天津地区地壳垂向形变(GPS)与文安地震＊

周海涛 郭良迁 薄万举 胡新康

1)中国科学技术大学地球与空间科学学院,合肥 230026 2)中国地震局第一监测中心,天津 300180

天津地区地壳垂向形变(GPS)与文安地震＊

周海涛1,2)郭良迁2)薄万举2)胡新康2)

1)中国科学技术大学地球与空间科学学院,合肥 230026 2)中国地震局第一监测中心,天津 300180

利用天津地区 GPS局域网的观测资料,研究了天津地区地壳垂向形变及其与文安Ms5.1地震的关系。结果表明,在文安地震前,天津地区地壳上升从N向 S扩展,到地震期间,全区以上升变化占主导,震后地壳下降由S向N发展。站点的时序变化曲线表明,天津南部的站点在文安地震前后出现了明显的异常,一般出现于震前数月至 1年,震后恢复。

GPS;地壳垂向形变;文安地震;地震形变;天津地区

1 引言

天津地区 GPS局域网由 12个连续观测站组成(图 1),2004年开始运行,至 2009年已积累了 5年的观测资料。在天津地区,以前多数是根据水准观测资料研究地壳的沉降变化[1-5],而利用 GPS资料对地壳垂直向活动研究仅见于大区域[6,7]。

天津地区位于NW向张家口-渤海地震构造带和NNE向华北平原地震构造带的交汇区。这两大地震构造带在 1966—1976年和 1989—1998年地震活跃幕中都发生过较强地震或者大地震,是现代构造活动性较强的地带。

图1 天津地区 GPS局域网站点分布Fig.1 Distribution of GPS sites of Tianjin area

天津地区北部为山区及山前地带,南部为海河冲积平原。由于工农业生产发展大量开采地下水,致使平原区地面沉降较快。地形变测量站点一般建在地表,其观测资料不同程度地受到地面沉降的影响。在研究中,我们对观测资料中的显著干扰成分进行了排除,而后对地壳的垂向活动特征进行分析。在天津周边邻近地区仅于 2006年 7月 4日在文安发生过 5级以上地震,本文主要研究该地震与天津地区地壳垂直形变的关系。

2 地壳垂向变化

图 2 天津地区垂向形变速度分布图(2004—2009)Fig.2 Vertical defor mation velocity of Tianjin area(2004 -2009)

天津地区地壳垂向形变速度是由 GPS站点在全球框架下计算得到。图 2显示出,东北部蓟县-宝坻一带呈现上升变化,速度为 1～3 mm/a,武清-宁河一带为下降,速度为 -(5～20)mm/a。

天津地区西南部的杨柳青-青县一带下降较显著,最大下降速度达 -35 mm/a。天津地区“北升南降”的态势在总体上与现代地形的“北高南低”基本一致,与新构造活动时期的变形趋势基本吻合。

3 信息分解

以 GPS站点 KC02的垂向变化为例,对观测曲线中不同的信息成分进行分解。图 3(a)是原始曲线,它包含有周期性年变化 ((图 3(b)),趋势性下降——即趋势性沉降部分 (图 3(c)))和去除年周期变化与沉降后的变化 (图 3(d))3部分。图 3(d)在去除年变化与沉降后又进行30天的滑动,去除了一些原因不明的突跳。图 3中年周期变化幅度约11 mm,沉降变化速度为 -24.91 mm/a,去除前两项后约有 ±8 mm的变化。图 3(d)的变化主要与构造活动的微动态有关,显现的是形变的异常变化。

图3 KC02站点的垂向时序变化曲线Fig.3 Vertical time sequence curves at KC02 site

4 地壳形变

图 4～8是去除趋势性变化和年变周期干扰后,不同时期的相对变化。图 4是文安Ms5.1地震前的垂向形变,在蓟县-武清-塘沽一带为上升区,上升量 1～4 mm,上升区北段蓟县-武清为NNE向展布,南段武清-塘沽为NW向展布。天津地区东北部的宁河地带和西南部的静海地带为下降区,下降量 3～5 mm。图 5为文安Ms5.1地震前后的垂向变化。总体上表现出以上升为主导,上升量 3～8 mm,宝坻和静海地带上升量相对较大,在 5 mm以上,和前一时间段形变相比,上升区范围扩大。宁河-汉沽一带为下降区,下降量 3～5 mm。形变等值线呈NNE向延伸。

图 4 天津地区 2005—2006年的垂向形变Fig.4 Vertical defor mation of Tianjin area during 2005-2006

图 5 天津地区 2006年的垂向形变Fig.5 Vertical defor mation of Tianjin area in 2006

图 6是文安Ms5.1地震后的垂向变化,沿蓟县-宝坻-静海一带为上升带,上升量 1～3 mm,和前一时段的垂直形变相比,上升区缩小,上升量也明显减小,下降地区扩展,由宁河-汉沽扩大到天津市区,宁河地区的下降量也有所增大,由 -5 mm增加到 -9 mm。

