李玉江 陳連旺 劉少峰 焦 青 荊 燕

1 中國地震局地殼應力研究所（地殼動力學重點實驗室），北京市安寧莊路1號，100085

2 中國地質(zhì)大學（北京）地球科學與資源學院，北京市學院路29號，100083

2011－03－11日本本州島北部以東海域發(fā)生Mw9.0地震。地震發(fā)生在太平洋板塊與北美板塊交界的俯沖帶上，在該區(qū)域太平洋板塊以約80 mm／a的速度相對歐亞板塊向西運動［1］。不同學者應用遠場地震波、GPS等資料分析地震的破裂過程及同震變形特征［2－6］，認為此次地震為日本海溝地區(qū)典型逆沖型地震，且破裂長度和寬度分別約500km 和200km，最大同震位移量高達35m。

2004年印尼蘇門答臘Mw9.3 地震曾造成2 000km 以外川滇地區(qū)的地震活動性增強，且水平位移量最大達20mm［7－8］。王敏等［9］通過分析中國大陸的GPS觀測資料認為，此次日本地震造成我國東北和華北地區(qū)mm 至cm 量級的同震水平位移，最大位移量達35mm。殷海濤等［10］基于山東地殼運動GPS觀測網(wǎng)分析認為，日本地震造成山東地區(qū)所處地塊SEE 向同震位移變化。陳偉濤等［11］利用中國東北地區(qū)的GPS 觀測資料，分析此次大地震對中國東北及東部地區(qū)4條重要活動斷裂的影響。從GPS觀測資料給出的同震水平向位移變化來看，日本地震導致我國東北、華北地區(qū)不同程度的張性應變。張晶等［12］對華北地區(qū)形變資料的分析表明，2009、2010年華北地區(qū)形變趨勢異常的轉(zhuǎn)折性變化可能與日本3·11地震相關，反映出遠場的中短期異常特征。此次日本大地震對首都圈地區(qū)跨斷層水準觀測資料的影響以及產(chǎn)生這種變形的動力學機制，是一個值得關注的科學問題。

跨斷層位移測量是反映地殼局部構(gòu)造變形、應力狀態(tài)改變的重要手段之一。目前，跨斷層觀測資料主要用于分析斷層觀測曲線所反映的斷裂帶運動學特征及其與地震活動的關系。薄萬舉等［13］應用八寶山斷裂帶上跨斷層形變測點，分析斷裂不同分段的活動性質(zhì)及差異性。謝覺民等［14］利用華北地區(qū)跨斷層形變資料，分析各分區(qū)垂直運動速率及其對塊體劃分的指示意義。焦青等［15］利用跨八寶山－黃莊－高麗營斷裂的7 處測點，分析測點所反映的斷層活動特征及其與地震活動的關系。李杰等［16］基于華北地區(qū)跨斷層資料，分析中、強地震發(fā)生前形變異常特征。陸明勇等［17］分析首都圈地區(qū)跨斷層資料對近年來發(fā)生的中強地震的映震能力。黃建華［18］分析唐山臺1984年以來的形變序列所反映的斷層活動狀態(tài)。利用跨斷層資料研究斷層的運動學特征及其與地震活動的關系已經(jīng)取得大量成果，但是對產(chǎn)生斷層活動方式的動力學成因的研究較少。劉峽等［19］基于河西走廊水準觀測資料，利用三維有限元方法研究北祁連－河西走廊地區(qū)垂直形變與構(gòu)造應力場的關系，認為垂直形變特征與背景應力場的約束方式及變化特征密切相關。曹建玲等［20］利用首都圈地區(qū)近40a跨斷層流動觀測資料分析斷層的運動學特征，并基于平面彈性有限元模型分析產(chǎn)生斷層活動方式的動力學成因，認為張家口－渤海構(gòu)造帶控制著首都圈地區(qū)斷層活動。

本文基于首都圈地區(qū)的跨斷層水準實測資料，分析日本3·11地震前后跨斷層水準變化特征及其所反映的斷層運動性質(zhì)。在此基礎上，考慮首都圈地區(qū)4種類型活動斷裂，建立首都圈地區(qū)的三維有限元模型。以日本地震引起的首都圈及鄰區(qū)同震GPS位移場變化作為約束條件，分析跨不同類型斷層測線的同震變化特征，探討產(chǎn)生首都圈地區(qū)跨斷層水準資料群體性變形特征的動力學成因。

