基于GPS的华北地区地壳水平形变特征研究

党学会，郭炳辉，吕 健

（中国地震局第一监测中心，天津 300180）

0 引言

华北地区处于欧亚板块东缘，地质构造环境复杂，构造变形在东部地区最强，使其成为我国大陆强震活动较频繁的地区之一［1－2］。据史料记载，从公元前780年的关中7级大地震以来，发生在该地区具有破坏性的地震多达682个，其中31个达7级以上，如1556年造成80多万生灵涂炭的关中8级巨震；1920年的海原8.5 级巨震，造成23 万余人死亡；1978年唐山7.8级大地震，造成24 万人死亡，受伤者16万之多，整个唐山被夷为平地。一串串伤痕累累的数字表明，华北地区是我国地震监测与研究的重点区域，加强华北地区构造变形和地震活动规律的研究，对防震减灾具有重要意义。

近年来，大量的地质与地球物理研究工作相继在华北地区开展，使该地区积累了丰富的资料和大量科研成果，成为我国地震构造研究最详细的地区之一［3－6］。随着GPS观测技术的日臻成熟和完善，GPS监测资料逐渐积累，众多学者开始用GPS对华北地区进行研究并取得重要成果。如顾国华［7］分析了华北地区GPS 观测成果的地震地质意义，认为GPS观测到的水平形变对上地壳构造块体活动可能有所反映；江在森［8］利用华北地区GPS监测网数据获取的水平位移场及应变场分布图像，分析了华北地区的构造应力状态及应变场特征；杨国华［9］利用华北地区400余个测站的复测资料分析了华北地区水平运动场的空间变化及其与昆仑山8.1级地震的可能关系，认为地震的发生对华北地区能量的积累具有一定程度的减缓与释放作用；张风霜［10］对华北地区近十年的GPS复测资料进行处理，通过分析各时段形变场的动态变化得出了一些重要结论。如今中国大陆现今运动速度场己初步建立［11－13］，GPS技术在中国大陆动力学研究中也日益发挥重要作用。本文在前人研究工作的基础上，利用华北地区丰富的GPS观测资料对该地区的水平形变特征及其与地震活动的关系进行了分析探讨，以期对他人有所借鉴和帮助。

1 数据来源与处理

中国大陆构造环境监测网络于2009、2011年进行了2期的区域网联测，本文选用其在华北地区的数百个流动站观测数据，并辅以连续站观测数据进行联合解算。采用GAMIT／GLOBK10.4软件对所获得的数据进行了处理，处理方法见文献［14］，主要采用的处理模型与策略见表1。最后利用欧拉变换将解算得到的ITRF2008框架下的速度场转换为相对稳定欧亚的速度场。图1为2009—2011年华北地区相对稳定欧亚的水平速度场，误差椭圆置信区间为95%。

图1 2009—2011年华北地区相对欧亚水平速度场

解算结果中剔除了部分误差较大的测站，得到所有单日解NRMS值均在0.16～0.19之间。流动站年平均坐标重复性精度水平向为1.3 mm，垂直向为4.2mm。2009—2011年流动站速率平均误差水平向为1.1 mm／a，垂直向为3.0 mm／a。可见，解算结果精度较高，满足后续形变分析对精度的要求。

表1 数据处理策略与模型

2 应变场计算

根据计算得到的水平速度场，用三角形法计算得到每一个三角形所在区域的应变分量及旋转分量。根据文献［15］的研究，点位运动速率与区域线应变率的观测模型为：

式中：ui，νi为第i站点位水平运动速率2分量，Δxi，Δyi为该测站与区域位移场某个基准站的平面坐标差分量；u0，ν0为基准站速率2分量，τxx，τxy，τyy是平面应变率3分量，ω为旋转速率。实际解算中，以测站速率的方差－协方差作为定权依据，并采用最小二乘法估计待估参数。根据求解的参数，计算得到区域应变场特征值：最大主应变率、最大剪切应变率及面膨胀率，并用GMT 绘制了应变场分布图像［16－17］（图2～图4）。

3 形变分析

图1 是华北地区相对稳定欧亚的水平运动结果，图中，误差椭圆置信区间为95%。可以看出，整个测区具有明显的东西向挤压态势，但空间分布不均，不同块体的运动具有一定的差异性，水平运动发生显著变化处主要位于块体边界带。具体来讲，北端的燕山带和燕山块体优势运动方向为NE－NEE向，以大同为界，左侧地质活动具有裂陷特性，而右侧具有明显左旋运动特征，东西两侧运动方向出现一定的转折，表明两侧构造运动的差异，与现今运动结果基本一致。华北东部地区整体运动量级较小，基本保持在2 mm／a 以内，运动方向总体为SEE向。通过济南的NS线呈现出一条速率递减带，揭示了周边大型构造地质单元对其地表水平运动的制约影响。鄂尔多斯块体内部整体运动趋势较为一致，反映了其内部变形较弱的稳定构造特征。其边缘运动则具有一定的差异性，西部边缘具有分段差异性运动特征，以银川为界，运动方式由北段的NE向转为南段的近EW 向，表现出一定的逆时针运动特征，这与其所受的动力作用环境基本一致。进一步分析鄂尔多斯块体的东边界，即山西断陷带，其运动方式差别不大，反映了山西断陷带所受外部动力作用的一致性。