天津地区 2007—2008年的垂直向变化显示,北部上升,上升量 5～7 mm,南部下降,下降量 4～8 mm,下降中心在天津市北面(图 7)。和前一时间段的形变相比,上升区向北退缩,下降区继续西扩,天津地区西南部由上升变为下降。

2008—2009年,天津地区总体上为东部上升西部下降,上升量相对较大的地区在滨海地带,为 1～4 mm,西部武清-静海一带下降量为 2 mm左右 (图8)。

图 6 天津地区 2006—2007年的垂向形变Fig.6 Vertical deformation of Tianjin area during 2006-2007

图 7 天津地区 2007—2008年的垂向形变Fig.7 Vertical deformation of Tianjin area during 2007-2008

综上所述,天津地区不同时段的垂向地壳形变显示出：文安Ms5.1地震前,上升区由北向南扩展,几乎遍布全区。地震后,上升区由南向北退缩,下降区从南向北扩展;文安Ms5.1地震前,2005—2006年天津地壳垂向形变差异量为 9 mm,2006年差异量为 13 mm,具有增大趋势,震后 2006—2007年是11 mm,2007—2008年 13 mm,2008—2009年为 6 mm,形变差异量减小,垂直形变趋向均匀,恢复到与文安地震前较为相近的状态。

图 8 天津地区 2008—2009年的垂向形变Fig.8 Vertical defor mation of Tianjin area during 2008—2009

5 时序分析

图9 GPS站点垂向变化时序曲线Fig.9 Time sequence curves of vertical defor mation at GPS sites

KC02和 S W01站点位于天津地区的西南部,分别距文安地震震中 53.5 km和 56.0 km,是离文安Ms5.1地震震中最近的站点。KC02站的下降速度为 -24.91 mm/a,受地面沉降及趋势性变化的影响明显。去除沉降及趋势性变化后的时序变化曲线显示,2005—2006年变化幅度较大,2007—2009年幅度相对较小,变化相对稳定 (图 9)。2005年 11月至 2006年 1月快速下降 -9.97 mm,然后一直到 7月反向上升,变化量为 8.86 mm。这一快速升降变化主要发生在文安Ms5.1(2006-07-04)地震前,可能与地震孕育后期的加速变化有关。在这之前和以后的曲线变化相对平缓,变化幅度也减小。2007—2009年的变化速率为 -2.50 mm/a。S W01站点的下降速度为 -39.36 mm/a,沉降变化显著。2005—2006年 4月和 2007—2009年期间垂直变化曲线相对平缓,比较稳定。2006年 5月至 12月,曲线快速下降,变化量为 10.94 mm。2006年 5月至 12月正是文安Ms5.1地震前后,很可能意味着这一变化与地震有关。在地震前曲线已突破了原来的变化态势,震后该处的地形变继续快速下降。2005—2009年的其他时间段均无此显著的相对变化。

DZ01站点在天津地区的东南部,长趋势变化速度为 -5.52 mm/a,受地面沉降影响不显著。垂直形变曲线显示,2006年 9月以后,曲线平缓,波动幅度减小。2005—2006年 8月,曲线变化幅度相对较大,尤其是 2005年 7月至 9月,出现下降的大幅度突跳变化。该时间段的大幅度变化出现在文安Ms5.1地震前 1年的时间里,可能与地震发生前的地壳形变中短期加强变化有关。

CH01和 KC01站点位于海河断裂附近。CH01站点的长趋势下降速率为 -40.33 mm/a,受地面沉降干扰强烈。去除沉降和年变干扰后的时序曲线表明,2006年 4月下旬至 9月有一次相对较显著的突跳变化,变化幅度 5.1 mm,先上升后下降,文安Ms5.1地震发生在接近峰值附近的上升阶段。CH01站点的时序曲线在其他时间变化幅度相对较小,最大值 3.7 mm。KC01站点的长趋势下降速度为 -14.12 mm/a,比 CH01站点明显减小。去除干扰后的时序变化曲线显示,2005年 10月至 2006年2月出现一次相对明显的上升变化,变化量为 6.3 mm,在高值上一直延续到 2006年 7月,此后开始下降返回。这一突出变化发生在文安Ms5.1地震之前 9个月中,可能是该次地震前与孕震相关的快速形变。2009年 4—9月,又出现了相对幅度较大的快速升降变化。除此之外,其他时间段曲线相对平缓,站点垂直变化不显著。

位于天津地区中北部的 KC03站点和 YC01站点,2005—2007年呈缓慢上升变化,2008年变化趋势发生转折,呈现下降变化,后者速度比前一段时间稍微增加。KC03站点长趋势下降速率为 -20.36 mm/a,在 2008—2009年的下降趋势中,2008年 1—9月下降较快,2008年 10月—2009年年底,下降变慢,变化相对平缓。YC01站点的长趋势下降速率为-14.34 mm/a,在 2008年该点大幅度下降达12 mm之多。

