日本3·11大震前后首都圈地区跨断层水准的变形特征及成因探讨

李玉江 陈连旺 刘少峰 焦 青 荆 燕

1 中国地震局地壳应力研究所（地壳动力学重点实验室），北京市安宁庄路1号，100085

2 中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京市学院路29号，100083

2011－03－11日本本州岛北部以东海域发生Mw9.0地震。地震发生在太平洋板块与北美板块交界的俯冲带上，在该区域太平洋板块以约80 mm／a的速度相对欧亚板块向西运动［1］。不同学者应用远场地震波、GPS等资料分析地震的破裂过程及同震变形特征［2－6］，认为此次地震为日本海沟地区典型逆冲型地震，且破裂长度和宽度分别约500km 和200km，最大同震位移量高达35m。

2004年印尼苏门答腊Mw9.3 地震曾造成2 000km 以外川滇地区的地震活动性增强，且水平位移量最大达20mm［7－8］。王敏等［9］通过分析中国大陆的GPS观测资料认为，此次日本地震造成我国东北和华北地区mm 至cm 量级的同震水平位移，最大位移量达35mm。殷海涛等［10］基于山东地壳运动GPS观测网分析认为，日本地震造成山东地区所处地块SEE 向同震位移变化。陈伟涛等［11］利用中国东北地区的GPS 观测资料，分析此次大地震对中国东北及东部地区4条重要活动断裂的影响。从GPS观测资料给出的同震水平向位移变化来看，日本地震导致我国东北、华北地区不同程度的张性应变。张晶等［12］对华北地区形变资料的分析表明，2009、2010年华北地区形变趋势异常的转折性变化可能与日本3·11地震相关，反映出远场的中短期异常特征。此次日本大地震对首都圈地区跨断层水准观测资料的影响以及产生这种变形的动力学机制，是一个值得关注的科学问题。

跨断层位移测量是反映地壳局部构造变形、应力状态改变的重要手段之一。目前，跨断层观测资料主要用于分析断层观测曲线所反映的断裂带运动学特征及其与地震活动的关系。薄万举等［13］应用八宝山断裂带上跨断层形变测点，分析断裂不同分段的活动性质及差异性。谢觉民等［14］利用华北地区跨断层形变资料，分析各分区垂直运动速率及其对块体划分的指示意义。焦青等［15］利用跨八宝山－黄庄－高丽营断裂的7 处测点，分析测点所反映的断层活动特征及其与地震活动的关系。李杰等［16］基于华北地区跨断层资料，分析中、强地震发生前形变异常特征。陆明勇等［17］分析首都圈地区跨断层资料对近年来发生的中强地震的映震能力。黄建华［18］分析唐山台1984年以来的形变序列所反映的断层活动状态。利用跨断层资料研究断层的运动学特征及其与地震活动的关系已经取得大量成果，但是对产生断层活动方式的动力学成因的研究较少。刘峡等［19］基于河西走廊水准观测资料，利用三维有限元方法研究北祁连－河西走廊地区垂直形变与构造应力场的关系，认为垂直形变特征与背景应力场的约束方式及变化特征密切相关。曹建玲等［20］利用首都圈地区近40a跨断层流动观测资料分析断层的运动学特征，并基于平面弹性有限元模型分析产生断层活动方式的动力学成因，认为张家口－渤海构造带控制着首都圈地区断层活动。

本文基于首都圈地区的跨断层水准实测资料，分析日本3·11地震前后跨断层水准变化特征及其所反映的断层运动性质。在此基础上，考虑首都圈地区4种类型活动断裂，建立首都圈地区的三维有限元模型。以日本地震引起的首都圈及邻区同震GPS位移场变化作为约束条件，分析跨不同类型断层测线的同震变化特征，探讨产生首都圈地区跨断层水准资料群体性变形特征的动力学成因。

1 首都圈地区跨断层水准特征分析

首都圈地处张家口－渤海地震带、华北平原地震带和汾渭地震带的交汇部位，地质构造复杂，区域内发育有NNE－NE 向和NW－NWW 向两组活动断裂。从断裂力学性质来看，该地区正断层占93.22%，控制着区域地壳变形特征和强震活动［21］。该区自20 世纪60年代末开始跨断层形变测量工作，获得大量观测资料。跨断层测量的测线长度通常在几十到百余m，基线测量精度在0.01～0.1 mm，水准测量精度为0.1 mm／km。由于观测资料精度高，跨断层测量成为监测断层近场活动的重要手段。

