利用水准数据分析晋冀蒙地区垂直形变演化特征

徐 凯，赵 鹏

(中国地震局第一监测中心，天津 300180)

0 引言

晋冀蒙地区整体位于鄂尔多斯块体及周缘地区，属于青藏高原东北部，欧亚板块和印度板块汇聚、消减、相互作用的边缘地带。该区域北起呼和浩特-张北-延庆一线，南至兴县-太原-石家庄一线，西自呼和浩特-清水河-兴县一带始，东至北京-石家庄一线，覆盖了内蒙古南部、山西北部、河北和北京的西部地区。区域内展布许多走向不同的断裂带。概括起来,大致有四组,即东西向断裂带、北东向断裂带、北北东向断裂带和北西向断裂带。其中，东西向断裂带形成于吕梁运动时期，分布于本区的北部；北东向断裂带主要形成于燕山运动时期，比较发育的北东向断裂带是控制本区新生代沉积盆地的边界断裂；北北东向断裂带形成于燕山运动时期；与上述三种断裂带相伴生的构造形迹，便是散布在全区的北西向断裂。近几十年来，该区域内发生过1976年4月6日和林格尔6.2级地震、1989年10月19日大同6.1级地震和1998年1月10日张北6.2级地震等多次中强地震。1970年以来的中等以上地震主要分布在内蒙古和林格尔-山西大同-河北张北形成的三角形区域内。据河北省数字遥测地震台网测定,仅2005年河北省及京津地区共发生地震926次，ML1.0以下136次；ML1.0～1.9有651次，ML2.0～2.9有127次，ML3.0～3.9有14次，无4级及以上地震[1-4]。

垂直形变场能够直观地反应研究区域内的垂直形变变化差异程度。崔笃信等[5]收集陕西中南部1970年以来的多期精密水准测量数据，用基于GPS 垂直运动速率约束的动态平构建垂直形变场对研究区域进行分析；宋尚武等[6]收集大别山及周边区域1980、2005、2015年三期水准复测数据，构建垂直运动速度场图像对援救区域垂直形变特征进行分析；刘立炜等[7]结合水准与GPS数据对南北主要地震带的垂直形变速率梯度进行求解，分析地震与形变速率梯度的空间位置对应关系。

该文在前人研究[8-12]的基础上，收集整理6期晋冀蒙北部地区精密水准监测数据，对该研究区域垂直形变的时空特征进行分析。

1 研究区数据

收集整理研究区域1984、1987、2002、2006、2015、2018年共6期的水准观测数据。其中，2018年监测任务包括化涞线、团化线、团张线等20条一等水准观测路线，总长约1 980.7 km。观测数据符合国家一等水准测量规范，每千米偶然中误差小于0.45 mm。2018年水准观测范围如第30页图1所示。

针对多期精密水准观测数据，由于复测周期间隔较长且同一期数据观测时间相对较短，在复测周期间各水准点的相对位移可以忽略不计。因此，以大同基岩点为起算参考点，对每期观测数据进行静态平差。以最新一期即2018年的水准观测数据范围确定研究区域，对1984年以来该研究区域的垂直形变特征进行分析。

图1 2018年晋冀蒙区域水准观测路线Fig.1 The leveling observation route for the Jin-Ji-Meng region in 2018

由于复测时间较长，部分水准点存在丢失情况。经过水准数据平差与比对，不同复测年份相同水准点统计个数如表1所示。

表1 不同复测年份相同水准点个数统计Table 1 Statistics of the same level points in different retaking years

2 垂直形变特征统计与分析

为能够更直观地反应垂直形变特征的变化情况，以5期不同复测年份的相同水准点构建垂直形变速率梯度场(见图2至第31页图6)，对其年垂直形变速率进行求解、内插，以1.6 m为垂直形变等高线间隔，绘制垂直形变速率梯度场。对研究区域的垂直形变特征进行分析，实现对参数异常区域进行划分、预警。

