利用水準數據分析晉冀蒙地區垂直形變演化特征

徐 凱，趙 鵬

(中國地震局第一監測中心，天津 300180)

0 引言

晉冀蒙地區整體位于鄂爾多斯塊體及周緣地區，屬于青藏高原東北部，歐亞板塊和印度板塊匯聚、消減、相互作用的邊緣地帶。該區域北起呼和浩特-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。區域內展布許多走向不同的斷裂帶。概括起來,大致有四組,即東西向斷裂帶、北東向斷裂帶、北北東向斷裂帶和北西向斷裂帶。其中，東西向斷裂帶形成于呂梁運動時期，分布于本區的北部；北東向斷裂帶主要形成于燕山運動時期，比較發育的北東向斷裂帶是控制本區新生代沉積盆地的邊界斷裂；北北東向斷裂帶形成于燕山運動時期；與上述三種斷裂帶相伴生的構造形跡，便是散布在全區的北西向斷裂。近幾十年來，該區域內發生過1976年4月6日和林格爾6.2級地震、1989年10月19日大同6.1級地震和1998年1月10日張北6.2級地震等多次中強地震。1970年以來的中等以上地震主要分布在內蒙古和林格爾-山西大同-河北張北形成的三角形區域內。據河北省數字遙測地震臺網測定,僅2005年河北省及京津地區共發生地震926次，ML1.0以下136次；ML1.0～1.9有651次，ML2.0～2.9有127次，ML3.0～3.9有14次，無4級及以上地震[1-4]。

垂直形變場能夠直觀地反應研究區域內的垂直形變變化差異程度。崔篤信等[5]收集陜西中南部1970年以來的多期精密水準測量數據，用基于GPS 垂直運動速率約束的動態平構建垂直形變場對研究區域進行分析；宋尚武等[6]收集大別山及周邊區域1980、2005、2015年三期水準復測數據，構建垂直運動速度場圖像對援救區域垂直形變特征進行分析；劉立煒等[7]結合水準與GPS數據對南北主要地震帶的垂直形變速率梯度進行求解，分析地震與形變速率梯度的空間位置對應關系。

該文在前人研究[8-12]的基礎上，收集整理6期晉冀蒙北部地區精密水準監測數據，對該研究區域垂直形變的時空特征進行分析。

1 研究區數據

收集整理研究區域1984、1987、2002、2006、2015、2018年共6期的水準觀測數據。其中，2018年監測任務包括化淶線、團化線、團張線等20條一等水準觀測路線，總長約1 980.7 km。觀測數據符合國家一等水準測量規范，每千米偶然中誤差小于0.45 mm。2018年水準觀測范圍如第30頁圖1所示。

針對多期精密水準觀測數據，由于復測周期間隔較長且同一期數據觀測時間相對較短，在復測周期間各水準點的相對位移可以忽略不計。因此，以大同基巖點為起算參考點，對每期觀測數據進行靜態平差。以最新一期即2018年的水準觀測數據范圍確定研究區域，對1984年以來該研究區域的垂直形變特征進行分析。

圖1 2018年晉冀蒙區域水準觀測路線Fig.1 The leveling observation route for the Jin-Ji-Meng region in 2018

由于復測時間較長，部分水準點存在丟失情況。經過水準數據平差與比對，不同復測年份相同水準點統計個數如表1所示。

表1 不同復測年份相同水準點個數統計Table 1 Statistics of the same level points in different retaking years

2 垂直形變特征統計與分析

為能夠更直觀地反應垂直形變特征的變化情況，以5期不同復測年份的相同水準點構建垂直形變速率梯度場(見圖2至第31頁圖6)，對其年垂直形變速率進行求解、內插，以1.6 m為垂直形變等高線間隔，繪制垂直形變速率梯度場。對研究區域的垂直形變特征進行分析，實現對參數異常區域進行劃分、預警。

2.1 1984-1987年研究區垂直形變特征

通過空間統計結果圖2看出，1984-1987時段顯示研究區域內除東北區域即張北區域外，整體呈現下沉狀態。其中呼和浩特盆地區域沉降差異明顯，應是開采地下水而形成的漏斗干擾區[13]，除此以外的山陰-大同盆地、陽原盆地、蔚縣盆地和陽原盆地受到北東東向恒山北斷裂、桑干河斷裂和北東向狼山等斷裂的控制，分別顯示不同程度的下沉狀態。其中山陰-大同盆地垂直形變速率梯度變化加劇，可能顯示了區域構造活動增強，其后的1989年10月19日大同-陽高6.1級地震，也證明了垂直形變速率梯度與地震的發生有一定的相關性。

