天津地區(qū)地殼垂向形變與文安m

天津地區(qū)地殼垂向形變與文安m

1研究區(qū)域及研究對(duì)象天津gps網(wǎng)絡(luò)由12個(gè)連續(xù)的觀測(cè)站組成（圖1）。它于2004年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，2009年保存了五年的觀測(cè)數(shù)據(jù)。在天津地區(qū),以前多數(shù)是根據(jù)水準(zhǔn)觀測(cè)資料研究地殼的沉降變化,而利用GPS資料對(duì)地殼垂直向活動(dòng)研究?jī)H見(jiàn)于大區(qū)域。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(guò)較強(qiáng)地震或者大地震,是現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)性較強(qiáng)的地帶。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(kāi)采地下水,致使平原區(qū)地面沉降較快。地形變測(cè)量站點(diǎn)一般建在地表,其觀測(cè)資料不同程度地受到地面沉降的影響。在研究中,我們對(duì)觀測(cè)資料中的顯著干擾成分進(jìn)行了排除,而后對(duì)地殼的垂向活動(dòng)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(guò)5級(jí)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武清-寧河經(jīng)濟(jì)帶天津地區(qū)地殼垂向形變速度是由GPS站點(diǎn)在全球框架下計(jì)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1~3mm/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)-35mm/a。天津地區(qū)“北升南降”的態(tài)勢(shì)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(dòng)時(shí)期的變形趨勢(shì)基本吻合。3不同年周期變化與沉降的變化以GPS站點(diǎn)KC02的垂向變化為例,對(duì)觀測(cè)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(shì)性下降——即趨勢(shì)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(dòng),去除了一些原因不明的突跳。圖3中年周期變化幅度約11mm,沉降變化速度為-24.91mm/a,去除前兩項(xiàng)后約有±8mm的變化。圖3(d)的變化主要與構(gòu)造活動(dòng)的微動(dòng)態(tài)有關(guān),顯現(xiàn)的是形變的異常變化。4中強(qiáng)-下強(qiáng)構(gòu)造穩(wěn)定階段2013年—地殼形變圖4~8是去除趨勢(shì)性變化和年變周期干擾后,不同時(shí)期的相對(duì)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1~4mm,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3~5mm。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3~8mm,寶坻和靜海地帶上升量相對(duì)較大,在5mm以上,和前一時(shí)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3~5mm。形變等值線呈NNE向延伸。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1~3mm,和前一時(shí)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-5mm增加到-9mm。天津地區(qū)2007—2008年的垂直向變化顯示,北部上升,上升量5~7mm,南部下降,下降量4~8mm,下降中心在天津市北面(圖7)。和前一時(shí)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?008—2009年,天津地區(qū)總體上為東部上升西部下降,上升量相對(duì)較大的地區(qū)在濱海地帶,為1~4mm,西部武清-靜海一帶下降量為2mm左右(圖8)。綜上所述,天津地區(qū)不同時(shí)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9mm,2006年差異量為13mm,具有增大趨勢(shì),震后2006—2007年是11mm,2007—2008年13mm,2008—2009年為6mm,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)。5運(yùn)行的基本過(guò)程和構(gòu)造的季節(jié)變化KC02和SW01站點(diǎn)位于天津地區(qū)的西南部,分別距文安地震震中53.5km和56.0km,是離文安Ms5.1地震震中最近的站點(diǎn)。KC02站的下降速度為-24.91mm/a,受地面沉降及趨勢(shì)性變化的影響明顯。去除沉降及趨勢(shì)性變化后的時(shí)序變化曲線顯示,2005—2006年變化幅度較大,2007—2009年幅度相對(duì)較小,變化相對(duì)穩(wěn)定(圖9)。2005年11月至2006年1月快速下降-9.97mm,然后一直到7月反向上升,變化量為8.86mm。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(duì)平緩,變化幅度也減小。2007—2009年的變化速率為-2.50mm/a。SW01站點(diǎn)的下降速度為-39.36mm/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(duì)平緩,比較穩(wěn)定。2006年5月至12月,曲線快速下降,變化量為10.94mm。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(lái)的變化態(tài)勢(shì),震后該處的地形變繼續(xù)快速下降。2005—2009年的其他時(shí)間段均無(wú)此顯著的相對(duì)變化。