天津地区的水平应变场特征＊

郭良迁 薄万举 胡新康

(中国地震局第一监测中心,天津 300180)

天津地区的水平应变场特征＊

郭良迁 薄万举 胡新康

(中国地震局第一监测中心,天津 300180)

根据 1995—1999年、1999—2004年和 2004—2009年天津地区 GPS站点观测资料,分不同地块计算了主应变率和断裂带的差异应变率。在此基础上研究了天津地区应变场和断层应变。结果显示,天津地区整体由主应变方向揭示的主压应力方向,前两个时段为北西向,后一个时段为北东东向;次级小块体的主压应力方向变化较大;块体边界断裂有的成为应变梯度带,有的不明显;断裂带的差异应变率在不同时段,差别显著;地震活动与高应变带、应变梯度带、断裂带的差异应变率较大的地段有一定的关系。

GPS;主应变率;面应变率;最大剪应变率;差异应变率

1 引言

1995年天津建成 GPS局域网,并开始运行观测。之后,由于 GPS网点遭受破坏,2004年又建设了新的局域网。2004年建设的局域网站点全部为连续观测。1999年网络工程实施,在天津地区也建设了不少的区域网观测站。不同的 GPS网站都进行过多次复测,积累了较丰富的观测资料,为研究天津的地壳水平运动奠定了基础。已有专家根据早期的 GPS观测资料对天津地区的地壳垂直运动和水平运动做过研究[1,2],而对天津地区的现今应变场分析并不多见。也有一些专家对包括天津地区在内的大区域运动进行研究[3-6],对于处在北西西向张家口-渤海隐伏活动构造带和北北东向华北平原隐伏活动构造带交汇区的天津地壳的应变变化未有明晰的结论。本文主要利用 1995年以来的天津局域网观测资料和网络工程的区域网在天津地区的站点观测资料,分不同时段对天津地区的现今地壳应变应力动态进行研究。

2 构造概况

天津地区位于华北亚板块的北边界带中部,北接燕山隆起,南跨冀中凹陷、沧东隆起和黄骅凹陷,是华北平原地震构造带和张家口-渤海地震构造带交汇的地区,在 1966—1976年华北平原地震带先后发生了邢台 7.2级、唐山 7.8级大震。该活跃期内还发生了宁河Ms6.9地震、两次汉沽Ms6.2地震。本区构造复杂,地壳活动显著。

北北东向沧东断裂通过本区东部,北西西向海河断裂自塘沽东部海域向西穿过市区,北北东向天津断裂经过市区和市郊,天津中北部地区发育有近东西向宝坻断裂和北西向蓟运河断裂,北部发育北东东向蓟县山前断裂[7]。在它们的切割下,天津地壳成为不同地块组合体(图 1)。这些地块和断裂控制了本区的地壳运动和地震的孕育发生。

图1 天津地区构造略图Fig.1 Sketch of the tectonics of Tianjin area

3 主应变率

在应变应力椭球体分析中,最小主应变轴与主应力σ1、最大主应变和主应力σ3分别对应一致[8]。在均质椭球体中,应变大小与应力成正比。利用GPS站点变化分析地壳的水平应变时,忽略垂直变化,简化为平面二维模型,最小主应变与最大主应力对应一致,多数情况下显示为压性,最大主应变与最小主应力分别对应一致,多数情况下为张性。根据1995—1999年的天津局域网站速度[1]、1999—2004年网络工程在天津地区的站点速度和 2004—2009年天津局域网站速度,分别做适当内插,求解天津地区的整体应变率,并且按照构造单元分块计算应变率。不同时间段的整体应变率见表 1,不同块体的应变率结果示于图 2～4。

由表 1可见,天津地区 1995—2009年的长趋势主压应变应力方向为北东东-南西西向,与华北亚板块的应力轴方向基本一致[9,10],而短时期的应变应力轴方向则有较大的变化,与长趋势有明显的差别。不同时期的最小主应变率绝对值都大于最大主应变率,并且最小主应变率均为负值,说明该区挤压作用相对显著,尤其 1999—2004年更为明显,两个水平向主应变轴都为压性。

