紀(jì)　靜， 郭良遷， 陳聚忠

(1.天津市地震局,天津　300201; 2.中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心,天津　300180)

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基于GPS觀測(cè)的張渤帶形變

紀(jì)靜1， 郭良遷2， 陳聚忠2

(1.天津市地震局,天津300201; 2.中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心,天津300180)

收集整理了研究區(qū)內(nèi)近年來(lái)5期的GPS區(qū)域觀測(cè)站和27個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站數(shù)據(jù)，在解算站坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到了GPS區(qū)域站水平形變和GPS連續(xù)站垂直形變。分析研究了張家口-渤海地震構(gòu)造帶(張渤帶)近期形變狀態(tài)，得出張渤帶在2011—2013年時(shí)段內(nèi)形變相對(duì)較大且區(qū)別于以前的形變形態(tài)。結(jié)果顯示：張渤帶近期受到明顯擠壓，呈應(yīng)力應(yīng)變能積累增強(qiáng)的趨勢(shì)，表明張渤帶地殼形變差異活動(dòng)增強(qiáng)，具有地震孕育的形變背景。

GPS區(qū)域站；地震構(gòu)造帶；水平形變；垂直形變

0　引言

因此，利用GPS區(qū)域站和連續(xù)站數(shù)據(jù)資料對(duì)研究區(qū)近期地殼形變狀態(tài)和張渤帶的形變趨勢(shì)及含義進(jìn)行分析研究，對(duì)于中長(zhǎng)期地震趨勢(shì)分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-7]。

1　數(shù)據(jù)整理計(jì)算

收集整理了研究區(qū)內(nèi)1999年、2007年、2009年、2011年和2013年5期的GPS區(qū)域站和27個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站數(shù)據(jù)資料，GPS區(qū)域站分布見(jiàn)圖1。GPS觀測(cè)值的數(shù)據(jù)解算采用GAMIT/QOCA軟件，通過(guò)計(jì)算得到相對(duì)于全球參考框架ITRF2005下的單日解，即GPS區(qū)域站ENU三維坐標(biāo)。5期相鄰期GPS區(qū)域站數(shù)據(jù)資料分成了1999—2007年、2007—2009年、2009—2011年和2011—2013年4個(gè)時(shí)段，4個(gè)時(shí)段GPS區(qū)域站數(shù)量分別為157個(gè)、140個(gè)、258個(gè)和249個(gè)。計(jì)算了4個(gè)時(shí)段GPS區(qū)域站的站速度，并擬合計(jì)算了研究區(qū)內(nèi)的水平形變速度。利用27個(gè) GPS連續(xù)觀測(cè)站垂向數(shù)據(jù)，在顧及周期影響情況下，計(jì)算得到了垂直形變速率[8-12]。

圖1　研究區(qū)范圍及GPS區(qū)域站分布圖

2　形變位移場(chǎng)

2.1水平形變

2.1.11999—2007年時(shí)段

1999—2007年整個(gè)研究區(qū)的水平形變速率在0.07～3.08 mm/a，平均水平形變速率為0.90 mm/a。研究區(qū)水平形變矢量存在差別，按照其運(yùn)動(dòng)方向和矢量大小的分群特征可分為西南區(qū)、西北區(qū)、東北區(qū)和東南區(qū)(圖2)。西南區(qū)總體上向東運(yùn)動(dòng)，水平形變方向主要集中在NE36°～SE135°，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镋90°。西南區(qū)的水平形變速率在0.07～0.88 mm/a，平均速率為0.51 mm/a。西北區(qū)總體向西北運(yùn)動(dòng)，水平形變方向集中于NW266°～360°，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)閃270°。西北區(qū)的水平形變速率在0.07～0.96 mm/a，平均速率為0.49 mm/a。東北區(qū)總體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镾W向，水平形變矢量集中于SW226°～265°，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镾W240°。東北區(qū)的水平形變速率在0.33～3.08 mm/a，平均速率為1.46 mm/a。東南區(qū)向西南偏南運(yùn)動(dòng)，水平形變矢量集中于SE126°～SW235°，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镾W220°。東南區(qū)的水平形變速率在0.16～1.87 mm/a，平均為0.84 mm/a。

圖2　1999—2007年水平形變場(chǎng)

