晉冀蒙地區(qū)的垂直形變特征

陳阜超 陳聚忠 鄭智江

1 中國地震局第一地形變監(jiān)測中心，天津市耐火路7號，300180

晉冀蒙地區(qū)北起呼和浩特－張北－延慶一線，南至興縣－太原－石家莊一線，西自呼和浩特－清水河－興縣一帶始，東至北京－石家莊一線，覆蓋了內(nèi)蒙古南部、山西北部、河北和北京的西部地區(qū)。區(qū)域內(nèi)包括呂梁山地塊、延慶－大同－太原盆地構(gòu)造帶、太行山地塊3個構(gòu)造單元。區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，活動性較強(qiáng)，有3 個較大的活動構(gòu)造帶交匯。近東西向陰山－燕山南緣構(gòu)造帶中段位于研究區(qū)北部，張家口－渤海北西向構(gòu)造帶的西北段位于研究區(qū)東北部，山西盆地帶北段從南向北穿越研究區(qū)中部，它們控制著本區(qū)中強(qiáng)地震的孕育和發(fā)生。近幾十年來區(qū)域內(nèi)發(fā)生過大同6.0級地震（1989－10－19）、張北6.2級地震（1998－01－10）和林格爾6.2級地震（1976－04－06）等多次中強(qiáng)地震，成為人們特別關(guān)注的地區(qū)。

本文旨在前人研究的基礎(chǔ)上［1－5］，利用1998、2006和2013年的水準(zhǔn)復(fù)測資料，對研究區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造活動性及其垂直形變規(guī)律進(jìn)行定量研究，分析呂梁山地塊、太行山地塊和山西盆地帶的垂直形變情況，給出該區(qū)域地殼垂直形變現(xiàn)今運(yùn)動趨勢。

1 資料處理

水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)以1998、2006和2013年復(fù)測資料為主，部分測線為相鄰年份的水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)資料，經(jīng)過整理獲得了完全對應(yīng)的3×860個水準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，水準(zhǔn)測段平均距離為6.4km，3 期水準(zhǔn)測線共計16 500 余km，組成16 個水準(zhǔn)環(huán)線（圖1）。平差計算使用經(jīng)典動態(tài)平差法，起算參考基準(zhǔn)為北京原點(diǎn)［6－7］。

圖1 晉冀蒙區(qū)域水準(zhǔn)測量網(wǎng)形圖Fig.1 Shanxi－Hebei－Inner Mongolia area leveling survey net

計算結(jié)果顯示，1998～2006年時段的平差計算單位權(quán)中誤差為0.94mm／a，2006～2013年為0.99mm／a，均小于1.0 mm／a，說明測量精度和平差精度較好。在平差計算的基礎(chǔ)上，獲得了1998～2006年和2006～2013年兩個時段的各水準(zhǔn)點(diǎn)垂直形變速率，進(jìn)一步計算得到垂直形變速率梯度，并繪制了兩個時段的垂直形變速率圖及其相對應(yīng)的梯度圖（屬于無量綱數(shù)值）。

2 垂直形變速率

2.1 1998～2006時段

1998～2006年晉冀蒙地區(qū)的垂直形變（圖2）出現(xiàn)了涼城、興縣和壽陽3個上升速率較大的中心，形變速率6～8mm／a。清水河－左云、集寧－張家口－淶源－石家莊（包括中間的延慶－陽原盆地帶）廣闊地區(qū)為弱上升區(qū)，形變速率1～2mm／a。大同－代縣－忻州－太原盆地地帶為下降變化，形變速率在－3～－5mm／a。研究區(qū)東部邊緣地帶局部強(qiáng)烈下降形成漏斗，主要是開采地下水造成的。

由圖2可見，垂直形變速率等值線曲折延伸，大部分地區(qū)形成局部封閉的圖像，沒有出現(xiàn)長距離大規(guī)模的等值線密集條帶，也無明顯與構(gòu)造走向平行延伸的等值線。垂直形變速率等值線形態(tài)松散，受斷裂構(gòu)造控制性不顯著。

