张渤地震带现今形变特征研究

马广庆， 王晓山， 冯向东， 张玉林

(河北省地震局， 石家庄 050021)

张家口-渤海断裂带(张渤带)由一系列北西西(NWW)走向的断裂组成，自西北向东南依次是张家口断裂、新保安-沙城断裂、施庄断裂、孙河-南口断裂、永定河断裂、廊坊-武清断裂、宝坻断裂、蓟运河断裂和海西断裂等。同时张渤带也是华北地区的强震多发区，历史上曾发生过1679年三河-平谷8级地震、1969 年渤海7.4级、1976 年唐山7.8级、1998 年张北6.2级地震等。学者们对张渤带的地壳深部结构、活动构造特征以及构造应力场等问题通过不同的观测资料都作了一定程度的研究[1-5]。全球导航卫星系统( global navigation satellite system, GNSS)观测数据目前用途广泛，既可以做导航定位[6-7]，又可以用来提取强震前的地壳形变的异常信息。长趋势全球卫星定位系统(global positioning system, GPS) 地壳形变图像显示张渤断裂带相对完整的左旋走滑活动[8]，方颖等[9]利用GPS资料采用聚类分析方法分析张渤带的活动性，建立了张渤带运动模型，滑动量约为0.5 mm/a；陈长云等[10]基于跨断层和GPS 资料综合分析得出整个张渤带及其邻区断层活动水平较低；近期研究显示张渤带受到明显挤压，呈应力应变能积累增强的趋势[11]。马栋等[12]分析了张渤带2002年以来的洞体应变观测资料，发现洞体应变与GPS 结果在变形性质上存在一定的一致性，但量值上差异较大。王晓山等[13]比较了震源机制与GPS资料提供信息的差别，认为二者可以互补，利用GPS和震源机制两种资料联合解释、相互约束，则可增加反演结果的可靠性。利用大地测量学研究结果追踪现今地壳形变图像的变化，研究地壳构造应力-应变的动态，从中提取强震的前兆信息，是地形变大地测量学的终极目标。现联合使用张渤带近期的GNSS观测资料与同时段中等地震的震源机制解资料对张渤带现今形变特征进行研究，以期取得可靠的形变结果并提给GNSS和震源机制联合研究的一个范例。

1 数据和方法

张渤带上布设有较为密集的GNSS连续观测基准站。2008年开始建设，2010年开始产出数据，加上河北省地理信息局的GPS测站数据，可以获得GNSS区域速度场。现选取数据观测时间较长、缺数较少的GNSS连续站，台站分布如图1所示，观测时间：2010年5月到2020年3月。

GPS观测值的数据解算使用GAMIT/GLOBK/软件[14-15]进行处理，通过计算得到相对于全球参考框架ITRF2008[16]下的单日解。震源机制解数据使用2010—2019年研究区域范围内的已发表的震源机制解资料[17-21]和本文研究中使用初动与振幅比资料[22-23]计算得到的部分结果。

图1 张渤带及邻区活动断裂与GNSS基准站分布图Fig.1 Distribution of active faults and GNSS reference stations in Zhangjiakou-Bohai seismic tectonic belt and its adjacent areas

2 张渤地震带形变特征

由表1和图2可知，相对于稳定欧亚参考框架，张渤带东段整体向东偏南方向运动，运动速率由南向北呈逐渐递减的趋势。而基准站HETS、TJWQ这两个点北南(NS)向与张渤带整体运动方向有偏差，其中唐山站受到水库蓄水、放水影响，天津武清站地基为土层，这两个测站台基稳定性较差。HETS基准站在水库边缘，水库水位上升与下降时均对数据稳定性产生影响，TJWQ基准站地基为土层，沉降等因素导致基准站数据产生较大误差，对这两个测站进行校正得出新的张渤带平均速度场。

表1 GNSS基准站数据解算结果Table 1 The calculating results of GNSS reference stations

图2 GAMIT解算张渤带平均速度场Fig.2 The average velocity field of GAMIT solution in Zhangjiakou-bohai seismic tectonic belt

从图2可以看出河北赤城-山西灵丘一线以西，地壳形变速率从北向南逐渐增大，河北赤城站年平均速度为2.9 mm，运动方向为东偏南18°，河北阳原站年平均速度为4.9 mm，方向为东偏南13.5°；北京延庆-山西灵丘一线以西块体运动速度较大，而东侧运动速度相对较低。北京古北口-北京房山一线也存在运动速度从北向南逐渐增大的的趋势，北京古北口站年平均速度场为2.56 mm，运动方向为东偏南9.8°，北京房山站年平均速度场为3.0 mm，运动方向为东偏南11.7°，显示断层滑动方向为沿断层线向南滑动趋势。天津蓟县-天津武清一线断层运动相对复杂，天津蓟县站年平均速度场为1.9 mm，运动方向东偏南12.5°，天津宝坻站年平均速度场为3.8 mm，运动方向为东偏南22°，天津武清站年平均速度场为3.6 mm，运动方向为东偏北50°，应力向天津宝坻方向汇聚。河北唐山站年平均速度场为2.4 mm，运动方向为东偏北64.6 °，在张渤带整体向东偏南运动中，天津武清站相对于河北唐山站运动方向异常，属于应力集中区。

