周海濤 郭良遷 薄萬舉 胡新康

1)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院,合肥 230026 2)中國地震局第一監(jiān)測中心,天津 300180

天津地區(qū)地殼垂向形變(GPS)與文安地震＊

周海濤1,2)郭良遷2)薄萬舉2)胡新康2)

1)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院,合肥 230026 2)中國地震局第一監(jiān)測中心,天津 300180

利用天津地區(qū) GPS局域網(wǎng)的觀測資料,研究了天津地區(qū)地殼垂向形變及其與文安Ms5.1地震的關(guān)系。結(jié)果表明,在文安地震前,天津地區(qū)地殼上升從N向 S擴(kuò)展,到地震期間,全區(qū)以上升變化占主導(dǎo),震后地殼下降由S向N發(fā)展。站點的時序變化曲線表明,天津南部的站點在文安地震前后出現(xiàn)了明顯的異常,一般出現(xiàn)于震前數(shù)月至 1年,震后恢復(fù)。

GPS;地殼垂向形變;文安地震;地震形變;天津地區(qū)

1 引言

天津地區(qū) GPS局域網(wǎng)由 12個連續(xù)觀測站組成(圖 1),2004年開始運行,至 2009年已積累了 5年的觀測資料。在天津地區(qū),以前多數(shù)是根據(jù)水準(zhǔn)觀測資料研究地殼的沉降變化[1-5],而利用 GPS資料對地殼垂直向活動研究僅見于大區(qū)域[6,7]。

天津地區(qū)位于NW向張家口-渤海地震構(gòu)造帶和NNE向華北平原地震構(gòu)造帶的交匯區(qū)。這兩大地震構(gòu)造帶在 1966—1976年和 1989—1998年地震活躍幕中都發(fā)生過較強(qiáng)地震或者大地震,是現(xiàn)代構(gòu)造活動性較強(qiáng)的地帶。

圖1 天津地區(qū) GPS局域網(wǎng)站點分布Fig.1 Distribution of GPS sites of Tianjin area

天津地區(qū)北部為山區(qū)及山前地帶,南部為海河沖積平原。由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展大量開采地下水,致使平原區(qū)地面沉降較快。地形變測量站點一般建在地表,其觀測資料不同程度地受到地面沉降的影響。在研究中,我們對觀測資料中的顯著干擾成分進(jìn)行了排除,而后對地殼的垂向活動特征進(jìn)行分析。在天津周邊鄰近地區(qū)僅于 2006年 7月 4日在文安發(fā)生過 5級以上地震,本文主要研究該地震與天津地區(qū)地殼垂直形變的關(guān)系。

2 地殼垂向變化

圖 2 天津地區(qū)垂向形變速度分布圖(2004—2009)Fig.2 Vertical defor mation velocity of Tianjin area(2004 -2009)

天津地區(qū)地殼垂向形變速度是由 GPS站點在全球框架下計算得到。圖 2顯示出,東北部薊縣-寶坻一帶呈現(xiàn)上升變化,速度為 1～3 mm/a,武清-寧河一帶為下降,速度為 -(5～20)mm/a。

天津地區(qū)西南部的楊柳青-青縣一帶下降較顯著,最大下降速度達(dá) -35 mm/a。天津地區(qū)“北升南降”的態(tài)勢在總體上與現(xiàn)代地形的“北高南低”基本一致,與新構(gòu)造活動時期的變形趨勢基本吻合。

3 信息分解

以 GPS站點 KC02的垂向變化為例,對觀測曲線中不同的信息成分進(jìn)行分解。圖 3(a)是原始曲線,它包含有周期性年變化 ((圖 3(b)),趨勢性下降——即趨勢性沉降部分 (圖 3(c)))和去除年周期變化與沉降后的變化 (圖 3(d))3部分。圖 3(d)在去除年變化與沉降后又進(jìn)行30天的滑動,去除了一些原因不明的突跳。圖 3中年周期變化幅度約11 mm,沉降變化速度為 -24.91 mm/a,去除前兩項后約有 ±8 mm的變化。圖 3(d)的變化主要與構(gòu)造活動的微動態(tài)有關(guān),顯現(xiàn)的是形變的異常變化。

