馬廣慶， 王曉山， 馮向東， 張玉林

(河北省地震局， 石家莊 050021)

張家口-渤海斷裂帶(張渤帶)由一系列北西西(NWW)走向的斷裂組成，自西北向東南依次是張家口斷裂、新保安-沙城斷裂、施莊斷裂、孫河-南口斷裂、永定河斷裂、廊坊-武清斷裂、寶坻斷裂、薊運(yùn)河斷裂和海西斷裂等。同時(shí)張渤帶也是華北地區(qū)的強(qiáng)震多發(fā)區(qū)，歷史上曾發(fā)生過1679年三河-平谷8級(jí)地震、1969 年渤海7.4級(jí)、1976 年唐山7.8級(jí)、1998 年張北6.2級(jí)地震等。學(xué)者們對(duì)張渤帶的地殼深部結(jié)構(gòu)、活動(dòng)構(gòu)造特征以及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)等問題通過不同的觀測(cè)資料都作了一定程度的研究[1-5]。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)( global navigation satellite system, GNSS)觀測(cè)數(shù)據(jù)目前用途廣泛，既可以做導(dǎo)航定位[6-7]，又可以用來提取強(qiáng)震前的地殼形變的異常信息。長(zhǎng)趨勢(shì)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS) 地殼形變圖像顯示張渤斷裂帶相對(duì)完整的左旋走滑活動(dòng)[8]，方穎等[9]利用GPS資料采用聚類分析方法分析張渤帶的活動(dòng)性，建立了張渤帶運(yùn)動(dòng)模型，滑動(dòng)量約為0.5 mm/a；陳長(zhǎng)云等[10]基于跨斷層和GPS 資料綜合分析得出整個(gè)張渤帶及其鄰區(qū)斷層活動(dòng)水平較低；近期研究顯示張渤帶受到明顯擠壓，呈應(yīng)力應(yīng)變能積累增強(qiáng)的趨勢(shì)[11]。馬棟等[12]分析了張渤帶2002年以來的洞體應(yīng)變觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)洞體應(yīng)變與GPS 結(jié)果在變形性質(zhì)上存在一定的一致性，但量值上差異較大。王曉山等[13]比較了震源機(jī)制與GPS資料提供信息的差別，認(rèn)為二者可以互補(bǔ)，利用GPS和震源機(jī)制兩種資料聯(lián)合解釋、相互約束，則可增加反演結(jié)果的可靠性。利用大地測(cè)量學(xué)研究結(jié)果追蹤現(xiàn)今地殼形變圖像的變化，研究地殼構(gòu)造應(yīng)力-應(yīng)變的動(dòng)態(tài)，從中提取強(qiáng)震的前兆信息，是地形變大地測(cè)量學(xué)的終極目標(biāo)?，F(xiàn)聯(lián)合使用張渤帶近期的GNSS觀測(cè)資料與同時(shí)段中等地震的震源機(jī)制解資料對(duì)張渤帶現(xiàn)今形變特征進(jìn)行研究，以期取得可靠的形變結(jié)果并提給GNSS和震源機(jī)制聯(lián)合研究的一個(gè)范例。

1 數(shù)據(jù)和方法

張渤帶上布設(shè)有較為密集的GNSS連續(xù)觀測(cè)基準(zhǔn)站。2008年開始建設(shè)，2010年開始產(chǎn)出數(shù)據(jù)，加上河北省地理信息局的GPS測(cè)站數(shù)據(jù)，可以獲得GNSS區(qū)域速度場(chǎng)?，F(xiàn)選取數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、缺數(shù)較少的GNSS連續(xù)站，臺(tái)站分布如圖1所示，觀測(cè)時(shí)間：2010年5月到2020年3月。

GPS觀測(cè)值的數(shù)據(jù)解算使用GAMIT/GLOBK/軟件[14-15]進(jìn)行處理，通過計(jì)算得到相對(duì)于全球參考框架ITRF2008[16]下的單日解。震源機(jī)制解數(shù)據(jù)使用2010—2019年研究區(qū)域范圍內(nèi)的已發(fā)表的震源機(jī)制解資料[17-21]和本文研究中使用初動(dòng)與振幅比資料[22-23]計(jì)算得到的部分結(jié)果。

圖1 張渤帶及鄰區(qū)活動(dòng)斷裂與GNSS基準(zhǔn)站分布圖Fig.1 Distribution of active faults and GNSS reference stations in Zhangjiakou-Bohai seismic tectonic belt and its adjacent areas

2 張渤地震帶形變特征

由表1和圖2可知，相對(duì)于穩(wěn)定歐亞參考框架，張渤帶東段整體向東偏南方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速率由南向北呈逐漸遞減的趨勢(shì)。而基準(zhǔn)站HETS、TJWQ這兩個(gè)點(diǎn)北南(NS)向與張渤帶整體運(yùn)動(dòng)方向有偏差，其中唐山站受到水庫蓄水、放水影響，天津武清站地基為土層，這兩個(gè)測(cè)站臺(tái)基穩(wěn)定性較差。HETS基準(zhǔn)站在水庫邊緣，水庫水位上升與下降時(shí)均對(duì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，TJWQ基準(zhǔn)站地基為土層，沉降等因素導(dǎo)致基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大誤差，對(duì)這兩個(gè)測(cè)站進(jìn)行校正得出新的張渤帶平均速度場(chǎng)。