表 1 天津地区应变率Tab.1 Various stra in rates i n Ti anjin area

天津地区次级块体的主应变率大小差别较大,最小主应变轴代表的主压应力作用方向亦有较大变化。北部的蓟县块体 1995—1999年、1999—2004年和 2004—2009年 3个时间段的最小主应变率绝对值都小于最大主应变率,以张性活动为主。1995—1999年和 2004—2009年的主压应力方向为NW-NNW,主张应力方向为NE-NEE,1999—2004年的主压应力方向为NNE,2004—2009年的主应变率量值有所增大(表 2)。

宝坻块体各时间段的最小主应变率绝对值明显小于最大主应变率,1995—1999年的最大主应变率值相对较大,其他时间段较小。主张应力方向1995—1999年为NW,1999—2004年和 2004—2009年为NEE向。

岳龙庄块体的主应变率 1999—2004年相对较大,而且两个水平向主应变都为压性,说明该时段压应力作用相对显著,1995—1999年和 2004—2009年主应变率较小。该块体的主压应力方向 1995—1999年为 NWW,1999—2004年为 NNW,2004—2009年为NEE。

武清块体 3个时间段的最小主应变率绝对值都大于最大主应变率 (表 2),1995—1999年的最小主应变率绝对值最大,2004—2009年最小。主压应力方向由1995—1999年的NWW,经过NNW向,到至2004—2009年转到NEE,主压应力方向变化显著。

潘庄块体在 3个时间段中 1999—2004年的最小主应变率绝对值最大,其他时段相对较小。潘庄块体的主压应力方向 1995—1999年为 NEE向,其他两个时间段为NWW向。北塘块体 3个时间段的最小主应变率较小,绝对值均在 18.55×10-9/a以下,最大主应变率 1999—2004年相对较大。北塘块体的主压应力方向前两个时间段为NWW向,后一时间段为NEE向。

表 2 块体的主应变率Tab.2 Principal stra in rates of several blocks

胜芳块体 1995—1999年和 1999—2004年最小主应变率绝对值较大,量值超过 100×10-9/a, 2004—2009年量值较小。最大剪应变率在 3个时段中均超过 100×10-9/a。该块体的主压应力方向前两个时间段为NNW向,后一时间段为NNE向。双窑块体的最小主应变率绝对值在 1995—1999年和 2004—2009年较大,1999—2004年较小。3个时段的最大剪应变率也都超过 100×10-9/a。主压应力方向3个时间段有所不同,经过了NNE→NWW→NS向的变化。板桥块体 3个时段的主应变率和最大剪应变率都较小,主压应力方向都为 NNE向,变化不大。

上述表明,武清块体、胜芳块体和双窑块体的最大剪应变率较大,活动性较强,天津地区中北部的块体主压应力向变化相对较大,南部的块体变化较小,南部主要为NNE向。各个块体的主应变率变化也相对较大。不同时间段的主应变率图上表明, 1995—1999年最小主应变率在武清、胜芳和双窑块体上较显著,1999—2004年在潘庄、武清和胜芳块体上较显著、2004—2009年在武清和双窑块体上较显著,表现出天津地区的中部和西南部压应变比较突出。

4 面应变率

面应变的正负值反映了局部地区的挤压-拉张作用的相对大小,若为负值则说明以压性活动为主,若为正值则以张性活动为主。天津地区 1995—1999年的面应变率显示,西部和南部的武清块体、胜芳块体、双窑块体和板桥块体为负值,其中胜芳块体南段的数量最大,达到 -500×10-9/a以下;东北部的北塘块体、潘庄块体、岳龙庄块体、宝坻块体和蓟县块体的为正值,其中潘庄块体的北段数量最大,为 300×10-9/a左右。反映出天津西南部地区压性活动为主导,东北部地区张性活动为主导。不同块体上的面应变率等值线密疏差别明显,宝坻块体、武清块体、北塘块体和双窑块体的面应变率等值线相对稀疏,胜芳块体、板桥块体和潘庄块体的等值线较密集。宝坻断裂、薊运河断裂、海河断裂中段、天津北断裂和天津南断裂等都为面应变率高梯度带 (图2)。