TJA1站点的长趋势下降变化速率为 -4.74 mm/a,沉降干扰不十分突出。2004—2007年上半年,站点垂直形变呈下降趋势,变化量 12 mm,2008年转为上升,变化量约 14.6 mm。

CH02站点位于天津地区东北部,长趋势呈现微弱上升。根据时序曲线的变化特点可分为2006—2007年和 2008—2009年两个时间段。两个时间段的初始阶段,曲线变化幅度都相对较大,而后幅度变小或者转为平缓。

DZ02和 TJA2站点在宝坻断裂南北两侧附近。DZ02的长趋势下降速率为 -15.54 mm/a,时序曲线除 2008年 6—8月和 2009年变化幅度相对较大外,其他时间段比较平缓。TJA2站点长趋势变化呈现上升,速率为 4.87 mm/a,2006年 4—8月出现上台阶,量值达 9.5 mm,其他时段相对平缓。

J IXN站点位于天津地区北部山区,2004—2009年长趋势变化呈现上升,速率为 3.05 mm/a,该点的垂直形变基本上呈现均匀变化。

上述表明,位于海河断裂附近及其以南的 GPS站点 (KC02、S W01、DZ01、CH01和 KC01)在文安Ms5.1地震前后变化较显著,以快速上升或者下降为主。天津地区北部的 GPS站点在文安地震前后仅个别点有变化(CH02、TJA2),其他大部分点无明显变化。2008年天津地区北部的多数 GPS站点发生了较大幅度的变化 (KC03、YC01、TJA1、CH02、DZ02、TJA2),表现为有的上升,有的下降,在同一时间里,南部的站点没有出现明显变化。

6 结论

天津地区 GPS的垂向变化,显示出南部平原区下降显著,下降速度在 35 mm/a以上,地面沉降变化较显著。分析认为是开采地下水和趋势性构造活动共同作用的结果。而北部山区和山前地区的站点具有 1～3 mm/a的上升变化。在总体上,天津地区现今地壳形变态势与天津地区地形形态 (北高南低)基本一致,继承性构造运动起主要作用。

天津地区南部的形变既有沉降干扰,也有年变干扰,还存在趋势性的构造沉降。去除干扰和趋势性变化的时序曲线显示出,在 2006年 7月 4日文安Ms5.1地震前几个月至 1年,出现地壳垂向加速变化异常,震后则变缓或者反向。该变化说明,天津地区的 GPS站点对天津及周边地区发生的中强地震有一定的前兆异常显示,该资料经过及时处理可望在地震预测中发挥一定的作用。不同时期的平面等值线图反映出文安Ms5.1地震是在上升区向南发展的过程中发生的,震后上升区向北退缩恢复。

时序曲线图在 2008年天津北部的站点显著变化,在其西侧邻近的站点也同样发生了显著变化(图 10)。该时期正是汶川Ms8.0地震发生的时期。在这同一时期,昌黎台的水位和水温都发生了显著变化[8];易县台的数字化形变资料出现同震响应,其他一些测项在汶川地震前也出现异常[9];昌平台的沙层应变资料在震前亦出现了明显的异常变化[10];北京地区的其他台也记录到了同震形变[11]。因此天津北部的GPS站点的强烈变化与分布在北京、昌黎地区不同台不同观测项目观测资料的异常变化,共同反映了燕山南缘构造活动带受地震触动产生的远场响应。

图 10 XIJ I和 PI NG站点的时序曲线Fig.10 Time sequence curves at XI J I and PI NG sites

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W ENAN EARTHQUAKE AND VERTICAL CRUSTAL DEFORMATION (W ITH GPS)IN TIANJIN AREA

Zhou Haitao1,2),Guo Liangqian2),Buo Wanju2)and Hu Xinkang2)

(1)Departm ent of Earth and Space Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230026 2)First CrustM onitoring and Application Center,CEA,Tianjin 300180)

The vertical crustal defor mation in Tianjin and the relation bet ween which and the WenanMs5.1 earthquake are researched by using the data of the GPS network in Tianjin.The results show that the uplift region had extended from north to south Tianjin area before the WenanMs5.1 earthquake,the change was dominant by rise in the whole region as the closing to earthquake and then the subsidence region had extended from south to north after the earthquake.The variation of the ti me sequence curve of the GPS sites shows that there is a obviously anomaly happened in southern part of Tianjin before and after the earthquake,lasting a period of severalmonths or more than a year before the earthquake and resumed after the earthquake.

GPS;vertical crustal defor mation;Wenan earthquake;deformation of earthquake;Tianjin aera

1671-5942(2010)05-0032-06

2010-04-06

天津市应用基础研究(08JCZDJC18900)

周海涛,男,1978年生,工程师,主要从事地震监测和预报研究.E-mail：zh_haitao2@163.com

P315.72+5

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