圖3 KC02站點的垂向時序變化曲線Fig.3 Vertical time sequence curves at KC02 site

4 地殼形變

圖 4～8是去除趨勢性變化和年變周期干擾后,不同時期的相對變化。圖 4是文安Ms5.1地震前的垂向形變,在薊縣-武清-塘沽一帶為上升區(qū),上升量 1～4 mm,上升區(qū)北段薊縣-武清為NNE向展布,南段武清-塘沽為NW向展布。天津地區(qū)東北部的寧河地帶和西南部的靜海地帶為下降區(qū),下降量 3～5 mm。圖 5為文安Ms5.1地震前后的垂向變化?？傮w上表現(xiàn)出以上升為主導(dǎo),上升量 3～8 mm,寶坻和靜海地帶上升量相對較大,在 5 mm以上,和前一時間段形變相比,上升區(qū)范圍擴(kuò)大。寧河-漢沽一帶為下降區(qū),下降量 3～5 mm。形變等值線呈NNE向延伸。

圖 4 天津地區(qū) 2005—2006年的垂向形變Fig.4 Vertical defor mation of Tianjin area during 2005-2006

圖 5 天津地區(qū) 2006年的垂向形變Fig.5 Vertical defor mation of Tianjin area in 2006

圖 6是文安Ms5.1地震后的垂向變化,沿薊縣-寶坻-靜海一帶為上升帶,上升量 1～3 mm,和前一時段的垂直形變相比,上升區(qū)縮小,上升量也明顯減小,下降地區(qū)擴(kuò)展,由寧河-漢沽擴(kuò)大到天津市區(qū),寧河地區(qū)的下降量也有所增大,由 -5 mm增加到 -9 mm。

天津地區(qū) 2007—2008年的垂直向變化顯示,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(圖 7)。和前一時間段的形變相比,上升區(qū)向北退縮,下降區(qū)繼續(xù)西擴(kuò),天津地區(qū)西南部由上升變?yōu)橄陆怠?/p>

2008—2009年,天津地區(qū)總體上為東部上升西部下降,上升量相對較大的地區(qū)在濱海地帶,為 1～4 mm,西部武清-靜海一帶下降量為 2 mm左右 (圖8)。

圖 6 天津地區(qū) 2006—2007年的垂向形變Fig.6 Vertical deformation of Tianjin area during 2006-2007

圖 7 天津地區(qū) 2007—2008年的垂向形變Fig.7 Vertical deformation of Tianjin area during 2007-2008

綜上所述,天津地區(qū)不同時段的垂向地殼形變顯示出：文安Ms5.1地震前,上升區(qū)由北向南擴(kuò)展,幾乎遍布全區(qū)。地震后,上升區(qū)由南向北退縮,下降區(qū)從南向北擴(kuò)展;文安Ms5.1地震前,2005—2006年天津地殼垂向形變差異量為 9 mm,2006年差異量為 13 mm,具有增大趨勢,震后 2006—2007年是11 mm,2007—2008年 13 mm,2008—2009年為 6 mm,形變差異量減小,垂直形變趨向均勻,恢復(fù)到與文安地震前較為相近的狀態(tài)。

圖 8 天津地區(qū) 2008—2009年的垂向形變Fig.8 Vertical defor mation of Tianjin area during 2008—2009

