晉冀蒙地區的垂直形變特征

陳阜超 陳聚忠 鄭智江

1 中國地震局第一地形變監測中心，天津市耐火路7號，300180

晉冀蒙地區北起呼和浩特－張北－延慶一線，南至興縣－太原－石家莊一線，西自呼和浩特－清水河－興縣一帶始，東至北京－石家莊一線，覆蓋了內蒙古南部、山西北部、河北和北京的西部地區。區域內包括呂梁山地塊、延慶－大同－太原盆地構造帶、太行山地塊3個構造單元。區域內地質構造復雜，活動性較強，有3 個較大的活動構造帶交匯。近東西向陰山－燕山南緣構造帶中段位于研究區北部，張家口－渤海北西向構造帶的西北段位于研究區東北部，山西盆地帶北段從南向北穿越研究區中部，它們控制著本區中強地震的孕育和發生。近幾十年來區域內發生過大同6.0級地震（1989－10－19）、張北6.2級地震（1998－01－10）和林格爾6.2級地震（1976－04－06）等多次中強地震，成為人們特別關注的地區。

本文旨在前人研究的基礎上［1－5］，利用1998、2006和2013年的水準復測資料，對研究區現今構造活動性及其垂直形變規律進行定量研究，分析呂梁山地塊、太行山地塊和山西盆地帶的垂直形變情況，給出該區域地殼垂直形變現今運動趨勢。

1 資料處理

水準測量數據以1998、2006和2013年復測資料為主，部分測線為相鄰年份的水準測量數據資料，經過整理獲得了完全對應的3×860個水準點的數據，水準測段平均距離為6.4km，3 期水準測線共計16 500 余km，組成16 個水準環線（圖1）。平差計算使用經典動態平差法，起算參考基準為北京原點［6－7］。

圖1 晉冀蒙區域水準測量網形圖Fig.1 Shanxi－Hebei－Inner Mongolia area leveling survey net

計算結果顯示，1998～2006年時段的平差計算單位權中誤差為0.94mm／a，2006～2013年為0.99mm／a，均小于1.0 mm／a，說明測量精度和平差精度較好。在平差計算的基礎上，獲得了1998～2006年和2006～2013年兩個時段的各水準點垂直形變速率，進一步計算得到垂直形變速率梯度，并繪制了兩個時段的垂直形變速率圖及其相對應的梯度圖（屬于無量綱數值）。

2 垂直形變速率

2.1 1998～2006時段

1998～2006年晉冀蒙地區的垂直形變（圖2）出現了涼城、興縣和壽陽3個上升速率較大的中心，形變速率6～8mm／a。清水河－左云、集寧－張家口－淶源－石家莊（包括中間的延慶－陽原盆地帶）廣闊地區為弱上升區，形變速率1～2mm／a。大同－代縣－忻州－太原盆地地帶為下降變化，形變速率在－3～－5mm／a。研究區東部邊緣地帶局部強烈下降形成漏斗，主要是開采地下水造成的。

由圖2可見，垂直形變速率等值線曲折延伸，大部分地區形成局部封閉的圖像，沒有出現長距離大規模的等值線密集條帶，也無明顯與構造走向平行延伸的等值線。垂直形變速率等值線形態松散，受斷裂構造控制性不顯著。

1998～2006年研究區垂直形變格局總體上山區以上升為主，盆地以下降為主。地殼垂直形變表現為繼承性運動為主，垂直形變速率等值線圖像大多數為局部封閉形態，顯示受構造控制不顯著，說明區域地殼活動性較弱。

該時段形變速率差異變化量表明，延慶－大同－太原盆地地帶的差異變化量最大，太行山區次之，呂梁山地區差異變化量最小，反映出盆地地帶差異活動性相對明顯。

圖2 1998～2006年垂直形變速率（mm／a）Fig.2 Vertical deformation rate during 1998－2006（mm／a）

2.2 2006～2013時段

晉冀蒙地區2006～2013年的垂直形變（圖3）整體上西北部上升，最大上升速率11 mm／a，位于卓資地區；東南部下降，一般下降速率為－1～－7mm／a；東部邊緣受開采地下水影響，強烈下沉，形變速率達到－15～－17mm／a。

由圖3可見，垂直形變速率等值線在偏關－左云－張家口一帶密集成束，直線延伸，規模較大。北京－阜平地帶等值線也較為密集，一定程度上呈直線展布。前者豐鎮－張家口地段與北東東向天鎮－陽高盆地北緣斷裂、懷安－萬全盆地北緣斷裂走向基本一致，豐鎮－左云－偏關地段與口泉斷裂大致平行，后者與太行山東麓斷裂構造近于平行，顯示出該階段垂直形變受構造控制。

2006～2013年呂梁山地區與前一時段變化大致相同，繼續上升變化，地殼呈繼承性運動，中部盆地地帶和東部太行山地區的垂直形變上升和下降變化與地質地貌特征不相符，顯示出新生性活動。尤其是太行山的壽陽地區，前一時段強烈上升，本時段變為下降。垂直形變速率差異變化量顯示，呂梁山地區最大，太行山區次之，盆地地帶最小。垂直形變反映了本時段呂梁山地塊活動性相對較強。

圖3 2006～2013年垂直形變速率（mm／a）Fig.3 Vertical deformation rate during 2006－2013（mm／a）

2.3 速率差異比較

1998～2006年垂直形變表現為東西兩側的呂梁山區和太行山區上升，中部盆地地帶相對下降，總體與構造地貌吻合；2006～2013年呂梁山區垂直形變繼續上升，太行山區則明顯下降，中間盆地地帶與前期相比一致性變化分解，盆地地帶和太行山區的形變與構造地貌一致性不顯著。