2.1 1984-1987年研究区垂直形变特征

通过空间统计结果图2看出，1984-1987时段显示研究区域内除东北区域即张北区域外，整体呈现下沉状态。其中呼和浩特盆地区域沉降差异明显，应是开采地下水而形成的漏斗干扰区[13]，除此以外的山阴-大同盆地、阳原盆地、蔚县盆地和阳原盆地受到北东东向恒山北断裂、桑干河断裂和北东向狼山等断裂的控制，分别显示不同程度的下沉状态。其中山阴-大同盆地垂直形变速率梯度变化加剧，可能显示了区域构造活动增强，其后的1989年10月19日大同-阳高6.1级地震，也证明了垂直形变速率梯度与地震的发生有一定的相关性。

图2 1984-1987年年垂直形变速率Fig.2 Annual vertical deformation rate 1984-1987

2.2 1987-2002年研究区垂直形变特征

由图3看出，垂直形变形成了以大同为中心的隆升、下沉区域。其中大同左侧为下沉区域，年垂直形变速率为-11.2 mm/a;大同右侧为上升区域，年垂直形变速率为6.4 mm/a。该区域的垂直形变异常可能是在1989年10月19日大同-阳高6.1 级地震的影响下形成，垂直形变速率梯度变化较好地显示出同震形变特征。研究区域内呼和浩特附近异常区仍是开采地下水而形成的漏斗干扰，其他区域无明显的沉降差异变化。

图3 1987-2002年年垂直形变速率Fig.3 Annual vertical deformation rate from 1987 to 2002

2.3 2002-2006年研究区垂直形变特征

通过空间统计结果图4看出，研究区域仍是以继承活动为主，呈现盆地下沉、山体隆升的情况，显示受构造影响不显著，说明地壳活动较弱。图中显示清水河县、凉城县为弱上升区，形变速率为4.8 mm/a，大同-怀仁-山阴地带为下降变化，形变速率变化为-8至-11.2 mm/a。研究区南部为局部强烈下沉，是过度开采地下水形成漏斗干扰[14]。

图4 2002-2006年年垂直形变速率Fig.4 Annual vertical deformation rate from 2002 to 2006

2.4 2006-2015年研究区垂直形变特征

图5显示 2006-2015时段中，研究区内整体呈现上升情况，其中吕梁地区上升速率比较明显，达到8 mm/a，显示吕梁山地块边缘与盆地交汇地带的活动性明显，应变较大。研究区域内，大同与呼和浩特区域垂直形变速率梯度变化剧烈，比对前人相关研究结果[15-16]，上述两地区漏斗沉降区域的生成是地下水的过度开采所致。

图5 2006-2015年年垂直形变速率Fig.5 Annual vertical deformation rate from 2006 to 2015

2.5 2015-2018年研究区垂直形变特征

图6显示2015-2018时段大同区域仍是漏斗式下沉，主要原因仍如上述的地下水开采。研究区东侧太行山及山阴区域呈现上升趋势；西北部呼和浩特区域附近、东南部蔚县盆地和五台山北麓断裂附近出现差异升降变化，表明该区域具有潜在的地震危险性，应注意潜在的与地震有关的拉张或者沉降区的出现。2020年3月30日，内蒙古呼和浩特市和林格尔县发生4.0级地震，可能与该区域垂直形变差异有关。怀仁-山阴县连线区域垂直形变速率梯度场存在较大差异，同样具有潜在的地震危险性。研究区域内其他区域仍是以山区隆盛、盆地下降的继承性活动为主。

图6 2015-2018年年垂直形变速率Fig.6 Annual vertical deformation rate from 2015 to 2018

3 结论

收集整理1984年以来历年晋冀蒙地区精密水准复测观测数据，比对相邻复测年份相同水准点的高差值，构建垂直形变速率梯度场进行分析。通过分析结果看出，1984-1987年垂直形变速率梯度变化图显示山阴-大同盆地变化加剧，其后发生1989年10月19日大同-阳高6.1级地震；2015-2018年分析结果显示呼和浩特区域附近变化大的区域与2020年3月30日和林格尔县4.0级地震的发生可能存在一定的关系。

根据最新复测数据分析，研究区域内以继承性活动为主，即山区隆升、盆地下降。呼和浩特区域附近垂直形变速率梯度场升降差异变化明显，蔚县盆地和五台山北麓断裂附近出现差异升降变化，怀仁县-山阴县的垂直形变速率梯度变化等，表明这些区域具有潜在的地震危险性。