孟慶筱

1)中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180

2)中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

3)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

GPS約束下唐山地區(qū)斷裂帶現(xiàn)今運(yùn)動(dòng)速度特征非連續(xù)接觸模擬*

孟慶筱1，2，3)

1)中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180

2)中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

3)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

以1999～2007年GPS觀測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，使用二維接觸有限元方法計(jì)算唐山地區(qū)主要斷裂帶的運(yùn)動(dòng)速度狀態(tài)。模擬結(jié)果表明，現(xiàn)今地殼形變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下唐山地區(qū)主要斷裂帶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有差異性。由于山海關(guān)塊隆對(duì)唐山塊陷的推擠作用，唐山斷裂帶以右旋拉張運(yùn)動(dòng)為主，同時(shí)在薊運(yùn)河斷裂帶位置處保持著快速的擠壓應(yīng)力積累，具有較高的地震危險(xiǎn)性。

唐山;GPS;有限元;接觸單元;斷裂帶

研究認(rèn)為，1976年唐山7.8級(jí)強(qiáng)烈地震與深大斷裂沒(méi)有表現(xiàn)出直接聯(lián)系，而是發(fā)生在唐山塊陷內(nèi)部北東向的唐山斷裂帶上。邊界斷裂的存在使得被圍陷的唐山塊體得到暫時(shí)的平衡，形成相對(duì)鎖閉的區(qū)域。區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生急劇變化時(shí)，鎖閉平衡狀態(tài)被打破，從而發(fā)生唐山大地震［1］。2012-05-20唐山地區(qū)又發(fā)生M4.7地震，說(shuō)明唐山斷裂構(gòu)造的活動(dòng)性明顯增強(qiáng)。研究唐山地區(qū)斷裂帶的現(xiàn)今形變特征，對(duì)于唐山地區(qū)地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)具有重要意義。本文通過(guò)構(gòu)建唐山地區(qū)二維有限元接觸模型，利用中國(guó)大陸網(wǎng)絡(luò)工程復(fù)測(cè)資料1999～2007年GPS結(jié)果進(jìn)行邊界條件約束，使用經(jīng)過(guò)信度檢驗(yàn)的有限元模擬結(jié)果分析唐山斷裂、豐臺(tái)-野雞坨斷裂、薊運(yùn)河斷裂、寧河-昌黎斷裂、大李莊-古馬斷裂等唐山地區(qū)主要斷裂帶的現(xiàn)今形變特征，為唐山地區(qū)地震危險(xiǎn)性分析提供依據(jù)。

1 唐山地區(qū)構(gòu)造概況

唐山塊陷位于陰山-燕山斷褶帶和冀魯斷塊坳陷之間，四周被深大斷裂所包圍，塊體中央有唐山斷裂帶，唐山地震就發(fā)生在這個(gè)塊體內(nèi)部的斷裂帶上。唐山塊陷在形態(tài)上為一個(gè)走向北東東的菱形塊體，四周被具有新活動(dòng)的4條大斷裂和深斷裂所包圍，斷塊的南界為寧河-昌黎深斷裂，北界為豐臺(tái)-野雞坨大斷裂，二者走向均為北東東;東界是灤縣-樂(lè)亭大斷裂，西界為薊運(yùn)河深斷裂，二者走向均成北西向。其活動(dòng)特征分述如下［1］:

1)寧河-昌黎深斷裂:為唐山塊陷和樂(lè)亭塊陷的分界線，向北東延入渤海，向西與滄東斷裂相接。斷裂產(chǎn)生于呂梁運(yùn)動(dòng)，新活動(dòng)強(qiáng)烈，斷裂兩盤第四紀(jì)沉積物落差500 m以上。在斷裂帶的西北盤上，有一平行于該斷裂的北東東向河流縱比降轉(zhuǎn)折帶，與斷裂的北西盤上升、南東盤下降有關(guān)。

