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利用跨断层资料研究首都圈地区断层活动特征及地震危险性
利用跨断层资料研究首都圈地区断层活动特征及地震危险性
王世进*, 张超, 刘文龙, 苏广利
(中国地震局第一监测中心,天津 300180)
 [收稿日期]: 2017-02-15
摘要

本文针对首都圈的跨断层形变资料(1984-2016年),利用11个场地的基线和水准观测资料,计算了断层三维活动量,以此来分析首都圈断层现今的活动特征。同时计算了断层形变协调比序列,分析其与首都圈中强地震的关系。结果表明:首都圈的断层活动有明显的区域特征,受张家口-渤海断裂带影响的西北地区的断层以左旋张性活动为主,而中部和东部断层表现为右旋压性特征。断层协调比结果显示在首都圈及其邻区出现中强地震前后,协调比会出现发散现象,这种现象可以作为今后首都圈及邻近地区中强地震危险性分析的一种依据。



引言

自20世纪60年代起,中国地震局搜救中心、中国地震局第一监测中心等单位在首都圈地区第四纪尤其是全新世以来仍在活动的断裂上布设了跨断层测量场地,以监测断层活动,经过几十年的资料累积,为研究区域地震的断层力学过程、捕捉地震前兆等提供了大量的资料支持。

前人利用跨断层形变资料做了大量的研究工作。游丽兰(1995)楼关寿等(2010)对跨断层资料中的干扰因素进行了分类,并较为有效地提取了跨断层资料中的断层活动信息。许多学者进一步利用跨断层形变资料分析断层的活动速率、活动性质及其与中强地震之间的关系等(薄万举等,1998刘辛中等,2015马伶俐等,2015李腊月等,2016),并为区域断层动力学特征的研究提供了大量的支持和佐证。此外还有学者将主成分分析、时频分析等方法引入跨断层资料的分析中(李腊月等,2013方颖等,2015),不仅大大丰富了跨断层资料的研究内容和方法,还从更科学、准确的角度提取跨断层形变资料中反映断层构造活动的信息。

基于断层协调比的概念,前人也做了卓有成效的研究(张晶等,2011),也有学者对华北地区的跨断层场地(大灰厂、唐山台站)进行了协调比计算分析(李瑞莎等,2013李文静,2014)。结果显示,对于不同的场地,由于受环境因素等影响,协调比与区域地震的对应关系有较大的差异。目前,还鲜有对首都圈地区所有11个跨断层综合场地开展的协调比分析,基于此,本文根据前人的研究结果,对首都圈地区11个跨断层综合场地的观测资料进行分析,更为全面地研究首都圈地区的断层活动特征及活动状态。通过利用跨断层水准和基线的综合观测资料计算的断层三维活动量(沿走向方向的走滑量、垂直于走向方向的张压量及垂直活动量),可以很直观地了解区域断层的活动特征。然后利用断层协调比反映的断层活动状态,结合首都圈地区及其附近的中强震例,分析断层活动特征、活动状态与区域中强地震的关系,以此作为首都圈地区地震危险性的判定依据,为今后将跨断层资料应用于地震危险性判定提供一定的方法支持。

1 跨断层资料情况

本文采用的数据包括首都圈地区(38.5°—41.0°N、113.0°—120.0°E)10处流动跨断层场地及唐山台的基线水准综合观测资料。11个综合观测的场地分布情况如下图 1所示。各场地观测时间及其所跨断层几何产状等信息如表 1所示。


图 1 首都圈综合观测的跨断层场地分布图(五角星代表北京) Fig. 1 Distribution of comprehensive cross-fault observation sites in the capital region
表 1 首都圈地区跨断层场地信息表 Table 1 List of cross-fault sites in the capital region

从表中可以看出,各场地的起始观测时间差距较大。为了便于统一分析,我们在处理数据之前将资料的起始时间统一为1984年1月。此外,由于流动场地的观测周期为1个月,而唐山台的观测周期为1天,为了进行统一分析,首先将原始观测资料统一为1月周期(唐山台的数据取月均值)。

2 研究方法

为了消除观测值中年变化等的周期性影响,我们采用首年的数据作为参考,用以后每一年的月观测值减去观测首年相应月份的观测值,得到一组水准高差或基线长度变化量,以此作为研究对象进行分析。

2.1 计算断层活动量

假定在跨断层场地的局部范围内,断层两盘是不变形的刚体,那么测线的变化能反映断层的三维运动,根据空间几何关系,可以得到(1)式,用以计算断层走滑、张压及垂直三维活动量(曹建玲等,2011):

$\left\{ \begin{array}{*{35}{l}} a\approx \frac{\Delta L}{\cos \phi }+\frac{\Delta H\tan \phi }{\tan \beta } \\ b\approx \frac{\Delta H}{\tan \beta } \\ c\approx \frac{\sum\nolimits_{i=1}^{n}{\Delta {{H}_{i}}}}{n} \\ \end{array} \right.$ (1)