1998～2006年研究區(qū)垂直形變格局總體上山區(qū)以上升為主，盆地以下降為主。地殼垂直形變表現(xiàn)為繼承性運(yùn)動為主，垂直形變速率等值線圖像大多數(shù)為局部封閉形態(tài)，顯示受構(gòu)造控制不顯著，說明區(qū)域地殼活動性較弱。

該時段形變速率差異變化量表明，延慶－大同－太原盆地地帶的差異變化量最大，太行山區(qū)次之，呂梁山地區(qū)差異變化量最小，反映出盆地地帶差異活動性相對明顯。

圖2 1998～2006年垂直形變速率（mm／a）Fig.2 Vertical deformation rate during 1998－2006（mm／a）

2.2 2006～2013時段

晉冀蒙地區(qū)2006～2013年的垂直形變（圖3）整體上西北部上升，最大上升速率11 mm／a，位于卓資地區(qū)；東南部下降，一般下降速率為－1～－7mm／a；東部邊緣受開采地下水影響，強(qiáng)烈下沉，形變速率達(dá)到－15～－17mm／a。

由圖3可見，垂直形變速率等值線在偏關(guān)－左云－張家口一帶密集成束，直線延伸，規(guī)模較大。北京－阜平地帶等值線也較為密集，一定程度上呈直線展布。前者豐鎮(zhèn)－張家口地段與北東東向天鎮(zhèn)－陽高盆地北緣斷裂、懷安－萬全盆地北緣斷裂走向基本一致，豐鎮(zhèn)－左云－偏關(guān)地段與口泉斷裂大致平行，后者與太行山東麓斷裂構(gòu)造近于平行，顯示出該階段垂直形變受構(gòu)造控制。

2006～2013年呂梁山地區(qū)與前一時段變化大致相同，繼續(xù)上升變化，地殼呈繼承性運(yùn)動，中部盆地地帶和東部太行山地區(qū)的垂直形變上升和下降變化與地質(zhì)地貌特征不相符，顯示出新生性活動。尤其是太行山的壽陽地區(qū)，前一時段強(qiáng)烈上升，本時段變?yōu)橄陆怠４怪毙巫兯俾什町愖兓匡@示，呂梁山地區(qū)最大，太行山區(qū)次之，盆地地帶最小。垂直形變反映了本時段呂梁山地塊活動性相對較強(qiáng)。

圖3 2006～2013年垂直形變速率（mm／a）Fig.3 Vertical deformation rate during 2006－2013（mm／a）

2.3 速率差異比較

1998～2006年垂直形變表現(xiàn)為東西兩側(cè)的呂梁山區(qū)和太行山區(qū)上升，中部盆地地帶相對下降，總體與構(gòu)造地貌吻合；2006～2013年呂梁山區(qū)垂直形變繼續(xù)上升，太行山區(qū)則明顯下降，中間盆地地帶與前期相比一致性變化分解，盆地地帶和太行山區(qū)的形變與構(gòu)造地貌一致性不顯著。

1998～2006年垂直形變速率圖像變化顯示出局部性、分散性明顯，等值線延伸受構(gòu)造控制關(guān)系不顯著。而2006～2013年垂直形變速率等值線在一定程度上呈直線延伸，而且在偏關(guān)－左云－張家口一帶等值線相對密集，等值線的展布和密集條帶的發(fā)育一定程度上受構(gòu)造制約，顯示出斷裂構(gòu)造具有一定的活動性。

各地塊2006～2013年垂直形變速率相對1998～2006年增加量值不同，呂梁山地塊平均增加1.78mm／a，盆地地帶平均增加1.87mm／a，太行山地塊平均增加－2.50mm／a。總體上呂梁山地塊和盆地地帶上升速率增加，太行山地塊下降速率加大。

地塊本身垂直形變速率差異變化量的大小反映了地塊的活動性強(qiáng)弱程度。呂梁山區(qū)和太行山區(qū)差異變化量后期大于前期，盆地地帶后期小于前期。其中呂梁山地塊的后期變化量較前期增大顯著。