首都圈地区共有24处跨断层流动形变监测场地，其中10处为基线和水准同桩监测场地、13处水准监测场地、1处基线和水准不同桩监测场地。大多数场地位于NNE 和NE 向断层上，少数（施庄村、墙子路、张山营）位于NW 和NWW向断层上。在24 处观测场地中，基岩端点有19处。采用环境干扰小且观测稳定的11处基岩端点水准场地（图1），分析各场地水准观测资料在日本地震前后的变化，见表1。

图1 首都圈地区主要跨断层流动场地分布Fig.1 Cross－fault observation sites distribution in the Capital circle region

表1 首都圈跨断层水准监测场地属性Tab.1 Properties of the cross－fault leveling observation sites in the capital circle region

在11处基岩场地中，共布设有16条水准测线，本文选取其中的14 条。跨走向NE、倾向SE断层的有京西试验场、八宝山、南口、小水峪、燕家台、德胜口6处测点8条测线。地震前后各测线水准变化幅度为京西试验场直交水准－1.09mm，八宝山直交水准－0.41mm、斜交水准－0.07mm，南口直交水准－0.25mm，小水峪直交水准－0.22mm、斜交水准－0.18mm，燕家台直交水准－0.18mm，德胜口斜交水准－0.16 mm；跨走向NNE、倾向SE 断层的有北石城、上万、张山营3处测点4条测线，水准变化幅度分别为北石城斜交水准－0.11 mm，上万直交水准－0.07mm、斜交水准－0.08mm，张山营斜交水准－0.25mm；跨走向NNE、倾向NW 的张家台测点1条测线，直交水准变化幅度为－0.17mm；跨走向NW、倾向NE的施庄村测点1条测线，斜交水准变化幅度为－0.24mm。在所有的14条测线中，京西试验场直交水准变化量最大，达－1mm；八宝山斜交、上万直交水准场地变化最小，为－0.07mm，高于水准测量的精度。具体各测项变化量见表2。

表2 跨断层水准测点变化量Tab.2 Cross－fault leveling changes in each observation site

可以看出，跨断层水准资料表现出群体性的变化特征，即NNE－NE向断层的上盘相对下盘垂向下降，NW 向断层的上盘相对下盘同样垂向下降，表征着断层的正断运动性质。这种变形特征表明，首都圈地区NNE－NE 向和NW 向断层受到不同程度的张性应力作用。

2 首都圈地区三维有限元模型

首都圈地区分布有10余条不同尺度的活动断层，而测线所跨断层的几何展布特征主要包括4种类型：Ⅰ）走向NE，倾向SE；Ⅱ）走向NNE，倾向SE；Ⅲ）走向NNE，倾向NW；Ⅳ）走向NW，倾向NE。在模型构建过程中，主要考虑4 种类型的活动断层，最终确定三维地质模型的范围为115～118°E、39～41°N，纵向深度为60km，分别对应地壳厚度30km，上地幔厚度30km。通过对地质模型的网格化，最终获得首都圈地区的三维有限元模型，模型包含167 261个节点，116 291个单元（图2）。模型中断层处理为弱化带模式，宽度为200m。模型中Ⅰ～Ⅳ分别为首都圈地区4种主要类型断层，各断层几何产状参数见表3。模型为弹性、各向同性介质，物性参数（杨氏模型和泊松比等）依据该区波速结构的研究成果给定［22］，断层的杨氏模量取周围介质的1／10，泊松比取0.28［23］（表4）。

图2 首都圈地区三维离散化模型Fig.2 Three dimensional finite element model of the Capital circle and its adjacent region

