华北地区构造应力场年动态变化特征的数值模拟*

陈连旺 詹自敏

(中国地震局地壳应力研究所数值模拟实验室，北京 100085)

华北地区构造应力场年动态变化特征的数值模拟*

陈连旺 詹自敏

(中国地震局地壳应力研究所数值模拟实验室，北京 100085)

利用华北地区岩石圈三维黏弹性有限元数值模型，模拟得出华北地区构造应力场现今年变化特征：1)构造应力年变化场的主张应力方向为NNW-SSE，平均量级为3～9 kPa a-1;构造应力年变化场的主压应力方向为NEE-SWW，平均量级为1～6 kPa a-1;华北地区现今主要处于张性构造应力场作用下;2)构造应力年变化场的最大主张应力(NNW向)总体呈现西高东低，且东北部地区较高的空间分布特征，构造应力年变化场的最大主压应力(NEE向)的高值区位于东北部和西南部，上述变化特征有利于山西地区和辽宁地区断裂活动的增强，进而有可能加速这些地区潜在地震的孕震过程;3)郯庐带断裂面库仑破裂应力年累积速率具有分段特征：嘉山-广济段的年累积速率最高，平均达6 kPa a-1;鞍山-辽东湾段的年累积速率次之，平均达5 kPa a-1;渤海段和莱州湾-嘉山段的年累积速率相对较低，平均为3～4 kPa a-1。

华北地区;构造应力场;数值模拟;年变化特征;活动断裂

1 引言

1986—1990年开展的“世界应力图”的合作研究，建立了世界性的地应力数据库，编制了世界应力图，对板内应力场研究成果进行了总结［1，2］，并分析了与板块运动密切相关的一级应力场的基本特征，指出一级应力场的基本动力源很可能主要是板块碰撞力和洋脊推力。新生代以来，特别是第四纪以来，构造应力场在某些地区发生了明显的变化。对于一个地区而言，区域背景应力场的绝对值是一个非常重要的因素，但是一个地区深部应力场的绝对值是很难准确得到的。因此，研究区域应力场的变化则可能成为许多研究课题取得进展的关键所在。例如，对于地震的孕育进程而言，未来潜在地震的孕育区，应力场的增强将加快地震孕育的进程;反之，应力值的减弱将延迟地震孕育的进程。张超和陈连旺曾经在对于应力场的演化机制做过理论研究①张超，陈连旺.我国大陆断层现代形变与地震活动关系的研究.1994，由于当时的条件所限，没有进行具体的模拟计算。

本文根据华北地区构造边界、全新世活动断裂、地壳上地幔三维波速结构以及地壳深部构造物理环境等资料，确定适当的华北地区几何边界条件，建立横向分区且有起伏、纵向分层的华北地区三维岩石圈黏弹性有限元模型，模拟华北地区构造应力场近年来发生的变化，研究华北地区现今构造应力场的年平均变化特征及其对主要活动断裂的影响。

2 华北地区的三维黏弹性有限元模型

综合考虑新构造活动性断裂、断陷盆地、地震活动性特征及其相关性，确定地质模型的边界如下∶北部边界基本上沿着大华北地区的北界，大约在43°附近;西部边界以鄂尔多斯隆起西缘为界;南部边界沿秦岭大别山一线;东部边界在郯庐断裂带以东的125°E;垂直方向从地表至上地幔。

选取的华北地区36条活断层的具体参数如表1所示。

本文使用PRONY模型来模拟岩石圈介质的流变特性，其中弹性参数主要依据黄忠贤提供的波速结构数据［3，4］导出，流变参数的确定参考了臧绍先等2002年建立的华北岩石圈流变结构初步模型［5-7］;对于断层，介质参数取为周边块体的十分之一。地形起伏数据来源于 http：//srtm.csi.cgiar.org/。有别于以往较粗糙的按照地质构造格局确定三维模型介质物性分区的方法，本文依据华北地区三维波速结构的反演数据，分别对模型中的每一个单元确定各自的物性参数，这种方法实现了物性参数较为连续的变化，相对而言，模型物性结构更为精细。因此，本文模型介质属性的组数等于单元个数，共有254 156组介质参数。

