王世進(jìn) 張 超 劉文龍 蘇廣利

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利用跨斷層資料研究首都圈地區(qū)斷層活動特征及地震危險性1

王世進(jìn) 張 超 劉文龍 蘇廣利

（中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180）

本文針對首都圈的跨斷層形變資料（1984—2016年），利用11個場地的基線和水準(zhǔn)觀測資料，計算了斷層三維活動量，以此來分析首都圈斷層現(xiàn)今的活動特征。同時計算了斷層形變協(xié)調(diào)比序列，分析其與首都圈中強(qiáng)地震的關(guān)系。結(jié)果表明：首都圈的斷層活動有明顯的區(qū)域特征，受張家口-渤海斷裂帶影響的西北地區(qū)的斷層以左旋張性活動為主，而中部和東部斷層表現(xiàn)為右旋壓性特征。斷層協(xié)調(diào)比結(jié)果顯示在首都圈及其鄰區(qū)出現(xiàn)中強(qiáng)地震前后，協(xié)調(diào)比會出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可以作為今后首都圈及鄰近地區(qū)中強(qiáng)地震危險性分析的一種依據(jù)。

首都圈地區(qū) 跨斷層形變資料 斷層活動特征 斷層活動協(xié)調(diào)比

引言

前人利用跨斷層形變資料做了大量的研究工作。游麗蘭（1995）和樓關(guān)壽等（2010）對跨斷層資料中的干擾因素進(jìn)行了分類，并較為有效地提取了跨斷層資料中的斷層活動信息。許多學(xué)者進(jìn)一步利用跨斷層形變資料分析斷層的活動速率、活動性質(zhì)及其與中強(qiáng)地震之間的關(guān)系等（薄萬舉等，1998；劉辛中等，2015；馬伶俐等，2015；李臘月等，2016），并為區(qū)域斷層動力學(xué)特征的研究提供了大量的支持和佐證。此外還有學(xué)者將主成分分析、時頻分析等方法引入跨斷層資料的分析中（李臘月等，2013；方穎等，2015），不僅大大豐富了跨斷層資料的研究內(nèi)容和方法，還從更科學(xué)、準(zhǔn)確的角度提取跨斷層形變資料中反映斷層構(gòu)造活動的信息。

基于斷層協(xié)調(diào)比的概念，前人也做了卓有成效的研究（張晶等，2011），也有學(xué)者對華北地區(qū)的跨斷層場地（大灰廠、唐山臺站）進(jìn)行了協(xié)調(diào)比計算分析（李瑞莎等，2013；李文靜，2014）。結(jié)果顯示，對于不同的場地，由于受環(huán)境因素等影響，協(xié)調(diào)比與區(qū)域地震的對應(yīng)關(guān)系有較大的差異。目前，還鮮有對首都圈地區(qū)所有11個跨斷層綜合場地開展的協(xié)調(diào)比分析，基于此，本文根據(jù)前人的研究結(jié)果，對首都圈地區(qū)11個跨斷層綜合場地的觀測資料進(jìn)行分析，更為全面地研究首都圈地區(qū)的斷層活動特征及活動狀態(tài)。通過利用跨斷層水準(zhǔn)和基線的綜合觀測資料計算的斷層三維活動量（沿走向方向的走滑量、垂直于走向方向的張壓量及垂直活動量），可以很直觀地了解區(qū)域斷層的活動特征。然后利用斷層協(xié)調(diào)比反映的斷層活動狀態(tài)，結(jié)合首都圈地區(qū)及其附近的中強(qiáng)震例，分析斷層活動特征、活動狀態(tài)與區(qū)域中強(qiáng)地震的關(guān)系，以此作為首都圈地區(qū)地震危險性的判定依據(jù)，為今后將跨斷層資料應(yīng)用于地震危險性判定提供一定的方法支持。

1 跨斷層資料情況

本文采用的數(shù)據(jù)包括首都圈地區(qū)（38.5°—41.0°N、113.0°—120.0°E）10處流動跨斷層場地及唐山臺的基線水準(zhǔn)綜合觀測資料。11個綜合觀測的場地分布情況如下圖1所示。各場地觀測時間及其所跨斷層幾何產(chǎn)狀等信息如表1所示。