2)豐臺(tái)-野雞坨大斷裂:為薊縣塊隆和唐山塊陷的交界線，控制古生代地層的發(fā)育。斷裂以北為巨厚的震旦系地層，以南主要為古生代地層，西段斷面傾向西北，東段傾向南東。在榛子鎮(zhèn)附近為斷面轉(zhuǎn)折的樞紐部位，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)明顯。東段是山區(qū)和平原的分界線，西段斷裂兩側(cè)第四系厚度之差可達(dá)300～400 m，豐潤(rùn)西南沿?cái)嗔殉霈F(xiàn)第四系沉積物厚度等值線的密集帶。

3)灤縣-樂(lè)亭大斷裂:斷裂控制山海關(guān)塊隆和唐山塊陷的活動(dòng)，長(zhǎng)期前者上升、后者下沉。斷面傾向北東，為高角度的逆沖斷層。在馬城-野雞坨之間有4條平行斷層，形成于前古生代，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。

4)薊運(yùn)河深斷裂:為唐山塊陷和滄縣塊隆的分界線，向西北延伸，與寶坻-香河?xùn)|西向斷裂相連。香河寶坻段為重力梯度帶，東南段梯度緩斷裂控制古生代地層的發(fā)育和中生代盆地的形成。斷裂形成于前古生代，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，不但控制薊運(yùn)河的流向，而且以斷裂為界，兩側(cè)水系流向截然不同。

5)唐山斷裂帶:該斷裂由唐山-古冶斷裂、陡河斷裂和唐山-巍山-長(zhǎng)山南坡斷裂3條平行斷裂組成，其中唐山-古冶斷裂南西段走向N30°E，東北段走向N50°E;陡河斷裂東北段為一向北西傾的正斷層，西南段由平行的4條小斷層組成，斷面傾向北西。最西一條為正斷層，東邊3條為逆斷層，全長(zhǎng)約50 km;唐山-巍山-長(zhǎng)山南坡斷裂由一些斷斷續(xù)續(xù)的北東向斷層組成，多為向北西傾的逆斷層。為便于建模，將以上3條斷裂合并為唐山斷裂帶。

根據(jù)以上論述，多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致唐山地區(qū)呈現(xiàn)為被深大斷裂圍陷、分割的復(fù)雜塊體結(jié)構(gòu)。由于地殼深部各圈層之間存在的相互作用在構(gòu)造線位置最為突出，因此斷裂帶的展布對(duì)于地殼運(yùn)動(dòng)的水平速度場(chǎng)具有明確的控制作用，需要建立足夠真實(shí)的有限元模型來(lái)反映研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造的復(fù)雜性以及相鄰塊體之間沿?cái)嗔芽赡馨l(fā)生的相對(duì)滑動(dòng)。

2 模型和方法

2.1 唐山地區(qū)二維有限元接觸模型

研究范圍為 117.5 ～ 119.0°E、38.9 ～ 40.4°N內(nèi)的矩形區(qū)域。根據(jù)鄧啟東［2］給出的唐山地區(qū)構(gòu)造情況和斷裂帶展布，本文構(gòu)建了1個(gè)二維矩形彈性薄片模型(圖2)，主要涵蓋Ⅰ-冀中塊陷、Ⅱ-樂(lè)亭塊陷、Ⅲ-山海關(guān)塊隆、Ⅳ-薊縣塊隆、Ⅴ-唐山塊陷(圖1(a))。本研究使用GPS觀測(cè)結(jié)果作為邊界條件進(jìn)行約束，其時(shí)間區(qū)段為1999～2007年。由于模擬時(shí)間尺度較短且運(yùn)動(dòng)速率較小，地殼變形過(guò)程基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在本研究中忽略動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，將模型簡(jiǎn)化為靜力學(xué)問(wèn)題。本文采用二維彈性有限元模型模擬地殼水平運(yùn)動(dòng)，可以大大降低計(jì)算成本，將其作為精確三維地質(zhì)體模型的合理近似，從而實(shí)現(xiàn)淺層巖石圈模擬［3］。