表1 GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)解算結(jié)果Table 1 The calculating results of GNSS reference stations

圖2 GAMIT解算張渤帶平均速度場(chǎng)Fig.2 The average velocity field of GAMIT solution in Zhangjiakou-bohai seismic tectonic belt

從圖2可以看出河北赤城-山西靈丘一線以西，地殼形變速率從北向南逐漸增大，河北赤城站年平均速度為2.9 mm，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闁|偏南18°，河北陽原站年平均速度為4.9 mm，方向?yàn)闁|偏南13.5°；北京延慶-山西靈丘一線以西塊體運(yùn)動(dòng)速度較大，而東側(cè)運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較低。北京古北口-北京房山一線也存在運(yùn)動(dòng)速度從北向南逐漸增大的的趨勢(shì)，北京古北口站年平均速度場(chǎng)為2.56 mm，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闁|偏南9.8°，北京房山站年平均速度場(chǎng)為3.0 mm，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闁|偏南11.7°，顯示斷層滑動(dòng)方向?yàn)檠財(cái)鄬泳€向南滑動(dòng)趨勢(shì)。天津薊縣-天津武清一線斷層運(yùn)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，天津薊縣站年平均速度場(chǎng)為1.9 mm，運(yùn)動(dòng)方向東偏南12.5°，天津?qū)氎嬲灸昶骄俣葓?chǎng)為3.8 mm，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闁|偏南22°，天津武清站年平均速度場(chǎng)為3.6 mm，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闁|偏北50°，應(yīng)力向天津?qū)氎娣较騾R聚。河北唐山站年平均速度場(chǎng)為2.4 mm，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闁|偏北64.6 °，在張渤帶整體向東偏南運(yùn)動(dòng)中，天津武清站相對(duì)于河北唐山站運(yùn)動(dòng)方向異常，屬于應(yīng)力集中區(qū)。

沿張渤帶自西向東計(jì)算了3條跨斷層基線，分別為河北赤城(HECC)-山西靈丘(SXLQ)基線、北京古北口(BJGB)-北京房山(BJFS)、河北承德(HECD)-天津武清(TJWQ)基線。通過最小二乘擬合扣除兩分量的線性項(xiàng)和觀測(cè)期間兩站之間地震造成的同震響應(yīng)，表2給出了3條基線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。結(jié)果顯示，這三條基線都表現(xiàn)為左旋走滑運(yùn)動(dòng)(圖3)。

表2 3條基線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度Table 2 Relative velocity of three GNSS baselines

圖3 GNSS基線時(shí)間序列變化曲線 Fig.3 The curve of GNSS baseline time series

圖3(a)顯示SXLQ(靈丘)相對(duì)于HECC(赤城)的跨斷層基線變化，其中左側(cè)、右側(cè)分別是兩站坐標(biāo)變化差值的東西分量和南北分量。這兩個(gè)分量都分別給出了兩站分量變化的差值、顧及地震時(shí)刻的線性擬合及其殘差序列。圖3(b)和圖3(c)分別給出了TJWQ相對(duì)于HECD、BJFS相對(duì)于BJGB的基線變化時(shí)序。

圖4為這三條基線兩分量扣除線性項(xiàng)和同震響應(yīng)后的殘差序列。結(jié)果顯示，西段和中段的基線殘差序列較平穩(wěn)，變幅不超過10 mm，而東段的基線殘差變化幅度達(dá)到20 mm，且表現(xiàn)出不規(guī)則的季節(jié)性變化，可能與TJWQ站地處嚴(yán)重沉降區(qū)有關(guān)。

圖4 3條跨斷層基線兩分量去線性項(xiàng)后的殘差序列Fig.4 Residual sequence of two components of three cross fault baselines after removing linear term

由表2可以看出張渤帶陸地段平均速度場(chǎng)較低，一般在3 mm左右，應(yīng)變主要集中在天津武清-天津?qū)氎嬉痪€，應(yīng)力圖像(圖5)顯示存在主壓應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)和應(yīng)力狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，天津?qū)氎?薊縣為拉張狀態(tài)，而東邊的唐山地區(qū)則呈現(xiàn)較強(qiáng)的擠壓分量。區(qū)域主應(yīng)變顯示張渤帶地區(qū)自西向東依次是拉張-擠壓-拉張-擠壓，主應(yīng)變由低到高，高應(yīng)變拉張區(qū)位于天津?qū)氎?TJBD)、天津薊縣(JIXN)、高擠壓區(qū)分布在河北唐山(HETS)一帶，高應(yīng)變區(qū)為年應(yīng)變量約為20 nanostrain/yr(nanostrain/yr是應(yīng)變率的單位，表示單位距離每年的變化率)。