上述表明，1999—2007年?yáng)|北區(qū)的水平形變速率最大，西北區(qū)的速率最小，研究區(qū)的南部也是東區(qū)水平形變速率大，西區(qū)水平形變速率小，水平形變場(chǎng)在東西方向上變化相對(duì)明顯。各區(qū)內(nèi)部的速率差異(最大值減去最小值)顯示，西南區(qū)差異變化最大，差值為2.75 mm/a，西北區(qū)差異變化最小，差值為0.81 mm/a，表明西南區(qū)活動(dòng)性相對(duì)較強(qiáng)。就研究區(qū)總體趨勢(shì)而言，水平形變場(chǎng)有北部向西、南部向東的運(yùn)動(dòng)，張渤帶位于水平形變場(chǎng)變化的過(guò)渡帶上，因而張渤帶具有左旋走滑趨勢(shì)。雖然該時(shí)段水平形變場(chǎng)顯現(xiàn)出一定的分群現(xiàn)象，但不同水平形變區(qū)之間分界帶并不顯著。

2.1.22007—2009年時(shí)段

2007—2009年整個(gè)研究區(qū)的水平形變速率在0.04～3.13 mm/a，平均速率為0.82 mm/a。 水平形變矢量仍然具有分群特征，按照水平形變方向仍可以分為西南區(qū)、西北區(qū)、東北區(qū)和東南區(qū)(圖3)。西南區(qū)以石家莊北部為頂點(diǎn)，自西而東向西北、北、東北、東南呈放射狀撒開(kāi)，西南區(qū)的水平形變速率為0.07～1.05 mm/a，平均速率為0.39 mm/a；西北區(qū)總體向西北運(yùn)動(dòng)，水平形變矢量方向主要集中在NW226°～NW325°之間，優(yōu)勢(shì)水平形變方向?yàn)镹W305°，水平形變速率在0.04～1.20 mm/a，平均為0.65 mm/a；東北區(qū)總體向西南運(yùn)動(dòng)，水平形變方向集中在SE166°～SW235°，優(yōu)勢(shì)水平形變方向?yàn)镾W220°，東北區(qū)的水平形變速率在0.24～3.13 mm/a，平均速率為1.23 mm/a；東南區(qū)向東南偏南方向運(yùn)動(dòng)，水平形變方向集中在SE116°～175°，優(yōu)勢(shì)水平形變方向SE140°，東南區(qū)的水平形變速率在0.33～1.42 mm/a，平均為0.83 mm/a。

圖3　2007—2009年水平形變場(chǎng)

上述表明，西南區(qū)水平形變速率最小，東北區(qū)速率最大。各區(qū)的速率差異(最大值減去最小值)顯示，東北區(qū)較顯著，差值為2.89 mm/a，西南區(qū)最小為0.98 mm/a，說(shuō)明東北區(qū)活動(dòng)性相對(duì)較強(qiáng)，西南區(qū)較弱。各個(gè)水平形變區(qū)之間呈緩變過(guò)渡，沒(méi)有顯示出明顯的分區(qū)界線。

2.1.32009—2011年時(shí)段

2009—2011年研究區(qū)水平形變矢量可以分為西南區(qū)、西北區(qū)和東部地區(qū)3個(gè)不同的水平形變區(qū)(圖4)。西南區(qū)總體向東運(yùn)動(dòng)，水平形變速率為0.09～2.62 mm/a，平均為1.01 mm/a，優(yōu)勢(shì)水平形變方向?yàn)镹E110°；西北區(qū)總體向西北運(yùn)動(dòng)，優(yōu)勢(shì)水平形變方向?yàn)镹W260°，水平形變速率在0.05～0.43 mm/a，平均速率為0.27mm/a；東部地區(qū)總體向西南運(yùn)動(dòng)，優(yōu)勢(shì)水平形變方向?yàn)镾W230°；東部地區(qū)的水平形變速率在0.39～2.91 mm/a，平均為1.17 mm/a。上述表明，東部地區(qū)的水平形變速率相對(duì)較大，西北區(qū)的速率較小，各區(qū)內(nèi)部的速率差異變化顯示，西南區(qū)和東部地區(qū)較大，在2.50 mm/a以上，西北區(qū)較小，為0.38 mm/a，說(shuō)明西南區(qū)和東部地區(qū)活動(dòng)性相對(duì)較強(qiáng)。

圖4　2009—2011年水平形變場(chǎng)