1999—2004年,天津地区的面应变率显示,岳龙庄块体、潘庄块体、武清块体和胜芳块体为负值分布区,依次相连接呈北东向贯穿本区中部地区,在其西北和东南侧的块体为正值分布区,说明天津地区中间地带为北东向以压性为主的活动区,两侧为(宝坻块体、北塘块体、双窑块体和板桥块体)张性活动为主的地区。在该时间段,宝坻块体、潘庄块体、双窑块体和板桥块体上的面应变率等值线较为稀疏,岳龙庄块体、北塘块体、武清块体、胜芳块体上等值线分布相对密集。该时期沧东断裂北段、薊运河断裂、天津北断裂和天津南断裂展布区为面应变率高梯度带(图3)。

2004—2009年宝坻块体和双窑块体的面应变率主要为负值,其他块体的面应变率以正值为主导。胜芳块体和双窑块体上的面应变率等值线相对较密集,潘庄块体、宝坻块体和双桥块体的等值线较稀疏。天津南断裂、沧东断裂南段和海河断裂的延伸与面应变率高梯度带一致(图 4)。

面应变率等直线和同时间段的中小地震分布显示,多数地震发生在应变高梯度带上,或者其转折部位。

5 最大剪应变率

图 2 1995—1999年面应变率等值线和地震分布(单位：10-9/a)Fig.2 Isolines of plane strain rate and the distribution of earthquakes during 1995-1999(unit：10-9/a)

图 5～7是天津地区的最大剪应变率等值线图。1995—1999年最大剪应变率等值线以北西向延伸为主,高应变率中心地带在天津-武清-三河一带,应变率在 300×10-9/a以上,长轴呈现北北西向展布,高应变率值主要受海河断裂中段和西北段控制 (图5)。1999—2004年最大剪应变率等值线以北东向延伸为主导,高应变率中心地带有两处,一条为大城-天津-宁河地带,另一条分布在武清、香河之间,长轴为北东向,高应变率值主要受天津南断裂、河西务断裂和宝坻断裂控制,最大值大于 300×10-9/a (图 6)。沧东断裂分别在与蓟运河断裂、海河断裂的交汇处应变率值相对较大。2004—2009年最大剪应变率等直线呈北北东向延伸,但是高应变率仅出现于局部地带(天津市北部),长轴优势方向不如前两个时间段突出(图 7)。

最大剪应变率等值线的延伸与区域主应力作用有关,受应力场控制。应变率高值带分布受断裂带和断裂交汇地段控制,反映了应力集中和释放的特征。最大剪应变率的大小反映了构造活动的强烈程度。

6 断层差异应变率

图 3 1999—2004年面应变率等值线和地震分布(单位：10-9/a)Fig.3 Isolines of plane strain rate and the distribution of earthquakes during 1999-2004(unit：10-9/a)

断裂带的差异应变率是由邻近断裂的两侧块体对应的应变率相减得到的。断裂带差异应变率的大小反映了断裂带上应变能积累或释放的情况,反映了断裂带的活动状态。若面应变率在断裂带的差异应变率大,则表明断裂带的应变积累相对较大。若最大剪应变率在断裂带的差异应变率大,则表明断裂带的活动相对较强。表 3是不同时间段的断裂带两侧附近对应的应变率值相减得到的差异应变率。由表 3可见,1995—1999年除了蓟县山前断裂面应变差异应变率较小外,其他断裂的差异应变率较大。最大剪应变的差异应变率在只有天津南断裂相对较大,其他断裂较小。1999—2004年蓟运河断裂、天津北断裂、天津南断裂和沧东断裂的面应变的差异应变率较大,而最大剪应变的差异应变率除了蓟县山前断裂和沧东断裂的相对较小外,其他断裂相对较大。2004—2009年宝坻断裂、海河断裂和沧东断裂的面应变的差异应变率较大,其他断裂的较小。最大剪应变的差异应变率在宝坻断裂、天津北断裂和沧东断裂上较大。

图 4 2004—2009年面应变率等值线和地震分布(单位：10-9/a)Fig.4 Isolines of plane strain rate and the distribution of earthquakes during 2004-2009(unit：10-9/a)

图 5 1995—1999年最大剪应变率等值线 (单位：10-9/ a)Fig.5 Isolines ofmaximum shear strain rate during 1995-1999(unit：10-9/a)

图 6 1999—2004年最大剪应变率等值线 (单位：10-9/ a)Fig.6 Isolines ofmaximum shear strain rate during 1999-2004(unit：10-9/a)

图 7 2004—2009年最大剪应变率等值线 (单位：10-9/ a)Fig.7 Isolines ofmaximum shear strain rate during 2004-2009(unit：10-9/a)