圖1 首都圈綜合觀測的跨斷層場地分布圖（五角星代表北京）

表1 首都圈地區(qū)跨斷層場地信息表

續(xù)表

從表中可以看出，各場地的起始觀測時間差距較大。為了便于統(tǒng)一分析，我們在處理數(shù)據(jù)之前將資料的起始時間統(tǒng)一為1984年1月。此外，由于流動場地的觀測周期為1個月，而唐山臺的觀測周期為1天，為了進(jìn)行統(tǒng)一分析，首先將原始觀測資料統(tǒng)一為1月周期（唐山臺的數(shù)據(jù)取月均值）。

2 研究方法

為了消除觀測值中年變化等的周期性影響，我們采用首年的數(shù)據(jù)作為參考，用以后每一年的月觀測值減去觀測首年相應(yīng)月份的觀測值，得到一組水準(zhǔn)高差或基線長度變化量，以此作為研究對象進(jìn)行分析。

2.1 計算斷層活動量

假定在跨斷層場地的局部范圍內(nèi)，斷層兩盤是不變形的剛體，那么測線的變化能反映斷層的三維運(yùn)動，根據(jù)空間幾何關(guān)系，可以得到（1）式，用以計算斷層走滑、張壓及垂直三維活動量（曹建玲等，2011）：

Therefore,the denominator of Eq.(25)can be rewritten as the following polynomial:

在首都圈地區(qū)11個水準(zhǔn)基線綜合觀測場地中，僅有1條綜合觀測（同時進(jìn)行基線和水準(zhǔn)測量）測段的場地有八寶山、德勝口、施莊和張山營。對于僅有1條綜合觀測測段（以下簡稱為綜合測段）的場地監(jiān)測資料，直接利用（1）式即可計算其水平活動量、水平張壓量及垂直活動量，由于張山營場地的測線僅有垂直于斷層的1條測段，根據(jù)（1）式僅能計算其水平張壓量。

圖2 1條綜合測段觀測資料計算的活動量

從圖2可以看出，八寶山、德勝口、施莊3個場地所跨斷層的水平活動以左旋走滑為主要特征，其中施莊的水平走滑活動在2011年以后出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，這種現(xiàn)象預(yù)示著區(qū)域斷層的活動性質(zhì)發(fā)生改變。4個場地的斷層以張性活動為主要特征，所跨斷層均有明顯的正斷活動特征。

首都圈地區(qū)2條及以上基線水準(zhǔn)同測的場地有大灰廠、墻子路、上萬、小水峪、燕家臺、張家臺和唐山臺。對于這7個場地，對（1）式進(jìn)行變換，得到計算斷層三維活動量的矩陣形式：

從上式可以看出，多于2條測段的斷層活動量已經(jīng)不受斷層傾角的影響。由于斷層傾角的誤差較大，所以（2）式要比（1）式的計算精度高。根據(jù)（2）式，利用最小二乘法即可到和的值，可以參考（1）式得到。

從圖3中可以看出，唐山臺站和大灰廠的斷層水平走滑活動表現(xiàn)為右旋走滑特征。大灰廠水平走滑活動量近期出現(xiàn)的大幅度下降是由于更換測線引起。其余5個場地的斷層水平走滑活動均表現(xiàn)為左旋活動特征。

圖3 2條及以上綜合測段觀測資料計算的三維活動量

從水平張壓和垂直活動量來看，唐山臺站和大灰廠場地表現(xiàn)為壓性活動，且水準(zhǔn)計算出的垂直活動量值較大，不排除受水準(zhǔn)測點的穩(wěn)定性所影響。其余5個場地顯示為張性活動特征。

通過（1）式和（2）式計算得到三維活動量，并對其反映的斷層活動特征進(jìn)行分析，總結(jié)得到表2。

表2 跨斷層資料反映的斷層活動特征

從表2中可以看出，斷層水平活動以左旋走滑為主的跨斷層場地主要分布在首都圈的北部及西北地區(qū)，這一區(qū)域的斷層主要受到張家口-渤海斷裂帶的控制。由GPS的研究成果可知，首都圈地區(qū)地殼以張家口-渤海斷裂帶上的左旋剪切形變?yōu)橹鳎▍莻ィ?014），與跨斷層資料反映的斷層活動性質(zhì)較為一致。以右旋走滑為主的場地主要分布在首都圈地區(qū)中東部的NE走向斷層上?？鐢鄬淤Y料反映的區(qū)域張壓性分布也有類似的區(qū)域分布特征，這與區(qū)域水準(zhǔn)數(shù)據(jù)反映的首都圈地區(qū)的垂直形變特征有一定的相似性（郭良遷等，2012）。