1998～2006年與2006～2013年的垂直形變反映了呂梁山地塊形變應(yīng)變能有所增加，地殼活動性有所增強(qiáng)。盆地帶大同－忻州段后一時段上升，說明該地段構(gòu)造活動性有所增加。太行山后一時段變化和前期相反，呈明顯下降或者微弱上升，可能與2011年日本3.11大震對華北地區(qū)的影響有關(guān)。日本3.11大震使東側(cè)平原區(qū)地殼顯著向東運(yùn)動，減弱了太行山地塊東側(cè)的支撐作用，太行山地塊應(yīng)力降低，地殼活動性下降。

3 垂直形變梯度

水準(zhǔn)測量成果用于地殼垂直形變分析，其結(jié)果受起算參考基準(zhǔn)的影響，選擇不同的起算參考基準(zhǔn)，形變速率的大小和地形變上升下降變化形態(tài)有較大的差別。垂直形變梯度則不同于垂直形變，不受參考基準(zhǔn)選擇的制約，它是兩點(diǎn)的垂直形變量之差與兩點(diǎn)間的距離之比，是無量綱數(shù)值，和應(yīng)變相似，屬于應(yīng)變類量值。垂直形變梯度在與形變等值線平行的方向上梯度最?。刺荻鹊扔?），與形變等值線垂直的方向上梯度最大。本文求解的垂直形變速率梯度是最大梯度值，是與形變速率等值線垂直的梯度，其大小反映地殼垂直差異活動強(qiáng)度與地殼垂直應(yīng)變率的相對大小［8］。

3.1 1998～2006時段

晉冀蒙地區(qū)1998～2006年的垂直形變速率梯度一般為0～10×10－8／a，大于20×10－8／a的地段分布零散。垂直形變速率梯度面積相對較大的有北京－順義地區(qū)、滿城地區(qū)、太原地區(qū)、神池東部地段和左云－大同地段（圖4）。北京－順義地區(qū)和滿城地區(qū)主要由于開采地下水使得局部下降變化強(qiáng)烈，造成梯度相對較大，而非構(gòu)造活動所致。太原、神池東部地段和左云－大同地段的高梯度反映了該地段垂直應(yīng)變較為顯著。

圖4 1998～2006年垂直形變速率梯度（108／a）Fig.4 Vertical deformation gradient during 1998－2006（108／a）

3.2 2006～2013時段

由圖5可見，北京－順義和滿城地段垂直形變速率梯度較大，這是開采地下水干擾所致。在太原－代縣和偏關(guān)－左云－豐鎮(zhèn)形成規(guī)模較大的高梯度帶，梯度在（20～30）×10－8／a。太原－代縣高梯度帶分布在代縣－定襄盆地和太原盆地附近，與該地段盆地地帶活動有關(guān)。偏關(guān)－左云－豐鎮(zhèn)高梯度帶呈北東向分布，位于大同盆地的西側(cè)，也顯示出呂梁山地塊邊緣與盆地交匯地帶的活動性明顯，應(yīng)變較大。此外，還有個別高梯度帶僅出現(xiàn)于局部。其余大部分地區(qū)垂直形變速率梯度較小，在10×10－8／a以下。

圖5 2006～2013年垂直形變速率梯度（108／a）Fig.5 Vertical deformation gradient during 2006－2013（108／a）

3.3 梯度差異比較

后一時段比前一時段的垂直形變速率梯度有所增加，出現(xiàn)了規(guī)模較大的高梯度帶，同速率結(jié)果一樣，反映了地殼垂直運(yùn)動有所增強(qiáng)的趨勢。特別需要指出的是，這些垂直形變速率高梯度帶區(qū)域與主要活動斷裂帶和地震帶的關(guān)系密切。

4 結(jié) 語

1）1998～2006年晉冀蒙地區(qū)地殼垂直形變在總體上上升和下降變化與地貌大致相符，但是垂直形變速率等值線構(gòu)成的圖像形態(tài)，多數(shù)為局部封閉的松散圖形，無較大規(guī)模的等值線密集帶出現(xiàn)，揭示出該時段區(qū)域構(gòu)造活動性不顯著。

