郭良遷 薄萬(wàn)舉 楊國(guó)華 郭赫

(中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津300180)

華北1999—2009年水平形變應(yīng)變場(chǎng)特征*

郭良遷 薄萬(wàn)舉 楊國(guó)華 郭赫

(中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津300180)

根據(jù)華北地區(qū)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算了華北活動(dòng)塊體的運(yùn)動(dòng)速度和應(yīng)變率，以及塊體邊界帶的活動(dòng)速率和應(yīng)變率，研究了華北塊體的運(yùn)動(dòng)和應(yīng)變率特征，以及邊界斷裂帶的應(yīng)力作用特征。形變揭示出華北亞板塊從西向東運(yùn)動(dòng)方向由東向偏轉(zhuǎn)為南東向，NE-NNE向斷裂帶呈現(xiàn)右旋，NWW-EW向斷裂帶呈現(xiàn)左旋。各個(gè)次級(jí)塊體的主壓應(yīng)變應(yīng)力軸方向存在一定的差異。邊界斷裂帶現(xiàn)今應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)頁(yè)不相同，郯廬斷裂帶北段和山西斷陷帶以壓性為主，具有應(yīng)變能積累顯示，但是應(yīng)變率相對(duì)較小，應(yīng)變能積累緩慢。

塊體運(yùn)動(dòng);應(yīng)變應(yīng)力場(chǎng);斷裂帶;應(yīng)力作用;蘊(yùn)震分析

AbstractOn the basis of the GPS data of Chinese Crustal Motion Network in North China，the velocities and the strain rates on blocks in North China were calculated，as well as these on block’s boundary fault zones.The North China subplates’motion and features of the strain rate，and also the features of the strain stress of the block’s boundary fault zones were studied.The results show that the direction of the west-east movement field of North China subplates turns from east to southeast，the NE-NNE fault zone is of right-lateral strike slip activity and the NWW-EW fault zone is of left-lateral strike slip activity.The directions of the principal compressive strain axis of the sub-blocks are different.The present strain of the block’s boundary fault zones indicates that the force of the north part of Tanlu fault zone and the Shanxi downfaulted zone is mainly compressive，the strain energy is accumulating，but the strain rate is small，the speed of the accumulation is slow，so we should pay attention to the variation in future.

Key words:block movement;the field of strain and stress;fault zone;stress effect;analysis of seismogenic process

1 引言

GPS觀測(cè)便捷直觀，既可以獲得地殼長(zhǎng)趨勢(shì)構(gòu)造變化信息，也可以捕捉短暫的微動(dòng)態(tài)變化信息。用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到地殼運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和地殼應(yīng)變應(yīng)力場(chǎng)［1－4］。

網(wǎng)絡(luò)工程的實(shí)施，在華北亞板塊上布設(shè)了325個(gè)GPS站點(diǎn)，是中國(guó)大陸上比較密集的地區(qū)之一。自1999年以來(lái)經(jīng)過(guò)多次復(fù)測(cè)，積累了相對(duì)豐富的資料，為探討華北地殼的現(xiàn)今活動(dòng)性創(chuàng)造了條件。本文旨在根據(jù)華北地區(qū)1999—2009年多期觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果，研究華北亞板塊和次一級(jí)構(gòu)造塊體的運(yùn)動(dòng)和應(yīng)變應(yīng)力場(chǎng)。

2 數(shù)據(jù)處理

大地震研究顯示，M≥7的地震主要發(fā)生在Ⅰ、Ⅱ級(jí)塊體的邊界斷裂帶上［5，6］，說(shuō)明塊體邊界帶是相對(duì)活動(dòng)的單元。大震需要大的空間構(gòu)造單元——塊體運(yùn)動(dòng)提供能量。GPS觀測(cè)提供了研究區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)和應(yīng)變應(yīng)力集中程度的條件從而為地震蘊(yùn)育發(fā)生的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。而彈性運(yùn)動(dòng)方程

是由GPS資料計(jì)算塊體運(yùn)動(dòng)和應(yīng)變參數(shù)，研究塊體應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)的一種有效工具［7］。式中，ωx、ωy、ωz是塊體旋轉(zhuǎn)參數(shù)，A0、B0、C0、ξ1、ξ2、ξ3、ζ1、ζ2、ζ3是塊體的應(yīng)變參數(shù)。