5 時序分析

圖9 GPS站點垂向變化時序曲線Fig.9 Time sequence curves of vertical defor mation at GPS sites

KC02和 S W01站點位于天津地區(qū)的西南部,分別距文安地震震中 53.5 km和 56.0 km,是離文安Ms5.1地震震中最近的站點。KC02站的下降速度為 -24.91 mm/a,受地面沉降及趨勢性變化的影響明顯。去除沉降及趨勢性變化后的時序變化曲線顯示,2005—2006年變化幅度較大,2007—2009年幅度相對較小,變化相對穩(wěn)定 (圖 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,變化量為 8.86 mm。這一快速升降變化主要發(fā)生在文安Ms5.1(2006-07-04)地震前,可能與地震孕育后期的加速變化有關(guān)。在這之前和以后的曲線變化相對平緩,變化幅度也減小。2007—2009年的變化速率為 -2.50 mm/a。S W01站點的下降速度為 -39.36 mm/a,沉降變化顯著。2005—2006年 4月和 2007—2009年期間垂直變化曲線相對平緩,比較穩(wěn)定。2006年 5月至 12月,曲線快速下降,變化量為 10.94 mm。2006年 5月至 12月正是文安Ms5.1地震前后,很可能意味著這一變化與地震有關(guān)。在地震前曲線已突破了原來的變化態(tài)勢,震后該處的地形變繼續(xù)快速下降。2005—2009年的其他時間段均無此顯著的相對變化。

DZ01站點在天津地區(qū)的東南部,長趨勢變化速度為 -5.52 mm/a,受地面沉降影響不顯著。垂直形變曲線顯示,2006年 9月以后,曲線平緩,波動幅度減小。2005—2006年 8月,曲線變化幅度相對較大,尤其是 2005年 7月至 9月,出現(xiàn)下降的大幅度突跳變化。該時間段的大幅度變化出現(xiàn)在文安Ms5.1地震前 1年的時間里,可能與地震發(fā)生前的地殼形變中短期加強(qiáng)變化有關(guān)。

CH01和 KC01站點位于海河斷裂附近。CH01站點的長趨勢下降速率為 -40.33 mm/a,受地面沉降干擾強(qiáng)烈。去除沉降和年變干擾后的時序曲線表明,2006年 4月下旬至 9月有一次相對較顯著的突跳變化,變化幅度 5.1 mm,先上升后下降,文安Ms5.1地震發(fā)生在接近峰值附近的上升階段。CH01站點的時序曲線在其他時間變化幅度相對較小,最大值 3.7 mm。KC01站點的長趨勢下降速度為 -14.12 mm/a,比 CH01站點明顯減小。去除干擾后的時序變化曲線顯示,2005年 10月至 2006年2月出現(xiàn)一次相對明顯的上升變化,變化量為 6.3 mm,在高值上一直延續(xù)到 2006年 7月,此后開始下降返回。這一突出變化發(fā)生在文安Ms5.1地震之前 9個月中,可能是該次地震前與孕震相關(guān)的快速形變。2009年 4—9月,又出現(xiàn)了相對幅度較大的快速升降變化。除此之外,其他時間段曲線相對平緩,站點垂直變化不顯著。

位于天津地區(qū)中北部的 KC03站點和 YC01站點,2005—2007年呈緩慢上升變化,2008年變化趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)折,呈現(xiàn)下降變化,后者速度比前一段時間稍微增加。KC03站點長趨勢下降速率為 -20.36 mm/a,在 2008—2009年的下降趨勢中,2008年 1—9月下降較快,2008年 10月—2009年年底,下降變慢,變化相對平緩。YC01站點的長趨勢下降速率為-14.34 mm/a,在 2008年該點大幅度下降達(dá)12 mm之多。

TJA1站點的長趨勢下降變化速率為 -4.74 mm/a,沉降干擾不十分突出。2004—2007年上半年,站點垂直形變呈下降趨勢,變化量 12 mm,2008年轉(zhuǎn)為上升,變化量約 14.6 mm。

CH02站點位于天津地區(qū)東北部,長趨勢呈現(xiàn)微弱上升。根據(jù)時序曲線的變化特點可分為2006—2007年和 2008—2009年兩個時間段。兩個時間段的初始階段,曲線變化幅度都相對較大,而后幅度變小或者轉(zhuǎn)為平緩。

