天津地區的水平應變場特征＊

郭良遷 薄萬舉 胡新康

(中國地震局第一監測中心,天津 300180)

天津地區的水平應變場特征＊

郭良遷 薄萬舉 胡新康

(中國地震局第一監測中心,天津 300180)

根據 1995—1999年、1999—2004年和 2004—2009年天津地區 GPS站點觀測資料,分不同地塊計算了主應變率和斷裂帶的差異應變率。在此基礎上研究了天津地區應變場和斷層應變。結果顯示,天津地區整體由主應變方向揭示的主壓應力方向,前兩個時段為北西向,后一個時段為北東東向;次級小塊體的主壓應力方向變化較大;塊體邊界斷裂有的成為應變梯度帶,有的不明顯;斷裂帶的差異應變率在不同時段,差別顯著;地震活動與高應變帶、應變梯度帶、斷裂帶的差異應變率較大的地段有一定的關系。

GPS;主應變率;面應變率;最大剪應變率;差異應變率

1 引言

1995年天津建成 GPS局域網,并開始運行觀測。之后,由于 GPS網點遭受破壞,2004年又建設了新的局域網。2004年建設的局域網站點全部為連續觀測。1999年網絡工程實施,在天津地區也建設了不少的區域網觀測站。不同的 GPS網站都進行過多次復測,積累了較豐富的觀測資料,為研究天津的地殼水平運動奠定了基礎。已有專家根據早期的 GPS觀測資料對天津地區的地殼垂直運動和水平運動做過研究[1,2],而對天津地區的現今應變場分析并不多見。也有一些專家對包括天津地區在內的大區域運動進行研究[3-6],對于處在北西西向張家口-渤海隱伏活動構造帶和北北東向華北平原隱伏活動構造帶交匯區的天津地殼的應變變化未有明晰的結論。本文主要利用 1995年以來的天津局域網觀測資料和網絡工程的區域網在天津地區的站點觀測資料,分不同時段對天津地區的現今地殼應變應力動態進行研究。

2 構造概況

天津地區位于華北亞板塊的北邊界帶中部,北接燕山隆起,南跨冀中凹陷、滄東隆起和黃驊凹陷,是華北平原地震構造帶和張家口-渤海地震構造帶交匯的地區,在 1966—1976年華北平原地震帶先后發生了邢臺 7.2級、唐山 7.8級大震。該活躍期內還發生了寧河Ms6.9地震、兩次漢沽Ms6.2地震。本區構造復雜,地殼活動顯著。

北北東向滄東斷裂通過本區東部,北西西向海河斷裂自塘沽東部海域向西穿過市區,北北東向天津斷裂經過市區和市郊,天津中北部地區發育有近東西向寶坻斷裂和北西向薊運河斷裂,北部發育北東東向薊縣山前斷裂[7]。在它們的切割下,天津地殼成為不同地塊組合體(圖 1)。這些地塊和斷裂控制了本區的地殼運動和地震的孕育發生。

圖1 天津地區構造略圖Fig.1 Sketch of the tectonics of Tianjin area

3 主應變率

在應變應力橢球體分析中,最小主應變軸與主應力σ1、最大主應變和主應力σ3分別對應一致[8]。在均質橢球體中,應變大小與應力成正比。利用GPS站點變化分析地殼的水平應變時,忽略垂直變化,簡化為平面二維模型,最小主應變與最大主應力對應一致,多數情況下顯示為壓性,最大主應變與最小主應力分別對應一致,多數情況下為張性。根據1995—1999年的天津局域網站速度[1]、1999—2004年網絡工程在天津地區的站點速度和 2004—2009年天津局域網站速度,分別做適當內插,求解天津地區的整體應變率,并且按照構造單元分塊計算應變率。不同時間段的整體應變率見表 1,不同塊體的應變率結果示于圖 2～4。

由表 1可見,天津地區 1995—2009年的長趨勢主壓應變應力方向為北東東-南西西向,與華北亞板塊的應力軸方向基本一致[9,10],而短時期的應變應力軸方向則有較大的變化,與長趨勢有明顯的差別。不同時期的最小主應變率絕對值都大于最大主應變率,并且最小主應變率均為負值,說明該區擠壓作用相對顯著,尤其 1999—2004年更為明顯,兩個水平向主應變軸都為壓性。

表 1 天津地區應變率Tab.1 Various stra in rates i n Ti anjin area

天津地區次級塊體的主應變率大小差別較大,最小主應變軸代表的主壓應力作用方向亦有較大變化。北部的薊縣塊體 1995—1999年、1999—2004年和 2004—2009年 3個時間段的最小主應變率絕對值都小于最大主應變率,以張性活動為主。1995—1999年和 2004—2009年的主壓應力方向為NW-NNW,主張應力方向為NE-NEE,1999—2004年的主壓應力方向為NNE,2004—2009年的主應變率量值有所增大(表 2)。