為了提高模型的可分析性，在保證模型客觀反映基本問(wèn)題的前提下，對(duì)研究區(qū)內(nèi)的次級(jí)斷裂帶進(jìn)行簡(jiǎn)化。納入模型的斷層共8條:(1)豐臺(tái)-野雞坨斷裂、(2)薊運(yùn)河斷裂、(3)唐山斷裂、(4)寧河-昌黎斷裂、(5)灤縣-樂(lè)亭斷裂、(6)滄西斷裂、(7)灤縣-盧龍斷裂、(8)大李莊-古馬斷裂(圖1(a))。因此，該模型可以滿足唐山地區(qū)斷裂帶現(xiàn)今變形模擬分析的需求。

采用ANSYS有限元模擬環(huán)境，模型中構(gòu)造塊體和易變形帶采用彈性連續(xù)本構(gòu)關(guān)系，采用面單元對(duì)研究區(qū)進(jìn)行單元剖分，見(jiàn)表1［4］。斷裂帶作為本研究中的重要因素，為了更加真實(shí)地反映斷裂帶附近破碎巖體較圍巖強(qiáng)度更低的實(shí)際情況，本文通過(guò)介質(zhì)物性參數(shù)弱化的方法在模型中構(gòu)建了寬度約為斷層長(zhǎng)度1%的斷裂過(guò)程帶(圖3)［5］。

圖1 唐山地區(qū)地震構(gòu)造、GPS站速度和有限元模擬結(jié)果Fig.1 Seismic tectonics，velocity by GPS observation and FEM simulation results in Tangshan area

圖2 有限元模型Fig.2 FEM model

圖3 斷裂過(guò)程帶示意圖［5］Fig.3 Schech of the process zone

為了充分考慮相鄰塊體可能沿著斷裂發(fā)生的相對(duì)滑動(dòng)，將斷裂帶作為不連續(xù)面進(jìn)行處理。使用conta175、targe169并以接觸對(duì)的形式進(jìn)行建模，即接觸面之間用假想的法向和切向彈簧鏈接，其力學(xué)性質(zhì)通過(guò)法向接觸剛度、切向接觸剛度和滑動(dòng)摩擦系數(shù)來(lái)控制(表 2)［2，6］。

表1 Plane182單元的物理力學(xué)參數(shù)［4］Tab.1 Mechanical parameters of the unit no.182

表2 非接觸單元的物理力學(xué)參數(shù)［2］Tab.2 Mechanical parameters of non-contact unit

2.2 GPS數(shù)據(jù)及邊界條件

采用ITRF框架下中國(guó)大陸1999～2007年站速度結(jié)果，通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，得到區(qū)域無(wú)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)框架下GPS速度場(chǎng)(圖1(b))。該結(jié)果反映了唐山地區(qū)地殼的水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并可以清晰地觀察斷層兩側(cè)以及不同塊體上的GPS速度特征。將靠近模型矩形區(qū)域邊界處的GPS測(cè)點(diǎn)的實(shí)際觀測(cè)速度作為距離最近處節(jié)點(diǎn)的位移約束，通過(guò)樣條插值方法得到關(guān)鍵控制點(diǎn)之間其他節(jié)點(diǎn)的邊界條件。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 地殼運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果及其信度檢驗(yàn)

使用ANSYS計(jì)算得到的地殼運(yùn)動(dòng)模擬速度與GPS實(shí)際觀測(cè)結(jié)果的對(duì)比如圖1(b)。可以發(fā)現(xiàn)，GPS觀測(cè)值和有限元模擬值的一致性較好，說(shuō)明模擬結(jié)果可以較好地反映研究區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)的實(shí)際。圖4(a)、(b)分別為模擬結(jié)果以及與GPS觀測(cè)結(jié)果的東西向分量、南北向分量的誤差比對(duì)結(jié)果。可見(jiàn)，大部分測(cè)站的模擬速度都在GPS觀測(cè)誤差范圍之內(nèi)。東西方向分量和南北方向分量的總體標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.52和1.34 mm/a，模擬結(jié)果信度較高，可以直接用于唐山地區(qū)斷裂帶現(xiàn)今形變特征研究。