本文的华北地区三维有限元模型共有254 156个单元，234 056个节点，有限元模型简图见图1。

图1 华北模型网格划分及倾斜断层示意图Fig.1 Gridiron and sloping fault of the model of North China

3 华北地区现今构造应力场年变化图像

3.1 华北地区现今构造应力场年变化边界载荷的确定

华北地区的GPS网开展了多期高精度流动观测。符养等［8］利用IERS公布的ITRF97速度场建立全球板块运动模型，并利用基本网1998年和2000年的观测结果，给出了相对于ITRF97欧亚板块模型的速度数据。张静华［9］利用华北及邻区的GPS观测数据研究了区域现今构造形变场。本文利用文献［9］获得的GPS年平均位移数据插值出有限元模型四周边界节点上的位移数据，作为模拟计算的边界条件开展华北地区构造应力场现今年变化特征的数值模拟研究。

3.2 华北地区构造应力场近期年变化特征

华北地区近期年变化特征的数值模拟结果见图2、图3和表2。

剔除有限元模拟的边界效应以后，华北地区构造应力场现今变化主要特征为：

构造应力年变化场的主张应力为NNW-SSE方向，平均量级为3～9 kPa a-1;构造应力年变化场的主压应力为NEE-SWW方向，平均量级为1～6 kPa a-1。华北地区现今主要处于张性构造应力变化场的作用之下，相应的形变场年变化特征主要体现为NNW-SSE方向张性构造运动。对比华北地区大约为几十MPa量级的压性背景构造应力场，模拟结果表明，现今华北地区的压性构造应力场在NNW-SSE方向上正在减小，减小的平均量级约为6 kPa a-1;在NEE-SWW方向仍在增大，增大的平均量级约为3 kPa a-1。分析应力场与断裂活动之间的关系，上述现今构造应力场的年变化特征，既有利于华北地区NE向断裂的右旋走滑运动，又有利于华北地区NW向断裂的左旋走滑运动。

表1 华北模型所选断裂及断层参数*Tab.1 Selected faults and their parameters in North China

图2 华北地区构造应力场年变化图像Fig.2 Annual change patterns of tectonic stress field in North China

图3 华北地区构造应力场年变化矢量图Fig.3 Vector pattern of annual change of tectonic stress field in North China

表2 华北地区构造应力场年变化矢量分区数据Tab.2 Sub-region vector data of annual change of tectonic stress field

构造应力年变化场的最大主张应力(NNW向)呈现西高东低的空间分布特征，说明华北地区西部的构造应力场沿NNW-SSE方向上的减小幅度比较大。山西断陷带是华北地区一条重要地震带，它在华北地区构造运动中的作用引人关注。山西断陷带及其邻区出现较大的NNW-SSE向应力减小，有利于促进山西断陷带的右旋走滑断层活动。东北部地区的构造应力场沿NNW-SSE方向上的减小幅度也比较大，意味着较大的NNW-SSE向应力减小，有利于NE向断裂的右旋走滑运动以及NW向断裂的左旋走滑运动。华北地区构造应力年变化场的最大主压应力(NEE向)的高值区位于东北部和西南部，表明在NEE方向上，华北地区的东北部和西南部的应力增大的量值相对较大，有利于NE向断裂的右旋走滑运动以及NW向断裂的左旋走滑运动。

张静华等［9］研究了华北地区水平形变场，发现存在比较一致的SE向运动，且运动方向绕顺时针方向逐渐旋转，从西向东运动速率逐渐增大，华北EW向和NWW向断裂基本上为左旋走滑型，NNE向和NE向断裂基本上为右旋走滑型，华北地区应变场的基本格架是NEE-SWW方向压缩与NNWSSE方向扩张，主压应变率从西向东逐渐增大而主张应变率从西向东逐渐减小。上述华北地区水平形变场特征与本文利用边界位移载荷计算得到的构造应力场年变化特征基本一致。