DZ01站點(diǎn)在天津地區(qū)的東南部,長(zhǎng)趨勢(shì)變化速度為-5.52mm/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(dòng)幅度減小。2005—2006年8月,曲線變化幅度相對(duì)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(shí)間段的大幅度變化出現(xiàn)在文安Ms5.1地震前1年的時(shí)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(diǎn)位于海河斷裂附近。CH01站點(diǎn)的長(zhǎng)趨勢(shì)下降速率為-40.33mm/a,受地面沉降干擾強(qiáng)烈。去除沉降和年變干擾后的時(shí)序曲線表明,2006年4月下旬至9月有一次相對(duì)較顯著的突跳變化,變化幅度5.1mm,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(diǎn)的時(shí)序曲線在其他時(shí)間變化幅度相對(duì)較小,最大值3.7mm。KC01站點(diǎn)的長(zhǎng)趨勢(shì)下降速度為-14.12mm/a,比CH01站點(diǎn)明顯減小。去除干擾后的時(shí)序變化曲線顯示,2005年10月至2006年2月出現(xiàn)一次相對(duì)明顯的上升變化,變化量為6.3mm,在高值上一直延續(xù)到2006年7月,此后開(kāi)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(gè)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(duì)幅度較大的快速升降變化。除此之外,其他時(shí)間段曲線相對(duì)平緩,站點(diǎn)垂直變化不顯著。位于天津地區(qū)中北部的KC03站點(diǎn)和YC01站點(diǎn),2005—2007年呈緩慢上升變化,2008年變化趨勢(shì)發(fā)生轉(zhuǎn)折,呈現(xiàn)下降變化,后者速度比前一段時(shí)間稍微增加。KC03站點(diǎn)長(zhǎng)趨勢(shì)下降速率為-20.36mm/a,在2008—2009年的下降趨勢(shì)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(duì)平緩。YC01站點(diǎn)的長(zhǎng)趨勢(shì)下降速率為-14.34mm/a,在2008年該點(diǎn)大幅度下降達(dá)12mm之多。TJA1站點(diǎn)的長(zhǎng)趨勢(shì)下降變化速率為-4.74mm/a,沉降干擾不十分突出。2004—2007年上半年,站點(diǎn)垂直形變呈下降趨勢(shì),變化量12mm,2008年轉(zhuǎn)為上升,變化量約14.6mm。CH02站點(diǎn)位于天津地區(qū)東北部,長(zhǎng)趨勢(shì)呈現(xiàn)微弱上升。根據(jù)時(shí)序曲線的變化特點(diǎn)可分為2006—2007年和2008—2009年兩個(gè)時(shí)間段。兩個(gè)時(shí)間段的初始階段,曲線變化幅度都相對(duì)較大,而后幅度變小或者轉(zhuǎn)為平緩。DZ02和TJA2站點(diǎn)在寶坻斷裂南北兩側(cè)附近。DZ02的長(zhǎng)趨勢(shì)下降速率為-15.54mm/a,時(shí)序曲線除2008年6—8月和2009年變化幅度相對(duì)較大外,其他時(shí)間段比較平緩。TJA2站點(diǎn)長(zhǎng)趨勢(shì)變化呈現(xiàn)上升,速率為4.87mm/a,2006年4—8月出現(xiàn)上臺(tái)階,量值達(dá)9.5mm,其他時(shí)段相對(duì)平緩。JIXN站點(diǎn)位于天津地區(qū)北部山區(qū),2004—2009年長(zhǎng)趨勢(shì)變化呈現(xiàn)上升,速率為3.05mm/a,該點(diǎn)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(diǎn)(KC02、SW01、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(diǎn)在文安地震前后僅個(gè)別點(diǎn)有變化(CH02、TJA2),其他大部分點(diǎn)無(wú)明顯變化。2008年天津地區(qū)北部的多數(shù)GPS站點(diǎn)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(shí)間里,南部的站點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化。6天津地區(qū)地震資料天津地區(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35mm/a以上,地面沉降變化較顯著。分析認(rèn)為是開(kāi)采地下水和趨勢(shì)性構(gòu)造活動(dòng)共同作用的結(jié)果。而北部山區(qū)和山前地區(qū)的站點(diǎn)具有1~3mm/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(shì)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(yùn)動(dòng)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(shì)性的構(gòu)造沉降。去除干擾和趨勢(shì)性變化的時(shí)序曲線顯示出,在2006年7月4日文安Ms5.1地震前幾個(gè)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(shuō)明,天津地區(qū)的GPS站點(diǎn)對(duì)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(guò)及時(shí)處理可望在地震預(yù)測(cè)中發(fā)揮一定的作用。不同時(shí)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(guò)程中發(fā)生的,震后上升區(qū)向北退縮恢復(fù)。時(shí)序曲線圖在2008年天津北部的站點(diǎn)顯著變化,在其西側(cè)鄰近的站