李臘月 邢成起 武安緒 胡樂銀
1)中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100036
2)北京市地震局,北京100080
張北6.2級地震發(fā)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(gòu)造帶和北東向的汾渭地震構(gòu)造帶交匯的晉冀北張性區(qū)[1]。
文獻(xiàn)[2-9]利用華北地區(qū)的精密水準(zhǔn)、重力測網(wǎng)、大量定點、地磁、流動形變及地應(yīng)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(yīng)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(qū)的地殼形變特征,探討了張北地震前華北北部地區(qū)地殼形變與張北地震的關(guān)系。本文應(yīng)用首都圈地區(qū)的24 處跨斷層流動水準(zhǔn)資料,基于主成分分析方法對張北地震前后首都圈地區(qū)斷層活動特征進(jìn)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(fā)生過程中斷層活動的演化特征。
張北6.2級地震發(fā)生在前兆觀測臺網(wǎng)高度密集的首都圈重點監(jiān)視區(qū)邊緣(圖1),該區(qū)共有24 處跨斷層流動形變監(jiān)測場地,其中13 處為水準(zhǔn)監(jiān)測場地,10 處為基線、水準(zhǔn)同樁監(jiān)測場地,1 處為基線、水準(zhǔn)不同樁監(jiān)測場地。大多數(shù)場地每月觀測1 次,少數(shù)場地每兩個月觀測1 次。這些資料時間跨度較長,最長的達(dá)40年,最短的也將近20年;且大多數(shù)場地布設(shè)在基巖上,觀測精度較高。本研究選用的跨斷層流動水準(zhǔn)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(jiān)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(fù)的數(shù)據(jù),然后采用線性插值法填補(bǔ)缺失的數(shù)據(jù),得到統(tǒng)一的每年12 個周期的形變數(shù)據(jù)。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(guī)律、變化量較大、資料時間長、連續(xù)性好的測線。
2)為了消除季節(jié)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(qū)斷層垂直形變速率進(jìn)行合成。
①將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(xiàn)率
和累積貢獻(xiàn)率
⑥根據(jù)主成分分析得到的主成分zi和相應(yīng)的權(quán)值(貢獻(xiàn)率)ei,計算斷層垂直活動速率的綜合指標(biāo)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到無量綱的值γ,當(dāng)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。
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(xiàn)了明顯的異常變化。小水峪測點的斜交水準(zhǔn)曲線在1993年出現(xiàn)向上的大幅度變化后發(fā)生轉(zhuǎn)折,在1996—1997年又開始出現(xiàn)向上的加速變化,逐漸恢復(fù)后發(fā)生地震;張家臺測點的斜交水準(zhǔn)曲線震前出現(xiàn)向上和向下的大幅度變化,逐漸恢復(fù)后發(fā)生地震;張山營測點水準(zhǔn)曲線在震前出現(xiàn)向下加速變化,轉(zhuǎn)折過程中發(fā)生地震;沿河城測點的水準(zhǔn)曲線震前出現(xiàn)向上的大幅度變化,震后恢復(fù);狼山測點的水準(zhǔn)曲線在震前逐漸轉(zhuǎn)為向下的變化趨勢,從張性逐漸轉(zhuǎn)為壓性,震后仍保持壓性的活動狀態(tài);密云測點的水準(zhǔn)曲線震前未見明顯異常變化,但震后出現(xiàn)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(qū)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(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率(表1)。從表1 中可以看出主成分1 的特征值和貢獻(xiàn)率最大,貢獻(xiàn)率占總信息量的20.89%,而主成分6 的特征值和貢獻(xiàn)率最小,貢獻(xiàn)率占總信息量的5.26%。當(dāng)取6 個主成分時,累計貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到了53.96%,這表明前6 個主成分就已經(jīng)包含了原始數(shù)據(jù)一半以上的信息。