圖5 張渤帶地區(qū)主應(yīng)變Fig.5 Principal strain in Zhangjiakou-Bohai seismic tectonic belt

3 震源機(jī)制特征

根據(jù)Zoback判斷震源機(jī)制應(yīng)力類型的方法[24]，應(yīng)力類型包括：正斷型(NF)；帶有少部分走滑分量的正走滑型(NS)；走滑型(包含少量正斷型或逆斷型分量)(SS)；逆斷型(TF)；帶有少量走滑分量的逆走滑型(TS)；無法確定型(U)。對(duì)張渤地震帶及鄰區(qū)研究時(shí)段內(nèi)19個(gè)近震震級(jí)(ML)4.0以上地震的震源機(jī)制進(jìn)行分類(表3)，震源錯(cuò)動(dòng)方式以正斷和走滑為主，沒有出現(xiàn)逆沖和不確定類型(圖6)。從圖6可以看出，ML4.0以上地震主要集中在張渤帶陸地段的兩端——晉冀蒙交界地區(qū)和唐山地區(qū)，中段僅發(fā)生2018年2月12日永清地震。震源機(jī)制解的P軸方位從西向東有個(gè)明顯的轉(zhuǎn)向變化，西段為NE向，東段為NEE-EW向，和GPS主應(yīng)變方向基本一致。唐山-寶坻地區(qū)震源機(jī)制解以走滑和拉張為主，也符合該區(qū)GPS主應(yīng)變呈現(xiàn)的應(yīng)力狀態(tài)。

表3 張渤帶及鄰區(qū)2010—2019年ML4.0以上地震震源機(jī)制解Table 3 Focal mechanism solutions of ML4.0 earthquakes in Zhangjiakou-Bohai seismic tectonic belt and its adjacent areas from 2010 to 2019

圖6 張渤帶及鄰區(qū)2010—2019年ML4.0以上地震震源機(jī)制解投影Fig.6 Projection of focal mechanism solutions for earthquakes above ML4.0 in Zhangjiakou-Bohai seismic tectonic belt and its adjacent areas from 2010 to 2019

4 結(jié)果與討論

GNSS反映較大尺度地殼形變特征，通過綜合分析張渤帶上的GNSS資料和震源機(jī)制解，得出以下特征。

(1)剔除數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的基準(zhǔn)站，可以看出GNSS平均速度場(chǎng)在張渤帶斷層兩側(cè)具有明顯差異，張渤帶及其鄰區(qū)整體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橄驏|偏南運(yùn)動(dòng)。

(2)張渤帶區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)應(yīng)力狀態(tài)自西向東依次為拉張-擠壓-拉張-擠壓-拉張-擠壓，主應(yīng)變由西向東逐步增大。在天津?qū)氎娴胶颖碧粕揭粠?，主?yīng)變最大，為20 nanostr/yr，天津薊縣-天津?qū)氎嬉粠槔瓘堊冃?，在唐山一帶為擠壓變形。

(3)根據(jù)Zoback判斷震源機(jī)制應(yīng)力類型的方法對(duì)張渤地震帶及鄰區(qū)研究時(shí)段內(nèi)19個(gè)ML4.0以上地震的震源機(jī)制進(jìn)行分類，震源錯(cuò)動(dòng)方式以正斷和走滑為主，沒有出現(xiàn)逆沖和不確定類型。

(4)區(qū)域應(yīng)變顯示的應(yīng)力狀態(tài)與震源機(jī)制解的錯(cuò)動(dòng)類型基本吻合，天津?qū)氎?河北唐山的主應(yīng)變變化比較劇烈，同時(shí)震源機(jī)制的類型也發(fā)生變化，表明該地區(qū)的深部與淺部的變形一致。

(5)由首都圈GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得的應(yīng)變場(chǎng)空間變化特征與同時(shí)段中等地震的震源機(jī)制的類型基本一致，進(jìn)一步說明大地測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)與震源機(jī)制聯(lián)合解釋、相互約束，則可增加反演結(jié)果的可靠性。

本文研究中GNSS資料獲得的主應(yīng)變類型、震源機(jī)制解的錯(cuò)動(dòng)類型與當(dāng)?shù)氐幕顒?dòng)構(gòu)造調(diào)查得出的斷裂活動(dòng)習(xí)性基本一致[25-27]，獲得應(yīng)力狀態(tài)與前人通過震源機(jī)制解、InSAR和三維地震及鉆井資料得到的張渤帶及鄰區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)也比較一致[28-32]，太平洋板塊向西俯沖及俯沖速率的改變引起華北地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域斷裂體系發(fā)育演化。多種觀測(cè)資料的聯(lián)合解釋、相互約束，增加反演結(jié)果的可靠性，這也是后續(xù)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)研究的發(fā)展方向。