式中,abc分别代表断层水平走滑活动量(大于0代表右旋,反之代表左旋)、水平张压活动量(大于0代表拉张,反之代表挤压)和垂直活动量(大于0代表正断,反之代表逆断)。$\Delta L$代表两期基线变化量,$\Delta H$代表两期水准数据变化量。φ(0,π)是测线和断层走向线的夹角(走向线逆时针转到测线的角度),β(0,$\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{\text{2}}$)为断层倾角。

在首都圈地区11个水准基线综合观测场地中,仅有1条综合观测(同时进行基线和水准测量)测段的场地有八宝山、德胜口、施庄和张山营。对于仅有1条综合观测测段(以下简称为综合测段)的场地监测资料,直接利用(1)式即可计算其水平活动量、水平张压量及垂直活动量,由于张山营场地的测线仅有垂直于断层的1条测段,根据(1)式仅能计算其水平张压量。

图 2可以看出,八宝山、德胜口、施庄3个场地所跨断层的水平活动以左旋走滑为主要特征,其中施庄的水平走滑活动在2011年以后出现明显的转折现象,这种现象预示着区域断层的活动性质发生改变。4个场地的断层以张性活动为主要特征,所跨断层均有明显的正断活动特征。


图 2 1条综合测段观测资料计算的活动量 Fig. 2 Displacement calculated from one comprehensive observational set of data

首都圈地区2条及以上基线水准同测的场地有大灰厂、墙子路、上万、小水峪、燕家台、张家台和唐山台。对于这7个场地,对(1)式进行变换,得到计算断层三维活动量的矩阵形式:

$\left[ \begin{matrix} \cos {{\phi }_{1}} & -\sin {{\phi }_{1}} \\ \vdots & \vdots \\ \cos {{\phi }_{n}} & -\sin {{\phi }_{n}} \\ \end{matrix} \right]\left[ \begin{matrix} a \\ b \\ \end{matrix} \right]=\left[ \begin{matrix} \Delta {{L}_{1}} \\ \vdots \\ \Delta {{L}_{n}} \\ \end{matrix} \right]$ (2)

从上式可以看出,多于2条测段的断层活动量已经不受断层倾角的影响。由于断层倾角的误差较大,所以(2)式要比(1)式的计算精度高。根据(2)式,利用最小二乘法即可到ab的值,c可以参考(1)式得到。

图 3中可以看出,唐山台站和大灰厂的断层水平走滑活动表现为右旋走滑特征。大灰厂水平走滑活动量近期出现的大幅度下降是由于更换测线引起。其余5个场地的断层水平走滑活动均表现为左旋活动特征。


图 3 2条及以上综合测段观测资料计算的三维活动量 Fig. 3 Displacement in 3-D calculated from two or more comprehensive observational sets of data

从水平张压和垂直活动量来看,唐山台站和大灰厂场地表现为压性活动,且水准计算出的垂直活动量值较大,不排除受水准测点的稳定性所影响。其余5个场地显示为张性活动特征。

通过(1)式和(2)式计算得到三维活动量,并对其反映的断层活动特征进行分析,总结得到表 2

表 2 跨断层资料反映的断层活动特征 Table 2 Characteristics of fault activity reflected by cross-fault data

表 2中可以看出,断层水平活动以左旋走滑为主的跨断层场地主要分布在首都圈的北部及西北地区,这一区域的断层主要受到张家口-渤海断裂带的控制。由GPS的研究成果可知,首都圈地区地壳以张家口-渤海断裂带上的左旋剪切形变为主(吴伟伟,2014),与跨断层资料反映的断层活动性质较为一致。以右旋走滑为主的场地主要分布在首都圈地区中东部的NE走向断层上。跨断层资料反映的区域张压性分布也有类似的区域分布特征,这与区域水准数据反映的首都圈地区的垂直形变特征有一定的相似性(郭良迁等,2012)。

2.2 地震危险性分析

为了研究跨断层资料反映的断层活动特征与区域中强地震之间的关系,采用协调比进一步分析。协调比是描述断层活动状态的参数,用三维活动量的比值表示,公式如下:

$\begin{align} & {{f}_{1}}=b/a \\ & {{f}_{2}}=c/a \\ & {{f}_{3}}=c/b \\ \end{align}$ (3)

在跨断层场地的局部范围内,将断层两盘看作两块刚体,在断层两盘无应变积累而进行无障碍蠕滑活动时,协调比应该是一个常数。反之,当协调比以较大幅度偏离常数时,预示着断层的三维活动出现了不一致的变化,有可能因区域应变累积而导致。

选择首都圈区域的中强地震(表 3)进行震例分析,选取原则为100km以内4—5级地震、200km内的5—6级地震和300km以内的6级以上地震。

表 3 震例三要素 Table 3 Three basic parameters of the earthquakes

图 4为通过1条综合测段观测资料计算的协调比及其与地震之间的关系。从图中可以看出,4个场地的协调比大致符合上文中的分析,即断层活动协调比是一个常数。


图 4 1条综合测段观测资料计算的协调比 Fig. 4 The fault coordination ratio calculated from one comprehensive observational set of data

