形變場年變化特征主要體現為NNW-SSE方向張性構造運動，與張靜華等［9］給出的華北地區水平形變場特征基本一致。

構造應力年變化場的最大主張應力(NNW向)總體呈現西高東低且東北部地區較高的空間分布特征，華北地區構造應力年變化場的最大主壓應力(NEE向)的高值區位于東北部和西南部。綜合考慮NNW向和NEE向構造應力場的年變化特征及其對于不同走向活動斷裂運動狀態的影響，可以發現，華北地區現今構造應力場的變化特征，對于山西斷陷帶NE向右旋走滑斷裂和遼寧地區NE向右旋走滑斷裂、NW向左旋走滑斷裂的影響應該引起注意。此變化特征，有利于這些地區斷裂活動性的增強，進而有可能加速這些地區潛在地震的孕震過程。

郯廬帶斷裂面庫侖破裂應力年累積速率具有明顯的分段特征：1)郯廬帶南段(嘉山-廣濟段)的年累積速率最高，平均達6 kPa;2)郯廬帶北段(鞍山-遼東灣段)的年累積速率次高，平均達5 kPa;3)郯廬帶渤海段和中段(萊州灣-嘉山段)的年累積速率相對較低，平均為3～4 kPa。對于郯廬帶而言，其南段和北段的潛在孕震進程值得關注。

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NUMERICALLY MODELING OF ANNUAL CHANGE OF TECTONIC STRESS FILED IN NORTH CHINA

Chen Lianwang and Zhan Zimin
(Laboratory of Numerical Modeling，Institute of Crustal Dynamics，CEA，Beijing 100085)

On the basis of a 3-D visco-elastic finite element model of lithosphere in North China，we simulated numerically the recent annual changing characteristics of tectonic stress field in the region as follows.1)The maximum principal extensional stress is 3-9 kPa a-1and its azimuth lie in NNW-SSE，the maximum principal compressive stress is about 1-6 kPa a-1and its azimuth lie in NEE-SWW.The whole North China is under the extensional stress field.2)The maximum principal extensional stress presents high in the west and low in the east，in general，and the stress of whole NE area is high，and the maximum compressive is high in the NE and SN area.This kind of change is benefical for the enhancement of the fault action in Shanxi and Liaoning areas and many speed up the potencial seismogenic process.3)Annual cumulative rates of coulomb fracture stress in Tanlu fault belt is of a segmentation pattern that the rate of Jiashan-Guangji segment is highest(6 kPa a-1)，in Anshan-Liaodong Bay segment it is higher(5 kPa a-1)and others are lower(3-4 kPa a-1).

North China;tectonic stress field;numerical simulation;annual change characteristics;active fault

1671-5942(2011)06-0001-06

2011-06-15

中央級公益性科研院所基本科研業務專項重點項目(ZDJ2009-06);中央級公益性科研院所基本科研業務專項重大項目(ZDJ2007-01)

陳連旺，男，1960年生，博士，研究員，主要研究方向為地球動力學.E-mail：chenlianwang@yahoo.com.cn

P315.72+5

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