北京及邻区断层相互作用及强震活动的数值分析

李 红陈连旺詹自敏邢成起朱红彬武安绪武敏捷岳晓媛北京市地震局，北京 1000802）中国地震局地质研究所，北京 100029中国地震局地壳应力研究所，北京 100085中国核电工程有限公司，北京 100840

北京及邻区断层相互作用及强震活动的数值分析

李 红1,2）陈连旺3）詹自敏4）邢成起1）朱红彬1）武安绪1）武敏捷1）岳晓媛1）
1）北京市地震局，北京 100080
2）中国地震局地质研究所，北京 100029
3）中国地震局地壳应力研究所，北京 100085
4）中国核电工程有限公司，北京 100840

北京及邻区处于华北地区张渤带与华北平原带、汾渭带相汇区域，历史上曾发生过多次强震。为探索该区在构造应力作用下，断层相互作用及强震活动的影响，在多学科研究成果的基础上，建立了北京及邻区（38. 5°～41.7°N，114.0°～119.0°E）三维黏弹性有限元模型，模型深60 km，分为上（分上下两层）、中下地壳及地幔层，涉及了NE、NW、近EW向等不同切割深度的断裂近30条（其中7 km 2条，15 km 21条，22 km 4条，39 km 3条），断层处理为遵从库仑摩擦的间断面。有限元模型节点数为98 316，单元数为133 406。

华北地区晚第三纪以来主要处于NNE—SWW向、近水平的统一构造应力场作用下。依据GPS观测，华北地区平原以北的区域内地壳运动速率总体较小（小于2.5mm/a），中部平原以及南部地区，速度由北向南逐渐增大，大约在2～7 mm/a，运动方向总体为南东向。将GPS观测数据经插值处理作为模型的边界位移约束（假定其随深度不变），考虑重力，经过千年构造应力作用得到区域背景应力场，在此基础上考虑研究区内3组7级以上历史强震，以断层同震错动模拟强震发生，得到综合应力应变场，结果如下：

（1）背景应力场。①模拟显示，区域内复杂活动断裂对应力应变场分布有较强的控制作用，切割越深，控制作用越强，断裂端点与断裂交汇区域为应力易集中区。②地表与15 km深度的应力场分布特征不同。地表，在NNE向的黄庄-高丽营与顺义-良乡断裂之间以及夏垫断裂北段的邻近区域最大主压应力值明显高于其他区域，此外，唐山断裂及其以东区域最大主压应力值较高，这两个高值区域正是1679年三河-平谷8.0级地震和1976年唐山7.8级地震所在范围。15 km深度的最大主压应力高值则与断层展布具有较好的一致性。

（2）综合应力应变场。①有效应力反映应力效应，不同深度的等效应力显示， 强震活动明显改变了区域应力、应变分布，地表，除强震发生区域外，NNW向的昌平-丰南、南口-孙河断裂与NNE向的黄庄-高丽营、顺义-良乡断裂交汇区域以及NNE向的顺-良乡、南苑-通县断裂南端以南为等效应力高值区。15 km深度，强震影响范围较地表更局限于断层周围，除与地表的高值区域类似外，沿沧东断裂附近及黄庄—高丽营断裂南、北端处也为高值区。②应变能密度反映单元应变能积累程度，不同深度的应变能密度分布总体特征类似于等效应力，但仍存在如高值区范围大小、应变能密度变化梯度等的细节差别。

（3）断层面的库仑应力分布。①黄庄-高丽营断裂： 7 km与22 km深度，该断裂与南口-孙河断裂交汇处、南北端点均为高值区，交汇处最高；7 km深度总体为库仑应力增加，22 km深度以断裂交叉处为界，南段除中点小范围减小外，多为增加，北段总体应力减小。②夏垫断裂：7 km深度，与南口-孙河断裂交汇处库仑应力减小，其余为增加，与昌平-丰南断裂交汇处为应力最大；22 km深度，与南口-孙河、昌平—丰南断裂交汇处之间的断层段应力增加，该段以南、以北分别存在较长、较短的应力减小段。③唐山断裂：地表除南端点应力减小外，其余为应力增加；与昌平-丰南断裂交汇处最高；15 km深度断裂北段应力减小，南段应力增加；与昌平-丰南断裂交汇处在地表与15 km深度均为高值区。

·强震与深浅构造的关系·