2017, Vol. 32
2. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 武汉 430079
, ZHAN Wei1,2 , ZHU Wen-wu1 , GUO Hao-qiang1 , XING Jian-hua1 , XU Dong-zhuo1 , LI Ji-gang1
2. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China
研究区范围在E110.5°—E155.5°、N38.5°—N41.5°内，整体位于鄂尔多斯块体的东北缘，山西断陷带和河套断陷带交汇部位，东部与张家口—渤海断裂带西端相连，研究区内活动构造、1970年以来4.0级以上地震、监测测点分布见图 1.该区是大华北地震活动最为活跃的地区之一，内有地堑型断陷盆地及其内部的次一级隆起、凹陷组成，总体走向NNE，主要断陷盆地有延怀盆地和大同盆地，西部有呼—包凹陷，它们多受活动断裂围限.主要断裂有大青山山前断裂、鄂尔多斯北缘断裂、岱海—黄旗海盆地南缘断裂、怀安—万全盆地北缘断裂、张家口断裂、天镇—阳高盆地北缘断裂、口泉断裂、六棱山西麓断裂、六棱山北麓断裂、五台山北麓断裂、孙庄子—乌龙沟断裂、系舟山断裂、恒山南麓断裂、恒山北麓断裂等及其控制的盆地、断块，断裂总体走向NE和盆地长轴走向一致.徐锡伟和邓起东(1988) 研究表明系舟山、五台山、恒山断块呈张性掀斜运动，且断块间NEE断裂以强烈的差异升降运动为主.大青山山前断裂为典型的倾滑正断裂，为强震潜在震源区(何仲太等，2007)，鄂尔多斯北缘断裂、和林格尔断裂，由于第四纪活动较弱，使呼—包凹陷成为北深南浅的箕状盆地(冉勇康等，2003)；岱海断陷带由两条NE向断裂所围限，即北侧的蛮汉山山前断裂和南侧的岱海—黄旗海盆地南缘断裂，两条断层均属于活动正断层，活动时代自晚更新世到全新世，自西向东活动性由强变弱(毕珉烽，2012)；怀安—万全盆地北缘断裂为正断层，活动性具有分段性且北段活动最强(方仲景等，1994)；张家口断裂在研究区内的段落呈高角度北倾逆冲左旋走滑运动(周月玲和尤惠川，2010)；口泉断裂具有边界断裂的活动特征，是一条右旋走滑及正倾滑断裂(李煜航等，2013)；六棱山北麓断裂具有强烈的构造和地震活动性(徐锡伟等，1991；马瑾，1992)，是一条活动的倾滑正断裂(邓起东等，1994)；怀涿盆地北缘断裂是发育在怀来—涿鹿次级盆地北缘边界的倾滑正断裂，桑干河断裂为一条晚更新世晚期仍有活动的北倾隐伏正断层(谢富仁，2007)；太白维山北麓断裂的活动具有明显的分段性，整体呈张倾滑型(申旭辉和汪一鹏，1994)；五台山北麓断裂以正倾滑错动为主，近6ka以来滑动速率高于相邻断裂(丁锐等，2009).由大青山山前断裂、六棱山北麓断裂等组成的晋冀蒙交界地区断裂系及其控制的构造盆地基本上控制了研究区内的6.0级以上地震(高立新和戴勇，2012).
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图 1 晋冀蒙交界地区活动断裂和地震分布图图中活动断层信息源自邓起东，地震信息源自中国地震台网中心. Figure 1 The map of active faults and earthquakes in junction region of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia The active faults information from Deng Q D and earthquakes information from CENC. |
1970年有现代仪器记录地震资料以来，研究区6.0级以上地震有：1976年4月6日和林格尔6.3级地震，张晁军等(2001)对该地震前后震兆特征进行了较为全面的分析研究，认为震后2年内的多次4.0以上地震是该地震板内联动效应引起，其震兆特征与张北6.2级地震有相似之处.1989年10月18日大同—阳高6.1级地震，此后徐锡伟等(1991) 通过考察研究得出，此地震群是在晋北张性区内地壳伸展条件下，NEE向六棱山北麓斯裂突发性正倾滑错动诱发引起的；冯永革等(2016) 对之后的多次地震通过库仑应力分析和余震JHD重定位认为该地区存在两条活跃的共轭隐伏走滑断层.1998年1月10日张北—尚义6.2地震，徐锡伟等(1998) 研究认为是张家口一渤海断裂带北西端最新活动的产物，截止目前该断裂段发生多次4.0级以上地震，但没有发生6.0级以上地震.