表3 模型中断层的几何产状结构Tab.3 Fault geometry in the model

表4 模型介质的物性参数Tab.4 Material properties in the model

3 数值模拟给出的不同测线垂向变形特征

王敏等［9］基于“中国大陆构造环境监测网络”获得日本3·11地震同震GPS观测资料，分析此次地震对中国大陆构造形变场的同震影响。本文参考其结果，通过对该观测数据进行插值计算，获得模型的各边界约束条件。为了观察断层运动性质及垂向同震变化量，在模型表面设定跨越不同断层的7条不同方向测线（图3），分析模拟结果所给出的各测线垂向同震变化特征（图4）。

从图4可以看出，日本地震造成首都圈地区主要断层的垂向同震位移量达0.01～0.03mm。其中A－A′、B－B′、C－C′、D－D′、E－E′、F－F′、G－G′测线垂向变化量分别为0.024、0.028、0.022、0.024、0.026、0.015、0.027 mm。以A－A′为例，断层的上盘点A同震位移量为－0.106 8mm，下盘点A′同震位移量为－0.082 8mm，虽然两点均表现为相同的运动方向，但A点变化量较A′大，故上盘点A相对下盘点A′向下运动，即断层同震运动性质为正断性质，其他测线依此类推。

图3 模型各测线分布示意图Fig.3 Sketch map of the lines selected in the model

图4 模拟的各测线垂向位移同震变化Fig.4 Coseismic change of the vertical displacements derived from the model

虽然模拟给出的结果很难在量值上与实测结果较好吻合，但模拟结果仍表现出与实测结果较为一致的断层正断运动性质，即NNE－NE向断层的上盘相对下盘垂向下降，同样NW 向断层上盘相对下盘也表现为垂向下降。

从图5来看，首都圈地区同震最大主张应力总体呈现出东高西低的趋势，且方向从西部的NEE向逐渐变化为东部的近EW 向。在这种近EW 向区域优势方位应力场作用下，NEE－NE、NW 向断层表现出一定的同震正断运动性质。这也进一步说明，日本地震造成首都圈地区的拉张应力作用是引起断层测线群体性变化的主要原因。

图5 首都圈地区同震最大主张应力变化Fig.5 The coseismic maximum principal tensile stress change in the Capital circle region

4 讨 论

利用首都圈地区跨断层水准资料，分析水准资料在日本地震前后的变化特征。结果显示，小水峪、北石城、上万、八宝山、京西试验场、燕家台、张家台、张山营、德胜口、南口、施庄村等11处基岩端点的14条水准测线在日本地震前后表现出群体性的变化特征，反映出相同的断层正断活动性质，即NNE－NE向断层的上盘相对下盘垂向下降，NW 向断层上盘相对下盘也垂向下降。针对观测资料所表现出的群体性变化特征，利用有限元数值模拟技术，通过构建研究区三维有限元模型，从动力学角度客观分析产生这种变化的原因。结果表明，日本地震造成的首都圈及邻区近E－W向优势方位的张性应力作用是造成水准观测资料群体性变化的主要原因。

然而，首都圈地区跨断层观测的尺度小，且大部分断层存在一定的闭锁程度，所以地震的发生引起水准变化的结果较小，诸如八宝山斜交水准场地这种较小的变化量。至于这种变化量是受强震影响，还是测量误差，需要进一步深入分析。另外，虽然大多数水准测点表现出群体性变形特征，但仍有部分测点没有表现出类似的性质，甚至出现相反的变化特征，原因可能与局部地质构造有关。下一步将构建较为精细、更切近实际的三维有限元模型，研究本次地震对首都圈地区断层及地震活动性的影响。

致谢：感谢中国地震应急搜救中心陆明勇研究员提供首都圈地区跨断层形变观测数据，感谢中国地震局地壳应力研究所陆远忠研究员、刘冠中博士的有益交流。

［1］DeMets C，Gordon R G，Argus D F，et al.Effect of Recent Revisions to the Geomagnetic Reversal Time Scale on Estimates of Current Plate Motions［J］.Geophysical Research Letters，1994，21（20）：2 191－2 194

［2］Ammon C J，Lay T，Kanamori H，et al.A Rupture Model of the 2011off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake［J］.Earth Planets Space，2011，63：693－696

［3］Ozawa S，Nishimura T，Suito H，et al.Coseismic and Postseismic Slip of the 2011 Magnitude－9 Tohoku－Oki Earthquake［J］.Nature，2011，475：373－378