2）2006～2013年晉冀蒙地殼垂直形變總體上為西北部上升，東南部下降，地殼呈傾斜變化。陽原－大同盆地與呂梁山地塊分界的邊緣地帶形變速率等值線密集成束，規(guī)模較大。形變揭示出呂梁山地塊構(gòu)造活動性相對明顯，太行山地塊應(yīng)變應(yīng)力較弱，太行山地塊的下降或者微弱上升可能與日本2011－03－11大地震對華北地區(qū)的影響有關(guān)。

3）1998～2006年和2006～2013年兩個階段的垂直形變顯示，前一時段地殼活動總體為繼承性，后一階段具有明顯的新生性。呂梁山地塊后一時段活動性有所增強(qiáng)，太行山地塊活動性減弱。延慶－陽原－大同－太原盆地地帶上升和下降出現(xiàn)明顯差異，具有分段活動特征。

4）2006～2013年垂直形變速率梯度比1998～2006年有所增強(qiáng)，高梯度帶延伸規(guī)模有所增大，反映出地殼垂直形變逐步增強(qiáng)的趨勢。對于垂直形變速率高梯度帶與活動斷裂帶的密切關(guān)系，需要給予特別關(guān)注。

［1］塔拉，陳阜超，周海濤，等.山西地區(qū)現(xiàn)代地殼垂直運(yùn)動研究［J］.大地 測量與地球動力學(xué)，2014（1）：32－37（Ta La，Chen Fuchao，Zhou Haitao，et al.Study on Modern Crustal Vertical Motion in Shanxi Area［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2014（1）：32－37）

［2］楊國華，王若柏，萬素繁.華北北部大首都圈地區(qū)地殼垂直形變的演化［J］.地殼形變與地震，1994（2）：41－47（Yang Guohua，Wang Ruobai，Wan Sufan.Evolution of Vertical Movement in Late Decade in the North China（The Capital Circle）［J］.Crustal Deformation and Earthquake，1994（2）：41－47）

［3］王若柏，洪漢凈，許忠淮，等.華北地區(qū)地殼垂直形變場及動態(tài)演化特征［J］.地震學(xué)報，1995，17（2）：148－155（Wang Ruobai，Hong Hanjing，Xu Zhonghuai，et al.The Characteristics of Vertical Crustal Deformation Field and Its Dynamic Evolution in North China［J］.Acta Seismologica Sinica，1995，17（2）：148－155）

［4］應(yīng)紹奮，沈永堅，黃立人，等.中國大陸形變場特征及中長期地震危險區(qū)劃分［M］.北京：地震出版社，1997（Ying Shaofen，Shen Yongjian，Huang Liren，el al.The Characteristics of Crustal Deformation Field of Mainland China and Zoning Mid－Long Term Earthuqake Risk Area［M］.Beijing：Seismological Press，1997）

［5］韓月萍，陳阜超，楊國華，等.華北北部地區(qū)現(xiàn)今地殼垂直形變特征與地震危險性分析［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2010（2）：25－28（Han Yueping，Chen Fuchao，Yang Guohua，et al.Characteristics of Present Day Crust Vertical Deformation and Earthquake Risk Analyzes in Northern Area of North China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010（2）：25－28）

［6］陳阜超，紀(jì)靜，韓月萍，等.李七莊基巖點(diǎn)垂直形變趨勢研究［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2013（6）：49－52（Chen Fuchao，Ji Jing，Han Yueping，et al.Research on Vertical Stability of Liqizhuang and Bedrock Point［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2013（6）：49－52）

［7］陳阜超，韓月萍，楊國華，等.水準(zhǔn)測量起算基準(zhǔn)穩(wěn)定性研究［J］.中國科技成果，2011，（15）：30－41（Chen Fuchao，Han Yueping，Yang Guohua，et al.Research on the Stability of Leveling Survey Benchmark［J］.China Science and Technology Achievements，2011，（15）：30－41）

［8］張祖勝，尤曉青.垂直形變速率梯度圖的編繪［J］.地震，1996，16（3）：232－238（Zhang Zusheng，You Xiaoqing.Charting Map of Vertical Crustal Deformation Rate Gradient［J］.Earthquake，1996，16（3）：232－238）