寶坻塊體各時間段的最小主應變率絕對值明顯小于最大主應變率,1995—1999年的最大主應變率值相對較大,其他時間段較小。主張應力方向1995—1999年為NW,1999—2004年和 2004—2009年為NEE向。

岳龍莊塊體的主應變率 1999—2004年相對較大,而且兩個水平向主應變都為壓性,說明該時段壓應力作用相對顯著,1995—1999年和 2004—2009年主應變率較小。該塊體的主壓應力方向 1995—1999年為 NWW,1999—2004年為 NNW,2004—2009年為NEE。

武清塊體 3個時間段的最小主應變率絕對值都大于最大主應變率 (表 2),1995—1999年的最小主應變率絕對值最大,2004—2009年最小。主壓應力方向由1995—1999年的NWW,經過NNW向,到至2004—2009年轉到NEE,主壓應力方向變化顯著。

潘莊塊體在 3個時間段中 1999—2004年的最小主應變率絕對值最大,其他時段相對較小。潘莊塊體的主壓應力方向 1995—1999年為 NEE向,其他兩個時間段為NWW向。北塘塊體 3個時間段的最小主應變率較小,絕對值均在 18.55×10-9/a以下,最大主應變率 1999—2004年相對較大。北塘塊體的主壓應力方向前兩個時間段為NWW向,后一時間段為NEE向。

表 2 塊體的主應變率Tab.2 Principal stra in rates of several blocks

勝芳塊體 1995—1999年和 1999—2004年最小主應變率絕對值較大,量值超過 100×10-9/a, 2004—2009年量值較小。最大剪應變率在 3個時段中均超過 100×10-9/a。該塊體的主壓應力方向前兩個時間段為NNW向,后一時間段為NNE向。雙窯塊體的最小主應變率絕對值在 1995—1999年和 2004—2009年較大,1999—2004年較小。3個時段的最大剪應變率也都超過 100×10-9/a。主壓應力方向3個時間段有所不同,經過了NNE→NWW→NS向的變化。板橋塊體 3個時段的主應變率和最大剪應變率都較小,主壓應力方向都為 NNE向,變化不大。

上述表明,武清塊體、勝芳塊體和雙窯塊體的最大剪應變率較大,活動性較強,天津地區中北部的塊體主壓應力向變化相對較大,南部的塊體變化較小,南部主要為NNE向。各個塊體的主應變率變化也相對較大。不同時間段的主應變率圖上表明, 1995—1999年最小主應變率在武清、勝芳和雙窯塊體上較顯著,1999—2004年在潘莊、武清和勝芳塊體上較顯著、2004—2009年在武清和雙窯塊體上較顯著,表現出天津地區的中部和西南部壓應變比較突出。

4 面應變率

面應變的正負值反映了局部地區的擠壓-拉張作用的相對大小,若為負值則說明以壓性活動為主,若為正值則以張性活動為主。天津地區 1995—1999年的面應變率顯示,西部和南部的武清塊體、勝芳塊體、雙窯塊體和板橋塊體為負值,其中勝芳塊體南段的數量最大,達到 -500×10-9/a以下;東北部的北塘塊體、潘莊塊體、岳龍莊塊體、寶坻塊體和薊縣塊體的為正值,其中潘莊塊體的北段數量最大,為 300×10-9/a左右。反映出天津西南部地區壓性活動為主導,東北部地區張性活動為主導。不同塊體上的面應變率等值線密疏差別明顯,寶坻塊體、武清塊體、北塘塊體和雙窯塊體的面應變率等值線相對稀疏,勝芳塊體、板橋塊體和潘莊塊體的等值線較密集。寶坻斷裂、薊運河斷裂、海河斷裂中段、天津北斷裂和天津南斷裂等都為面應變率高梯度帶 (圖2)。

1999—2004年,天津地區的面應變率顯示,岳龍莊塊體、潘莊塊體、武清塊體和勝芳塊體為負值分布區,依次相連接呈北東向貫穿本區中部地區,在其西北和東南側的塊體為正值分布區,說明天津地區中間地帶為北東向以壓性為主的活動區,兩側為(寶坻塊體、北塘塊體、雙窯塊體和板橋塊體)張性活動為主的地區。在該時間段,寶坻塊體、潘莊塊體、雙窯塊體和板橋塊體上的面應變率等值線較為稀疏,岳龍莊塊體、北塘塊體、武清塊體、勝芳塊體上等值線分布相對密集。該時期滄東斷裂北段、薊運河斷裂、天津北斷裂和天津南斷裂展布區為面應變率高梯度帶(圖3)。