1 首都圈地區(qū)跨斷層水準特征分析

首都圈地處張家口－渤海地震帶、華北平原地震帶和汾渭地震帶的交匯部位，地質(zhì)構(gòu)造復雜，區(qū)域內(nèi)發(fā)育有NNE－NE 向和NW－NWW 向兩組活動斷裂。從斷裂力學性質(zhì)來看，該地區(qū)正斷層占93.22%，控制著區(qū)域地殼變形特征和強震活動［21］。該區(qū)自20 世紀60年代末開始跨斷層形變測量工作，獲得大量觀測資料。跨斷層測量的測線長度通常在幾十到百余m，基線測量精度在0.01～0.1 mm，水準測量精度為0.1 mm／km。由于觀測資料精度高，跨斷層測量成為監(jiān)測斷層近場活動的重要手段。

首都圈地區(qū)共有24處跨斷層流動形變監(jiān)測場地，其中10處為基線和水準同樁監(jiān)測場地、13處水準監(jiān)測場地、1處基線和水準不同樁監(jiān)測場地。大多數(shù)場地位于NNE 和NE 向斷層上，少數(shù)（施莊村、墻子路、張山營）位于NW 和NWW向斷層上。在24 處觀測場地中，基巖端點有19處。采用環(huán)境干擾小且觀測穩(wěn)定的11處基巖端點水準場地（圖1），分析各場地水準觀測資料在日本地震前后的變化，見表1。

圖1 首都圈地區(qū)主要跨斷層流動場地分布Fig.1 Cross－fault observation sites distribution in the Capital circle region

表1 首都圈跨斷層水準監(jiān)測場地屬性Tab.1 Properties of the cross－fault leveling observation sites in the capital circle region

在11處基巖場地中，共布設有16條水準測線，本文選取其中的14 條?？缱呦騈E、傾向SE斷層的有京西試驗場、八寶山、南口、小水峪、燕家臺、德勝口6處測點8條測線。地震前后各測線水準變化幅度為京西試驗場直交水準－1.09mm，八寶山直交水準－0.41mm、斜交水準－0.07mm，南口直交水準－0.25mm，小水峪直交水準－0.22mm、斜交水準－0.18mm，燕家臺直交水準－0.18mm，德勝口斜交水準－0.16 mm；跨走向NNE、傾向SE 斷層的有北石城、上萬、張山營3處測點4條測線，水準變化幅度分別為北石城斜交水準－0.11 mm，上萬直交水準－0.07mm、斜交水準－0.08mm，張山營斜交水準－0.25mm；跨走向NNE、傾向NW 的張家臺測點1條測線，直交水準變化幅度為－0.17mm；跨走向NW、傾向NE的施莊村測點1條測線，斜交水準變化幅度為－0.24mm。在所有的14條測線中，京西試驗場直交水準變化量最大，達－1mm；八寶山斜交、上萬直交水準場地變化最小，為－0.07mm，高于水準測量的精度。具體各測項變化量見表2。

表2 跨斷層水準測點變化量Tab.2 Cross－fault leveling changes in each observation site

可以看出，跨斷層水準資料表現(xiàn)出群體性的變化特征，即NNE－NE向斷層的上盤相對下盤垂向下降，NW 向斷層的上盤相對下盤同樣垂向下降，表征著斷層的正斷運動性質(zhì)。這種變形特征表明，首都圈地區(qū)NNE－NE 向和NW 向斷層受到不同程度的張性應力作用。

2 首都圈地區(qū)三維有限元模型

首都圈地區(qū)分布有10余條不同尺度的活動斷層，而測線所跨斷層的幾何展布特征主要包括4種類型：Ⅰ）走向NE，傾向SE；Ⅱ）走向NNE，傾向SE；Ⅲ）走向NNE，傾向NW；Ⅳ）走向NW，傾向NE。在模型構(gòu)建過程中，主要考慮4 種類型的活動斷層，最終確定三維地質(zhì)模型的范圍為115～118°E、39～41°N，縱向深度為60km，分別對應地殼厚度30km，上地幔厚度30km。通過對地質(zhì)模型的網(wǎng)格化，最終獲得首都圈地區(qū)的三維有限元模型，模型包含167 261個節(jié)點，116 291個單元（圖2）。模型中斷層處理為弱化帶模式，寬度為200m。模型中Ⅰ～Ⅳ分別為首都圈地區(qū)4種主要類型斷層，各斷層幾何產(chǎn)狀參數(shù)見表3。模型為彈性、各向同性介質(zhì)，物性參數(shù)（楊氏模型和泊松比等）依據(jù)該區(qū)波速結(jié)構(gòu)的研究成果給定［22］，斷層的楊氏模量取周圍介質(zhì)的1／10，泊松比取0.28［23］（表4）。

圖2 首都圈地區(qū)三維離散化模型Fig.2 Three dimensional finite element model of the Capital circle and its adjacent region