为了从视觉上更突出协调比偏离常数的状态,我们用条形框将协调比发散部分突出标记出来。通过对图 4的分析可以得出以下认识:

(1)八宝山场地的断层活动协调比在1989年大同5.7级地震、1991年大同5.8级地震以及1998年张北6.2级地震前均出现较大幅度的偏离现象。这种协调比的大幅度离散与断层活动的异常紧密相关,而断层的活动异常与区域应变累积预示着区域地震危险性的增强。这也说明八宝山跨断层场地断层活动协调比的发散与首都圈西北地区的中强地震有紧密的关系。

(2)德胜口场地的断层活动协调比发散现象与地震并没有明显的相关性,其最近一次比较明显的发散现象出现在2006年文安5.1级地震前后,最近来看断层活动协调比处于比较稳定的状态。

(3)张山营跨断层活动协调比的发散现象与选取的几组中强地震在时间上有一定的相关性。

图 5显示的是由2条及以上综合测段观测资料计算的断层活动协调比及其与地震之间的关系,通过对图 5的分析可以得到以下认识:


图 5 2条及以上综合测段观测资料计算的协调比 Fig. 5 The fault coordination ratio calculated from two or more comprehensive observational sets of data

(1)首都圈地区的沉降作用对跨断层水准资料的影响较大,而对基线资料影响较小,在分析协调比时应考虑这一前提条件。

(2)协调比f1f2f3的发散有明显的不同步现象,这是由于f1是由基线变化量计算得到的b(张压)和a(走滑)分量的比值,所以仅与基线资料相关。而f2f3是由水准资料计算得到的c(垂直活动量)与ba的比值,故与跨断层水准资料有较大的相关性。

(3)张家台场地的断层活动协调比发散现象和首都圈地区的中强地震相关性比较突出,大约在地震发生前2—3年,其断层活动协调比f1出现较大幅度的发散,往往在震后恢复常数态。其中2006年文安地震以后,协调比持续发散现象没有对应地震发生,直到2014年的涿鹿地震以后,协调比有恢复正常的趋势,这也说明协调比的发散对应断层正处于应变积累状态,从而应该引起对区域地震形势的关注。

(4)唐山台站、小水峪及燕家台场地在1986年之前均出现断层活动协调比大幅发散的现象,其中小水峪及燕家台场地记录了1976年前后的观测数据,故计算了其1976年前后的协调比。从图 5中可以看出,唐山7.6级大地震与上述场地协调比的发散情况相关性比较大,故从协调比发散的时间和场地地点上综合考虑,认为这3个场地在1986年以前协调比同步发散现象可能和唐山地震前后相应断层有一定的应变积累有关。

3 结论

本文采用了首都圈11个场地跨断层综合观测资料,计算了断层的三维活动量及其断层活动协调比。其中从三维活动量所反映的区域断层活动特征可以看出,首都圈地区的北部及西北地区断层以左旋张性的活动特征为主,首都圈地区的中东部断层主要以右旋压性活动为主,有明显的区域分布特征。

通过对断层活动协调比的分析可以看出,八宝山、张家台及张山营场地的断层活动协调比的发散现象与区域内的中强地震有比较大的相关性。由于在以往震例中,大灰厂场地反映的协调比均在震后几年保持持续状态,故其近期的发散现象可能与2014年涿鹿4.3级地震较为相关。小水峪和燕家台的断层活动协调比近期有一定的发散现象,应引起一定的注意。

综上所述,本文利用首都圈地区跨断层资料计算了断层活动量和协调比,并进行了一定的分析研究,其重要的前提是将断层两盘相对活动视为符合刚体运动的模型。而在实际中,由于首都圈地区地质地貌的复杂多变,环境变化、地下水的升降等均会影响跨断层资料的可靠性,故今后还应探索更有效的物理及数学计算模型对跨断层资料进行有效的分析。

参考文献
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Study on Fault Activity and Seismic Risk in the Capital Region by the Cross-fault Measurement Data
Wang Shijin*, Zhang Chao, Liu Wenlong, Su Guangli
(First Crust Monitoring and Application Center, CEA, Tianjin 300180, China)
Abstract

According to fault crossing deformation data of capital circle region, we collected a few decades of data (1984-2016). In order to analyze the present-day activity characteristics of the fault in capital circle region, the three-dimensional activity of the fault is calculated based on these data of 11 sites. The fault motion coordination ration is calculated in order to analyze the relationship with the earthquakes above medium intensity in capital circle region. The results show that:there are obvious regional characteristics of the fault activity in the capital circle region. And it provides a certain method of support for determining the seismic risk of the capital circle region and its adjacent areas in the future and the faults activity is mainly characterized by left lateral and tensional movement. The faults is mainly characterized by right-lateral and compressive movement in central and eastern capital circle region. The result of fault coordination ratio show that divergence will arise before and after the strong earthquakes occurred in the capital circle and its adjacent areas. This phenomenon can be used for the risk analysis of moderately strong earthquakes in the capital circle and adjacent areas.



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利用跨断层资料研究首都圈地区断层活动特征及地震危险性
王世进*, 张超, 刘文龙, 苏广利
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20170311