華北北部地區地殼垂直形變演化特征及斷裂活動性分析

孫啟凱 何慶龍 李臘月

摘要：基于華北北部地區3期復測區域精密水準及跨斷層形變測量資料，計算得出1985—2015年多個時間段的地殼垂直形變速率。并結合跨斷層形變觀測資料，分析區域內主要斷裂的活動性，明確該區域的整體地殼垂直形變演化趨勢及地震危險性。結果表明：除強下沉區外，華北北部地區以繼承性運動為主，太行山山前構造帶以西總體上升，華北平原下沉，燕山塊體較為穩定。張家口—渤海構造帶西段總體活動水平較低，山西斷陷帶中北段斷裂總體以張性正斷層活動為主，兩條斷裂相交錯區域是垂直形變高梯度集中區，且中強地震發生頻次相對較高，需持續和重點監測。

關鍵詞：垂直形變；斷裂活動性；高梯度；地震活動性；華北北部地區

中圖分類號：P315.725 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）03-0438-08

0 引言

區域精密水準和跨斷層形變測量是監測地殼形變特征的重要觀測手段。地殼形變與地震對應關系復雜，單一形變手段分析困難較大。區域精密水準網絡測點密集、測量精度高；跨斷層形變測量數據豐富、針對性強，綜合利用這2類數據，從不同維度分析地殼形變在時空域的演化特征，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）。

華北北部地區是我國東部強震活躍區，曾發生過多次中強地震（黃立人等，2003；張躍剛等，2006）。區內構造活動復雜，次級構造有鄂爾多斯斷塊、山西斷陷帶、太行山斷塊、冀魯斷塊、燕山斷塊及陰山斷塊等。研究區內主要有4條斷裂帶，分別是NE向的山西斷陷帶（北部）、三河—淶水斷裂帶、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個方向的斷裂交叉區域構造復雜，斷裂帶之間構造活動相異且不通透，應變力易積累。該區歷史上地震活動相對密集，是華北地震活動重點關注的區域。本文綜合利用區域精密水準觀測資料和跨斷層形變測量資料，從地殼垂直形變演化、斷裂活動性及其與地震活動之間的聯系等角度分析華北北部地區地殼垂直形變演化特征及地震危險性。

1 資料概況與數據處理

根據研究區精密水準路線及跨斷層場地、臺站的分布情況，收集并整理了多期觀測數據，對這些資料進行挑選、預處理、計算、繪圖等處理后，獲取研究區垂直形變速率并分析。研究區內水準路線及臺站場地分布如圖1所示。

區域精密水準資料總共4期，具體信息見表1。數據處理過程主要有：（1）數據挑選、拼環與平差，采用分段線性速率模型，聯合GNSS數據約束平差，對結果預處理獲取測點速率。結果顯示，4個階段（1985—2000年、2000—2005年、2005—2015年、1985—2015年）動態平差單位權中誤差分別為0.90，0.95，0.96和0.89 mm/a，均小于1.0 mm/a，表明利用的區域測量數據整體精度較好；（2）對垂直形變速率進行處理，分別繪制研究區的垂直形變矢量圖、等值線圖和梯度圖。

研究區內相關的跨斷層場地及臺站主要分布在山西、河北、北京3個地區。流動場地基本信息見表2，其中定點臺站有6個，監測手段為短水準測量，流動場地有29個，有11個場地（張家臺、張山營、小水峪、德勝口、燕家臺、沿河城、上萬、大灰廠、八寶山、墻子路、施莊村）監測手段為短水準和基線測量，其余場地為短水準測量。其中百善場地測點垂直形變速率值遠遠大于正常的斷層活動量值，淶水、狼山、南口、繁峙山會、房山、易縣臺跨斷層水準資料記錄年份偏少，不具有統計意義。

2 垂直形變演化特征及水準剖面分析

2.1 垂直形變特征分析

采用連續曲率張力樣條法將計算得到的地殼垂直形變速率值進行網格化處理，同時為提高計算效率，利用Boxcar卷積濾波器進行平滑處理，獲取研究區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—保定一帶存在強下沉區，下沉年變速率較大，主要是受非構造因素影響，所以不對這一區域進行形變、構造運動分析。

圖2a顯示，研究區1985—2000年地殼垂直形變特征以太行山山前構造帶為界上升與下沉區較為明顯，西部主要以上升為主，速率為0～4.5 mm/a，東部為強下沉區，最大下沉速率達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—豐鎮一帶出現0～2 mm/a的下沉，而其他地區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來看下沉區域主要集中在盆地，除強下沉區外，區域總體形變特征與近代構造運動特征較為一致，表現為繼承性運動（應紹奮，1992；王若柏，1995；劉經南等，2002）。

