2017, Vol. 37
2. 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 合肥市金寨路96号，230026;
3. 天津市地震局，天津市友谊路19号，300201
2006-07-04华北平原北部发生文安MS5.1地震，该区域自1995-10-06唐山MS5.0地震后至文安地震没有发生过MS≥5.0的地震。文安地震发生在冀渤拗陷区的冀中拗陷上，是唐山-磁县地震带所经之处[1]。研究表明，在文安MS5.1地震前数年，河北平原大范围内3级地震活动经历了增强-平静的变化过程，震区存在小震空区[2]。距震区较近的天津南部GPS连续观测站的垂直变化在震前数月至1 a出现明显异常[3-7], 2005年北京地区的断层形变异常强度明显增加[2]。
GPS站的运动变化是地壳活动在地表的直接表现，通过GPS复测资料不仅可以得到地壳位移场和断层活动速率，而且可以获得地壳应变-应力场，其中也包含有地震孕育的信息[8-10]。对于文安地震前的小震活动、应变应力(测量)变化、断层形变活动已有研究[11-15]，而应用GPS区域站资料分析文安地震前区域形变场异常变化的研究较少。本文基于2001~2004年两期GPS区域站复测资料，以全新方法对文安MS5.1地震前兆进行探讨，为区域形变与地震危险性和地震预测提供借鉴。
1 思路方法李延兴等[16]提出的刚性-线弹性块体运动方程在研究地块运动和边界断裂带活动性方面得到了较好的应用[8-9]，是一种有效的模拟计算工具。刚性-线弹性块体运动方程不仅可以拟合块体的基本运动态势，同样也可以寻找异常点并计算其变化。因为地壳不完全是刚性的，还存在一定程度的弹塑性，所以在附加地震孕育变形时，孕震区的变形量会增大，其上的站点也会出现不协调的异常形变。异常站点的运动与块体总体运动态势不一致，不能代表所在块体的基本运动。使用刚性-线弹性块体运动方程计算异常变化信息，可以分析块体内部地震危险性并判断地震可能发生的地点。
2 运动场异常对文安地震前2001~2004年首都圈地区GPS站点速度使用刚性-线弹性块体运动方程进行拟合计算。挑选和区域运动趋势不一致的GPS站点(即模型拟合误差较大的异常点)，将变化一致性较好的站点和变化不协调的GPS站点分别用模型拟合计算，得到以研究区中心点为参考基准的运动场(图 1)。图 1的蓝色箭头表示区域运动总体态势的基本运动场，红色箭头表示与区域总体运动态势不协调的异常点运动。
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图 1 2001~2004年GPS站位移场矢量 Fig. 1 GPS station displacement field vector during 2001-2004 |
由图 1可见，区域基本运动场东北部和东南部运动速率相对较大，西部-西北部的速率较小。东北部最大速率为2.80 mm/a，东南部最大速率为3.16 mm/a，西部-西北部最大速率为0.61 mm/a。区域运动显示，东北部向西南运动，西北部向北运动，南部向东南运动。
异常站点主要分布在北京-宁河-沧州-献县-安国-北京之间(图 2)。异常运动速率叠加在基本运动场上(图 1)。异常点总体向北北东方向运动，异常区的速率南部大、北部小，南部最大速率为2.35 mm/a，北部最小速率只有0.08 mm/a。MS5.1地震发生在异常变化的GPS站点速率由大变小的过渡带上。
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图 2 GPS站异常变化分布区 Fig. 2 Distribution of anomaly change region of the GPS station |
图 3是2001~2004年区域基本应变场和异常点主应变率。基本应变场是由正常站点速度计算的应变场，异常点主应变率是由异常站点速度计算的。它们显示出，最小主应变轴大致在承德-北京-石家庄以东地区, 呈北东东向，优势方向为NE80°；最大主应变轴呈北北西向，优势方向为NW350°。在其以西地区，最小主应变轴为北西西-北西-北北西向，方向相对分散；最大主应变轴为北北东-北东-北东东向。
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图 3 2001~2004年主应变率 Fig. 3 Principal strain rate during 2001-2004 |
承德-北京-石家庄以东地区的最小主应变率值相对较大，最大值为-14.51×10-9/a，而且小于0，表现为压性；最大主应变率都大于0，最大值为11.65×10-9/a，呈现张性。其西部地区最小主应变率量值较小，最大值为-6.26×10-9/a，而且部分站点的值大于0，为较弱的压性和张性；最大主应变率量值相对较大，最大值为7.53×10-9/a，最大主应变率均大于0，表现为张性。就整个区域而言，东部地区压应变率相对较大，西部地区张应变率相对较大，说明东部以压应力作用为主，西部以张应力作用为主。
异常区的主应变率显示，其南部站点的最小主应变率相对基本应变场的量值明显偏大，最小主应变率值小于0，为压性，其最大量值为-46.15×10-9/a，最小主应变轴也与基本应变场的方向相差较大，呈近南北向；最大主应变率较小，量值为(6~-5.01)×10-9/a，最大主应变轴方向为近东西向。异常区北部异常站点的最小主应变轴方向不一，差别较大，变化范围为250.8°~342.7°。最小主应变率均小于0，为压性，其最大量值为-13.04×10-9/a；最大主应变率都大于0，为张性，最大值为14.47×10-9/a。它们反映了异常区南部压应力显著，北部应力较弱，而且有张有压(图 3)。
4 剪应变率异常2001~2004年的最大剪应变率等值线图(图 4)显示，在安国附近的剪应变率量值最大，为46.16×10-9/a，周围地区逐渐减小。北京-石家庄以西地区最大剪应变率值最小，在5×10-9/a以下。北京至秦皇岛地区剪应变率值由10×10-9/a增加到20×10-9/a。沧州至昌乐一带的剪应变率值为(20~25)×10-9/a。最大剪应变率在文安-安国-献县成为高值区，剪应变率等值线较密集，MS5.1地震在这个剪应变率高值区的边缘。而剪应变率高值区与地震发生具有相关性，因此是地震孕育过程的重要表现。
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图 4 最大剪应变率 Fig. 4 Maximum shear strain rate |