图2显示，燕山构造带是华北地区最活跃的构造带。该带整体量值较大，几个应变高值区分别位于唐山、京津、大同附近及呼和浩特以西地区，最大值分 别 达 到1.1×10－8／a、3.0×10－8／a、2.2×10－8／a和（－1.0～1.6）×10－8／a。从主应变方向来看，从西向东主张应变方向由NNE 向转为NE向，到环渤海附近又转为NNE 向，表明该带地质构造运动强烈而复杂。从近几十年的强震活动分布可知，包括唐山7.8级地震的大部分中强地震都发生在该带或其边缘上，也说明了该带的活跃性。而北部的燕山块体量值整体较燕山构造带略小，高值区主要位于与燕山构造带交界处，表现为NE 向的拉张，可能由于张性裂陷所致，主应变方向相比燕山构造带具有整体向右偏转的趋势。在主应变峰值上，东侧较燕山构造带偏高，西侧偏低。华北东部地区主应变率量值整体较小，处于10－9／a量级，较大值主要集中在北部环首都圈附近，峰值达3.36×10－8／a，方向近NE 向；中部邢台地区，达（1.0～1.46）×10－8／a，方向NNE 向；受太平洋板块直接俯冲的影响，郯庐断裂带一线整体表现为近EW 向的压缩应变格局。西部的鄂尔多斯块体整体应变量值较小，高值区主要集中于块体边缘；西侧的银川断陷带整体表现为近NS向的拉张性应变，而东侧的山西断陷带受到不同程度的构造变动影响，北部的大同盆地表现为NNE 向的拉张性，往南直到临汾盆地则表现为压性，从北到南方向由近NS向转为NW 向，呈现逆时针转动的趋势。

图2 2009—2011华北地区主应变率分布图

图3的面膨胀率图显示，燕山构造带面应变较为复杂，面压缩与面膨胀交替出现，这与该区测点较多、噪声较大有一定关系。几处高值区主要位于包头、大同、北京西北部及天津－唐山环渤海地区。特别注意的是，渤海湾地区处于面膨胀变化率正、负值过渡带，那里可能存在与地震危险性有关的应变能积累背景，是一个值得关注的区域。鄂尔多斯块体内部面应变整体较小，是华北地区变化最小的区域，表明该块体是一个弱形变、整体运动比较一致的块体。西侧边缘整体表现为“北压南张”的应变格局；东侧的山西断陷盆地整体表现为不均匀的面压缩变化；中部的太原盆地和南部的临汾盆地是2个面压缩高值区，量值分别达到2.4×10－8／a 和2.8×10－8／a。表明了山西断陷盆地现今的活动方式与早期的地质结果具有差异性，继承活动没有得以延续。山西断陷带以东地区面应变呈现出压缩与膨胀相间的分布格局，如石家庄、济南、郑州等呈现弱膨胀状态，天津南部呈现面收缩，峰值达－1.8×10－8／a。最东部的郯庐断裂带主要以面收缩为主，量值较大处主要位于沂水－郯城、洪泽湖附近及江苏北部宿迁－连云港一带，最大值为－1.6×10－8／a。

图3 2009—2011华北地区面膨胀率等值线分布图

最大剪应变的大小反映了地壳构造不稳定的程度，其值越大，构造的活动性就越强［18］。与面应变相对应，最大剪应变高值区主要集中在板块交界处的断裂带上或其边缘，这表明块体交界处的断裂带是构造活动强烈的区域。20世纪70年代华北平原内部的几次7级以上地震，均发生在以右旋走滑运动为主沿NNE 向的断裂构造带上，也说明了这一问题。图4为该区最大剪应变率分布图，可以看出，最大剪应变较大值主要分布于环渤海的京津唐地区，最大值可达4.5×10－8／a；然后是位于燕山构造带的呼和浩特断陷带和山西断陷带北部的大同、中部的太原及南部的临汾盆地。另外，在华北平原块体中部的邢台地区也存在这一量值较大处。由此可见，最大剪切应变场的分布形态明显受到区域内部断层分布的影响。一般来说，最大剪应变变化剧烈的区域往往预示着地震危险区，特别是最大剪应变高值区与面压缩高值区重合时，发生地震的强度和危险性最大［2，19］。综合上述分析可知，华北地区地震的易发区域主要集中于燕山构造带东部的环渤海地区、山西断陷带中部的太原及南部的临汾盆地、郯庐断裂带中南部等地震活动构造带内。