1 数据处理方法目前，研究区地壳形变运动的主要监测手段为区域精密水准和GNSS，区域精密水准测量可十分有效地捕获正/逆断裂的垂直形变信息，而GNSS测量则是监测断裂走滑运动的重要方法(孟宪纲等，2014).本研究利用的区域精密水准数据源自中国地震局第一监测中心承担的日常监测项目和中国综合地球地球物理场观测项目，GNSS数据来源为中国地震局系统承担华北GPS监测网络、中国地壳运动监测网络、中国大陆构造环境监测网络和中国综合地球物理场观测项目.
1.1 区域精密水准数据处理方法使用1984-2015年的区域精密水准观测资料，施测年度为1984年、1991年、1998年、2006年、2013年和2015年，共6期，每期资料观测时间集中在4月-8月，因观测时间跨度小(一般小于4个月)，观测期次内气温、地震构造运动等自然条件变化不大，可近似为观测期次内所有水准点是稳定的.而期次间区域精密水准网中的水准点因处于不同的地质构造单元和地球物理场环境中，随着时间的推移均可能发生无序变动，但是总存在相对变化小的，即相对稳定的点，我们称之为“拟稳点”(孟宪纲等，2015)，其他点位的高差依此点推算，相邻两期之间高差之差为点位垂直位移变化值.数据处理公式为
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(1) |
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(2) |
精密水准测线年平均变化率为Rn，每测段高差年平均变化量为rnj，精密水准测线期次间变化量为Ri，测段期次间变化量rij.以年度高差之差为参数，采用Kriging方法(Yang et al., 2008) 绘制地壳垂向运动变化等值线图像.
以上处理方法的前提是在多期观测数据中提取共点观测数据进行计算，这样可以避免因不同观测数据差异内插而产生的误差.水准网每期观测资料的精度依照环线闭合差W计算每千米水准测量的全中误差MW进行评定，并以此评定每期水准数据的精度.计算公式为
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(3) |
式中，W为经过标尺尺长改正、正高改正、重力布格异常改正后的水准环闭合差；F为水准环线周长，单位为千米(km)；N为水准环数.
每期观测资料精度见表 1，有表中数据可以看出观测数据精度符合国家一等水准要求.
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表 1 精密水准数据观测精度 Table 1 Precise leveling data observation precision |
研究区内GNSS数据时间跨度为1999年1月至2015年10月，结合区域精密水准数据观测年度，选用1999年、2004年、2007年、2013年和2015年共5期，因GNSS数据计算是在统一坐标框架下进行的，每个站点数据可以直观反映该站点在统一坐标框架内的运动.数据在用GAMIT/GLOBK软件进行GNSS数据处理时(梁洪宝等，2015)，使用了IGS观测站的数据.这样可以保证处理结果有比较好的精度，保证给出的位移场所依据的参考框架具有较好的相对稳定性.数据处理中使用的星历数据是IGS精密星历数据.计算中若发现某些时段的精度较差时，则采用从SIO网站下载的g文件星历数据.在GNSS数据处理中使用的坐标框架为ITRF2008.ITRF核心站和IGS观测站的测站约束与SIO所使用的约束相同.所有数据处理都采用同一种方式进行.对所有数据进行统一解算，最后分别解算出每个点N向平均运动速率和E向运动速率.为使更好地显示研究区域内各相邻块体和断层的运动，对计算结果进行欧拉矢量法(薄万举等，2010；占伟等，2015) 转换.欧拉矢量法通常以X、Y、Z三个坐标轴的转动分量的形式表示，其与地表点位移的关系为
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(4) |
式中，Ω为欧拉转动矢量，由ωx、ωy、ωz三个分量组成，Ri为测站位置矢量，用纬度φ和经度λ表示，Vi为公共点的速度矢量差，包含E向速度差Ve和N向速度差Vn；R为地球半径.将计算结果通过上式转换，在最小二乘条件下解算处欧拉矢量，然后用公式(5) 计算ITRF2005框架下的水平速度场，公式为
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(5) |
式中V为GNSS点的总水平速度，V的大小由点的N向水平位移和E向水平速度分量合成求得，V的方向A由E向速度和总水平速度方向的反正弦求得.