［4］Pollitz F F，Bürgmann R，Banerjee P.Geodetic Slip Model of the 2011M9.0Tohoku Earthquake［J］.Geophysical Research Letters，2011，38：L00G08

［5］Yokota Y，Koketsu K，Fujii Y，et al.Joint Inversion of Strong Motion，Teleseismic，Geodetic，and Tsunami Datasets for the Rupture Process of the 2011Tohoku Earthquake［J］.Geophysical Research Letters，2011，38：L00G21

［6］邵志刚，武艳强，江在森，等.基于GPS观测分析日本9.0级地震同震位错与近场形变特征［J］.地球物理学报，2011，54（9）：2 243－2 249（Shao Zhigang，Wu Yanqiang，Jiang Zaisen，et al.The Analysis of Coseismic Slip and Near－field Deformation about Japanese 9.0 Earthquake Based on the GPS Observation［J］.Chinese Journal of Geophysics，2011，54（9）：2 243－2 249）

［7］王敏，张培震，沈正康，等.全球定位系统（GPS）测定的印尼苏门达腊巨震的远场同震地表位移［J］.科学通报，2006，51（3）：365－368（Wang Min，Zhang Peizhen，Shen Zhengkang，et al.Far－field Coseismic Displacements Associated with the Sumatra Earthquake in Indonesia Observed by Global Positioning System［J］.Chinese Science Bulletin，51（3）：365－368）

［8］杨国华，江在森，龚平，等.印尼地震对我国川滇地区地壳水平活动的影响［J］.大地测量与地球动力学，2006，2（1）：9－14（Yang Guohua，Jiang Zaisen，Gong Ping，et al.Effect of Indonesia Earthquake on Horizontal Crustal Movement in Sichuan－Yunnan Region［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，2（1）：9－14）

［9］王敏，李强，王凡，等.全球定位系统（GPS）测定的2011年日本宫城Mw9.0 级地震远场同震位移［J］.科学通报，2011，56（20）：1 593－1 596（Wang Min，Li Qiang，Wang Fan，et al.Far－field Coseismic Displacements Associated with the 2011Tohoku－oki Earthquake in Japan Observed by Global Positioning System［J］.Chinese Science Bulletin，2011，56（20）：1 593－1 596）

［10］殷海涛，甘卫军，黄蓓，等.日本M9.0级巨震对山东地区地壳活动的影响研究［J］.地球物理学报，2013，56（5）：1 497－1 505（Yin Haitao，Gan Weijun，Huang Bei，et al.Study on the Effects of Japan M9.0 Huge Earthquake on the Crustal Movement of Shandong Area［J］.Chinese Journal of Geophysics，2013，56（5）：1 497－1 505）

［11］陈伟涛，甘卫军，肖根如，等.3·11日本大地震对中国东北部地区地壳形变态势的影响［J］.地震地质，2012，34（3）：425－439（Chen Weitao，Gan Weijun，Xiao Genru，et al.The Impact of 2011Tohoku－Oki Earthquake in Japan on Crustal Deformation of Northeastern Region in China［J］.Seismology and Geology，2012，34（3）：425－439）

［12］张晶，刘峡，方颖，等.日本9.0级地震前后华北形变场变化特征与地震趋势分析［J］.地震，2012，32（2）：64－72（Zhang Jing，Liu Xia，Fang Ying，et al.Changing Characteristics of the Deformation Field before and after the 2011 Japan 9.0 Earthquake and Earthquake Trend in Huabei，China［J］.Earthquake，2012，32（2）：64－72）

［13］薄万举，谢觉民，郭良迁.八宝山断裂带形变分析与探讨［J］.地震，1998，18（1）：63－68（Bo Wanju，Xie Juemin，Guo Liangqian.Analysis and Exploration of Deformation of Babaoshan Fault Belt［J］.Earthquake，1998，18（1）：63－68）

［14］谢觉民，杨国华，郭良迁.华北地区跨断层垂直形变分区特征及其对跨体划分的意义［J］.地震地质，2000，22（4）：387－394（Xie Juemin，Yang Guohua，Guo Liangqian.Regional Characters of Vertical Fault Deformation in North China and Its Implications for Block Division［J］.Seismology and Geology，2000，22（4）：387－394）

