2018, Vol. 38
2. 中国地震局第一监测中心，天津市耐火路7号，300180
天津地区GPS区域网已运行多年，为研究本地区形变应变场和构造活动性奠定了基础。2006~2010年天津地区GPS连续观测站为12个，相对较少，2010年后新建多个GPS连续观测站。本文使用2006~2015年天津区域内22个GPS连续站的观测数据，通过GAMIT/QOCA软件，计算获得全球参考框架ITRF2005下的单日解，即GLOBK的GPS连续观测站N、E、U三维坐标。所有GPS站的时间序列图都显示了以年为周期的变化，半年的周期变化虽然在时间序列图形中不能直观分辩，但可以在拟合计算中给出可识别的显著结果。这些周期变化主要反映的是非构造运动，应当在观测数据中剔除其影响，精化GPS观测数据。再由精化处理后的N、E、U坐标值计算各站点EW向和NS向的运动速率水平分量，并换算成以本区中心点为参考基准的形变速度。最后，计算得到2006~2010年、2011年、2012年、2013年、2014年、2015年6个不同时段的形变场和应变率场，并给出当前天津地区形变和应变特征及构造活动状态[1-2]。
1 同震形变影响2011-03-11日本发生的9级大地震是东北亚地区一次强烈的构造活动事件，使亚洲大陆东北部地壳向东显著运动，天津地区也同样受到强烈影响，产生了显著的同震位移运动。由表 1可以看出，天津地区东西向位移明显，GPS站最小位移为6.62 mm，最大位移达到12.07 mm，均为东向运动，运动方向为SE93.5°；南北向的位移量值很小且位移方向不具有明显趋势性；垂向位移虽然在量值上比南北向要大一个数量级，但其量值与误差相比并不明显。因此，在计算2011年时段的形变和应变数据时，只扣除此次大地震的东西向同震位移影响。
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表 1 天津地区GPS连续站同震位移统计 Tab. 1 Coseismic displacement of GPS continuous station in Tianjin |
2006~2010年、2011年、2012年、2013年、2014年、2015年6个时段的形变场特征见图 1。图 1显示，2006~2010年形变场大致以宝坻-塘沽一线为界，东北部向西南运动，西南部向东运动，区域整体上东北部和西南部相向运动，相对有压扭活动趋势。2006~2010年天津地区的形变速率平均为0.69 mm/a，东北部边缘和西南部边缘形变速率相对较大，在0.70~1.50 mm/a之间，中部地带形变速率相对较小，在0.16~0.68 mm/a之间。
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图 1 天津地区各时段形变场图 Fig. 1 Deformation field of different period in Tianjin area |
2011年形变场(去除日本3.11地震震时影响)北部向东北运动，南部向西运动，中部地段形变方向较为复杂，为南北两个部分的转换地段。2011年的平均形变速率为0.67 mm/a，北部地区的速率相对较大，为0.97~1.82 mm/a，中部和南部地区的形变速率相对较小，为0.15~1.03 mm/a。南北两个区域整体上具有东西向右旋走滑活动趋势。
2012年天津地区形变场可分为南北两个部分，转换地带在武清-宁河一带。北部形变区的运动方向南向稍微偏东，南部形变区的运动方向北向稍微偏西，所以南北两个形变区存在相对右旋走滑趋势。2012年天津地区形变速率平均为0.99 mm/a，北部地区的形变速率大于南部，为0.95~2.62 mm/a，南部为0.23~1.82 mm/a。
2013年的形变场仍然可分为南北两个部分，北部形变区向南运动，南部形变区向北运动，南北两个形变区域呈现相向运动，中部武清-宁河一带成为转折过渡地带。2013年天津地区形变速率平均为1.14 mm/a，北部地区形变速率平均为1.11 mm/a，南部平均为1.17 mm/a，北部与南部两个区域的形变速率大致相当。
2014年呈现南北两个部分背向运动，东西两侧边缘运动方向相反，东侧向南，西侧向北，显示右旋走滑。总体上南北两个部分伸长，东西两个部分走滑。北部和东南部的形变相对较大，在2 mm/a以上，其余地区相对较小，在0.18~1.56 mm/a。天津地区总体形变速率平均为1.03 mm/a。
2015年形变场具有逆时针旋转趋势运动，旋转中心在武清-宁河之间。天津地区中心地段形变速率相对较小，外围地区相对较大。2015年天津地区形变场速率在0.26~2.07 mm/a，平均速率为1.16 mm/a[3-5]。
综上，天津地区形变场在2006~2010年呈现东西分区，分界带呈北北西向；2011~2014年呈现南北分区，分界带在中部武清-宁河一带；2015年形变场呈旋转活动趋势。2006~2015年天津地区的形变速率有增大变化趋势。