2 地壳运动速度场及分析 2.1 地壳垂直运动由1984年和1991年观测数据计算处理获得地壳垂直运动等值线图像(图 2).可以看出和林格尔断裂和大青山山前断裂东段，大同盆地，恒山北麓断裂北段和六棱山北麓断裂附近，怀安—万全盆地北缘断裂、天镇—阳高盆地北缘断裂和岱海—黄旗海盆地南缘断裂围限区，蛮汉山山前断裂北段和南段存在地壳垂直运动高梯度带，以上区域下降隆升相对运动累计达20 mm以上、最大达125 mm，且以上断裂均为高倾角正断裂(邓起东等，2000)，跨越断裂或附近的地壳垂直运动高梯度带正是其垂向运动的显示.1989年10月大同—阳高6.1级地震就发生在地壳垂直运动升降交界高梯度区或附近，而之后1992-1994年间发生的地震分布也多在此类区或附近.研究区整体呈南升北降运动.
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图 2 1984-1991年地壳垂直运动等值线图 Figure 2 Contour map of crustal vertical movement from 1984 to 1991 |
由1991年和1998年观测数据计算处理获取地壳垂直运动等值线图像(图 3).可以看出和林格尔断裂北段和大青山山前断裂东段之间出现一个下降区，显示呼—包凹陷东北段较之前存在继承性下降运动，下降量达-36 mm.岱海—黄旗海盆地南缘断裂南段出现-18 mm的下降区，之后附近发生一次4.0级以上地震.蛮汉山山前断裂南段发生一次4.0级以上地震，可能是前期运动诱发.大同盆地持续下降累计下降达-60 mm，之后附近发生1次4.0级以上地震.恒山北麓断裂、六棱山北麓断裂和蔚县盆地南缘断裂之间出现下降隆升交界梯度带，相对运动达31 mm，之后3年内附近发生多次4.0级以上地震.天镇—阳高盆地北缘断裂、怀安—万全盆地北缘断裂、岱海—黄旗海盆地南缘断裂北段所围限区垂直运动与前期相反，前期下降达-31 mm，本期隆升36 mm，可能与1998年1月附近发生张北—尚义6.2级地震有关，之后3年内附近发生多次4.0级以上地震.怀涿盆地北缘断裂和怀安—万全盆地北缘断裂围限区垂直运动与前期相反，之后3年内附近发生1次4.0级以上地震.与上期结果比较研究区西部区域运动态势基本没变，而东部区域垂直运动区趋于集中并均发生反转.
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图 3 1991-1998年地壳垂直运动等值线图 Figure 3 Contour map of crustal vertical movement from 1991 to 1998 |
由1998年和2006年观测数据计算处理获取地壳垂直运动等值线图像(图 4).由图可以看出和林格尔断裂北段和大青山山前断裂东段之间下降速度较之前减小，为-25 mm，附近发生1次4.0级以上地震.蛮汉山山前断裂西侧出现下降隆升交界梯度带，可能受岱海断陷带活动影响.恒山北麓断裂、六棱山北麓断裂和蔚县盆地南缘断裂之间区域由上期下降转为隆升，而六棱山北麓断裂为下降隆升区交界，显示该断层为正断倾滑运动(徐锡伟，1991) 可能与附近发生的一系列4.0级以上地震有关，而这些地震均发生在上期异常之后的3年内.大同盆地持续下降，天镇—阳高盆地北缘断裂、怀安—万全盆地北缘断裂、岱海—黄旗海盆地南缘断裂北段所围限区垂直运动与前期相反，此反转可能与上期异常之后3年内发生的多次4.0级以上地震有关.六棱山北麓断裂出现下降隆升高梯度带，之后3年内并无地震发生，可能与附近发生的多次4.0级以上地震有关.研究区南缘附近3年内发生1次4.0级以上地震，震中在下降隆升区附近，可能与五台山西麓断裂活动有关.与前期成果比较研究区地壳垂直运动与1984-1991年相似，基本维持南升北降运动态势.