圖1(b)的地殼運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果顯示，唐山地區(qū)地殼形變場(chǎng)具有較為明顯的不均勻性和分界性，總體呈現(xiàn)出向西運(yùn)動(dòng)的速度場(chǎng)狀態(tài)，研究區(qū)自北向南，除個(gè)別點(diǎn)外，速度矢量方向由正西向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟衔飨?，不均勻性的同時(shí)，呈現(xiàn)較為規(guī)律的扇形分布。唐山塊陷內(nèi)部GPS觀測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速率明顯小于樂(lè)亭塊陷、山海關(guān)塊隆和薊縣塊隆等外圍地塊，說(shuō)明唐山塊陷在四周深大斷裂的圍陷下，在1999～2007年間呈現(xiàn)為相對(duì)鎖閉平衡狀態(tài)。

3.2 斷裂帶運(yùn)動(dòng)速度分析

依據(jù)單元接觸對(duì)的位移可以得到斷層運(yùn)動(dòng)速率，包括平行于斷層的水平走滑分量(右旋/左旋，右旋為正)和垂直斷層面的水平拉張分量(拉張/擠壓，拉張為正)，見(jiàn)表3和圖5。

本文選擇5條斷裂帶進(jìn)行重點(diǎn)分析。運(yùn)動(dòng)速率計(jì)算結(jié)果顯示:

1)豐臺(tái)-野雞坨斷裂:該斷裂主要以左旋擠壓運(yùn)動(dòng)為主，其中左旋走滑速率為2.61 mm/a，擠壓速率為1.39 mm/a。這與張四昌［7］使用地質(zhì)構(gòu)造、地震活動(dòng)圖像和震源機(jī)制解等資料綜合分析得到的結(jié)論一致。該部位相對(duì)較小的擠壓速率說(shuō)明，豐臺(tái)-野雞坨斷裂作為唐山塊陷與薊縣塊隆的主要邊界，其擠壓效應(yīng)不甚明顯，其變形情況與區(qū)域形變場(chǎng)具有相對(duì)較好的一致性，該斷裂帶活動(dòng)性相對(duì)較弱。

2)薊運(yùn)河斷裂:該斷裂主要以左旋擠壓運(yùn)動(dòng)為主，其中左旋走滑速率為6.31 mm/a，擠壓速率為5.27 mm/a。該位置擠壓速率較大，說(shuō)明唐山塊體在受到北東方向上的山海關(guān)塊體的推擠下，在薊運(yùn)河斷裂處受到阻礙，并進(jìn)行快速的應(yīng)變積累。該斷裂帶在現(xiàn)今構(gòu)造環(huán)境下具有相對(duì)較大的活動(dòng)性，地震危險(xiǎn)性相對(duì)較大。

圖4 地殼運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果和GPS觀測(cè)結(jié)果的誤差比對(duì)(誤差棒代表GPS觀測(cè)結(jié)果的誤差范圍)Fig.4 Comparision of crustal movement by GPS observation with FEM simulation

圖5 唐山塊體內(nèi)斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算結(jié)果Fig.5 Movement rates of the faults in Tangshan block

3)唐山斷裂:主要呈現(xiàn)右旋走滑和拉張狀態(tài)，其右旋走滑速率為2.88 mm/a，拉張速率為0.21 mm/a。這與郭慧、江娃利等人［8］在唐山地區(qū)一系列鉆探和孫家樓槽探得到的結(jié)果具有一致性。其微弱的拉張速率說(shuō)明唐山塊陷在鎖閉狀態(tài)下，塊體內(nèi)部的唐山斷裂帶所處的構(gòu)造環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，暫時(shí)不具備發(fā)生大震的可能性。

4)寧河-昌黎斷裂:該斷裂主要以右旋拉張狀態(tài)為主，其走滑速率為1.25 mm/a，拉張速率為2.26 mm/a，說(shuō)明樂(lè)亭塊陷對(duì)唐山塊陷具有明顯的拉張牽引作用。灤縣-樂(lè)亭斷裂主要呈現(xiàn)為擠壓逆沖狀態(tài)，其擠壓速率為1.4 mm/a，右旋運(yùn)動(dòng)速率為0.8 mm/a，說(shuō)明山海關(guān)塊隆對(duì)唐山塊陷具有明顯的擠壓逆沖作用，這與虢順民［1］的認(rèn)識(shí)一致。