研究区的面应变率在安国-献县-沧州-文安是负值区，为压性变化区，其最大量值为-46.14×10-9/a(图 5)。在石家庄-北京-天津以西、以北地区面应变率值大于0，是张性变化区，量值在(0~5)×10-9/a。唐山-承德-秦皇岛地区为(0~-5)×10-9/a，是弱压性活动区。文安MS5.1地震发生在面应变率压性高值区的边缘部位，在空间上它们相互关联。
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图 5 面应变率 Fig. 5 Surface strain rate |
综合形变应变参量给出研究区的异常强度等值线图(图 6)。异常强度值大则异常强烈，否则，异常微弱。可以看出，在安国-献县-高阳地区异常强度值居于全区之首，异常强度值达到5，相对较强烈。其他地区异常强度值较小，一般为1~3。异常高值区周边的等值线相对密集，构成梯度较高的地带，它们一起组成异常体。文安MS5.1地震就发生在这个异常体的东北部边缘地段(图 6)。
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图 6 异常强度等值线 Fig. 6 Anomaly intensity contour |
使用刚性-线弹性运动模型拟合计算得到华北平原北部的区域运动场和应变场揭示出，异常变化站点主要分布在北京-石家庄-献县-宁河围限的区域内，形成了2002~2004年的异常区；异常区的位移速率矢量南部大、北部较小；主压应变率、面应变率和最大剪应变率在异常区相比外围地区显著增大，它们突出于基本形变场和应变场之上。
由刚性-线弹性运动模型计算得到的运动场和应变场异常区，同2001年开始出现的ML≥1.5地震“空区”空间分布和2004年地震空区及周边地震视应力升高基本一致[2]。其说明形变应变异常区为应力升高区域，与震源体发育有关。
| [1] |
刁桂苓, 张四昌, 孙佩卿, 等. 2006年7月4日文安5.1级地震[J]. 地震地质, 2006, 28(3): 497-502 (Diao Guiling, Zhang Sichang, Sun Peiqing, et al. The M5.1 Wen'an Earthquake of July 4, 2006[J]. Seismology and Geology, 2006, 28(3): 497-502 DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2006.03.019)
(  0) |
| [2] |
陈学忠, 李艳娥. 2006年7月4日河北文安MS5.1地震前震中周围地区小震视应力随时间的变化[J]. 中国地震, 2007, 23(4): 327-336 (Chen Xuezhong, Li Yan'e. Temporal Changes in Apparent Stresses of Small Earthquakes around the Epicentral Area Prier to the July 4, 2006 Wenan, Hebei Earthquake(MS= 5.1)[J]. Earthquake Research in China, 2007, 23(4): 327-336 DOI:10.3969/j.issn.1001-4683.2007.04.001)
( 0) |
| [3] |
塔拉, 郭良迁, 刘峡, 等. 天津地区GPS站点的微动态变化特征研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2012, 32(5): 27-32 (Ta La, Guo Liangqian, Liu Xia, et al. Micro-Dynamic Characteristics of GPS Sites in Tianjin Area[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2012, 32(5): 27-32)
( 0) |
| [4] |
陈阜超, 纪静, 塔拉, 等. 京津水准复测与垂直形变特征[J]. 华北地震科学, 2011, 29(2): 31-34 (Chen Fuchao, Ji Jing, Ta La, et al. Repetition Leveling and Vertical Deformation Characteristic of Beijing-Tianjin Region[J]. North China Earthquake Sciences, 2011, 29(2): 31-34 DOI:10.3969/j.issn.1003-1375.2011.02.007)
( 0) |
| [5] |
纪静, 刘芳, 闫成国. 天津北部地区现今构造活动性研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2015, 35(6): 974-978 (Ji Jing, Liu Fang, Yan Chengguo. Research on Recent Tectonic Activity in North Area of Tianjin[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2015, 35(6): 974-978)
( 0) |
| [6] |
周海涛, 郭良迁, 薄万举. 天津地区地壳垂向形变(GPS)与文安地震[J]. 大地测量与地球动力学, 2010, 30(5): 32-37 (Zhou Haitao, Guo Liangqian, Bo Wanju, et al. Wen'an Earthquake and Vertical Crustal Deformation(with GPS) in Tianjin Area[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2010, 30(5): 32-37)
( 0) |
| [7] |
陈阜超, 陈聚忠, 郑智江. 晋冀蒙地区的垂直形变特征[J]. 大地测量与地球动力学, 2015, 35(3): 453-456 (Chen Fuchao, Chen Juzhong, Zheng Zhijiang. Vertical Deformation Characteristics of Shanxi-Hebei-Inner Mongolia Area[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2015, 35(3): 453-456)
( 0) |