總體上，研究區(qū)水平形變態(tài)勢(shì)在北部地區(qū)從東到西呈順時(shí)針弧形旋轉(zhuǎn)，弧頂在北京東部；在南部地區(qū)也具有順時(shí)針弧形旋轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)，弧頂位于天津西北；中間的張渤帶具有左旋走滑活動(dòng)。2009—2011年研究區(qū)水平形變矢量雖然有分群性，但是各區(qū)之間呈過(guò)渡性緩變，分區(qū)界線不明顯。

2.1.42011—2013年時(shí)段

2011—2013年研究區(qū)平均水平形變速率為0.54 mm/a，水平形變矢量在北部地區(qū)以研究區(qū)的東北端部為聚點(diǎn)向西北、西和西南方向呈放射狀散開(kāi)，南部地區(qū)自南往北向京津地段收攏，南北兩地區(qū)相聚于北京—天津一線(圖5)。 研究區(qū)南部的水平形變速率相對(duì)較大，為0.46～1.83 mm/a，平均為1.07 mm/a，優(yōu)勢(shì)水平形變方向?yàn)镹E10°；中部水平形變速率最小，為0.01～0.44 mm/a，平均為0.24 mm/a，優(yōu)勢(shì)水平形變方向?yàn)镾W220°；北部水平形變速率居中，為0.29～0.64 mm/a，平均為0.44 mm/a，優(yōu)勢(shì)水平形變方向?yàn)镾W260°。

上述表明，研究區(qū)南部水平形變速率相對(duì)較大，活動(dòng)性相對(duì)明顯。研究區(qū)大致以張渤帶為界，南部地區(qū)總體向北運(yùn)動(dòng)，方向比較集中一致，北部地區(qū)運(yùn)動(dòng)方向差別明顯。張渤帶兩側(cè)地塊近于相向運(yùn)動(dòng)，成為水平形變場(chǎng)南北分區(qū)的界線[13-15]。

圖5　2011—2013年水平形變場(chǎng)

2.2垂直形變

研究區(qū)內(nèi)的27個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站(圖6)多數(shù)站點(diǎn)是從2010年開(kāi)始觀測(cè)運(yùn)行，至2014年積累了4年多的資料。用GAMIT/QOCA軟件計(jì)算得到全球參考框架ITRF2005下的單日解的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，在顧及周期影響情況下，計(jì)算得到垂直形變速率。

圖6　GPS連續(xù)站分布圖

根據(jù)不同時(shí)段的垂直形變速率繪制成圖7～9，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。2013年研究區(qū)的地殼普遍下降，垂直形變?yōu)樨?fù)，最大下降速率在45 mm/a以上，位于天津附近(圖7)，其中大部分是抽取地下水等干擾因素造成的。但是構(gòu)造活動(dòng)因素也起到了一定的作用，在張渤帶以南地區(qū)，下降速率大于北部地區(qū)，張渤帶對(duì)地面沉降起了一定程度的控制作用。

圖7　2013年垂直形變圖

2014年全區(qū)仍然以下降為主，其下降態(tài)勢(shì)與前期相似，最大下降速率仍在45 mm/a以上，位于天津附近(圖8)。區(qū)域的東南部下降速率較前期有所增加，年下降速率從幾毫米增加到十幾毫米；研究區(qū)西北部下降減緩，由前期的9 mm/a減少為5 mm/a；東北部和西南部的垂直形變速率與2013年垂直形變大致相同。張渤帶仍然對(duì)下降變化起著明顯的控制作用，使其南部下降快，北部下降慢。

圖8　2014年垂直形變圖

2010—2014年垂直形變速率總趨勢(shì)表明石家莊以西太行山區(qū)上升(圖9)，垂直形變速率為0～1 mm/a，東部平原地區(qū)和北部的燕山地區(qū)為下降區(qū)，平原區(qū)下降速率較大，最大為30 mm/a，燕山地區(qū)的最大下降速率為20 mm/a。平原區(qū)與燕山地區(qū)之間的山前地帶為下降速率相對(duì)較小的地區(qū)，垂直變化速率在1～2 mm/a。張渤帶南側(cè)下降，北側(cè)相對(duì)上升，說(shuō)明張渤帶對(duì)垂直形變起了明顯的控制作用。