表3 模型中斷層的幾何產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)Tab.3 Fault geometry in the model

表4 模型介質(zhì)的物性參數(shù)Tab.4 Material properties in the model

3 數(shù)值模擬給出的不同測線垂向變形特征

王敏等［9］基于“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡”獲得日本3·11地震同震GPS觀測資料，分析此次地震對中國大陸構(gòu)造形變場的同震影響。本文參考其結(jié)果，通過對該觀測數(shù)據(jù)進行插值計算，獲得模型的各邊界約束條件。為了觀察斷層運動性質(zhì)及垂向同震變化量，在模型表面設定跨越不同斷層的7條不同方向測線（圖3），分析模擬結(jié)果所給出的各測線垂向同震變化特征（圖4）。

從圖4可以看出，日本地震造成首都圈地區(qū)主要斷層的垂向同震位移量達0.01～0.03mm。其中A－A′、B－B′、C－C′、D－D′、E－E′、F－F′、G－G′測線垂向變化量分別為0.024、0.028、0.022、0.024、0.026、0.015、0.027 mm。以A－A′為例，斷層的上盤點A同震位移量為－0.106 8mm，下盤點A′同震位移量為－0.082 8mm，雖然兩點均表現(xiàn)為相同的運動方向，但A點變化量較A′大，故上盤點A相對下盤點A′向下運動，即斷層同震運動性質(zhì)為正斷性質(zhì)，其他測線依此類推。

圖3 模型各測線分布示意圖Fig.3 Sketch map of the lines selected in the model

圖4 模擬的各測線垂向位移同震變化Fig.4 Coseismic change of the vertical displacements derived from the model

雖然模擬給出的結(jié)果很難在量值上與實測結(jié)果較好吻合，但模擬結(jié)果仍表現(xiàn)出與實測結(jié)果較為一致的斷層正斷運動性質(zhì)，即NNE－NE向斷層的上盤相對下盤垂向下降，同樣NW 向斷層上盤相對下盤也表現(xiàn)為垂向下降。

從圖5來看，首都圈地區(qū)同震最大主張應力總體呈現(xiàn)出東高西低的趨勢，且方向從西部的NEE向逐漸變化為東部的近EW 向。在這種近EW 向區(qū)域優(yōu)勢方位應力場作用下，NEE－NE、NW 向斷層表現(xiàn)出一定的同震正斷運動性質(zhì)。這也進一步說明，日本地震造成首都圈地區(qū)的拉張應力作用是引起斷層測線群體性變化的主要原因。

圖5 首都圈地區(qū)同震最大主張應力變化Fig.5 The coseismic maximum principal tensile stress change in the Capital circle region

4 討 論

利用首都圈地區(qū)跨斷層水準資料，分析水準資料在日本地震前后的變化特征。結(jié)果顯示，小水峪、北石城、上萬、八寶山、京西試驗場、燕家臺、張家臺、張山營、德勝口、南口、施莊村等11處基巖端點的14條水準測線在日本地震前后表現(xiàn)出群體性的變化特征，反映出相同的斷層正斷活動性質(zhì)，即NNE－NE向斷層的上盤相對下盤垂向下降，NW 向斷層上盤相對下盤也垂向下降。針對觀測資料所表現(xiàn)出的群體性變化特征，利用有限元數(shù)值模擬技術，通過構(gòu)建研究區(qū)三維有限元模型，從動力學角度客觀分析產(chǎn)生這種變化的原因。結(jié)果表明，日本地震造成的首都圈及鄰區(qū)近E－W向優(yōu)勢方位的張性應力作用是造成水準觀測資料群體性變化的主要原因。

然而，首都圈地區(qū)跨斷層觀測的尺度小，且大部分斷層存在一定的閉鎖程度，所以地震的發(fā)生引起水準變化的結(jié)果較小，諸如八寶山斜交水準場地這種較小的變化量。至于這種變化量是受強震影響，還是測量誤差，需要進一步深入分析。另外，雖然大多數(shù)水準測點表現(xiàn)出群體性變形特征，但仍有部分測點沒有表現(xiàn)出類似的性質(zhì)，甚至出現(xiàn)相反的變化特征，原因可能與局部地質(zhì)構(gòu)造有關。下一步將構(gòu)建較為精細、更切近實際的三維有限元模型，研究本次地震對首都圈地區(qū)斷層及地震活動性的影響。

致謝：感謝中國地震應急搜救中心陸明勇研究員提供首都圈地區(qū)跨斷層形變觀測數(shù)據(jù)，感謝中國地震局地殼應力研究所陸遠忠研究員、劉冠中博士的有益交流。

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