［15］焦青，邱泽华，范国胜.北京地区八宝山－黄庄－高丽营断裂的活动与地震［J］.大地测量与地球动力学，2005，25（4）：50－54（Jiao Qing，Qiu Zehua，Fan Guosheng.Analysis on Recent Tectonic Activity and Seismicity of Babaoshan－Huangzhuang－Gaoliying Fault in Beijing Region［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，25（4）：50－54）

［16］李杰，冯志军，马玉香.华北地区跨断层形变中短期异常特征研究［J］.地震学刊，2000，20（1）：10－18（Li Jie，Feng Zhijun，Ma Yuxiang.Study on Anomalous Characteristics of Short－medium Term of Cross Fault Deformation in North China［J］.Journal of Seismology，2000，20（1）：10－18）

［17］陆明勇，黄宝森，刘天海，等.首都圈跨断层流动形变观测资料映震能力及场地监测能力分析［J］.地震，2011，31（3）：121－134（Lu Mingyong，Huang Baosen，Liu Tianhai，et al.Analysis on Earthquake Reflecting Ability of Crossfault Observation Data and Monitoring Capability of Sites in the Capital Area of China［J］.Earthquake，2011，31（3）：121－134）

［18］黄建华，石耀霖，李文静.从跨断层短基线观测计算地应变的方法探讨——以唐山台地形变数据为例［J］.地球物理学报，2010，53（5）：1 118－1 126（Huang Jianhua，Shi Yaolin，Li Wenjing.Method of Strain Calculation Based on the Cross－fault Short－baseline Observation—Taking the Tangshan Deformation Data as an Example［J］.Chinese Journal of Geophysics，2010，53（5）：1 118－1 126）

［19］刘峡，黄立人，杨国华，等.北祁连－河西走廊地区垂直形变与构造应力场关系的初步研究—三维有限元拟合结果分析［J］.地震地质，2003，25（2）：307－316（Liu Xia，Huang Liren，Yang Guohua，et al.The Relationship Between Vertical Deformation and Tectonic Stress Field in North Qilian Mountain－Hexi Corridor Region—an Analysis Based on 3－D finite Element Method［J］.Seismology and Geology，2003，25（2）：307－316）

［20］曹建玲，张晶，王辉，等.首都圈跨断层形变反映的断层活动方式及其成因探讨［J］.地震，2011，31（4）：77－85（Cao Jianling，Zhang Jing，Wang Hui，et al.Fault Activities and Their Geodynamic Cause Derived from Cross－fault Observation in the Capital Region of China［J］.Earthquake，2011，31（4）：77－85）

［21］徐锡伟，吴卫民，张先康，等.首都圈地区地壳最新构造变动与地震［M］.北京：科学出版社，2002（Xu Xiwei，Wu Weimin，Zhang Xiankang，et al.New Changing of Crustal Tectonic and Earthquake in Capital Circle Region［M］.Beijing：Science Press，2002）

［22］Huang Z，Li H，Zheng Y，et al.The Lithosphere of North China Craton from Surface Wave Tomography［J］.Earth and Planetary Science Letters，2009，288：164－173

［23］陈连旺，陆远忠，张杰，等.华北地区三维构造应力场［J］.地震学报，1999，21（2）：140－149（Chen Lianwang，Lu Yuanzhong，Zhang Jie，et al.Three Dimensional Tectonic Stress Field in North China［J］.Acta Seismologica Sinica，1999，21（2）：140－149）

［24］丰成君，张鹏，孙炜锋，等.日本Mw9.0级地震对中国华北－东北大陆主要活动断裂带的影响及地震危险性初步探讨［J］.地学前缘，2013，20（6）：123－140（Feng Chengjun，Zhang Peng，Sun Weifeng，et al.A Discussion on the Impact of Japan Mw9.0Earthquake on the Main Active Fault Zone in North－and Northeast－China Continent and the Seismic Risk［J］.Earth Science Frontiers，2013，20（6）：123－140）

［25］Wessel P，Smith W.New Version of the Generic Mapping Tools（GMT）Version 3.0Released［J］.EOS Trans AGU，1995，76：329－329