| [8] |
李延兴, 张静华, 周伟, 等. 汶川MS8.0地震孕育发生的机制与动力学问题[J]. 地球物理学报, 2009, 52(2): 519-530 (Li Yanxing, Zhang Jinghua, Zhou Wei, et al. The Mechanism and Dynamics of the Generation and Occurrence for Wenchuan MS8.0 Earthquake[J]. Chinese J Geophys, 2009, 52(2): 519-530)
( 0) |
| [9] |
陈阜超, 郭良迁, 塔拉, 等. 东北地区近期水平形变应变场研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2015, 35(1): 1-6 (Chen Fuchao, Guo Lianqian, Ta La, et al. Research of the Recent Deformation-Strain Field in Northeast China[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2015, 35(1): 1-6)
( 0) |
| [10] |
郭良迁, 薄万举, 杨国华, 等. 玉树MS7.1级地震前的形变应变场变化特征[J]. 地球物理学报, 2011, 54(8): 1990-1996 (Guo Liangqian, Bo Wanju, Yang Guohua, et al. The Variation of the Deformation-strain Field before MS7.1 Yushu Earthquake[J]. Chinese J Geophys, 2011, 54(8): 1990-1996 DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.08.006)
( 0) |
| [11] |
薛艳, 周龙泉, 马宏生. 利用小震重新定位结果研究河北文安地震前地震活动三维空间特征[J]. 地震, 2010, 30(1): 10-19 (Xue Yan, Zhou Longquan, Ma Hongsheng. Characteristics of Seismic Activity in 3-D Space before Wen'an Earthquake, Hebei Province by Small Earthquake Relocation in the Capital Area of China[J]. Earthquake, 2010, 30(1): 10-19)
( 0) |
| [12] |
张晶, 江在森, 方颖, 等. 文安地震与首都圈地区数字化应变资料分析[J]. 地震, 2007, 27(1): 39-46 (Zhang Jing, Jiang Zaisen, Fang Ying, et al. Analysis on Digital Strain Observation before Wen'an Earthquake in Capital Circle Area[J]. Earthquake, 2007, 27(1): 39-46)
( 0) |
| [13] |
郭良迁. 华北地区断层形变异常强度与地震的关系[J]. 灾害学, 2008, 23(4): 11-16 (Guo Liangqian. Study on Probability Distribution of Sewage Irrigation Risks[J]. Journal of Catastrophology, 2008, 23(4): 11-16 DOI:10.3969/j.issn.1000-811X.2008.04.003)
( 0) |
| [14] |
黄建平, 倪四道, 傅蓉珊, 等. 综合近震及远震波形反演2006年文安地震(MW5.1)的震源机制[J]. 地球物理学报, 2009, 52(1): 120-130 (Huang Jianping, Ni Sidao, Fu Rong-shan, et al. Source Mechanism of the 2006 MW5.1 Wen'an Earthquake Determined from a Joint Inversion of Local and Teleseismic Broadband Wave Form Data[J]. Chinese J Geophys, 2009, 52(1): 120-130)
( 0) |
| [15] |
余丹, 魏星, 紀寿文. 文安5.1级地震前后地壳形变特征研究[J]. 华北地震科学, 2014, 32(2): 62-67 (Yu Dan, Wei Xing, Ji Shouwen. Study of Crustal Deformation before and after the Wen'an M5.1 Earthquake[J]. North China Earthquake Sciences, 2014, 32(2): 62-67 DOI:10.3969/j.issn.1003-1375.2014.02.012)
( 0) |
| [16] |
李延兴, 张静华, 何建坤, 等. 由空间大地测量得到的太平洋板块现今构造运动与板内形变应变场[J]. 地球物理学报, 2007, 50(2): 437-447 (Li Yanxing, Zhang Jinghua, He Jiankun, et al. Current-Day Tectonic Motion and Intraplate Deformation-Strain Field Obtained from Space Geodesy in the Pacific Plate[J]. Chinese J Geophys, 2007, 50(2): 437-447 DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2007.02.015)
( 0) |
2. School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, 96 Jinzhai Road, Hefei 230026, China;
3. Earthquake Administration of Tianjin Municipality, 19 Youyi Road, Tianjin 300201, China