張渤地震帶現今形變特征研究

馬廣慶， 王曉山， 馮向東， 張玉林

(河北省地震局， 石家莊 050021)

張家口-渤海斷裂帶(張渤帶)由一系列北西西(NWW)走向的斷裂組成，自西北向東南依次是張家口斷裂、新保安-沙城斷裂、施莊斷裂、孫河-南口斷裂、永定河斷裂、廊坊-武清斷裂、寶坻斷裂、薊運河斷裂和海西斷裂等。同時張渤帶也是華北地區的強震多發區，歷史上曾發生過1679年三河-平谷8級地震、1969 年渤海7.4級、1976 年唐山7.8級、1998 年張北6.2級地震等。學者們對張渤帶的地殼深部結構、活動構造特征以及構造應力場等問題通過不同的觀測資料都作了一定程度的研究[1-5]。全球導航衛星系統( global navigation satellite system, GNSS)觀測數據目前用途廣泛，既可以做導航定位[6-7]，又可以用來提取強震前的地殼形變的異常信息。長趨勢全球衛星定位系統(global positioning system, GPS) 地殼形變圖像顯示張渤斷裂帶相對完整的左旋走滑活動[8]，方穎等[9]利用GPS資料采用聚類分析方法分析張渤帶的活動性，建立了張渤帶運動模型，滑動量約為0.5 mm/a；陳長云等[10]基于跨斷層和GPS 資料綜合分析得出整個張渤帶及其鄰區斷層活動水平較低；近期研究顯示張渤帶受到明顯擠壓，呈應力應變能積累增強的趨勢[11]。馬棟等[12]分析了張渤帶2002年以來的洞體應變觀測資料，發現洞體應變與GPS 結果在變形性質上存在一定的一致性，但量值上差異較大。王曉山等[13]比較了震源機制與GPS資料提供信息的差別，認為二者可以互補，利用GPS和震源機制兩種資料聯合解釋、相互約束，則可增加反演結果的可靠性。利用大地測量學研究結果追蹤現今地殼形變圖像的變化，研究地殼構造應力-應變的動態，從中提取強震的前兆信息，是地形變大地測量學的終極目標。現聯合使用張渤帶近期的GNSS觀測資料與同時段中等地震的震源機制解資料對張渤帶現今形變特征進行研究，以期取得可靠的形變結果并提給GNSS和震源機制聯合研究的一個范例。

1 數據和方法

張渤帶上布設有較為密集的GNSS連續觀測基準站。2008年開始建設，2010年開始產出數據，加上河北省地理信息局的GPS測站數據，可以獲得GNSS區域速度場。現選取數據觀測時間較長、缺數較少的GNSS連續站，臺站分布如圖1所示，觀測時間：2010年5月到2020年3月。

GPS觀測值的數據解算使用GAMIT/GLOBK/軟件[14-15]進行處理，通過計算得到相對于全球參考框架ITRF2008[16]下的單日解。震源機制解數據使用2010—2019年研究區域范圍內的已發表的震源機制解資料[17-21]和本文研究中使用初動與振幅比資料[22-23]計算得到的部分結果。

圖1 張渤帶及鄰區活動斷裂與GNSS基準站分布圖Fig.1 Distribution of active faults and GNSS reference stations in Zhangjiakou-Bohai seismic tectonic belt and its adjacent areas

2 張渤地震帶形變特征

由表1和圖2可知，相對于穩定歐亞參考框架，張渤帶東段整體向東偏南方向運動，運動速率由南向北呈逐漸遞減的趨勢。而基準站HETS、TJWQ這兩個點北南(NS)向與張渤帶整體運動方向有偏差，其中唐山站受到水庫蓄水、放水影響，天津武清站地基為土層，這兩個測站臺基穩定性較差。HETS基準站在水庫邊緣，水庫水位上升與下降時均對數據穩定性產生影響，TJWQ基準站地基為土層，沉降等因素導致基準站數據產生較大誤差，對這兩個測站進行校正得出新的張渤帶平均速度場。

表1 GNSS基準站數據解算結果Table 1 The calculating results of GNSS reference stations

圖2 GAMIT解算張渤帶平均速度場Fig.2 The average velocity field of GAMIT solution in Zhangjiakou-bohai seismic tectonic belt

從圖2可以看出河北赤城-山西靈丘一線以西，地殼形變速率從北向南逐漸增大，河北赤城站年平均速度為2.9 mm，運動方向為東偏南18°，河北陽原站年平均速度為4.9 mm，方向為東偏南13.5°；北京延慶-山西靈丘一線以西塊體運動速度較大，而東側運動速度相對較低。北京古北口-北京房山一線也存在運動速度從北向南逐漸增大的的趨勢，北京古北口站年平均速度場為2.56 mm，運動方向為東偏南9.8°，北京房山站年平均速度場為3.0 mm，運動方向為東偏南11.7°，顯示斷層滑動方向為沿斷層線向南滑動趨勢。天津薊縣-天津武清一線斷層運動相對復雜，天津薊縣站年平均速度場為1.9 mm，運動方向東偏南12.5°，天津寶坻站年平均速度場為3.8 mm，運動方向為東偏南22°，天津武清站年平均速度場為3.6 mm，運動方向為東偏北50°，應力向天津寶坻方向匯聚。河北唐山站年平均速度場為2.4 mm，運動方向為東偏北64.6 °，在張渤帶整體向東偏南運動中，天津武清站相對于河北唐山站運動方向異常，屬于應力集中區。