2.2 地震危險性分析

為了研究跨斷層資料反映的斷層活動特征與區(qū)域中強(qiáng)地震之間的關(guān)系，采用協(xié)調(diào)比進(jìn)一步分析。協(xié)調(diào)比是描述斷層活動狀態(tài)的參數(shù)，用三維活動量的比值表示，公式如下：

在跨斷層場地的局部范圍內(nèi)，將斷層兩盤看作兩塊剛體，在斷層兩盤無應(yīng)變積累而進(jìn)行無障礙蠕滑活動時，協(xié)調(diào)比應(yīng)該是一個常數(shù)。反之，當(dāng)協(xié)調(diào)比以較大幅度偏離常數(shù)時，預(yù)示著斷層的三維活動出現(xiàn)了不一致的變化，有可能因區(qū)域應(yīng)變累積而導(dǎo)致。

選擇首都圈區(qū)域的中強(qiáng)地震（表3）進(jìn)行震例分析，選取原則為100km以內(nèi)4—5級地震、200km內(nèi)的5—6級地震和300km以內(nèi)的6級以上地震。

表3 震例三要素

圖4為通過1條綜合測段觀測資料計算的協(xié)調(diào)比及其與地震之間的關(guān)系。從圖中可以看出，4個場地的協(xié)調(diào)比大致符合上文中的分析，即斷層活動協(xié)調(diào)比是一個常數(shù)。

圖4 1條綜合測段觀測資料計算的協(xié)調(diào)比

為了從視覺上更突出協(xié)調(diào)比偏離常數(shù)的狀態(tài)，我們用條形框?qū)f(xié)調(diào)比發(fā)散部分突出標(biāo)記出來。通過對圖4的分析可以得出以下認(rèn)識：

（1）八寶山場地的斷層活動協(xié)調(diào)比在1989年大同5.7級地震、1991年大同5.8級地震以及1998年張北6.2級地震前均出現(xiàn)較大幅度的偏離現(xiàn)象。這種協(xié)調(diào)比的大幅度離散與斷層活動的異常緊密相關(guān)，而斷層的活動異常與區(qū)域應(yīng)變累積預(yù)示著區(qū)域地震危險性的增強(qiáng)。這也說明八寶山跨斷層場地斷層活動協(xié)調(diào)比的發(fā)散與首都圈西北地區(qū)的中強(qiáng)地震有緊密的關(guān)系。

（2）德勝口場地的斷層活動協(xié)調(diào)比發(fā)散現(xiàn)象與地震并沒有明顯的相關(guān)性，其最近一次比較明顯的發(fā)散現(xiàn)象出現(xiàn)在2006年文安5.1級地震前后，最近來看斷層活動協(xié)調(diào)比處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

（3）張山營跨斷層活動協(xié)調(diào)比的發(fā)散現(xiàn)象與選取的幾組中強(qiáng)地震在時間上有一定的相關(guān)性。

圖5顯示的是由2條及以上綜合測段觀測資料計算的斷層活動協(xié)調(diào)比及其與地震之間的關(guān)系，通過對圖5的分析可以得到以下認(rèn)識：

（1）首都圈地區(qū)的沉降作用對跨斷層水準(zhǔn)資料的影響較大，而對基線資料影響較小，在分析協(xié)調(diào)比時應(yīng)考慮這一前提條件。

（2）協(xié)調(diào)比1、2、3的發(fā)散有明顯的不同步現(xiàn)象，這是由于1是由基線變化量計算得到的（張壓）和（走滑）分量的比值，所以僅與基線資料相關(guān)。而2和3是由水準(zhǔn)資料計算得到的（垂直活動量）與、的比值，故與跨斷層水準(zhǔn)資料有較大的相關(guān)性。

（3）張家臺場地的斷層活動協(xié)調(diào)比發(fā)散現(xiàn)象和首都圈地區(qū)的中強(qiáng)地震相關(guān)性比較突出，大約在地震發(fā)生前2—3年，其斷層活動協(xié)調(diào)比1出現(xiàn)較大幅度的發(fā)散，往往在震后恢復(fù)常數(shù)態(tài)。其中2006年文安地震以后，協(xié)調(diào)比持續(xù)發(fā)散現(xiàn)象沒有對應(yīng)地震發(fā)生，直到2014年的涿鹿地震以后，協(xié)調(diào)比有恢復(fù)正常的趨勢，這也說明協(xié)調(diào)比的發(fā)散對應(yīng)斷層正處于應(yīng)變積累狀態(tài)，從而應(yīng)該引起對區(qū)域地震形勢的關(guān)注。

