張北6.2級地震前后斷層活動時空演化特征分析*

李臘月 邢成起 武安緒 胡樂銀

1)中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2)北京市地震局，北京100080

1 引言

張北6.2級地震發生在燕山-陰山東西向斷塊隆起的南緣，北西向張家口-蓬萊地震構造帶和北東向的汾渭地震構造帶交匯的晉冀北張性區［1］。

文獻［2－9］利用華北地區的精密水準、重力測網、大量定點、地磁、流動形變及地應變等資料分析了張北地震前兆異常的演化過程;孟國杰［6］等應用GPS 資料、跨斷層形變觀測及定點臺站觀測資料，并針對首都圈地區的地殼形變特征，探討了張北地震前華北北部地區地殼形變與張北地震的關系。本文應用首都圈地區的24 處跨斷層流動水準資料，基于主成分分析方法對張北地震前后首都圈地區斷層活動特征進行了分析，并繪制了斷層活動空間演化圖像，從時空角度研究地震孕育、發生過程中斷層活動的演化特征。

2 數據處理與分析

張北6.2級地震發生在前兆觀測臺網高度密集的首都圈重點監視區邊緣(圖1)，該區共有24 處跨斷層流動形變監測場地，其中13 處為水準監測場地，10 處為基線、水準同樁監測場地，1 處為基線、水準不同樁監測場地。大多數場地每月觀測1 次，少數場地每兩個月觀測1 次。這些資料時間跨度較長，最長的達40年，最短的也將近20年;且大多數場地布設在基巖上，觀測精度較高。本研究選用的跨斷層流動水準資料其分布范圍為113° ～120°E，38.5° ～41°N，時間為1985—2011年12月。

圖1 首都圈跨斷層流動形變監測場地分布Fig.1 Distribution of cross-fault mobile deformation monitoring sites in the Capital circle

資料處理情況如下:

1)對原始資料剔除重復的數據，然后采用線性插值法填補缺失的數據，得到統一的每年12 個周期的形變數據。一個場地有多條測線時，選用測線跨斷層的、且選擇高差變化有規律、變化量較大、資料時間長、連續性好的測線。

2)為了消除季節和年變的影響，用每月測值減去上年同期測值，再除以一年時間尺度，得到12 個月份的形變年速率。

3)運用主成分分析方法［4］對研究區斷層垂直形變速率進行合成。

①將原始數據標準化，消除量級不同的影響，其計算式為:

③計算R 的特征值λ1，λ2，…，λp，并使特征值從大到小排列:λ1≥λ2≥…≥λp＞0 和相應的特征向量ui=(ui1，ui2，…，uip)，i=1，2，…，p。

④計算主成分

⑤計算主成分的貢獻率

和累積貢獻率

⑥根據主成分分析得到的主成分zi和相應的權值(貢獻率)ei，計算斷層垂直活動速率的綜合指標w，

4)歸一化處理。對12 個月的年速率取平均值，得到斷層活動年速率的平均值。為了更好地反映斷層活動的空間特征，對年速率的平均值進行標準化處理，得到無量綱的值γ，當γ ＞0 時，表示斷層上盤下降，為張性;反之，表示斷層上盤上升，為壓性。

3 斷層活動異常特征分析

3.1 張北6.2級地震前后斷層活動的時間演化特征

圖2是部分測點的斷層垂直形變年速率曲線，從圖中可以看出張北地震前各觀測曲線都出現了明顯的異常變化。小水峪測點的斜交水準曲線在1993年出現向上的大幅度變化后發生轉折，在1996—1997年又開始出現向上的加速變化，逐漸恢復后發生地震;張家臺測點的斜交水準曲線震前出現向上和向下的大幅度變化，逐漸恢復后發生地震;張山營測點水準曲線在震前出現向下加速變化，轉折過程中發生地震;沿河城測點的水準曲線震前出現向上的大幅度變化，震后恢復;狼山測點的水準曲線在震前逐漸轉為向下的變化趨勢，從張性逐漸轉為壓性，震后仍保持壓性的活動狀態;密云測點的水準曲線震前未見明顯異常變化，但震后出現向下的大幅度變化。

運用主成分分析方法可以更加客觀地獲得一個地區斷層活動的總體水平。由于篇幅所限，本文只列出前6 個主成分的特征值、貢獻率和累計貢獻率(表1)。從表1 中可以看出主成分1 的特征值和貢獻率最大，貢獻率占總信息量的20.89%，而主成分6 的特征值和貢獻率最小，貢獻率占總信息量的5.26%。當取6 個主成分時，累計貢獻率已經達到了53.96%，這表明前6 個主成分就已經包含了原始數據一半以上的信息。