DZ02和 TJA2站點在寶坻斷裂南北兩側(cè)附近。DZ02的長趨勢下降速率為 -15.54 mm/a,時序曲線除 2008年 6—8月和 2009年變化幅度相對較大外,其他時間段比較平緩。TJA2站點長趨勢變化呈現(xiàn)上升,速率為 4.87 mm/a,2006年 4—8月出現(xiàn)上臺階,量值達(dá) 9.5 mm,其他時段相對平緩。

J IXN站點位于天津地區(qū)北部山區(qū),2004—2009年長趨勢變化呈現(xiàn)上升,速率為 3.05 mm/a,該點的垂直形變基本上呈現(xiàn)均勻變化。

上述表明,位于海河斷裂附近及其以南的 GPS站點 (KC02、S W01、DZ01、CH01和 KC01)在文安Ms5.1地震前后變化較顯著,以快速上升或者下降為主。天津地區(qū)北部的 GPS站點在文安地震前后僅個別點有變化(CH02、TJA2),其他大部分點無明顯變化。2008年天津地區(qū)北部的多數(shù) GPS站點發(fā)生了較大幅度的變化 (KC03、YC01、TJA1、CH02、DZ02、TJA2),表現(xiàn)為有的上升,有的下降,在同一時間里,南部的站點沒有出現(xiàn)明顯變化。

6 結(jié)論

天津地區(qū) GPS的垂向變化,顯示出南部平原區(qū)下降顯著,下降速度在 35 mm/a以上,地面沉降變化較顯著。分析認(rèn)為是開采地下水和趨勢性構(gòu)造活動共同作用的結(jié)果。而北部山區(qū)和山前地區(qū)的站點具有 1～3 mm/a的上升變化。在總體上,天津地區(qū)現(xiàn)今地殼形變態(tài)勢與天津地區(qū)地形形態(tài) (北高南低)基本一致,繼承性構(gòu)造運動起主要作用。

天津地區(qū)南部的形變既有沉降干擾,也有年變干擾,還存在趨勢性的構(gòu)造沉降。去除干擾和趨勢性變化的時序曲線顯示出,在 2006年 7月 4日文安Ms5.1地震前幾個月至 1年,出現(xiàn)地殼垂向加速變化異常,震后則變緩或者反向。該變化說明,天津地區(qū)的 GPS站點對天津及周邊地區(qū)發(fā)生的中強(qiáng)地震有一定的前兆異常顯示,該資料經(jīng)過及時處理可望在地震預(yù)測中發(fā)揮一定的作用。不同時期的平面等值線圖反映出文安Ms5.1地震是在上升區(qū)向南發(fā)展的過程中發(fā)生的,震后上升區(qū)向北退縮恢復(fù)。

時序曲線圖在 2008年天津北部的站點顯著變化,在其西側(cè)鄰近的站點也同樣發(fā)生了顯著變化(圖 10)。該時期正是汶川Ms8.0地震發(fā)生的時期。在這同一時期,昌黎臺的水位和水溫都發(fā)生了顯著變化[8];易縣臺的數(shù)字化形變資料出現(xiàn)同震響應(yīng),其他一些測項在汶川地震前也出現(xiàn)異常[9];昌平臺的沙層應(yīng)變資料在震前亦出現(xiàn)了明顯的異常變化[10];北京地區(qū)的其他臺也記錄到了同震形變[11]。因此天津北部的GPS站點的強(qiáng)烈變化與分布在北京、昌黎地區(qū)不同臺不同觀測項目觀測資料的異常變化,共同反映了燕山南緣構(gòu)造活動帶受地震觸動產(chǎn)生的遠(yuǎn)場響應(yīng)。