沿张渤带自西向东计算了3条跨断层基线，分别为河北赤城(HECC)-山西灵丘(SXLQ)基线、北京古北口(BJGB)-北京房山(BJFS)、河北承德(HECD)-天津武清(TJWQ)基线。通过最小二乘拟合扣除两分量的线性项和观测期间两站之间地震造成的同震响应，表2给出了3条基线的相对运动速度。结果显示，这三条基线都表现为左旋走滑运动(图3)。

表2 3条基线的相对运动速度Table 2 Relative velocity of three GNSS baselines

图3 GNSS基线时间序列变化曲线 Fig.3 The curve of GNSS baseline time series

图3(a)显示SXLQ(灵丘)相对于HECC(赤城)的跨断层基线变化，其中左侧、右侧分别是两站坐标变化差值的东西分量和南北分量。这两个分量都分别给出了两站分量变化的差值、顾及地震时刻的线性拟合及其残差序列。图3(b)和图3(c)分别给出了TJWQ相对于HECD、BJFS相对于BJGB的基线变化时序。

图4为这三条基线两分量扣除线性项和同震响应后的残差序列。结果显示，西段和中段的基线残差序列较平稳，变幅不超过10 mm，而东段的基线残差变化幅度达到20 mm，且表现出不规则的季节性变化，可能与TJWQ站地处严重沉降区有关。

图4 3条跨断层基线两分量去线性项后的残差序列Fig.4 Residual sequence of two components of three cross fault baselines after removing linear term

由表2可以看出张渤带陆地段平均速度场较低，一般在3 mm左右，应变主要集中在天津武清-天津宝坻一线，应力图像(图5)显示存在主压应力方向旋转和应力状态的转换，天津宝坻-蓟县为拉张状态，而东边的唐山地区则呈现较强的挤压分量。区域主应变显示张渤带地区自西向东依次是拉张-挤压-拉张-挤压，主应变由低到高，高应变拉张区位于天津宝坻(TJBD)、天津蓟县(JIXN)、高挤压区分布在河北唐山(HETS)一带，高应变区为年应变量约为20 nanostrain/yr(nanostrain/yr是应变率的单位，表示单位距离每年的变化率)。

图5 张渤带地区主应变Fig.5 Principal strain in Zhangjiakou-Bohai seismic tectonic belt

3 震源机制特征

根据Zoback判断震源机制应力类型的方法[24]，应力类型包括：正断型(NF)；带有少部分走滑分量的正走滑型(NS)；走滑型(包含少量正断型或逆断型分量)(SS)；逆断型(TF)；带有少量走滑分量的逆走滑型(TS)；无法确定型(U)。对张渤地震带及邻区研究时段内19个近震震级(ML)4.0以上地震的震源机制进行分类(表3)，震源错动方式以正断和走滑为主，没有出现逆冲和不确定类型(图6)。从图6可以看出，ML4.0以上地震主要集中在张渤带陆地段的两端——晋冀蒙交界地区和唐山地区，中段仅发生2018年2月12日永清地震。震源机制解的P轴方位从西向东有个明显的转向变化，西段为NE向，东段为NEE-EW向，和GPS主应变方向基本一致。唐山-宝坻地区震源机制解以走滑和拉张为主，也符合该区GPS主应变呈现的应力状态。

表3 张渤带及邻区2010—2019年ML4.0以上地震震源机制解Table 3 Focal mechanism solutions of ML4.0 earthquakes in Zhangjiakou-Bohai seismic tectonic belt and its adjacent areas from 2010 to 2019

图6 张渤带及邻区2010—2019年ML4.0以上地震震源机制解投影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 结果与讨论

GNSS反映较大尺度地壳形变特征，通过综合分析张渤带上的GNSS资料和震源机制解，得出以下特征。

(1)剔除数据质量较差的基准站，可以看出GNSS平均速度场在张渤带断层两侧具有明显差异，张渤带及其邻区整体运动方向为向东偏南运动。

(2)张渤带区域应变场应力状态自西向东依次为拉张-挤压-拉张-挤压-拉张-挤压，主应变由西向东逐步增大。在天津宝坻到河北唐山一带，主应变最大，为20 nanostr/yr，天津蓟县-天津宝坻一带为拉张变形，在唐山一带为挤压变形。

(3)根据Zoback判断震源机制应力类型的方法对张渤地震带及邻区研究时段内19个ML4.0以上地震的震源机制进行分类，震源错动方式以正断和走滑为主，没有出现逆冲和不确定类型。

(4)区域应变显示的应力状态与震源机制解的错动类型基本吻合，天津宝坻-河北唐山的主应变变化比较剧烈，同时震源机制的类型也发生变化，表明该地区的深部与浅部的变形一致。

(5)由首都圈GNSS观测数据获得的应变场空间变化特征与同时段中等地震的震源机制的类型基本一致，进一步说明大地测量数据应与震源机制联合解释、相互约束，则可增加反演结果的可靠性。

本文研究中GNSS资料获得的主应变类型、震源机制解的错动类型与当地的活动构造调查得出的断裂活动习性基本一致[25-27]，获得应力状态与前人通过震源机制解、InSAR和三维地震及钻井资料得到的张渤带及邻区的应力场也比较一致[28-32]，太平洋板块向西俯冲及俯冲速率的改变引起华北地区应力场的转换，进而导致区域断裂体系发育演化。多种观测资料的联合解释、相互约束，增加反演结果的可靠性，这也是后续进行应力场研究的发展方向。