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图 4 1998-2006年地壳垂直运动等值线图 Figure 4 Contour map of crustal vertical movement from 1998 to 2006 |
由2006年和2013年观测数据计算处理获取地壳垂直运动等值线图像(图 5).由图看出研究运动态势为南升北降，基本维持上期运动态势；口泉断裂中段东降西升，呈正断倾滑断层特征(李煜航等，2013)；恒山北麓断裂、六棱山西麓断裂、六棱山北麓断裂和蔚县盆地南缘断裂围限区域出现下降隆升交界高梯度带.六棱山北麓断裂北侧出现下降隆升交界高梯度带，之后2年内在研究区东缘附件发生1次4.0级地震，但距离异常区较远(约120 km)，因此需继续关注该异常区.
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图 5 2006-2013年地壳垂直运动等值线图 Figure 5 Contour map of crustal vertical movement from 2006 to 2013 |
由2013年和2015年观测数据计算处理获取地壳垂直运动等值线图像(图 6).由图看出研究出现多处下降隆升交界高梯度带区，其中蛮汉山山前断裂西侧出现下降隆升交界高梯度带，显示该断裂垂直运动加剧，相对运动达35 mm.大同盆地下降区依然持续，降幅减小且分为两个区域.天镇—阳高盆地北缘断裂、怀安—万全盆地北缘断裂、岱海—黄旗海盆地南缘断裂北段所围限区由前期下降运动(-21 mm)转为隆升运动，垂直运动达29 mm，该区及附近地震活动值得注意，之后的2016年6月23日河北张家口市尚义县发生4.0级地震.恒山北麓断裂、六棱山西麓断裂、六棱山北麓断裂和蔚县盆地南缘断裂围限区域出现多处下降隆升交界高梯度区，加之大同附近的下降区在此期成果已不明显，不排除该区域有发生4.0级以上地震的可能性.另外，张家口断裂南侧出现隆升区，值得进一步关注.研究区整体呈中部隆升，两侧下降，边缘隆升局面，下降隆升交界高梯度带是未来关注的重点.
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图 6 2013-2015年地壳垂直运动等值线图 Figure 6 Contour map of crustal vertical movement from 2013 to 2015 |
由1984年和2015年观测数据计算处理获取地壳垂直运动等值线图像(图 7).可以看出长尺度时间内呼—包凹陷东北段地壳垂直运动活跃，表现为下降运动，可能受大青山山前断裂、和林格尔断裂、蛮汉山山前断裂、岱海—黄旗海盆地南缘断裂运动影响.口泉断裂、恒山南麓断裂、恒山北麓断裂、五台山北麓断裂、六棱山西麓断裂、六棱山北麓断裂、蔚县盆地南缘断裂垂直运动仍然强烈.大同盆地下降运动剧烈，累计下降达-260 mm.而张北—尚义地震群发震时间在1984-2015年中间位置，长尺度看来该震群对附近地壳垂直运动的影响不明显，而该时间段内的差分结果(图 2—图 5) 则能很好的捕捉该区地壳处置运动异常信息，大同—阳高震群处依然存在下降隆升交界高梯度带，值得关注.
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图 7 1984-2015年地壳垂直运动等值线图 Figure 7 Contour map of crustal vertical movement from 1984 to 2015 |
综上所述，研究区内大同盆地下降运动剧烈，与瞿伟等(2013)研究一致，其周边发生多次4.0级以上地震.研究区地震多发生在地壳垂直运动剧烈地区及附近，与陈运泰等(1975, 1979) 研究结果一致，因此应密切关注呼—包凹陷东北段、大同盆地中东部区域的地震活动，另外张家口断裂长期看来垂直运动不大，隆升约20 mm，但近两年隆升运动值得关注.