从总体上看,1995—1999年天津地区断裂带的面应变的差异应变率较大,而该时间段的最大剪应变的差异应变率不突出,说明有应变积累。1999—2004年的最大剪应变的差异应变率相对较大,而面应变的差异应变率相对较弱,说明断裂的活动相对较强,应变易于释放。2004—2009年的差异应变率相对前两期变弱,既无明显的应变积累特征,也无明显的断裂活动使应变强烈释放的特征。

表 3 断裂带的应变率变化(单位:10-9/a)Tab.3 Change of stra in rates of some fault zones(un it:10-9/a)

7 认识

天津位于北北东向平原地震构造带和北西向张家口-渤海地震构造带的交汇地区,构造复杂,活动性较强。天津地区的应变场表明,本区的长趋势主压应力方向为 NEE向,与华北区域应力场基本一致。随着华北地区构造活动的强弱起伏和强震孕育发生,天津地区应变应力场变化明显,主压应变轴方向反映出,1995—1999年和 1999—2004年地壳主压应力方向为北西向,构造活动主要受北西向挤压作用力控制,2004—2009年地壳主压应力方向为北东东向,构造活动主要受北东东向挤压作用力控制。1995—1999年是华北地区地震相对活跃的阶段,在张家口-渤海地震构造带的西北段发生了张北 6.2级地震 (1998-01-10),在阴山-燕山南缘活动带 (通过本区北部)上还发生了包头 6.4级地震 (1996-05-04),该时间段的主压应力作用方向与区域应力不一致,可能与地震能量积累和张家口-渤海构造带的活动性增强,使局部应力场变化有关。1999—2004年和 2004—2009年,华北地震相对平静,无 6级及以上地震发生,应力场逐渐恢复,主压应力方向与区域应力场相吻合。

各次级块体应变率和主应变轴方向,反映了地壳浅部地块的应力状态。其变化受北西西向张家口-渤海构造带和北北东向华北平原构造带活动的制约,所以随时间变化显著。不同时段,次级块体的主应变率大小也在变化,有的增大,有的减小。不同的断裂带上在不同时段形成应变高梯度带。断裂带上的差异应变率也存在较大差别,有的高,有的低,显示出断裂带上的应变积累和释放不同,断裂带上的受力作用强弱变化。应变高梯度带与本区的中小地震活动有一定的关系。本区的微小地震多数发生在应变梯度带上,或者差异应变率较大的断裂带上,或者它们的交汇地带(图 2～4),在时间上中小地震多数发生在出现应变高梯度带的同期或者紧随其后的一定时期里,这些说明应变高梯度带是地壳的不稳定区。应变率大小和应变梯度的高低与地应力状态有关。

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10 国家地震局《一九七六年唐山地震》编辑组.一九七六年唐山地震 [M].北京：地震出版社,1982.(Editorial Group of“Tangshan Earthquake in 1976”of State SeismologicalBureau.Tangshan Earthquake in 1976[M].Beijing：Seismological Press,1982)

CHARACTERISTICS OF HORIZONTAL STRA IN FIELD IN TIANJIN

Guo Liangqian,BoWanju and Hu Xinkang
(First CrustM onitoring and Application Center,CEA,Tianjin 300180)

On the basis of the observations from Tianjin GPS site during 1995-1999,1999-2004 and 2004 -2009,the principal strain rate and the difference of strain rate of fault zone were calculated for different blocks. The results show that the principal compressive stress direction of the overall Tianjin was the NW direction in the first two periods,the NEE direction in the last period,which is revealed by the direction of principal strain.The principal compressive stress direction of secondary s mall block changes considerably. Some of faults in block boundaries have become strain gradient zone,while the others are not obvious.The differences bet ween the differential strain rate of fault zone are significant in different periods.Seis mic activity has a certain relationship with high strain zone,strain gradient zone,and the zone with higher differential strain rate of fault zone.

GPS;principal strain rate;plane strain rate;maximal shear strain rate;differential strain rate

1671-5942(2010)05-0008-07

2010-03-12

天津市应用基础研究课题(08JCZDJC18900)

郭良迁,男,1950年生,研究员,主要从事地形变、构造活动和地震预测研究.E-mail：guoliangqian@163.com

P315.72+5

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