圖2 1984-1987年年垂直形變速率Fig.2 Annual vertical deformation rate 1984-1987

2.2 1987-2002年研究區垂直形變特征

由圖3看出，垂直形變形成了以大同為中心的隆升、下沉區域。其中大同左側為下沉區域，年垂直形變速率為-11.2 mm/a;大同右側為上升區域，年垂直形變速率為6.4 mm/a。該區域的垂直形變異常可能是在1989年10月19日大同-陽高6.1 級地震的影響下形成，垂直形變速率梯度變化較好地顯示出同震形變特征。研究區域內呼和浩特附近異常區仍是開采地下水而形成的漏斗干擾，其他區域無明顯的沉降差異變化。

圖3 1987-2002年年垂直形變速率Fig.3 Annual vertical deformation rate from 1987 to 2002

2.3 2002-2006年研究區垂直形變特征

通過空間統計結果圖4看出，研究區域仍是以繼承活動為主，呈現盆地下沉、山體隆升的情況，顯示受構造影響不顯著，說明地殼活動較弱。圖中顯示清水河縣、涼城縣為弱上升區，形變速率為4.8 mm/a，大同-懷仁-山陰地帶為下降變化，形變速率變化為-8至-11.2 mm/a。研究區南部為局部強烈下沉，是過度開采地下水形成漏斗干擾[14]。

圖4 2002-2006年年垂直形變速率Fig.4 Annual vertical deformation rate from 2002 to 2006

2.4 2006-2015年研究區垂直形變特征

圖5顯示 2006-2015時段中，研究區內整體呈現上升情況，其中呂梁地區上升速率比較明顯，達到8 mm/a，顯示呂梁山地塊邊緣與盆地交匯地帶的活動性明顯，應變較大。研究區域內，大同與呼和浩特區域垂直形變速率梯度變化劇烈，比對前人相關研究結果[15-16]，上述兩地區漏斗沉降區域的生成是地下水的過度開采所致。

圖5 2006-2015年年垂直形變速率Fig.5 Annual vertical deformation rate from 2006 to 2015

2.5 2015-2018年研究區垂直形變特征

圖6顯示2015-2018時段大同區域仍是漏斗式下沉，主要原因仍如上述的地下水開采。研究區東側太行山及山陰區域呈現上升趨勢；西北部呼和浩特區域附近、東南部蔚縣盆地和五臺山北麓斷裂附近出現差異升降變化，表明該區域具有潛在的地震危險性，應注意潛在的與地震有關的拉張或者沉降區的出現。2020年3月30日，內蒙古呼和浩特市和林格爾縣發生4.0級地震，可能與該區域垂直形變差異有關。懷仁-山陰縣連線區域垂直形變速率梯度場存在較大差異，同樣具有潛在的地震危險性。研究區域內其他區域仍是以山區隆盛、盆地下降的繼承性活動為主。

圖6 2015-2018年年垂直形變速率Fig.6 Annual vertical deformation rate from 2015 to 2018

3 結論

收集整理1984年以來歷年晉冀蒙地區精密水準復測觀測數據，比對相鄰復測年份相同水準點的高差值，構建垂直形變速率梯度場進行分析。通過分析結果看出，1984-1987年垂直形變速率梯度變化圖顯示山陰-大同盆地變化加劇，其后發生1989年10月19日大同-陽高6.1級地震；2015-2018年分析結果顯示呼和浩特區域附近變化大的區域與2020年3月30日和林格爾縣4.0級地震的發生可能存在一定的關系。

根據最新復測數據分析，研究區域內以繼承性活動為主，即山區隆升、盆地下降。呼和浩特區域附近垂直形變速率梯度場升降差異變化明顯，蔚縣盆地和五臺山北麓斷裂附近出現差異升降變化，懷仁縣-山陰縣的垂直形變速率梯度變化等，表明這些區域具有潛在的地震危險性。