图4 2009—2011华北地区最大剪应变率等值线分布图

4 结论

本文根据水平运动速度，采用三角形法获取了华北区域应变场特征值，并结合地震地质资料对华北地区的水平运动状态及应变场特征进行研究，得到的初步结论如下：

（1）华北地区应变率高值区主要集中在板块交界处的断裂带及其附件区域，板块内部应变率量值普遍较小；

（2）山西断陷带北段以左旋张性活动为主，南段以右旋压性活动为主，与地质上右旋拉张活动具有差异性。郯庐断裂带以近EW 向的压缩应变为主，其余地区均表现为近NS 向拉张为主、EW 向压缩为辅的特征；

（3）面应变率和最大剪应变率等值线反映出，在环渤海的京津唐地区、山西断陷带中部和南部及郯庐断裂带中南段等值线相对密集，是应变率梯度较高的区域，具有中－强地震的孕育背景。

由于本文所采用的研究资料时间跨度较短，而且GPS 数据资料更多反映的是现今的地壳变形，在地质及地球物理构造解释方面还存在不足。随着GPS 观测资料的日益丰富和观测精度的进一步提高，通过构建合理的反演模型，利用其进行地壳构造变形和地球动力学研究以及地震预测的应用价值将进一步体现。

［1］ 唐方头.华北地块近期构造变形和强震活动特征研究［D］.北京：中国地震局地质研究所，2003，1－152.

［2］ 刘峡，傅容珊，杨国华，等.用GPS资料研究华北地区形变场和构造应力场［J］.大地测量与地球动力学，2006，26（3）：33－39.

［3］ 高战武，徐杰，宋长青，等.张家口－蓬莱断裂带的分段特征［J］.华北地震科学，2001，19（1）：35－42.

［4］ 陈国光，徐杰，高战武.华北渤海湾盆地大震的构造特征［J］.华北地震科学，2003，21（2）：7－15.

［5］ 石玉燕，颜启，许萍，等.大华北地块区地震大形势研究［J］.华北地震科学，2007，5（1）：11－15.

［6］ 嘉世旭，张先康.华北不同构造块体地壳结构及其对比研究［J］.地球物理学报，2005，48（3）：611－620.

［7］ 顾国华.华北地区GPS 形变测量结果及其地震地质意义［J］.地震地质，1999，21（2）：97－104.

［8］ 江在森，张希，陈兵，等.华北地区近期地壳水平运动与应力应变场特征［J］.地球物理学报，2000，43（5）：657－665.

［9］ 杨国华，江在森，刘广余，等.华北地区的水平运动场与昆仑山8.1级地震的可能关系［J］.大地测量与地球动力学，2007，27（2）：10－15.

［10］ 张风霜，杨博，占伟等.华北地区水平形变场动态变化分析［J］.地震，2011，31（1）：75－85.

［11］ Wang Q，Zhang P Z，Freymuller J T，et al.Present－day crustal deformation in china constrained by Global Positioning System measurement［J］.Science，2001，294（5542）：574－577.

［12］ 江在森，马宗晋，张希，等.GPS初步结果揭示的中国大陆水平应变场与构造变形［J］.地球物理学报，2003，46（3）：352－358.

［13］ 王敏，沈正康，牛之俊，等.现今中国大陆地壳运动与活动块体模型［J］.中国科学（D辑），2003，33（S）：21－32.

［14］ 党学会，乔学军，赵斌，等.汶川MS8.0地震后川滇地区地壳水平形变特征研究［J］.大地测量与地球动力学，2013，33（4）：13－16.

［15］ 王琪，丁国瑜，乔学军，等.用GPS研究南天山（伽师）地区现今地壳变形［J］.地震学报，2000，22（3）：263－270.

［16］ 占伟，孟宪刚，刘志广.GMT 绘制GPS速度场的应用［J］.华北地震科学，2010，28（3）：61－64.

［17］ 梁洪宝，刘志广，宋惠军，等.GMT 绘制应变场的应用［J］.华北地震科学，2012，30（4）：49－52.

［18］ 党学会.用中国大陆构造环境监测网络GPS数据研究中国大陆现今应变场特征［D］.武汉：中国地震局地震研究所，2012：1－55.

［19］ 许才军，董立祥，李志才.华北地区地壳形变的GPS 及地震矩张量反演分析［J］.武汉测绘科技大学学报，2000，25（6）：471－475.