3.3 郯庐断裂带库仑破裂应力累积速率分段特征

郯庐断裂带是中国东部一条岩石圈尺度的构造不连续带，南起湖北广济，经安徽庐江、山东郯城、渤海，过沈阳后分为西支的依兰-伊通断裂带和东支的密山-抚顺断裂带，为一NNE向延伸的巨型走滑断裂带。根据文献［10，11］的研究结果，并参考文献［12］的分段方法，将研究区范围内的郯庐带分为①鞍山-辽东湾段、②渤海段、③莱州湾-嘉山北段、④莱州湾-嘉山中段、⑤莱州湾-嘉山南段、⑥嘉山-广济段等6段(图4)，分别计算各段断裂面上库仑破裂应力年累积速率，考虑到华北地区地震震中优势分布特征，仅给出深度为5～20 km断裂面上的结果。

关于库仑破裂应力理论与计算方法的文献很多［13］，本文计算时摩擦系数取为0.4。具体计算结果见图5。

图4 郯庐带分段图Fig.4 Segmentation of Tanlu fault belt

在板块运动的动力边界作用下，对应于构造特征及地震活动的分段差异性，郯庐带不同断裂面上的库仑破裂应力年累积速率也不同：1)郯庐带南段(嘉山-广济段)的年累积速率最高，平均达6 kPa，最高值出现在南部。该区域近百年以来曾经发生了1917年霍山6.3级地震。2000年以来，在研究区的南侧发生了2005年九江5.7级地震以及2011年九江4.6级地震，可能与现今库仑破裂应力累积速率较大相关。2)郯庐带北段(鞍山-辽东湾段)的年累积速率次高，平均达5 kPa;该区域近百年以来曾经发生过1940年辽东湾5.8级地震和1975年海城7.3级地震。M-T图显示海城7.3级地震之后的震级下降趋势不明朗［12］，较高的库仑破裂应力累积速率也可能预示着该区域地震形势不容忽视。3)郯庐带渤海段和中段(莱州湾-嘉山段)的年累积速率相对较低，平均为3～4 kPa;渤海段一百多年以来发生了1888年7.5地震和1969年7.4级地震;莱州湾-嘉山段虽然发生了1668年郯城8.5级地震(郯庐带最大地震)和1829年青州6.3级地震，但震级总体呈下降趋势［12］，与相对较低的库仑破裂应力累积速率相符。

图5 郯庐带断裂面库仑破裂应力累积速率Fig.5 Annual cumulative rate of coulomb fracture stress of Tanlu fault belt

4 结论与讨论

模拟结果表明，现今华北地区的压性构造应力场在NNW-SSE方向上正在减小，在NEE-SWW方向仍在增大。NNW-SSE向张应力平均值大约是NEESWW向压应力平均值的2倍，华北地区现今主要处于NNW-SSE方向张性构造应力变化场的作用之下，相应的形变场年变化特征主要体现为NNW-SSE方向张性构造运动，与张静华等［9］给出的华北地区水平形变场特征基本一致。

构造应力年变化场的最大主张应力(NNW向)总体呈现西高东低且东北部地区较高的空间分布特征，华北地区构造应力年变化场的最大主压应力(NEE向)的高值区位于东北部和西南部。综合考虑NNW向和NEE向构造应力场的年变化特征及其对于不同走向活动断裂运动状态的影响，可以发现，华北地区现今构造应力场的变化特征，对于山西断陷带NE向右旋走滑断裂和辽宁地区NE向右旋走滑断裂、NW向左旋走滑断裂的影响应该引起注意。此变化特征，有利于这些地区断裂活动性的增强，进而有可能加速这些地区潜在地震的孕震过程。