2004—2009年寶坻塊體和雙窯塊體的面應變率主要為負值,其他塊體的面應變率以正值為主導。勝芳塊體和雙窯塊體上的面應變率等值線相對較密集,潘莊塊體、寶坻塊體和雙橋塊體的等值線較稀疏。天津南斷裂、滄東斷裂南段和海河斷裂的延伸與面應變率高梯度帶一致(圖 4)。

面應變率等直線和同時間段的中小地震分布顯示,多數地震發生在應變高梯度帶上,或者其轉折部位。

5 最大剪應變率

圖 2 1995—1999年面應變率等值線和地震分布(單位：10-9/a)Fig.2 Isolines of plane strain rate and the distribution of earthquakes during 1995-1999(unit：10-9/a)

圖 5～7是天津地區的最大剪應變率等值線圖。1995—1999年最大剪應變率等值線以北西向延伸為主,高應變率中心地帶在天津-武清-三河一帶,應變率在 300×10-9/a以上,長軸呈現北北西向展布,高應變率值主要受海河斷裂中段和西北段控制 (圖5)。1999—2004年最大剪應變率等值線以北東向延伸為主導,高應變率中心地帶有兩處,一條為大城-天津-寧河地帶,另一條分布在武清、香河之間,長軸為北東向,高應變率值主要受天津南斷裂、河西務斷裂和寶坻斷裂控制,最大值大于 300×10-9/a (圖 6)。滄東斷裂分別在與薊運河斷裂、海河斷裂的交匯處應變率值相對較大。2004—2009年最大剪應變率等直線呈北北東向延伸,但是高應變率僅出現于局部地帶(天津市北部),長軸優勢方向不如前兩個時間段突出(圖 7)。

最大剪應變率等值線的延伸與區域主應力作用有關,受應力場控制。應變率高值帶分布受斷裂帶和斷裂交匯地段控制,反映了應力集中和釋放的特征。最大剪應變率的大小反映了構造活動的強烈程度。

6 斷層差異應變率

圖 3 1999—2004年面應變率等值線和地震分布(單位：10-9/a)Fig.3 Isolines of plane strain rate and the distribution of earthquakes during 1999-2004(unit：10-9/a)

斷裂帶的差異應變率是由鄰近斷裂的兩側塊體對應的應變率相減得到的。斷裂帶差異應變率的大小反映了斷裂帶上應變能積累或釋放的情況,反映了斷裂帶的活動狀態。若面應變率在斷裂帶的差異應變率大,則表明斷裂帶的應變積累相對較大。若最大剪應變率在斷裂帶的差異應變率大,則表明斷裂帶的活動相對較強。表 3是不同時間段的斷裂帶兩側附近對應的應變率值相減得到的差異應變率。由表 3可見,1995—1999年除了薊縣山前斷裂面應變差異應變率較小外,其他斷裂的差異應變率較大。最大剪應變的差異應變率在只有天津南斷裂相對較大,其他斷裂較小。1999—2004年薊運河斷裂、天津北斷裂、天津南斷裂和滄東斷裂的面應變的差異應變率較大,而最大剪應變的差異應變率除了薊縣山前斷裂和滄東斷裂的相對較小外,其他斷裂相對較大。2004—2009年寶坻斷裂、海河斷裂和滄東斷裂的面應變的差異應變率較大,其他斷裂的較小。最大剪應變的差異應變率在寶坻斷裂、天津北斷裂和滄東斷裂上較大。

圖 4 2004—2009年面應變率等值線和地震分布(單位：10-9/a)Fig.4 Isolines of plane strain rate and the distribution of earthquakes during 2004-2009(unit：10-9/a)

圖 5 1995—1999年最大剪應變率等值線 (單位：10-9/ a)Fig.5 Isolines ofmaximum shear strain rate during 1995-1999(unit：10-9/a)

圖 6 1999—2004年最大剪應變率等值線 (單位：10-9/ a)Fig.6 Isolines ofmaximum shear strain rate during 1999-2004(unit：10-9/a)

圖 7 2004—2009年最大剪應變率等值線 (單位：10-9/ a)Fig.7 Isolines ofmaximum shear strain rate during 2004-2009(unit：10-9/a)

從總體上看,1995—1999年天津地區斷裂帶的面應變的差異應變率較大,而該時間段的最大剪應變的差異應變率不突出,說明有應變積累。1999—2004年的最大剪應變的差異應變率相對較大,而面應變的差異應變率相對較弱,說明斷裂的活動相對較強,應變易于釋放。2004—2009年的差異應變率相對前兩期變弱,既無明顯的應變積累特征,也無明顯的斷裂活動使應變強烈釋放的特征。

表 3 斷裂帶的應變率變化(單位:10-9/a)Tab.3 Change of stra in rates of some fault zones(un it:10-9/a)