（4）唐山臺站、小水峪及燕家臺場地在1986年之前均出現(xiàn)斷層活動協(xié)調(diào)比大幅發(fā)散的現(xiàn)象，其中小水峪及燕家臺場地記錄了1976年前后的觀測數(shù)據(jù)，故計算了其1976年前后的協(xié)調(diào)比。從圖5中可以看出，唐山7.6級大地震與上述場地協(xié)調(diào)比的發(fā)散情況相關(guān)性比較大，故從協(xié)調(diào)比發(fā)散的時間和場地地點上綜合考慮，認(rèn)為這3個場地在1986年以前協(xié)調(diào)比同步發(fā)散現(xiàn)象可能和唐山地震前后相應(yīng)斷層有一定的應(yīng)變積累有關(guān)。

圖5 2條及以上綜合測段觀測資料計算的協(xié)調(diào)比

3 結(jié)論

本文采用了首都圈11個場地跨斷層綜合觀測資料，計算了斷層的三維活動量及其斷層活動協(xié)調(diào)比。其中從三維活動量所反映的區(qū)域斷層活動特征可以看出，首都圈地區(qū)的北部及西北地區(qū)斷層以左旋張性的活動特征為主，首都圈地區(qū)的中東部斷層主要以右旋壓性活動為主，有明顯的區(qū)域分布特征。

通過對斷層活動協(xié)調(diào)比的分析可以看出，八寶山、張家臺及張山營場地的斷層活動協(xié)調(diào)比的發(fā)散現(xiàn)象與區(qū)域內(nèi)的中強(qiáng)地震有比較大的相關(guān)性。由于在以往震例中，大灰廠場地反映的協(xié)調(diào)比均在震后幾年保持持續(xù)狀態(tài)，故其近期的發(fā)散現(xiàn)象可能與2014年涿鹿4.3級地震較為相關(guān)。小水峪和燕家臺的斷層活動協(xié)調(diào)比近期有一定的發(fā)散現(xiàn)象，應(yīng)引起一定的注意。

綜上所述，本文利用首都圈地區(qū)跨斷層資料計算了斷層活動量和協(xié)調(diào)比，并進(jìn)行了一定的分析研究，其重要的前提是將斷層兩盤相對活動視為符合剛體運(yùn)動的模型。而在實際中，由于首都圈地區(qū)地質(zhì)地貌的復(fù)雜多變，環(huán)境變化、地下水的升降等均會影響跨斷層資料的可靠性，故今后還應(yīng)探索更有效的物理及數(shù)學(xué)計算模型對跨斷層資料進(jìn)行有效的分析。

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Study on Fault Activity and Seismic Risk in the Capital Region by the Cross-fault Measurement Data

Wang Shijin, Zhang Chao, Liu Wenlong and Su Guangli

(First Crust Monitoring and Application Center, CEA, Tianjin 300180, China)

According to fault crossing deformation data of capital circle region, we collected a few decades of data (1984—2016). In order to analyze the present-day activity characteristics of the fault in capital circle region, the three-dimensional activity of the fault is calculated based on these data of 11 sites. The fault motion coordination ration is calculated in order to analyze the relationship with the earthquakes above medium intensity in capital circle region. The results show that: there are obvious regional characteristics of the fault activity in the capital circle region. And it provides a certain method of support for determining the seismic risk of the capital circle region and its adjacent areas in the future and the faults activity is mainly characterized by left lateral and tensional movement. The faults is mainly characterized by right-lateral and compressive movement in central and eastern capital circle region. The result of fault coordination ratio show that divergence will arise before and after the strong earthquakes occurred in the capital circle and its adjacent areas. This phenomenon can be used for the risk analysis of moderately strong earthquakes in the capital circle and adjacent areas.

Capital Region; Fault crossing deformation data; Fault activity characteristics; Fault motion coordination ration

10.11899/zzfy20170311

中國地震局監(jiān)測、預(yù)測、科研三結(jié)合課題（CEA-JC/3JH-163705）和（CEA-JC/3JH-163703）共同資助

2017-02-15

王世進(jìn)，男，生于1988年。助理工程師。主要從事跨斷層測量與斷裂活動特征研究。E-mail：275201600@qq.com