圖2 部分水準(zhǔn)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(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)大幅度的上升變化,到1995年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,并逐漸恢復(fù)震前的平緩變化趨勢,到1997年下半年,曲線出現(xiàn)大幅度的下降變化,異常持續(xù)半年后發(fā)生了張北地震,地震后曲線發(fā)生轉(zhuǎn)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(xiàn)大幅度的下降變化,1996年發(fā)生轉(zhuǎn)折,曲線持續(xù)上升1年左右,1997年曲線再一次發(fā)生轉(zhuǎn)折,持續(xù)下降直至地震發(fā)生,地震發(fā)生后,異常持續(xù)一定時間后恢復(fù);主成分3 的異常變化趨勢和主成分2 相似,1995年出現(xiàn)大幅度的下降變化,1996年異常發(fā)生轉(zhuǎn)折,到1997年異?;謴?fù),張北地震發(fā)生在異?;謴?fù)后;主成分4 在1996年以前變化形態(tài)基本穩(wěn)定,1997年出現(xiàn)大幅度下降變化,異常達(dá)到最大值時發(fā)生地震,震后異?;謴?fù);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(qū)整體斷層活動水平的綜合指標(biāo)w隨時間的變化曲線,可見其變化形態(tài)與圖3 中的主成分1 的變化形態(tài)最相似。從圖4 可見曲線在1990—1993年變化平緩,在1994年出現(xiàn)大幅度的向上變化,1995年發(fā)生轉(zhuǎn)折后逐漸趨于穩(wěn)定,到1997年下半年曲線又開始出現(xiàn)大幅度的下降,直到地震發(fā)生,震后曲線逐漸恢復(fù)到原來的變化形態(tài)。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(xiàn)了異常變化,1997年6月斷層活動再一次出現(xiàn)異常變化,應(yīng)屬于短臨異常[2-5]。
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(qū)在1993年整體上呈張性,只有少數(shù)測點附近地區(qū)呈壓性。1995—1997年的空間演化圖(圖5(c)、(d),圖6(a))顯示,研究區(qū)在1995—1996年出現(xiàn)大范圍的壓性區(qū),震中附近地區(qū)由原來的張性轉(zhuǎn)為壓性,且研究區(qū)的西北部地區(qū)壓性逐漸增強(qiáng),東南部地區(qū)壓性逐漸減弱;到1997年南孟、墻子路、古北口附近地區(qū)由原來的壓性轉(zhuǎn)為張性,研究區(qū)的西北部轉(zhuǎn)為壓性區(qū),東南部轉(zhuǎn)為張性區(qū),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(qiáng),靠近震中的地區(qū)壓性較強(qiáng),遠(yuǎn)離震中的地區(qū)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(biāo)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(tài)圖像可以看出,研究區(qū)的張壓特性出現(xiàn)了變化,震中附近地區(qū)由原來的張性逐漸變?yōu)閴盒?,而遠(yuǎn)離震中的地區(qū)逐漸變?yōu)閺埿裕麄€研究區(qū)經(jīng)歷了從無序到有序的應(yīng)力調(diào)整狀態(tài);整個圖形的等值線也從無序狀態(tài)逐漸趨于有序的狀態(tài),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(tài)反映了區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動的結(jié)果,也反映了區(qū)域應(yīng)力場在逐漸的增強(qiáng)。
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(tài),震后研究區(qū)整體上出現(xiàn)了大范圍的張性區(qū),震中附近地區(qū)由震前的壓性轉(zhuǎn)為張性,紫荊關(guān)、淶水、南孟以南地區(qū)也轉(zhuǎn)為張性且張性逐漸增強(qiáng),北京附近地區(qū)構(gòu)成了研究區(qū)內(nèi)的壓性區(qū),北京西部的燕家臺、沿河城附近地區(qū)的壓性相對較強(qiáng),等值線的走向大致為北東向和北西向,這與研究區(qū)的區(qū)域應(yīng)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(qū)未出現(xiàn)明顯異常變化,整體上仍呈張性,正負(fù)值區(qū)的空間分布相對穩(wěn)定,這可能與震源區(qū)應(yīng)變能的充分釋放有關(guān)。
1)張北地震前2 ~3年首都圈部分跨斷層形變測點出現(xiàn)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(xiàn)異常變化,1996—1997年這批異常有的出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,有的恢復(fù)到原有水平,異常結(jié)束后發(fā)震,如張家臺、小水峪等測點;有的異常發(fā)展到最大值時發(fā)震,如張山營、沿河城等測點。
2)主成分在張北地震前都出現(xiàn)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(biāo)w 在1994年出現(xiàn)了明顯的異常變化,1997年6月再一次出現(xiàn)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(qū)整體由張性轉(zhuǎn)為壓性,最后形成了以震中區(qū)為壓性區(qū)而遠(yuǎn)離震中的地區(qū)壓性逐漸減弱的空間分布格局。根據(jù)郭良遷等[10]的研究結(jié)果,張北地震的震中區(qū)在震前2 ~3年也處于壓縮狀態(tài)。地震后,研究區(qū)出現(xiàn)了大范圍的張性區(qū),震中附近地區(qū)及北京外圍地區(qū)都呈張性,僅北京附近地區(qū)呈壓性,1998—2000年的空間圖像未出現(xiàn)明顯的變化,基本上保持穩(wěn)定的空間分布狀態(tài),這表明地震后震源區(qū)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!
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