圖2b顯示，研究區2000—2005年地殼垂直形變特征與上期相比總體趨勢較為一致，太行山山前構造帶以西區域為隆升，最大速率約為6.3 mm/a，但下花園—化稍營、高碑店—北京—密云一帶呈現下沉趨勢，而這2個區域恰好是NNE向的延慶—懷來構造帶、懷柔—北京—涿縣構造帶與NWW向的張渤構造帶的交錯位置（張祖勝等，1981；韓月萍等，2010；張四新，張希，2012；蘇建鋒，薄萬舉，2016），表明了這個時期內這3個構造帶活動明顯。研究區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為上升，而大同盆地、忻定盆地北部出現較大的下沉，下沉速率最大達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2005—2015年地殼垂直形變在繼承前期特征的基礎上主要變化體現在量值上，尤其是上升區域年速率明顯增大，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—懷柔構造帶與張渤構造帶均呈下沉趨勢，但速率不大，約為0～3 mm/a。主要下沉區集中在山西斷陷帶，包括呼包盆地、大同盆地和太原盆地。

1985—2015年，由于間隔時間較長，公共測點數量相對較少，圖2d顯示30年內研究區地殼垂直運動較為平穩，以繼承性運動為主，但該時期的不同時間段內存在小幅波動的運動特征。延慶—懷來構造帶與張渤構造帶交叉地帶是形變較為復雜的區域，這也說明這段時間內相應的斷層構造較為活躍。少部分下沉區分布在盆地附近，主要有呼包盆地、大同盆地、太行山斷塊北段與張渤構造帶交界地區。

2.2 水準剖面分析

豐鎮—大同—淶源水準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璧氐奈鱾龋琋NE走向，SE傾向，斷層性質為右旋走滑，其西側為口泉山脈，東側為大同盆地。圖3顯示，1985—2015年各個時期口泉斷裂上下盤斷層相對形變速率分別為-0.5，0.13，-0.03 mm/a，說明這個時期內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，各時期上下盤形變相對速率分別為0.25，-1.4，-5.4 mm/a，該斷裂由弱壓性變為張性活動，且近期活動速率有增大趨勢。太白山山前斷裂為正斷層，走向NEE，傾向NW，各時期斷層兩側速率差分別為-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。

張家口—下花園—延慶水準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為SE，為正斷層，計算該斷裂兩側20 km內測點形變量，如圖4所示。從圖中可看出，1985—2015年各時間段上盤相對于下盤形變速率均表現為張性活動。延礬盆地北緣斷裂傾向為SE，活動性質為正斷層，上盤相對于下盤形變總體上也以張性活動為主。該剖面2條斷裂近年活動特征與正斷層的性質相符，可以看出張家口—下花園—延慶水準剖面的垂向形變以繼承性運動為主。

3 斷裂活動性與地震關系

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

3.1 斷裂活動性分析

基于跨斷層短水準資料，以起始年觀測數據為基準，將每年各個月份觀測值減去基準年對應月份的數值，計算垂直形變累積量及速率，這樣可以消除季節、氣象變化等引起的年周變影響。華北北部地區的跨斷層場地及臺站主要分布在首都圈地區的張家口—渤海構造帶西部及山西斷陷帶中北段，故分別對這2個區域跨斷層數據處理分析。

圖5給出了張家口—渤海構造帶部分跨斷層場地垂直形變累積活動量變化曲線。大灰廠、京西測點跨越八寶山斷裂，密云測點跨越二甲峪—密云斷裂，數據顯示這2條斷裂均從相對平穩狀態轉向壓性活動，尤其是從1992年后，大灰廠測點垂直活動速率明顯加大，直至2005年變化幅度逐步減緩；其他測點監測的相應斷裂活動均為張性運動，而且大多數從1990年左右開始，斷層的活動性明顯加強。

山西斷陷帶中北段測點垂直形變累積量變化如圖6所示，結果顯示各個場地及臺站監測斷裂活動性一致，均表現為張性正斷層活動，且活動量逐年增加，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出現過破趨勢變化，即1995年呈現大幅加速，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。

3.2 地震危險性分析

圖7展示了研究區1985—2015年的垂直形變梯度與MS≥5.5地震的對應關系。地震目錄統計顯示，1985—2015年該地區發生MS≥5.5地震10余次。除強下沉區外，高梯度分布區主要有5個，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地震均發生在高梯度帶附近區域。大同所處的山西斷陷帶一直是中小地震活躍區，主要分布有口泉斷裂、六棱山北麓斷裂等，1985—2000年豐鎮—大同—山陰形變表現出下沉趨勢，從2000年開始下沉趨勢明顯增大，高梯度區也向大同東南方向擴大，剖面結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（-1.4 mm/a）。2004年1月20日，河北灤縣附近發生MS5.0地震，這一帶育有灤縣—樂亭斷裂、唐山斷裂等，灤縣周邊地區呈弱上升趨勢，而從唐山到灤縣是等值線變化的交界區，由下降變為上升，也位于高梯度范圍內。2006年7月4日文安發生MS5.0地震，該區域恰好處于張家口—渤海構造帶與太行山斷塊交會地帶，懷涿盆地北緣斷裂和延礬盆地北緣斷裂西南端，斷裂發育豐富，1985—2005年文安地區相對周邊形變特征均表現為下沉，且延礬盆地北緣斷裂活動由0.1 mm/a的弱壓性活動變為-0.9 mm/a的張性運動，斷層活動性質變化明顯，同時文安地區也是形變速率高梯度帶集中的一個重要區域。