基于GPS連續(xù)觀測(cè)站的垂直形變表明，燕山地區(qū)和平原地區(qū)為下降區(qū)，燕山山前地帶和太行山地區(qū)為上升區(qū)，張渤帶具有一定的活動(dòng)性，成為控制垂直形變分區(qū)的界線。太行山地區(qū)垂直形變表現(xiàn)為上升。張渤帶東部下降，與新生代時(shí)期活動(dòng)性質(zhì)基本相同，呈繼承性運(yùn)動(dòng)。而燕山地區(qū)近一時(shí)期表現(xiàn)為下降，與新生代時(shí)期的隆升運(yùn)動(dòng)相反，呈反向活動(dòng)[16-18]。

圖9　2010—2014年垂直形變圖

3　結(jié)論

研究區(qū)GPS區(qū)域站的4個(gè)時(shí)段水平形變場(chǎng)顯示：以張渤帶為界，張渤帶北側(cè)地區(qū)的西部各時(shí)段都不同程度地向西運(yùn)動(dòng)，東部具有向西偏南方向的趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)。張渤帶以南變化相對(duì)復(fù)雜，1999—2007年和2009—2011年主體趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)為東南，2007—2009年水平形變東西分異，相背運(yùn)動(dòng)，而2011—2013年則一致性向北運(yùn)動(dòng)。2011—2013年以張渤帶為界，南部地區(qū)總體向北運(yùn)動(dòng)，方向比較集中一致，北部地區(qū)運(yùn)動(dòng)方向差別明顯，但在靠近張渤帶地區(qū)向南運(yùn)動(dòng)，相對(duì)擠壓的形變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸清晰明顯。以2011年為時(shí)間分界點(diǎn)，形成2011年以前和2011年以后的兩大時(shí)段水平形變差異：前一時(shí)段1999—2011年的3個(gè)時(shí)段，張渤帶作為水平形變異常變化的分界作用不明顯，為緩變過(guò)渡階段；后一時(shí)段的2011—2013年，張渤帶的分界作用清晰顯著，兩側(cè)運(yùn)動(dòng)差異明顯，形成水平形變異常帶，成為水平形變運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)地帶，反映出區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)性有序增強(qiáng)。

GPS連續(xù)觀測(cè)站的垂直形變揭示出燕山地區(qū)與新生代的隆升運(yùn)動(dòng)不同，呈反向下降。太行山地區(qū)現(xiàn)今表現(xiàn)為上升，平原地區(qū)表現(xiàn)為下降，與新生代時(shí)期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)基本相同，呈繼承性活動(dòng)。太行山以東的張渤帶南側(cè)廣大平原區(qū)是強(qiáng)烈下降區(qū)，表明張渤帶對(duì)于現(xiàn)今地殼垂直形變具有明顯的控制作用，具有一定的活動(dòng)性。

綜合分析基于GPS觀測(cè)結(jié)果的張渤帶區(qū)域形變特征，可以給出：近年來(lái)逐步趨于有序的形變狀態(tài)，能夠推斷張渤地震構(gòu)造帶受到擠壓應(yīng)力作用有所增強(qiáng)，成為地震孕育的有利區(qū)帶。

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Zhangjiakou-bohai Seismic Belt Deformation Based on GPS Observation

JI Jing1, GUO Liang-qian2, CHEN Jyu-zhong2

(1.Earthquake Administration of Tianjin Municipality, Tianjin 300201, China;2. First Crust Monitoring and Application Center, CEA, Tianjin 300180, China)

In this study, we calculated horizontal deformation of local GPS station and vertical deformation of the 27 GPS continuous station in the Zhangjiakou-bohai seismic belt area on basis of 5 periods’ observation data of the local GPS station and the 27 continuous stations. The results indicate that the deformation of the Zhangjiakou-bohai seismic belt in the period of 2011-2013 is relatively large and different than before. The Zhangjiakou-bohai seismic belt is in compressive stress state and the strain energy accumulation is enhancing, which indicates that the deformation difference activity is increasing and the background of developing earthquakes exists in the area.

GPS; seismic belt; horizontal deformation; vertical deformation

2015-12-29

天津市地震局青年基金項(xiàng)目(20131021)

紀(jì)靜(1984—)，女，天津人，工程師，主要從事工程抗震及災(zāi)害學(xué)研究．E-mail：247277131@qq.com

P315.725

A

1003-1375(2016)03-0037-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.03.007

紀(jì)靜，郭良遷，陳聚忠．基于GPS觀測(cè)的張渤帶形變[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(3):37-41.