2.2 地壳水平运动由1999年和2004年GNSS数据计算处理，获取研究区地壳水平运动速度场图像(图 8).由图可以看出大青山山前断裂南侧存在微量SW向水平运动，鄂尔多斯北缘断裂无明显水平运动，表明该区整体活动较弱，与冉勇康等(2003) 研究一致.岱海—黄旗海盆地南缘断裂两侧有明显水平运动差异，其南侧运动大于岱海断陷带内部运动，综合图 4分析，表明岱海断陷带存在下降运动，而南段为隆升运动，可能与NW向活动断层运动有关.口泉断裂北段与天镇—阳高盆地北缘断裂交界附近存在压性运动，结合图 4分析可能是引起该区垂向下降运动的动力.六棱山北麓断裂北侧有SE向运动，可能是该处下降隆升运动的动力.其他断裂无明显运动，可能与该区断裂多为高倾角正断层(邓起东等，2000) 有关.
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图 8 1999-2004年地壳水平运动速度场 Figure 8 Velocity field of crustal horizontal movement from 1999 to 2004 |
由2004年和2007年GNSS数据计算处理获取研究区地壳水平运动速度场图像(图 9).不难看出大青山山前断裂和岱海—黄旗海盆地南缘断裂围限区域水平运动较一致，运动方向略有差异，与前期结果比较量值增大，可能受该地区地震活动使得区域应力卸载影响.口泉断裂北段与天镇—阳高盆地北缘断裂交界附近无明显压性运动，其南段与恒山北麓断裂之间区域张性运动显著.之后3年内发生4.0级以上地震表明，区域无明显水平运动可能表明该区域水平运动趋于闭锁状态，而垂直运动则较强(图 4)，持续下降诱发了地震.
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图 9 2004-2007年地壳水平运动速度场 Figure 9 Velocity field of crustal horizontal movement from 2004 to 2007 |
由2007年和2013年GNSS数据计算处理，获取研究区地壳水平运动速度场图像(图 10).该结果显示鄂尔多斯北缘断裂北侧SE向水平运动和大青山山前断裂南侧的微弱SW向运动，结合图 4结果分析，诱发呼—包凹陷下降运动，因此应继续关注鄂尔多斯北缘断裂和大青山山前断裂的差异性运动.口泉断裂两侧运动差异明显，大同呈挤压运动相对量值达3 mm/a，结合图 5结果可能受该区持续下降所致.六棱山北麓断裂、蔚县盆地南缘断裂、太白维山北麓断裂、恒山北麓断裂所围限区域水平运动不明显，但其中心区域为隆升运动高峰区域，可能受期间发生的地震影响所致.恒山北麓断裂和六棱山西麓段之间水平运动不明显.该成果之后3年内发生4.0级以上地震表明，无明显水平运动但垂向运动活跃的区域及附近是未来地震活动区，也表明该区域水平运动可能趋于闭锁状态.
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图 10 2007-2013年地壳水平运动速度场 Figure 10 Velocity field of crustal horizontal movement from 2007 to 2013 |
由2013年和2015年GNSS数据计算处理获取研究区地壳水平运动速度场图像(图 11).图像显示呼—包凹陷有微弱张性活动，与图 6显示的其东北段有下降运动相互协调一致.鄂尔多斯北缘断裂东段出现微弱挤压运动，约2 mm/a.蛮汉山山前断裂出现南段出现下降隆升交界高梯度带，而该区却无明显水平运动，值得注意.云中山山前断裂、恒山南麓断裂、五台山西麓断裂、五台山北麓断裂和系舟山山前断裂活动加剧，表明系舟山、五台山、恒山断块呈张性掀斜运动，与徐锡伟和邓起东(1988) 研究结果一致.口泉断裂中段有明显右旋走滑运动，其东侧有垂向下降运动可能导致水平压性运动.六棱山西麓断裂、太白维山北麓断裂、蔚县盆地南缘断裂和六棱山北麓断裂所围限区域，存在水平运动不协调现象，呈边缘向中心逐渐减小趋势，而垂直运动出现下降隆升交替现象，值得注意.岱海—黄旗海盆地南缘断裂北段、怀安—万全盆地断裂围限区域出现垂直隆升运动，而周围有指向隆升区的水平运动，表示存在促使该区垂直运动的动力源，张家口地区出现大范围的垂直隆升运动，该区附近天镇—阳高断裂南侧出现指向隆升区的运动，两处隆升且有关联的水平运动，表明天镇—阳高盆地北缘断裂、怀安—万全盆地北缘断裂、口泉断裂北段出现左旋倾滑运动，应关注未来可能出现的水平垂直不协调现象.