3 构造活动为了更好地揭示天津地区近期地壳水平运动情况，计算跨天津地区主要断裂的26条GPS基线变化(速率)，26条GPS基线分布情况见图 2。同时对跨宝坻断裂带和蓟运河断裂带GPS基线变化的计算结果进行趋势分析。
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图 2 天津境内跨断裂带GPS基线分布 Fig. 2 GPS baselines of trans fault zones in Tianjin |
基线TJA2-DZ02、TJA2-WQCG、TJBD-KC03和TJA2-KC03跨宝坻断裂带，与断裂带走向以不同的角度斜交。2006~2015年其变化均显示出缩短的趋势(图 3)，反映出宝坻断裂带受挤压-剪切作用。由基线变化计算得到宝坻断裂带的压缩速率为1.31 mm/a，左旋走滑速率为1.40 mm/a。
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图 3 GPS基线速率下的宝坻断裂带活动示意图 Fig. 3 GPS fault zone activity at baseline rate of Baodi |
基线CH02-PANZ、CH02-NIHE和CH02-TJA1跨蓟运河断裂带，CH02-PANZ与断裂带走向基本垂直，压缩速率为2.14 mm/a，CH02-NIHE和CH02-TJA1与断裂带走向斜交。这些基线都表现为缩短，反映出蓟运河断裂带以受挤压作用为主，兼有右旋走滑活动(图 4)，其中断裂带的压缩活动速率为3.09 mm/a，右旋走滑速率为2.31 mm/a。
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图 4 GPS基线速率下的跨蓟运河断裂带活动示意图 Fig. 4 GPS fault zone activity at baseline rate of Jiyunhe |
2011年日本3.11大地震使天津地区显著东向移动，但是对于研究区来说，并不是同步一致均匀地运动，不同地段有一定差异，从而使天津地区呈现挤压缩短和拉张膨胀并存的格局。日本大地震使天津整体产生了近南北向的-6.49×10-9的压应变，近东西向的3.85×10-9的张应变，最小主应变轴方向为NE3.5°，最大主应变轴方向为SE93.5°。天津西部地区以北西西-南东东向(SE116°)的拉张为主，兼有北北东-南南西向的挤压；东部地区以北西-南东向(SE121°)的挤压为主，兼有北东-南西向的拉张。天津地区西部的最大主应变率为19.67×10-9，最小主应变率为-12.95×10-9；东部地区的最大主应变率为7.05×10-9，最小主应变率为-23.02×10-9(图 5)。天津地区总体主压应力作用方向为近南北向(NE3.5°)，主张应力作用方向为近东西向(SE93.5°)。
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图 5 3.11日本大地震影响的应变 Fig. 5 Strain occured by 3.11 Japan earthquake |
在二维平面应变-应力场分析中，最小主应变轴与主压应力轴相对应，最大主应变轴与主张应力轴相对应，应变大小与应力成比例。水平应变场能够反映区域应力作用状态[6-9]。从图 6可以看出，研究区2006~2010年、2011年、2012年、2013年、2014年、2015年6个时段主应变率分布具有明显的差异。
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图 6 天津地区各时段主应变率 Fig. 6 Principal strain rate of different period in Tianjin area |
2006~2010年天津地区东部最小主应变轴呈近东西向，西部呈北北东-北东向，最大主应变轴东部为近南北向，西部为北西西-北西向。2006~2010年天津地区的最小主应变率都小于0，为压性；最大主应变率在天津-塘沽以南地段小于0，为压性，北部和南部地区的西侧静海一带大于0，为张性。说明天津-塘沽以南地段为挤压活动区，而天津-塘沽以北的东侧为近东西向压应力和近南北向的张应力作用；天津地区的西部为北北东-北东向压应力和北西西-北西向的张应力作用。全区的最小主应变率均值为-22.16×10-9/a，最大主应变率(除天津-塘沽以南地段)均值为9.40×10-9/a，而天津-塘沽以南地段的最大主应变率平均为-7.14×10-9/a。
2011年天津地区北部最小主应变轴为北西向；中部地区的东侧为近东西向，西侧仍为北西向；南部地区的西侧为近南北向，东侧为北东向。最大主应变轴在天津北部地区为北东向；中部地区西侧为北东向，东侧为近南北向；南部地区断层为北西向，西侧为近东西向。