表3 唐山地區(qū)主要斷裂帶運(yùn)動(dòng)速率模擬結(jié)果及與地質(zhì)結(jié)論比較Tab.3 Comparison of movement rates from FEM simulation with geological analysis

4 結(jié)論

本文利用1999～2007年GPS數(shù)據(jù)和二維接觸有限元方法，對(duì)唐山地區(qū)斷裂帶運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算了唐山塊陷內(nèi)部及其周邊塊體內(nèi)相關(guān)斷裂帶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得到以下主要結(jié)論:

1)總體而言，唐山地區(qū)地殼形變場(chǎng)具有較為明顯的不均勻性和分界性，總體呈現(xiàn)出向西運(yùn)動(dòng)的速度場(chǎng)狀態(tài)。研究區(qū)自北向南，除個(gè)別點(diǎn)以外，速度矢量方向由正西方向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟衔鞣较?，不均勻性的同時(shí)，呈現(xiàn)較為規(guī)律的扇形分布。唐山塊陷內(nèi)部GPS觀測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速率明顯小于樂(lè)亭塊陷、山海關(guān)塊隆和薊縣塊隆等外圍地塊，說(shuō)明唐山塊陷在四周深大斷裂的圍陷下，在1999～2007年間呈現(xiàn)為相對(duì)鎖閉平衡狀態(tài)。

2)唐山斷裂帶在現(xiàn)今構(gòu)造環(huán)境下的活動(dòng)性相對(duì)較弱，不具備發(fā)生大震的危險(xiǎn)性。但是山海關(guān)南西西向的推擠運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致唐山塊體與冀中塊陷結(jié)合處的薊縣斷裂呈現(xiàn)出快速的應(yīng)變積累狀態(tài)，其斷層活動(dòng)速率較高，具有發(fā)生較大規(guī)模地震事件的可能性。

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2 鄧起東，張培震，冉勇康，等.中國(guó)活動(dòng)構(gòu)造基本特征［J］.中國(guó)科學(xué):D輯:地球科學(xué)，2002(12)1 020－1 030.(Deng Qidong，Zhang Peizhen，Ran Yongkang，et al.The basic characteristics of active tectonic structure［J］.Science in China:Series D，2002(12):1 020 －1 030)

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8 郭慧，江娃利，謝新生.鉆孔與探槽揭示1976年河北唐山Ms7.8地震發(fā)震構(gòu)造晚第四紀(jì)強(qiáng)震活動(dòng)［J］.中國(guó)科學(xué):地球科學(xué)，2011(7):1 009 －1 028.(Guo Hui，Jiang Wali，Xie Xinsheng.Late-Quaternary strong earthquakes on the seismogenic fault of the 1976 Ms7.8 Tangshan earthquake，Hebei，as revealed by drilling and trenching［J］.Sci China Earth Sci，2011，41(7):1 009 －1 028)

SIMULATING CURRENT CRUSTAL DEFORMATION IN TANGSHAN AREA WITH DISCONTINUOUS CONTACT MODEL CONSTRAINED BY GPS

Meng Qingxiao1，2，3)
1)First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin 300180
2)Key Leboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
3)Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics，CEA，Wuhan430071

The current crustal deformation of the Tangshan area was analyzed with FEA numerical method under constraint of GPS observation，using physical contact model to obtain the discontinuous motion of faults.The results of simulation show that the movement of the faults in Tangshan area is different from each others.The faults in Tangshan area are right lateral slipping for Tangshan Block is pushed by Shanhaiguan plate.Jiyunhe fault zone has accumulated higher stain，therefore seismic risk there is higher.

Tangshan area;GPS;FEM;contact model;fault zone.

P227

A

1671-5942(2014)05-0040-05

2013-09-12

地震科技星火基金青年項(xiàng)目(XH14067Y);中國(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金項(xiàng)目(IS201266113);中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司震情跟蹤專項(xiàng)(2014020212)。

孟慶筱，男，1986年生，助理工程師，主要從事工程地震、水庫(kù)誘發(fā)地震、數(shù)值模擬和構(gòu)造形變分析等研究。E－mail:mqxgucas@163.com。