3 塊體運(yùn)動(dòng)

以東北亞板塊為參考基準(zhǔn)的華北亞板塊1999—2009年的位移場(chǎng)如表1所示。表1中第一行給出了華北亞板塊整體運(yùn)動(dòng)方向和速率。華北亞板塊自西向東位移速度矢量的方向逐漸變化:EW→SEE→SE→SSE。

華北亞板塊的各次一級(jí)構(gòu)造單元的位移方向和速率存在一定的差異。鄂爾多斯塊體總體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闁|向偏南的角度相對(duì)最小，豫晥塊體東向偏南的角度最大(表1)，太行塊體、冀魯塊體和膠東-蘇北塊體的運(yùn)動(dòng)方向介于其間。華北各次一級(jí)塊體的位移速率顯示，鄂爾多斯塊體相對(duì)最大，冀魯塊體相對(duì)最小，平均速率為2.1 mm/a。

表1 塊體位移矢量及速率Tab.1Displacement vector rates of blocks

鄂爾多斯塊體西部位移速率相對(duì)較大，東部變小，北部的位移方向?yàn)镾EE，中、南部為近EW(圖1)。太行塊體的位移矢量方向較為均一，內(nèi)部差異不明顯。冀魯塊體北部的位移方向?yàn)镾EE，南部的位移方向?yàn)镾E。冀魯塊體的速率北部相對(duì)小，南部相對(duì)大，最大者在西南部。豫晥塊體與北鄰的太行塊體和冀魯塊體相比，運(yùn)動(dòng)方向明顯向南偏轉(zhuǎn)，與東鄰的膠東-蘇北塊體較為一致。膠東-蘇北塊體北部向SSE位移，南部向SE位移。

上述表明，華北亞板塊的運(yùn)動(dòng)方向自西而東，由北向南，存在順時(shí)針偏轉(zhuǎn)趨勢(shì)，從西部到東南部由100.1°變化為146.6°。西部的鄂爾多斯塊體、南部的豫晥塊體和東部的膠東-蘇北塊體速率在2 mm/a以上，中部的太行塊體和冀魯塊體小于2 mm/a。各塊體的位移方向向南偏轉(zhuǎn)，將使北北東走向的邊界帶具有右旋走滑活動(dòng)趨勢(shì)。

圖11999 —2009年華北塊體水平位移場(chǎng)Fig.1Horizontal movement fields of North China block during 1999－2009

4 塊體應(yīng)變率

表2給出了華北亞板塊和其次一級(jí)塊體應(yīng)變參量，其中壓應(yīng)變軸方向代表了塊體的主壓應(yīng)力作用方向，主壓應(yīng)變率的相對(duì)大小代表了1999—2009年時(shí)間段的主壓應(yīng)力的相對(duì)大小。由表2可見(jiàn)，計(jì)算得到的主壓應(yīng)力方向與本區(qū)大震震源機(jī)制解的P軸方向基本一致。

表2 塊體應(yīng)變率(單位:10－9/a)Tab.2Strain rates of some blocks(unit:10－9/a)

華北亞板塊的各次一級(jí)塊體1999—2009年主壓應(yīng)變方向所代表的主壓應(yīng)力方向具有一定的差別，變化范圍從NNE～SEE向(表2，圖2)，其中太行塊體的主壓應(yīng)力作用方向?yàn)镹NE-SSW向，鄂爾多斯塊體和冀魯塊體為NEE-SWW向，膠東-蘇北塊體和豫晥塊體為SEE-NWW向。

98例腎損傷患者中有37例 （38%）聯(lián)合使用了其他可能引起腎損傷的藥物，其中阿米卡星17例，更昔洛韋18例，兩性霉素B 12例，呋塞米4例，順鉑2例，部分人群合并有2種以上的藥物。

圖2 華北塊體主應(yīng)變率(1999—2009年)Fig.2Principal strain rates of the North China block (1999－2009)