圖2 部分水準測點垂直形變年速率曲線Fig.2 Annual rate series of vertical deformation at a part of leveling sites

表1 前六個主成分的特征值、貢獻率和累積貢獻率Tab.1 Eigenvalue，the contribution rate and the cumulative contribution rate of the first 6 principle components

圖3是通過計算得到的前6 個主成分隨時間的變化曲線，從圖3 可以看出，各主成分曲線在張北地震前都出現了不同的異常變化。主成分1 在張北地震前的異常變化最為顯著，在1994年出現大幅度的上升變化，到1995年出現轉折，并逐漸恢復震前的平緩變化趨勢，到1997年下半年，曲線出現大幅度的下降變化，異常持續半年后發生了張北地震，地震后曲線發生轉折;主成分2 與主成分1 的變化趨勢有所不同，主成分2 在1995年開始出現大幅度的下降變化，1996年發生轉折，曲線持續上升1年左右，1997年曲線再一次發生轉折，持續下降直至地震發生，地震發生后，異常持續一定時間后恢復;主成分3 的異常變化趨勢和主成分2 相似，1995年出現大幅度的下降變化，1996年異常發生轉折，到1997年異常恢復，張北地震發生在異常恢復后;主成分4 在1996年以前變化形態基本穩定，1997年出現大幅度下降變化，異常達到最大值時發生地震，震后異常恢復;主成分5 和主成分6 的異常變化并不顯著，這是因為主成分5、6 在總信息量里所占的比例較小。

圖4是研究區整體斷層活動水平的綜合指標w隨時間的變化曲線，可見其變化形態與圖3 中的主成分1 的變化形態最相似。從圖4 可見曲線在1990—1993年變化平緩，在1994年出現大幅度的向上變化，1995年發生轉折后逐漸趨于穩定，到1997年下半年曲線又開始出現大幅度的下降，直到地震發生，震后曲線逐漸恢復到原來的變化形態。通過首都圈斷層活動速率的合成曲線可知首都圈斷層活動在1994年出現了異常變化，1997年6月斷層活動再一次出現異常變化，應屬于短臨異常［2－5］。

3.2 張北6.2級地震前后斷層活動的空間演化特征

3.2.1 震前斷層活動速率空間演化分析

從1993—1994年的斷層垂直形變速率空間演化圖(圖5(a)、(b))可以看出，研究區在1993年整體上呈張性，只有少數測點附近地區呈壓性。1995—1997年的空間演化圖(圖5(c)、(d)，圖6(a))顯示，研究區在1995—1996年出現大范圍的壓性區，震中附近地區由原來的張性轉為壓性，且研究區的西北部地區壓性逐漸增強，東南部地區壓性逐漸減弱;到1997年南孟、墻子路、古北口附近地區由原來的壓性轉為張性，研究區的西北部轉為壓性區，東南部轉為張性區，且大致以北東向為分界。此外，從1997年的斷層垂直形變速率空間演化圖像中還可以看出，隨著震中距的減小壓性逐漸增強，靠近震中的地區壓性較強，遠離震中的地區壓性較弱。

圖3 主成分1 ～6 隨時間變化曲線Fig.3 Time series of principal component 1－6

圖4 跨斷層垂直形變速率綜合指標隨時間變化曲線Fig.4 Time series of the composite indicator of cross-fault vertical deformation rate

從1993—1997年的動態圖像可以看出，研究區的張壓特性出現了變化，震中附近地區由原來的張性逐漸變為壓性，而遠離震中的地區逐漸變為張性，整個研究區經歷了從無序到有序的應力調整狀態;整個圖形的等值線也從無序狀態逐漸趨于有序的狀態，等值線的走向分布更加清晰，主要為北東方向，等值線的這種從無序到有序的分布狀態反映了區內構造活動的結果，也反映了區域應力場在逐漸的增強。

3.2.2 震后斷層活動速率空間演化分析

1998年的空間演化圖(圖6(b))主要顯示地震后的斷層活動狀態，震后研究區整體上出現了大范圍的張性區，震中附近地區由震前的壓性轉為張性，紫荊關、淶水、南孟以南地區也轉為張性且張性逐漸增強，北京附近地區構成了研究區內的壓性區，北京西部的燕家臺、沿河城附近地區的壓性相對較強，等值線的走向大致為北東向和北西向，這與研究區的區域應力場方向一致［10，11］。1999—2000年的斷層垂直形變速率演化圖(圖6(c)、(d))顯示，研究區未出現明顯異常變化，整體上仍呈張性，正負值區的空間分布相對穩定，這可能與震源區應變能的充分釋放有關。