7 認識

天津位于北北東向平原地震構造帶和北西向張家口-渤海地震構造帶的交匯地區,構造復雜,活動性較強。天津地區的應變場表明,本區的長趨勢主壓應力方向為 NEE向,與華北區域應力場基本一致。隨著華北地區構造活動的強弱起伏和強震孕育發生,天津地區應變應力場變化明顯,主壓應變軸方向反映出,1995—1999年和 1999—2004年地殼主壓應力方向為北西向,構造活動主要受北西向擠壓作用力控制,2004—2009年地殼主壓應力方向為北東東向,構造活動主要受北東東向擠壓作用力控制。1995—1999年是華北地區地震相對活躍的階段,在張家口-渤海地震構造帶的西北段發生了張北 6.2級地震 (1998-01-10),在陰山-燕山南緣活動帶 (通過本區北部)上還發生了包頭 6.4級地震 (1996-05-04),該時間段的主壓應力作用方向與區域應力不一致,可能與地震能量積累和張家口-渤海構造帶的活動性增強,使局部應力場變化有關。1999—2004年和 2004—2009年,華北地震相對平靜,無 6級及以上地震發生,應力場逐漸恢復,主壓應力方向與區域應力場相吻合。

各次級塊體應變率和主應變軸方向,反映了地殼淺部地塊的應力狀態。其變化受北西西向張家口-渤海構造帶和北北東向華北平原構造帶活動的制約,所以隨時間變化顯著。不同時段,次級塊體的主應變率大小也在變化,有的增大,有的減小。不同的斷裂帶上在不同時段形成應變高梯度帶。斷裂帶上的差異應變率也存在較大差別,有的高,有的低,顯示出斷裂帶上的應變積累和釋放不同,斷裂帶上的受力作用強弱變化。應變高梯度帶與本區的中小地震活動有一定的關系。本區的微小地震多數發生在應變梯度帶上,或者差異應變率較大的斷裂帶上,或者它們的交匯地帶(圖 2～4),在時間上中小地震多數發生在出現應變高梯度帶的同期或者緊隨其后的一定時期里,這些說明應變高梯度帶是地殼的不穩定區。應變率大小和應變梯度的高低與地應力狀態有關。

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5 張躍剛,等﹒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,2006,(1)：36-41. (Zhang Yuegang,et al.Study on evolution of deformation field in North China area with GPS data[J].Joumal of Geodesy and Geodynamics,2006,(1)：36-41)

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7 天津市地質礦產局.天津區域地質志[M].北京：地質出版社,1992.(Bureau of Geology and Mineral Resources of Tianjin municipality.Regional geology of Tianjin municipality[M].Beijing：Geological Publishing House,1992)

8 地質礦產部地質辭典辦公室編輯.地質辭典 (一)下冊[M].北京：地質出版社,1983,11-21.(The Geological DictionaryOffice in the Ministry of Geology and Mineral resources. Geological dictionary[M].Beijing：Geological Publishing House,1983,11-21)

9 郭良遷,等.中國大陸現今應變場動態 [J].地震學報, 2008,30(6)：560-569.(GuoLiangqian,et al.Characteristics of present-day active strain field in China mainland [J].Acta Seismologica Sinca,2008,30(6)：560-569)

10 國家地震局《一九七六年唐山地震》編輯組.一九七六年唐山地震 [M].北京：地震出版社,1982.(Editorial Group of“Tangshan Earthquake in 1976”of State SeismologicalBureau.Tangshan Earthquake in 1976[M].Beijing：Seismological Press,1982)

CHARACTERISTICS OF HORIZONTAL STRA IN FIELD IN TIANJIN

Guo Liangqian,BoWanju and Hu Xinkang
(First CrustM onitoring and Application Center,CEA,Tianjin 300180)

On the basis of the observations from Tianjin GPS site during 1995-1999,1999-2004 and 2004 -2009,the principal strain rate and the difference of strain rate of fault zone were calculated for different blocks. The results show that the principal compressive stress direction of the overall Tianjin was the NW direction in the first two periods,the NEE direction in the last period,which is revealed by the direction of principal strain.The principal compressive stress direction of secondary s mall block changes considerably. Some of faults in block boundaries have become strain gradient zone,while the others are not obvious.The differences bet ween the differential strain rate of fault zone are significant in different periods.Seis mic activity has a certain relationship with high strain zone,strain gradient zone,and the zone with higher differential strain rate of fault zone.

GPS;principal strain rate;plane strain rate;maximal shear strain rate;differential strain rate

1671-5942(2010)05-0008-07

2010-03-12

天津市應用基礎研究課題(08JCZDJC18900)

郭良遷,男,1950年生,研究員,主要從事地形變、構造活動和地震預測研究.E-mail：guoliangqian@163.com

P315.72+5

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