華北各次一級(jí)塊體的主壓應(yīng)變率為:太行塊體的最小，冀魯塊體的最大，其他塊體居于其間。

綜上所述，華北亞板塊的西部和中北部主壓應(yīng)變軸為NE向，東部和南部為近EW-NWW向。華北亞板塊東西兩側(cè)塊體壓性活動(dòng)相對(duì)明顯，中部各塊體張性活動(dòng)較為突出。

5 面應(yīng)變率

華北亞板塊各次一級(jí)塊體面應(yīng)變率如圖3所示。鄂爾多斯塊體西部、冀魯塊體西部和膠東-蘇北塊體北部為負(fù)值，說(shuō)明壓性變化相對(duì)明顯。鄂爾多斯塊體西部的面應(yīng)變率最大值為－5×10－9/a，冀魯塊體西南部最大值為－4×10－9/a，膠東地段最大值為－9×10－9/a。太行塊體、豫皖塊體、鄂爾多斯塊體東部、冀魯塊體東部和膠東-蘇北塊體西南部為正值，說(shuō)明張性變化明顯。太行塊體南部面應(yīng)變率相對(duì)較大，最大為9×10－9/a，北部較小，最小值為0。豫皖塊體的面應(yīng)變率值由西南向東北逐漸減小，從7×10－9/a變?yōu)?。鄂爾多斯東南部的面應(yīng)變率最大為6×10－9/a，冀魯塊體東部最大值為9×10－9/ a，膠東-蘇北塊體西南部的最大值為6×10－9/a。面應(yīng)變率在山西斷陷帶南段、平原地震構(gòu)造帶南段、郯廬斷裂帶北段(沂沭段)、陰山-燕山南緣構(gòu)造帶的東西兩端等直線相對(duì)密集，形成了梯度帶，說(shuō)明這些地帶兩側(cè)的面應(yīng)變率差異顯著，現(xiàn)階段構(gòu)造活動(dòng)性較強(qiáng)，尤其后二者是張壓性變化的接界地帶。

圖3 華北塊體面應(yīng)變率分布(1999—2009年)Fig.3Surface strain rates of the North China block(1999－2009)

6 最大剪應(yīng)變率

華北亞板塊剪應(yīng)變率分布如圖4所示。最大剪應(yīng)變率值出現(xiàn)在冀魯塊體西南部，其次在豫皖塊體西部和膠蘇塊體東南部。鄂爾多斯塊體的最大剪應(yīng)變率由西向東逐漸增大，從2×10－9/a變化到5× 10－9/a，等直線較為稀疏，整體差異變化量為3× 10－9/a。太行塊體中南段由東向西增大，最大剪應(yīng)變率值從2×10－9/a增加到9×10－9/a;北部由西向東增大，從4×10－9/a增加到9×10－9/a。太行塊體的等直線比鄂爾多斯塊體密集，整體差異變化量為7×10－9/a。冀魯塊體的最大剪應(yīng)變率值從東南部的魯中山區(qū)向西、向北逐漸增大。西南部最大剪應(yīng)變率在18×10－9/a以上，北部達(dá)到9×10－9/a以上，整體差異變化量為16×10－9/a。冀魯塊體的最大剪應(yīng)變率等直線是華北亞板塊中最為密集的塊體。膠東－蘇北塊體的最大剪應(yīng)變率值從西北向東南逐漸增大，由3×10－9/a增加到15×10－9/a，等直線密集度居中，整體差異變化量為12×10－9/a。豫皖塊體的最大剪應(yīng)變率從東向西增大，由2×10－9/ a變?yōu)?8×10－9/a，整體差異變化量為16×10－9/a。等直線密集度大于鄂爾多斯塊體，但小于其他3個(gè)塊體。

各個(gè)塊體的等值線密集程度和量值大小表明，鄂爾多斯塊體剪切活動(dòng)較弱，冀魯塊體最強(qiáng)，其他塊體介于其間。

最大剪應(yīng)變率等直線在河北平原地震構(gòu)造帶南段、山西斷陷帶南段、陰山-燕山南緣構(gòu)造帶的東西兩端和郯廬斷裂帶(沂沭段)北段至萊州灣相對(duì)較密集，形成了梯度帶，說(shuō)明這些地帶兩側(cè)塊體的剪應(yīng)變率差別較大，塊體邊界帶活動(dòng)性相對(duì)明顯。