1998～2006年垂直形變速率圖像變化顯示出局部性、分散性明顯，等值線延伸受構造控制關系不顯著。而2006～2013年垂直形變速率等值線在一定程度上呈直線延伸，而且在偏關－左云－張家口一帶等值線相對密集，等值線的展布和密集條帶的發育一定程度上受構造制約，顯示出斷裂構造具有一定的活動性。

各地塊2006～2013年垂直形變速率相對1998～2006年增加量值不同，呂梁山地塊平均增加1.78mm／a，盆地地帶平均增加1.87mm／a，太行山地塊平均增加－2.50mm／a。總體上呂梁山地塊和盆地地帶上升速率增加，太行山地塊下降速率加大。

地塊本身垂直形變速率差異變化量的大小反映了地塊的活動性強弱程度。呂梁山區和太行山區差異變化量后期大于前期，盆地地帶后期小于前期。其中呂梁山地塊的后期變化量較前期增大顯著。

1998～2006年與2006～2013年的垂直形變反映了呂梁山地塊形變應變能有所增加，地殼活動性有所增強。盆地帶大同－忻州段后一時段上升，說明該地段構造活動性有所增加。太行山后一時段變化和前期相反，呈明顯下降或者微弱上升，可能與2011年日本3.11大震對華北地區的影響有關。日本3.11大震使東側平原區地殼顯著向東運動，減弱了太行山地塊東側的支撐作用，太行山地塊應力降低，地殼活動性下降。

3 垂直形變梯度

水準測量成果用于地殼垂直形變分析，其結果受起算參考基準的影響，選擇不同的起算參考基準，形變速率的大小和地形變上升下降變化形態有較大的差別。垂直形變梯度則不同于垂直形變，不受參考基準選擇的制約，它是兩點的垂直形變量之差與兩點間的距離之比，是無量綱數值，和應變相似，屬于應變類量值。垂直形變梯度在與形變等值線平行的方向上梯度最小（即梯度等于0），與形變等值線垂直的方向上梯度最大。本文求解的垂直形變速率梯度是最大梯度值，是與形變速率等值線垂直的梯度，其大小反映地殼垂直差異活動強度與地殼垂直應變率的相對大小［8］。

3.1 1998～2006時段

晉冀蒙地區1998～2006年的垂直形變速率梯度一般為0～10×10－8／a，大于20×10－8／a的地段分布零散。垂直形變速率梯度面積相對較大的有北京－順義地區、滿城地區、太原地區、神池東部地段和左云－大同地段（圖4）。北京－順義地區和滿城地區主要由于開采地下水使得局部下降變化強烈，造成梯度相對較大，而非構造活動所致。太原、神池東部地段和左云－大同地段的高梯度反映了該地段垂直應變較為顯著。

圖4 1998～2006年垂直形變速率梯度（108／a）Fig.4 Vertical deformation gradient during 1998－2006（108／a）

3.2 2006～2013時段

由圖5可見，北京－順義和滿城地段垂直形變速率梯度較大，這是開采地下水干擾所致。在太原－代縣和偏關－左云－豐鎮形成規模較大的高梯度帶，梯度在（20～30）×10－8／a。太原－代縣高梯度帶分布在代縣－定襄盆地和太原盆地附近，與該地段盆地地帶活動有關。偏關－左云－豐鎮高梯度帶呈北東向分布，位于大同盆地的西側，也顯示出呂梁山地塊邊緣與盆地交匯地帶的活動性明顯，應變較大。此外，還有個別高梯度帶僅出現于局部。其余大部分地區垂直形變速率梯度較小，在10×10－8／a以下。

圖5 2006～2013年垂直形變速率梯度（108／a）Fig.5 Vertical deformation gradient during 2006－2013（108／a）

3.3 梯度差異比較

后一時段比前一時段的垂直形變速率梯度有所增加，出現了規模較大的高梯度帶，同速率結果一樣，反映了地殼垂直運動有所增強的趨勢。特別需要指出的是，這些垂直形變速率高梯度帶區域與主要活動斷裂帶和地震帶的關系密切。

4 結 語

1）1998～2006年晉冀蒙地區地殼垂直形變在總體上上升和下降變化與地貌大致相符，但是垂直形變速率等值線構成的圖像形態，多數為局部封閉的松散圖形，無較大規模的等值線密集帶出現，揭示出該時段區域構造活動性不顯著。

2）2006～2013年晉冀蒙地殼垂直形變總體上為西北部上升，東南部下降，地殼呈傾斜變化。陽原－大同盆地與呂梁山地塊分界的邊緣地帶形變速率等值線密集成束，規模較大。形變揭示出呂梁山地塊構造活動性相對明顯，太行山地塊應變應力較弱，太行山地塊的下降或者微弱上升可能與日本2011－03－11大地震對華北地區的影響有關。

3）1998～2006年和2006～2013年兩個階段的垂直形變顯示，前一時段地殼活動總體為繼承性，后一階段具有明顯的新生性。呂梁山地塊后一時段活動性有所增強，太行山地塊活動性減弱。延慶－陽原－大同－太原盆地地帶上升和下降出現明顯差異，具有分段活動特征。

4）2006～2013年垂直形變速率梯度比1998～2006年有所增強，高梯度帶延伸規模有所增大，反映出地殼垂直形變逐步增強的趨勢。對于垂直形變速率高梯度帶與活動斷裂帶的密切關系，需要給予特別關注。

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