首都圈地区位于38.5°~41.0°N、113.0°~120.0°E，北至呼和浩特-张家口-延庆-平泉一带，南至定州-石家庄一线，西至怀安-太原，东至唐山-秦皇岛一线，涵盖了内蒙古中东部、山西东部、北京市、天津市、河北大部、辽宁西南部少部分区域。从地形上看，首都圈地区北面为燕山山脉，西面为太行山脉，总地势西北高东南低，由西北山区向东南平原区呈台阶式倾斜下降，分别构成高山、丘陵、冲洪积扇、基岩残丘及平原。按照中国大陆被划分成的6个一级活动断块区，首都圈地区所在的华北断块区是一个北至阴山-燕山、南至秦岭、西至银川盆地、东至胶辽半岛的地域，而首都圈地区主要位于燕山断块、华北平原断块和太行山断块这3个Ⅱ级断块交界的地域^[1-3]。作为地震重点监视防御区，前人对该地区地震活动进行了大量分析研究。王若柏等^[4]基于多期精密水准资料分析认为，地壳垂直形变场有规律的变化与地震活动的周期有明确的对应关系。韩月萍等^[5]利用5期华北北部的水准资料，揭示了该地区垂直变形的空间分布与构造活动以及构造活动的变化特征与地震活动性之间关系密切。杨国华等^[6]利用GPS数据从场和块体运动的角度分析了张北地震前后的地壳运动特征，结果表明，1992~2000年华北中北部地壳垂直形变基本上属于继承性运动。

本文主要基于近些年最新获取的首都圈地区多期水准复测资料(2001年、2005年、2007年和2014年总共4期资料)，结合构造活动，分析首都圈地区地壳垂直形变特征，并根据断层分布情况分析水准剖面特征，总结近年来的垂直形变趋势。

1 数据概况与处理

本文选取的4期水准精密数据分别于2001年、2005年、2007年和2014年观测获得，其中2014年有4条测线采用了相邻年份(2013年)的数据，而且测区范围与前3期相比少了两个环线。由于某些客观因素4期测点数并不能完全重合，其中2001~2005年重合测点数为539个，2005~2007年为543个，2007~2014年为359个，4期水准测量路线总长10 265.9 km，路线闭合环为43个。首都圈地区总体的水准路线及剖面如图 1所示。

主要采用经典动态平差方法进行数据处理^[7-8]，各期数据计算均以北京玉渊潭原点为起算点。平差结果表明，2001~2005年两期数据计算的单位权中误差为0.99 mm/a，2005~2007年为0.89 mm/a，2007~2014年为0.68 mm/a，这3个时段平差计算的单位权中误差均小于1.0 mm/a，说明总体观测精度及平差结果较好，符合要求。对平差得到的各水准点速率，首先采用克里格网格化的方法处理，将网格文件作平滑处理得出相应的形变速率等值线图。同时，根据该地区活动构造及断层分布情况，选取多条长水准剖面，提取各水准点的形变速率，利用剖面形变速率与断层分布分析地壳垂直活动情况。

2 垂直形变特征分析 2.1 2001~2005年形变速率

2001~2005年首都圈地区地壳垂直形变速率等值线计算结果如图 2所示。该时间段内，西合营-岔道、张家庄、涞源3个地区出现较大的隆升，上升速率为2~4 mm/a。辛庄、青龙-滦县地区呈现弱上升，隆升速率为1~2 mm/a。张家口-下花园所处的渤海构造带西段、半壁山-平泉地区出现下沉，形变速率为-2~-7 mm/a。而研究区中部存在几个大幅度下沉区，如密云、安平、天津呈现出沉降漏斗的现象，这可能是城市地下水开采所致，但具体原因有待进一步研究。

从图 2的地壳垂直形变速率等值线分布来看，该时间段内北京西部、北部小部分地区以及东部地区主要以上升为主，东北和西北部出现条带状的下降区。纵观整个区域格局，山区以上升为主，盆地以下降为主，总体上与地形地貌相符。其中张家口-下花园一带等值线密集，与北西西向构造带张家口渤海构造带走向较为一致。