圖4 華北塊體最大剪應(yīng)變率分布圖(1999—2009年)Fig.4Maximum shear strain rates of the North China block (1999－2009)

7 塊體邊界帶活動(dòng)

7.1 邊界帶活動(dòng)

圖5 華北次級(jí)塊體邊界帶活動(dòng)速率(1999—2009年)Fig.5Displacement rate of boundary zones of secondary North China blocks(1999－2009)

平原地震構(gòu)造帶北段走向NE，南段走向NNE。其東側(cè)相對(duì)西側(cè)的位移矢量顯示，北段向SW-W位移，平原地震構(gòu)造帶由走滑變?yōu)閿D壓;南段位移方向?yàn)镋-SSE，由拉張變?yōu)樽呋?。平原地震?gòu)造帶總體位移速率為1.00 mm/a，平均位移方向?yàn)镾W214.6°，以右旋走滑為主。

郯廬斷裂帶北段(新沂-萊州灣)東側(cè)相對(duì)西側(cè)向W位移，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镾W261.2°，速率為1.24 mm/a。郯廬斷裂帶南段(宿遷-廬江)東側(cè)相對(duì)西側(cè)向SE位移，位移方向?yàn)镾E148.2°，位移速率為1.06 mm/a，該段斷裂帶呈現(xiàn)張性右旋。

陰山-燕山南緣活動(dòng)構(gòu)造帶是華北亞板塊與東北亞板塊的分界，該構(gòu)造帶的活動(dòng)參量是由兩個(gè)Ⅰ級(jí)塊體相互作用決定的，因此由華北亞板塊和東北亞板塊的運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算得到。陰山-燕山南緣活動(dòng)構(gòu)造帶南側(cè)相對(duì)北側(cè)的位移方向，在包頭以西向NW位移，以東至渤海，向NEE方向位移(圖5)，平均位移方向?yàn)镾E109.1°，速度均值為0.66 mm/a。

上述表明，山西斷陷帶和郯廬斷裂帶北段(新沂-萊州灣)以擠壓活動(dòng)為主導(dǎo)，平原帶、郯廬斷裂帶南段和陰山-燕山南緣構(gòu)造帶走滑活動(dòng)相對(duì)明顯，它們或者壓扭，或者張扭。

7.2 邊界帶的應(yīng)變應(yīng)力作用

表3是由塊體活動(dòng)使邊界帶產(chǎn)生的應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)。從表3和圖6可見(jiàn)，山西斷陷帶的主壓應(yīng)變軸和其走向夾角較大，近于垂直，說(shuō)明該帶受擠壓應(yīng)力作用為主。應(yīng)變參量顯示該帶現(xiàn)今活動(dòng)有利于應(yīng)變能積累，由于主壓應(yīng)變率不算大，相對(duì)積累較緩慢。

表3 塊體邊界帶應(yīng)變率參數(shù)(單位:10－9/a)Tab.3Strain rate parameters of the boundary zones of the North China block(unit:10－9/a)

平原地震構(gòu)造帶的兩個(gè)主應(yīng)變軸均和斷裂帶走向斜交，表明在水平主壓應(yīng)力作用下，有利于斷裂走滑。平原構(gòu)造帶北段主壓應(yīng)變率相對(duì)較大，主壓應(yīng)變軸為NWW向，南段主張應(yīng)變率相對(duì)較大，主張應(yīng)變軸呈NNW向。應(yīng)變參量表明，該斷裂帶不利于壓應(yīng)變能積累。

郯廬斷裂帶北段主壓應(yīng)變率相對(duì)較大，主壓應(yīng)變軸與斷裂帶走向夾角較大，近于垂直，有利于應(yīng)變能積累，但是積累速度不顯著。郯廬斷裂帶南段(宿遷-廬江)的主張應(yīng)變率相對(duì)突出，主張應(yīng)變軸T的方向?yàn)镹W324.2°，主壓應(yīng)變率較小，表現(xiàn)為張性活動(dòng)，不利于應(yīng)變能積累。