4 討論與結論

本文對華北北部地區多期復測精密水準資料及跨斷層形變資料整理分析，總結了該區域的地殼垂直形變演化特征，分析獲取了部分斷裂的活動性，結合研究區地質背景及地震活動性，得出了以下結論和認識：

（1）華北北部地區的地殼垂直形變以繼承性運動為主，斷裂活動總體上相對平穩。研究期內，地殼垂直形變首先表現為明顯的繼承性運動，太行山山前構造帶以西總體上升，華北平原下沉，燕山塊體較為穩定，構造性運動明顯，這與各主要斷裂活動性質較一致。

（2）通過對斷層活動性分析，發現張家口—渤海構造帶西段總體活動水平較低，張性活動相對增強，壓性活動有減弱趨勢；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為主，這與地質構造背景吻合度較高，表明了山西斷陷帶斷裂仍以繼承性運動為主。

（3）統計研究區內近年發生M≥5.5地震為10余次，從地震活動性來看，該區域處于一種相對較為平靜的狀態。地殼垂直形變高梯度區與地震對應關系較為明顯，可以認為形變高梯度帶對危險區的判定具有積極的指導意義。從中長期地殼形變趨勢分析，認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—陽明堡等地區是地殼形變監測與關注的重點地帶，值得持續跟蹤關注。

參考文獻：

郭良遷，馬青，杜雪松，等.2008.華北地區斷層形變與地震的關系[J].大地測量與地球動力學，28（3）：14-20.

韓月萍，陳阜超，楊國華，等.2010.華北北部地區現今地殼垂直形變特征與地震危險性分析[J].大地測量與地球動力學，30（2）：25-30.

黃立人，楊國華，王敏.2003.用速度場得到的華北地區活動塊體及形變[J].地震學報，25（1）：72-81.

李臘月，許明元，何慶龍，等.2014.山西斷裂帶斷層現今活動特征及與中強地震關系淺析[J].地震，34（4）：143-151.

劉經南，姚宜斌，施闖，等.2002.中國大陸現今垂直形變特征的初步探討[J].大地測量與地球動力學，22（3）：1-5.

路珍，郭泉，李瑞莎，等.2017.跨斷層輔助測線對非構造因素去除的應用探討[J].地震研究，40（2）：193-202.

宋海平，盧戰偉，趙松.2011.Boxcar濾波器和極化RefinedLee濾波器對極化SAR分類精度影響的評估[J].影像技術，23（5）：39-44.

蘇建鋒，薄萬舉.2016.高噪聲背景下GNSS垂向分量應用探討[J].地震，36（1）：105-116.

蘇琴，向和平，邱桂蘭，等.2010.跨斷層水準與汶川8.0級地震強余震監視[J].地震研究，33（4）：269-273.

王若柏.1995.華北地區地殼垂直形變場及動態演化特征[J].地震學報，17（2）：148-155.

王永安，李瓊，劉強.2011.跨斷層形變累積率的變化特征與云南地區強震[J].地震研究，34（2）：136-142.

謝覺民，張祖勝.1997.地殼形變方法對強震中期趨勢的判定[J].中國地震，13（2）：128-138.

徐東卓，李勝虎，周海濤，等.2017a.川滇地塊南部主要斷裂現今形變特征及危險性分析[J].震災防御技術，12（3）：539-546.

徐東卓，尹海權，朱傳寶，等.2017b.九寨溝7.0級地震前后地殼形變時空演化特征及相關問題的討論[J].中國地震，33（4）：549-562.

應紹奮.1992.華北大地垂直形變場的演變與地震活動[J].天津地質學會志，10（1）：36-42.

趙靜，任金衛，江在森，等.2018.龍門山斷裂帶西南段閉鎖與變形特征[J].地震研究，41（2）：216-225.

張四新，張希.2012.汾渭斷陷帶現今垂直形變與近期地震活動性[J].地震，32（4）：123-130.

張躍剛，帥平，胡新康，等.2006.從GPS觀測看華北地區的形變場演化[J].大地測量與地球動力學，26（1）：36-41.

張祖勝，謝覺民，徐峰，等.1981.唐山7.8級地震的地殼垂直形變[J].地球物理學報，24（2）：182-191.

張祖勝，楊國華，薄萬舉，等.1996.地殼垂直形變速率梯度、斷層形變速率變化與強震危險區研究[J].中國地震，12（4）：347-357.

周曉燕，楊國華，韓月萍.2002.華北近十年來水平運動動態與地震活動危險區的討論[J].華北地震科學，20（4）：28-33.

Roy M，Royden L H.2000.Crustal rheology and faulting at strike-slip plate boundaries 2.Effects of lower crustal flow[J].J Geophys Res，105（B3）：5599-5613.

Wang Q，Zhang P，Jeffrey T.2001.Freymueller et al.Presnet-Day Crustal Dedormation in China Constrained by Global Positioning System Measurements[J].Science，294（19）：574-577.

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