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图 11 2013-2015年地壳水平运动速度场 Figure 11 Velocity field of crustal horizontal movement from 2013 to 2015 |
由1999年和2015年GNSS数据计算处理获取研究区地壳水平运动速度场图像(图 12).可以看出长时间尺度，研究区内各断裂带之间并未出现明显的水平运动，与杨博等(2013) 研究一致，而与研究区1998年以来的垂直运动关联性较差.
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图 12 1999-2015年地壳水平运动速度场 Figure 12 Velocity field of crustal horizontal movement from 1999 to 2015 |
综上所述，研究区内地壳水平运动各阶段表现略有不同，与该区垂直运动有一定的相关性，但运动量值较小.1999-2015年长时间尺度内各断裂带之间的相互运动并不明显，可能与研究区内断裂带多为高倾角正断层有关.
3 地震活动统计分析根据图 7和图 12地震分布，可以看出研究区地震活动具有明显的分区和关联性.故将研究区域划分为3个地震活动区，并进行统计分析，各分区情况见表 2.统计表明第一分区在1970-1983年地震活动明显高于第二分区和第三分区，1984-2015年地震活动则明显下降；第二分区和第三分区在1970-1983年间地震活动性明显低于1984-2015年间，且最近仍有4.0级以上地震发生(2016年6月23日河北张家口市尚义县4.0级地震).以上规律与研究区地壳垂直运动变化规律较一致，表明精密水准能捕捉正断层垂直运动，同时与地震孕震与发震具有较好的对应性；但与研究区地壳水平运动规律一致性较差.
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表 2 分区地震活动统计 Table 2 Zoning seismic activity statistics |
通过研究分析得出如下结论：(1) 研究区中具有走滑和低倾角特征的正断层，其附近地壳水平运动和垂直运动具有较好的一致性；整体看来研究区地壳水平运动弱于垂直运动，可能与该地区断裂带多为高倾角正断层有关.(2) 研究区内出现下降隆升运动交界高梯度带(大于20 mm)时，其附近3年内一般发生4.0级及以上地震，说明地壳垂直运动信息对地震危险区判断具有重要的指示意义.(3) 研究区内自1970以来地震活动具有明显的分区规律，并存在逐步东迁现象，与研究区地壳垂直运动迁移变化规律较一致，但与区域地壳水平运动规律一致性较差.
4.2存在不足：该研究中使用的区域精密水准和GNSS数据因没有实现同点、同网、同步观测是影响垂向运动和水平运动不能协调一致的另一主要原因.另外，区域精密水准复测周期太长致使不能获得高精度、高分辨率垂直运动成果是限制高效利用地壳垂直运动研究地震活动的最大障碍.本研究仅基于形变数据，技术手段较单一，如果能融合流动地磁、相对重力、地电阻率、地应力等手段并实现同网、同场观测，则能更全面地研究孕震发震机理，提高地震科学研究水平.
致谢 感谢中国地震局第一监测中心、中国地震局第二监测中心的野外监测队员获得的宝贵观测数据和薄万举研究员、陈聚忠研究员给予本研究精细指导.| [] | Bo W J, Hu X K, Dong Y H, et al. 2010. On methods of crust deformation analysis of medium-small area by using displacement velocity data of GPS stations[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics (in Chinese), 30(3): 31–34. |
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