圖 10 XIJ I和 PI NG站點的時序曲線Fig.10 Time sequence curves at XI J I and PI NG sites

1 郭良遷,等.天津地區(qū)的垂直形變與構(gòu)造活動研究[J].大地測量與地球動力學(xué),2009,(5)：1-5.(Guo Liangqian,et al.Vertical defor mation and tectonic activity in Tianjin area [J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2009,(5)：1-5)

2 胡惠民,等.地下水位變化引起的地面形變[J].地震學(xué)報,1981,3(3)：276-282.(Hu Huimin,et al.Ground surface deformation caused by the change of ground water level [J].Acta Seismologica Sinica,1981,3(3)：276-282)

3 王若柏.城市地面沉降的災(zāi)害鏈特征——以天津市為例[J].氣象與減災(zāi)研究,2008,31(1)：54-60. (Wang Ruobai.Disaster chain of urban land subsidence in Tianjin [J].Meteorology and Disaster Reduction Research,2008,31 (1)：54-60)

4 劉經(jīng)南,等.中國大陸現(xiàn)今垂直形變特征的初步探討[J].大地測量與地球動力學(xué),2002,(3)：1-5.(Liu Jingnan,et al.Preliminary research on characteristic of present-day vertical defor mation of China mainland[J].Journalof Geodesy and Geodynamics,2002,(3)：1-5)

5 孫建中,楊少敏.用 GPS資料揭示現(xiàn)今中國大陸構(gòu)造運動[J].大地測量與地球動力學(xué),2005,(3)：75-80.(Sun Jianzhong and Yang Shaomin.Tectonic movement of Chinese mainland revealed from GPS data[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2005,(3)：75-80)

6 董克剛,等.利用 GPS監(jiān)測天津市地面沉降的可行性研究[J].大地測量與地球動力學(xué),2008,(4)：68-71. (Dong Kegang,et al.Study on monitoring land subsidence in Tianjin with GPS[J].Journal of Geodesy and Geodynamics, 2008,(4)：68-71)

7 黃立人,等.GPS觀測得到的天津地區(qū)的現(xiàn)今形變[J].大地測量與地球動力學(xué),2002,(4)：17-20.(Huang Liren, et al.Recent defor mation deduced from GPS observation in Tianjin area[J].Journal of Geodesy and Geodynamics, 2002,(4)：17-20)

8 張環(huán)曦,等.昌黎井?dāng)?shù)字化水位水溫對汶川地震同震響應(yīng)機(jī)理分析 [J].華北地震科學(xué),2009,27(4)：46-49. (Zhang Huanxi,et al.Analysis of coseismic water level and temperature changes in Changli well caused by the WenchuanMs8.0 earthquake[J].North China earthquake sciences,2009,27(4)：46-49)

9 蘇樹朋,等.易縣地震臺形變資料對汶川 8.0級大地震的反應(yīng)[J].華北地震科學(xué),2009,27(2)：54-58.(Su Shupeng,et al.The response of crustal deformation data in Yixian seismic station to wenchuanMs8.0 earthquake[J].North China earthquake sciences,2009,27(2)：54-58)

10 武安緒,等.從昌平臺沙層應(yīng)變記錄看汶川大地震孕震過程[J].國際地震動態(tài),2009,(4)：17.(Wu Anxu,et al.View the seis mogenic process ofWenchuan huge earthquakeMs8.0 from sand bed stain records atChangping station[J].Recent Developments in World Seis mology,2009, (4)：17)

11 武安緒,等.汶川大地震北京地區(qū)形變觀測的同震效應(yīng)與特征分析[J].國際地震動態(tài),2008,(11)：117.(Wu Anxu,et al.Coseismic effect and characteristic analysis of deformation observation inBeijing area forWenchuan earthquake[J].Recent Developments in World Seis mology, 2008,(11)：117)

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

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)研究(08JCZDJC18900)

周海濤,男,1978年生,工程師,主要從事地震監(jiān)測和預(yù)報研究.E-mail：zh_haitao2@163.com

P315.72+5

A