郯庐带断裂面库仑破裂应力年累积速率具有明显的分段特征：1)郯庐带南段(嘉山-广济段)的年累积速率最高，平均达6 kPa;2)郯庐带北段(鞍山-辽东湾段)的年累积速率次高，平均达5 kPa;3)郯庐带渤海段和中段(莱州湾-嘉山段)的年累积速率相对较低，平均为3～4 kPa。对于郯庐带而言，其南段和北段的潜在孕震进程值得关注。

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8 符养，等.利用中国地壳运动观测网络研究中国大陆对于ITRF97板块模型形变［J］.地球物理学报，2001，45(3)：330-337.(Fu Yang，et al.The investigations on crustal deformation in China under ITRF97 plate model using data of crustal movement observation network in China［J］.Chinese Journal of Geophysics，45(3)：330-337)

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10 万天丰.郯庐断裂带的演化与古应力场［J］.地球科学-中国地质大学学报，1995，20(5)：526-534.(Wan Tianfeng.Evolution of Tanchen-Lujiang fault zone and paleostress fields［J］.Earth Science-Journal of China University of Geosciences，1995，20(5)：526-534)

11 张鹏，等.郯庐断裂带的分段性研究［J］.地质论评，2007，53(5)：586-591.(Zhang Peng，et al.Research on the segmentation of Tancheng-Lujiang fault zone［J］.Geological Review，2007，53(5)：586-591)

12 朱红彬，等.华北构造区主要地震带分段与强震活动［J］.地震学报，2010，32(6)：705-717.(Zhu Hongbin，et al.Segmentation of main seismic belts and strong earthquakes in North China tectonic region［J］.Acta Seismologica Sinica，2010，32(6)：705-717)

13 陈连旺，等.川滇地区强震序列库仑破裂应力加卸载效应的数值模拟［J］.地球物理学报，2008，51(5)：1 411 -1 421.(Chen Lianwang，et al.Numerical simulation of loading/unloading effect on Coulomb failure stress among strong earthquakes in Sichuan-Yunnan area［J］.Chinese J Geophys.，2008，51(5)：1 411-1 421)

NUMERICALLY MODELING OF ANNUAL CHANGE OF TECTONIC STRESS FILED IN NORTH CHINA

Chen Lianwang and Zhan Zimin
(Laboratory of Numerical Modeling，Institute of Crustal Dynamics，CEA，Beijing 100085)

On the basis of a 3-D visco-elastic finite element model of lithosphere in North China，we simulated numerically the recent annual changing characteristics of tectonic stress field in the region as follows.1)The maximum principal extensional stress is 3-9 kPa a-1and its azimuth lie in NNW-SSE，the maximum principal compressive stress is about 1-6 kPa a-1and its azimuth lie in NEE-SWW.The whole North China is under the extensional stress field.2)The maximum principal extensional stress presents high in the west and low in the east，in general，and the stress of whole NE area is high，and the maximum compressive is high in the NE and SN area.This kind of change is benefical for the enhancement of the fault action in Shanxi and Liaoning areas and many speed up the potencial seismogenic process.3)Annual cumulative rates of coulomb fracture stress in Tanlu fault belt is of a segmentation pattern that the rate of Jiashan-Guangji segment is highest(6 kPa a-1)，in Anshan-Liaodong Bay segment it is higher(5 kPa a-1)and others are lower(3-4 kPa a-1).

North China;tectonic stress field;numerical simulation;annual change characteristics;active fault

1671-5942(2011)06-0001-06

2011-06-15

中央级公益性科研院所基本科研业务专项重点项目(ZDJ2009-06);中央级公益性科研院所基本科研业务专项重大项目(ZDJ2007-01)

陈连旺，男，1960年生，博士，研究员，主要研究方向为地球动力学.E-mail：chenlianwang@yahoo.com.cn

P315.72+5

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