5 結論

1)張北地震前2 ～3年首都圈部分跨斷層形變測點出現了顯著異常變化。張山營、小水峪、張家臺、南口、密云、狼山、燕家臺等測點在1994年前后同步出現異常變化，1996—1997年這批異常有的出現轉折，有的恢復到原有水平，異常結束后發震，如張家臺、小水峪等測點;有的異常發展到最大值時發震，如張山營、沿河城等測點。

2)主成分在張北地震前都出現了異常變化，且變化較為顯著，對張北地震有較好的反映;斷層形變速率綜合指標w 在1994年出現了明顯的異常變化，1997年6月再一次出現異常，這對張北地震的判別具有一定的前兆意義。

3)張北地震斷層垂直形變速率演化圖像顯示，地震前2 ～3年研究區整體由張性轉為壓性，最后形成了以震中區為壓性區而遠離震中的地區壓性逐漸減弱的空間分布格局。根據郭良遷等［10］的研究結果，張北地震的震中區在震前2 ～3年也處于壓縮狀態。地震后，研究區出現了大范圍的張性區，震中附近地區及北京外圍地區都呈張性，僅北京附近地區呈壓性，1998—2000年的空間圖像未出現明顯的變化，基本上保持穩定的空間分布狀態，這表明地震后震源區能量主體已得到了充分釋放。

致謝感謝陸明勇、張晶研究員為本研究提供幫助!

1 陳棋福.中國震例(1997—1999)［M］.北京:地震出版社，2003.(Chen Qifu.Earthquake cases in China(1997－1999)［M］.Beijing:Seismology Press，2003)

2 劉峽，等，用GPS 資料研究華北地區形變場和構造應力場［J］.大地測量與地球動力學，2006，(3):33－38.(Liu Xia，et al.Deformation field and tectonic stress field constrained by GPS observations in North China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，(3):33－38)

3 車兆宏，等.張北6.2級地震地形變前兆演化特征［J］.地震，1999，19(4):315－322.(Che Zhaohong，et al.Precursory evolution characteristics of ground deformation before Zhangbei Ms6.2 earthquake［J］.Earthquake，1999，19(4):315－322)

4 郝洪濤，等.華北地區流動觀測資料的初步清理［J］.大地測量與地球動力學，2012，(6):54－58.(Hao Hongtao，et al.Preliminary sort of repeated gravity datd in North China area［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2012，(6):54－58)

5 張建國，關華平.張北6.2級地震前電磁波頻譜分析［J］.大地測量與地球動力學，2010，(增刊):29－32.(Zhang Jianguo and Guan Huaping.Analysis of electromagnetc spectrum before Zhangbei Ms6.2 earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(Supp.):29－32)

6 孟國杰，黎凱武.張北6.2級地震前的地殼形變特征［J］.地震，1999，19(3):261－266.(Meng Guojie and Li Kaiwu.The characteristics of crustal deformation before Zhangbei earthquake with Ms6.2［J］.Earthquake，1999，19(3):261－266)

7 李衛東.應用多元統計分析［M］.北京:北京大學出版社，2008.(Li Weidong.Applied multivariate statistical analysis［M］.Being:Peking University Press，2008)

8 龔復華，王剛軍.張北-尚義6.2級地震跨斷層形變資料異常特征分析［A］.國家地震局地殼應力研究所.地殼構造與地殼應力文集(11)［C］.北京:地震出版社，1998.(Gong Fuhua and Wang Gangjun.Analyses of anomalies of Geodetic data measured across fault prior to the Zhangbei-Shangyi M=6.2 earthquake［A］.Institute of Crustal Dynamics of China Earthquake Administration.Crustal structure and crustal stress anthology(11)［C］.Beijing:Seismology Press，1998)

9 徐紀人，等.中國大陸地殼應力場與構造運動區域特征研究［J］.地球物理學報，2008，51(3):770－781.(Xu Jiren，et al.Regional characteristics of crustal stress field and tectonic motions in and around Chinese mainland［J］.Chinese J Geophys.，2008，51(3):770－781)

10 武敏捷，等.華北北部地區震源機制解及構造應力場特征分析［J］.大地測量與地球動力學，2011，31(5):39－43.(Wu Minjie，et al.Analysis of focal mechanism and tectonic stress field features in northern part of North China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，31(5):39－43)

11 郭良遷，華彩虹.華北GPS 網基線變化與地震活動［J］.中國圖像圖形學報，1998，3(9):88－92.(Guo Liangqian and Hua Caihong.Baseline changes of GPS Network and seismic activity in North China［J］.Journal of Image and Graphics，1998，3(9):88－92)