沿張渤帶自西向東計算了3條跨斷層基線，分別為河北赤城(HECC)-山西靈丘(SXLQ)基線、北京古北口(BJGB)-北京房山(BJFS)、河北承德(HECD)-天津武清(TJWQ)基線。通過最小二乘擬合扣除兩分量的線性項和觀測期間兩站之間地震造成的同震響應，表2給出了3條基線的相對運動速度。結果顯示，這三條基線都表現為左旋走滑運動(圖3)。

表2 3條基線的相對運動速度Table 2 Relative velocity of three GNSS baselines

圖3 GNSS基線時間序列變化曲線 Fig.3 The curve of GNSS baseline time series

圖3(a)顯示SXLQ(靈丘)相對于HECC(赤城)的跨斷層基線變化，其中左側、右側分別是兩站坐標變化差值的東西分量和南北分量。這兩個分量都分別給出了兩站分量變化的差值、顧及地震時刻的線性擬合及其殘差序列。圖3(b)和圖3(c)分別給出了TJWQ相對于HECD、BJFS相對于BJGB的基線變化時序。

圖4為這三條基線兩分量扣除線性項和同震響應后的殘差序列。結果顯示，西段和中段的基線殘差序列較平穩，變幅不超過10 mm，而東段的基線殘差變化幅度達到20 mm，且表現出不規則的季節性變化，可能與TJWQ站地處嚴重沉降區有關。

圖4 3條跨斷層基線兩分量去線性項后的殘差序列Fig.4 Residual sequence of two components of three cross fault baselines after removing linear term

由表2可以看出張渤帶陸地段平均速度場較低，一般在3 mm左右，應變主要集中在天津武清-天津寶坻一線，應力圖像(圖5)顯示存在主壓應力方向旋轉和應力狀態的轉換，天津寶坻-薊縣為拉張狀態，而東邊的唐山地區則呈現較強的擠壓分量。區域主應變顯示張渤帶地區自西向東依次是拉張-擠壓-拉張-擠壓，主應變由低到高，高應變拉張區位于天津寶坻(TJBD)、天津薊縣(JIXN)、高擠壓區分布在河北唐山(HETS)一帶，高應變區為年應變量約為20 nanostrain/yr(nanostrain/yr是應變率的單位，表示單位距離每年的變化率)。

圖5 張渤帶地區主應變Fig.5 Principal strain in Zhangjiakou-Bohai seismic tectonic belt

3 震源機制特征

根據Zoback判斷震源機制應力類型的方法[24]，應力類型包括：正斷型(NF)；帶有少部分走滑分量的正走滑型(NS)；走滑型(包含少量正斷型或逆斷型分量)(SS)；逆斷型(TF)；帶有少量走滑分量的逆走滑型(TS)；無法確定型(U)。對張渤地震帶及鄰區研究時段內19個近震震級(ML)4.0以上地震的震源機制進行分類(表3)，震源錯動方式以正斷和走滑為主，沒有出現逆沖和不確定類型(圖6)。從圖6可以看出，ML4.0以上地震主要集中在張渤帶陸地段的兩端——晉冀蒙交界地區和唐山地區，中段僅發生2018年2月12日永清地震。震源機制解的P軸方位從西向東有個明顯的轉向變化，西段為NE向，東段為NEE-EW向，和GPS主應變方向基本一致。唐山-寶坻地區震源機制解以走滑和拉張為主，也符合該區GPS主應變呈現的應力狀態。

表3 張渤帶及鄰區2010—2019年ML4.0以上地震震源機制解Table 3 Focal mechanism solutions of ML4.0 earthquakes in Zhangjiakou-Bohai seismic tectonic belt and its adjacent areas from 2010 to 2019

圖6 張渤帶及鄰區2010—2019年ML4.0以上地震震源機制解投影Fig.6 Projection of focal mechanism solutions for earthquakes above ML4.0 in Zhangjiakou-Bohai seismic tectonic belt and its adjacent areas from 2010 to 2019

4 結果與討論

GNSS反映較大尺度地殼形變特征，通過綜合分析張渤帶上的GNSS資料和震源機制解，得出以下特征。

(1)剔除數據質量較差的基準站，可以看出GNSS平均速度場在張渤帶斷層兩側具有明顯差異，張渤帶及其鄰區整體運動方向為向東偏南運動。

(2)張渤帶區域應變場應力狀態自西向東依次為拉張-擠壓-拉張-擠壓-拉張-擠壓，主應變由西向東逐步增大。在天津寶坻到河北唐山一帶，主應變最大，為20 nanostr/yr，天津薊縣-天津寶坻一帶為拉張變形，在唐山一帶為擠壓變形。

(3)根據Zoback判斷震源機制應力類型的方法對張渤地震帶及鄰區研究時段內19個ML4.0以上地震的震源機制進行分類，震源錯動方式以正斷和走滑為主，沒有出現逆沖和不確定類型。

(4)區域應變顯示的應力狀態與震源機制解的錯動類型基本吻合，天津寶坻-河北唐山的主應變變化比較劇烈，同時震源機制的類型也發生變化，表明該地區的深部與淺部的變形一致。

(5)由首都圈GNSS觀測數據獲得的應變場空間變化特征與同時段中等地震的震源機制的類型基本一致，進一步說明大地測量數據應與震源機制聯合解釋、相互約束，則可增加反演結果的可靠性。

本文研究中GNSS資料獲得的主應變類型、震源機制解的錯動類型與當地的活動構造調查得出的斷裂活動習性基本一致[25-27]，獲得應力狀態與前人通過震源機制解、InSAR和三維地震及鉆井資料得到的張渤帶及鄰區的應力場也比較一致[28-32]，太平洋板塊向西俯沖及俯沖速率的改變引起華北地區應力場的轉換，進而導致區域斷裂體系發育演化。多種觀測資料的聯合解釋、相互約束，增加反演結果的可靠性，這也是后續進行應力場研究的發展方向。