2.2 2005~2007年形变速率

2005~2007年首都圈地区垂直形变如图 3所示，形态上出现了西部上升、东部下降的变化趋势。西部上升区主要为张家口、西合营-涞源、北京西部，上升速率为2~5 mm/a，测区东北部半壁山-平泉一带也有小范围的隆升，幅度约为0~2 mm/a；西部测区下花园-岔道出现较小范围下沉，速率为-2~-6 mm/a，延庆到辛庄下沉量较大，最大达9 mm/a；中部测区包括北京、安平、高碑店地区受地下水开采影响地表沉降非常明显，下降速率为-4~-10 mm/a。

根据图 3的形变趋势可以看出，这个时间段内垂直形变速率等值线分布较为密集，多个区域形成了局部封闭形态的图像，没有明显与构造线走势一致的等值线。下花园、安平、辛庄等地等值线密集且封闭性特征明显，该时间段内垂直形变速率等值线图分布形态受断裂构造控制不明显，即该时段内变化与地质地貌特征相关性不大。

2.3 2007~2014年形变速率

2007~2014年首都圈地区垂直形变情况如图 4所示。从图 4看出，研究区总体上呈现出较大范围的下沉现象。西北部张家口-西合营、下花园-延庆一线出现较大下沉，速率为-1.5~-7.5 mm/a，密云-北京及安平地区仍然是受地下水开采影响严重的地区，最大下沉量达到-6.5 mm，东部地区半壁山-高丽铺、唐山-滦县一带下沉速率相对较小，速率约为-0.5~-2.5 mm/a；北部地区从延庆东-辛庄以上升为主，速率为0.5~4.5 mm/a。

图 4表明，该段时期内形变速率变化强烈地区主要集中在西北部、北京中部和北部地区，这3个地区形成了较为密集的等值线分布，上升与下降变化特征极为明显。西北部的西合营-下花园-延庆一线的等值线分布与北北东向的延庆-怀来构造带走向基本一致，显示出这个时间段内垂直形变主要受构造控制；北京-密云地区等值线走向是局部封闭状态，受所在的北东向怀柔-北京-涿县构造带影响不明显；天津-唐山一带等值线较为稀疏，说明受沧东构造带控制影响较小。2007~2014年西北部地区的形变特征明显，尤其是下降区这种强烈变化与该地区的地质地貌特征不符合，反映了本时段本区域地块活动性较强^[9]。

2.4 形变特征对比分析

首都圈地区2001~2005年垂直形变总体上表现为东西升、中间降的特征，尤其是西部太行山与西北部盆地一带特征突出，与速率等值线一致性较好，说明形变特征与地形地貌较为相符，可以认为该时间段内研究区主要以继承性活动为主。2005~2007年垂直形变西部仍然以上升为主，中东部以下降为主，与前一期相比，延庆-怀来构造带东侧的辛庄地区形变由上升转为下降，表明该地区受构造的约束控制逐步加强，而张家口所处的张家口渤海构造带西侧形变速率则由下降变为上升，弱化了构造带的控制力。2007~2014年形变速率变化较大，尤其是研究区的西北部整体呈现出大幅度的下沉，与前两期相比具有十分明显的差异，辛庄一带恢复了继承性的活动特征。

对比3期首都圈地区垂直形变速率图像的结果发现，形变梯度较大的区域主要集中在京西、京北部。从速率差异变化来反映地块活动强弱程度，较突出的涞源-岔道一带所处的太行山地块经历了平稳-隆升-下沉的变化，揭示出该地区地块活动强度较大，值得持续关注。另外张家口、辛庄局部区域形变速率稳定性较差，隆升与下沉交替出现，但总体趋势上形变与地质地貌较为一致。

研究区内断裂带控制了断陷盆地或坳陷的发育，形变速率特征表明北北东-北东向的延庆-怀来构造带、北西西向的张家口渤海构造带是主要构造活跃区，相应的地壳活动性也呈现加强的趋势^[10]。

3 剖面特征 3.1 怀安-涞源水准剖面

怀安-涞源水准剖面大体为南北走向，从北向南跨越蔚县盆地，涵盖多条主要断裂。这3个时间段内剖面水准点形变速率情况如图 5所示。2001~2005年、2005~2007年这两个时间段内沿水准剖面水准点的形变速率大多在0 mm/a以上，以上升为主，而且随时间推移上升速率呈减小趋势，均值从2.32 mm/a变为2.07 mm/a；2007~2014年形变速率发生了较大变化，由上升转为下降，且平均下降速率达到-3.96 mm/a。