陰山-燕山南緣活動(dòng)構(gòu)造帶的主應(yīng)變率顯示，在包頭以西主壓應(yīng)變率相對(duì)較大，包頭-懷安地段主張應(yīng)變率相對(duì)突出，延懷盆地向東主壓應(yīng)變率逐漸增大，到渤海灣大于主張應(yīng)變率。陰山-燕山南緣活動(dòng)構(gòu)造帶東西兩段為壓扭活動(dòng)，中段為張扭活動(dòng)，不具有強(qiáng)應(yīng)變積累。

邊界構(gòu)造帶的應(yīng)變顯示出，山西斷陷帶和郯廬斷裂帶北段主壓應(yīng)變軸基本垂直于斷裂帶走向，有利于應(yīng)變能積聚，平原構(gòu)造帶、郯廬斷裂帶南段和陰山-燕山南緣構(gòu)造帶主應(yīng)變軸與斷裂帶走向斜交，或者主張應(yīng)變軸與斷裂帶走向近于垂直，不利于應(yīng)變能積累。

圖6 華北亞板塊次級(jí)塊體邊界帶主應(yīng)變率分布(1999—2009)Fig.6Principal strain rates of boundary zones of the secondary blocks of North China subptale(1999－2009)

8 結(jié)論

1)以東北亞板塊為參考基準(zhǔn)(整體運(yùn)動(dòng)框架)的華北亞板塊的次一級(jí)塊體運(yùn)動(dòng)顯示，亞板塊由西向東位移矢量方向逐漸從東向南偏轉(zhuǎn)為南東向，各次級(jí)塊體的位移速率存在差別。在這種運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)下，NNE-NE向斷裂帶具有右旋走滑性質(zhì)，并且兼有一定程度的擠壓或者拉張，NWW及近EW向斷裂帶具有左旋走滑性質(zhì)，兼有一定程度的擠壓或者拉張。

2)由次級(jí)塊體相互作用使邊界斷裂帶產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)顯示，山西斷陷帶以擠壓運(yùn)動(dòng)為主，平原構(gòu)造帶北段為右旋壓扭運(yùn)動(dòng)，南段為右旋張扭運(yùn)動(dòng)，郯廬斷裂帶北段以擠壓運(yùn)動(dòng)為主，南段呈張扭運(yùn)動(dòng)，陰山-燕山南緣構(gòu)造帶以左旋走滑運(yùn)動(dòng)為主。

3)邊界斷裂帶的應(yīng)變率反映出，郯廬斷裂帶北段和山西斷陷帶受壓應(yīng)力作用，但是應(yīng)變率相對(duì)較小，應(yīng)力增加緩慢，可能有大震在緩慢地孕育，郯廬斷裂帶南段、平原構(gòu)造帶和陰山-燕山南緣活動(dòng)帶以走滑蠕動(dòng)為主，不利于應(yīng)變能的積累。

4)面應(yīng)變率和最大剪應(yīng)變率等值線反映出，在山西斷陷帶南段、平原構(gòu)造帶南段和郯廬斷裂帶北段等值線相對(duì)密集，成為應(yīng)變率梯度較高的地段，差異活動(dòng)明顯，其附近是中-小地震易發(fā)的場(chǎng)所。

5)主應(yīng)變軸顯示，華北亞板塊的西部主壓應(yīng)力P軸為NE向，中部、東部和東南部為近EW-NWW向。鄂爾多斯塊體西部和膠東地區(qū)壓性活動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)，太行塊體和豫皖塊體張性活動(dòng)相對(duì)明顯，冀魯塊體西南部壓性較為突出，東北部張性相對(duì)顯著。

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CHARACTERISTICS OF HORIZONTAL DEFORMATION-STRAIN FIELD IN NORTH CHINA FROM 1999 TO 2009

Guo Liangqian，Bo Wanju，Yang Guohua and Guo He
(First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin300180)

P315.72+6

A

1671-5942(2011)03-0015-05

2011-02-11

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(08JCZDJC18900);“十一五”國(guó)家科技支撐課題(2006BAC01B02－02－03)

郭良遷，男，1950年生，研究員，主要從事地形變、構(gòu)造活動(dòng)和地震預(yù)測(cè)研究.E－mail:guoliangqian@163.com