2011年天津地区最小主应变率值均小于0×10-9/a，变化于-3.81~-40.66×10-9/a之间，平均为-19.96×10-9/a，表现为压性；最大主应变率值都大于0×10-9，变化于4.84~39.47×10-9/a之间，平均为19.92×10-9/a，表现为张性。天津地区的主应变率变化表明，中部地区应力作用相对较小，北部地区相对较大，南部介于二者之间。两个主应变率绝对值相差不大，所形成的最大剪应变率比二者都大，最大剪应变率变化于11.38~80.13×10-9/a之间，平均为39.89×10-9/a，在压应力作用和张应力作用大致相当的情况下，区域地壳主要发生剪切扭动。
2012年天津地区北部和中部两个主应变轴均为压性，北部以北北西-南南东向(NW327.7°)的挤压为主，压应变率为-44.90×10-9 /a；中部地区以近南北向(NW353.7°)的挤压为主，压应变率为-22.59×10-9 /a；南部地区的最小主应变轴为压性，最大主应变轴为张性，北北东-南南东向(NE25°)的压应变率为-17.01×10-9 /a，北西西向的压应变率为14.06×10-9 /a。2012年天津北部和中部为挤压区，南部为压应力和张应力共同作用的地区。
2013年天津地区北部和南部西侧以北北西向和近南北向的挤压作用为主，压应变率值为-31.92×10-9/a，相对较大，以北东东向和近东西向的拉张作用为辅，主应变率值为11.71×10-9/a，相对较小。天津地区东南部北北东向(NE5°)的压缩应变率为-18.18×10-9/a，北西西向(NW275°)的张应变率为20.97×10-9/a，最大剪应变率为39.15×10-9/a，在北北东向挤压和北西西向拉张应力共同作用下，产生的剪应力最大，因此东南部以剪切作用为主。
2014年天津地区主张应变率相对较强，北部近南北向的张应变率为22.49×10-9/a，近东西向的压应变率为-21.53×10-9/a，最大剪应变率为44.03×10-9/a；中部和南部北西向的主应变率为33.24×10-9/a，北东向的压应变率为-17.42×10-9/a(图 6(e))，最大剪应变率为50.66×10-9/a。说明天津北部受近东西向的压应力和近南北向的张应力共同作用，中南部是以北西向的张应力作用为主，以北东向的压应力为辅。剪应变率相对最大，所以2014年天津地区的剪应力作用相对强烈。
2015年天津地区的主压应变率相对明显，两个主应变轴均为压性。北部和南部东侧北西西向的压应变率为-36.77×10-9 /a，北东向的压应变率为-4.37×10-9 /a；南侧西部北北西向的压应变率为-29.75×10-9 /a，北东东向的压应变率为-6.42×10-9 /a。2015年天津地区主要受压应力作用。
综上所述，2011年日本3.11大地震使天津地区西部拉张、东部压缩，但是应变量不显著。天津主要断裂带的构造活动仍然以继承性为主。GPS显示的应变场不同时间段主应力作用方向变化较为复杂。天津北部地段2006~2010年、2014和2015年主压应变轴呈近东西向，2011~2013年呈北西向；天津中部地段2006~2010年、2011年、2014和2015年呈东西向略向北或者南偏转，2012年和2013年呈北北西~南北向；天津南部地段2006~2010年、2011年和2012年主压应变轴呈北东~北北东向，2013年呈南北向，2014年和2015年呈北西~北北西向。天津地区2006~2010年和2015年压性活动占主导地位，2011年剪切活动较明显，2012年和2013年北部以压性活动为主，南部以张性活动为主，2014年以张性活动为主。
5 结语1) 2011年日本3.11大地震使天津地区伴随东北亚地区平均向东位移7.89 mm，主要是整体性运动，差异变化不大，所产生的应变量不显著。
2) 天津地区2006~2010年、2011年、2012年、2013年、2014年、2015年6个时段的形变场和应变场在时间和空间上均有较大的差异，它们在南北方向上具有分段性，可以分为北段、中段和南段；东西两个部分变化各异，呈条状分布。区域内的应力应变存在时空差异，但应变应力状态不具备成丛性[10]。
3) 形变场受到所切割地块的运动制约。受构造运动控制，宝坻断裂的左旋压缩运动和蓟运河的右旋压缩运动与天津东部和北部区域形变场形态关系密切。区域整体受北北东向、北东向、北西向及近东西向多组活动断裂控制，形成天津区域形变特征。区域内主要断裂带构造活动仍以继承性为主，没有显著增强的趋势。
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2. The First Monitoring and Application Center, CEA, 7 Naihuo Road, Tianjin 300180, China