断裂两侧水准点的速率变化反映出该断裂的活动特性。阳原盆地北缘断裂西起阳原县城西，经台家庄，止于阳原东豹峪，全长62 km，为正断层，走向NE，从近期的活动性看，主要以压性活动为主。该断裂2001~2005年从北侧到南侧沿水准路线的速率梯度为-0.50 mm/(a·km)、2005~2007年为-0.66 mm/(a·km)、2007~2014年为-0.45 mm/(a·km)。蔚广盆地南缘断裂起于广灵上白羊村，向东经直峪、西宜兴、蔚县的南马庄、北口、嘴子岭、松枝口，止于上河村，全长120 km，也为正断层，总体走向北西西-北东东-北东，倾向NNE-NW。2001~2014年断裂活动表现为先压性后张性，2001~2005年从北侧到南侧沿水准路线的速率梯度为-0.06 mm/(a·km)、2005~2007年为0.39 mm/(a·km)、2007~2014年为0.09 mm/(a·km)。

3.2 张家口-延庆水准剖面

张家口-下花园-延庆水准剖面为北西-北东走向，沿线主要途经宣化盆地、延怀盆地，张家口渤海构造带西段与延庆-怀来构造带交叉，断裂分布较多。图 6显示了3个时间段内水准剖面各水准点的形变速率变化。从图中看出，3个时期内水准点形变主要以下沉为主，速率值大多在0 mm/a以下；2007年以前，剖面各点总体的形变速率较为稳定，均值大约为-2.10 mm/a；2007~2014年形变速率变化较大，下沉速率快速增大，平均下降速率达到-4.42 mm/a。

张家口到延庆所处的盆地区域断裂分布较广，选取其中两大主要断裂——怀涿盆地北缘断裂和延矾盆地北缘断裂进行讨论。怀涿盆地北缘断裂走向NEE，倾向SE，倾角50°~70°，以张性活动为主，该断裂2001~2005年从北侧到南侧沿水准路线的速率梯度为0.15 mm/(a·km)、2005~2007年为0.73 mm/(a·km)、2007~2014年为0.23 mm/(a·km)。延矾盆地北缘主要呈现压性活动，2001~2005年从北侧到南侧沿水准路线的速率梯度为-0.10 mm/(a·km)、2005~2007年为-0.41 mm/(a·km)、2007~2014年为-0.10 mm/(a·km)。

3.3 安平-高丽铺水准剖面

安平-高丽铺水准剖面为北东走向，地貌以平原为主，位于张家口渤海构造带东南段，横跨昌平-丰南断裂带。图 7为相应各个时间段内水准剖面各水准点形变速率变化。从图中看出，3个时期内水准点形变出现大幅下沉，尤其是0~40 km下沉速率最大，40~130 km下沉速率趋于平稳，3个时间段内平均速率分别为-3.21 mm/a、-6.88 mm/a、-2.97 mm/a。

安平到高丽铺所处的平原地区断裂分布相对稀疏，横跨该剖面的主要断裂是昌平-丰南断裂。该断裂活动性不稳定，2001~2005年从西侧到东侧沿水准路线的速率梯度为-0.05 mm/(a·km)、2005~2007年为0.33 mm/(a·km)、2007~2014年为-0.04 mm/(a·km)，速率梯度显示，近年来该区域垂直活动速率明显减弱。

4 结语

1) 2001~2005年首都圈地区地壳垂直形变主要以继承性活动为主，山区以上升为主，盆地表现出明显的下沉趋势，这种形变特征与地貌形态大致相符。其中张家口渤海构造带西北段的等值线分布与断裂分布关系密切，说明该构造带在这个时间段内活动性较为明显。

2) 2005~2007年首都圈地区地壳垂直形变总体上仍然呈现继承性活动，但北京北部地区变化强烈，由前一时间段的上升变为下沉，而且在较小区域内表现为逆继承性运动。

3) 2007~2014年首都圈地区西北部形变特征明显，表现出强烈的整体下沉现象，而辛庄一带继承性运动逐渐弱化。

4) 剖面特征分析表明，2001~2007年怀安-涞源水准剖面以上升为主，2007~2014年发生趋势变化，由上升变为下降；2001~2014年张家口-延庆水准剖面均呈现较大幅度下沉；安平-高丽铺水准剖面仍以下降为主，总体表现出张性活动。从剖面变化看，近年来首都圈地区形变特征仍以继承性为主，但在量值上有增大趋势。后期需持续加强首都圈地区，尤其是京西北地区的监测力度。