采用连续曲率张力样条法将计算得到的地壳垂直形变速率值进行网格化处理,同时为提高计算效率,利用Boxcar卷积滤波器进行平滑处理,获取研究区地壳垂直形变演化特征及梯度变化(张祖胜等,1996; 谢觉民,张祖胜,1997; 宋海平等,2011)。华北北部地区地壳垂直形变演化如图2所示。其中北京东南部天津—保定一带存在强下沉区,下沉年变速率较大,主要是受非构造因素影响,所以不对这一区域进行形变、构造运动分析。

图2a显示,研究区1985—2000年地壳垂直形变特征以太行山山前构造带为界上升与下沉区较为明显,西部主要以上升为主,速率为0～4.5 mm/a,东部为强下沉区,最大下沉速率达20.7 mm/a,主要集中在北京、天津及沙河桥附近。东北部半壁山—高丽铺—唐山一带呈现0～1.5 mm/a的小幅隆升。岱海断陷带东部与北部、山西断陷带北部的呼和浩特—集宁—丰镇一带出现0～2 mm/a的下沉,而其他地区包括太行山断块均呈隆升趋势,自北往南上升速率逐步增大。总体来看下沉区域主要集中在盆地,除强下沉区外,区域总体形变特征与近代构造运动特征较为一致,表现为继承性运动(应绍奋,1992; 王若柏,1995; 刘经南等,2002)。

图2b显示,研究区2000—2005年地壳垂直形变特征与上期相比总体趋势较为一致,太行山山前构造带以西区域为隆升,最大速率约为6.3 mm/a,但下花园—化稍营、高碑店—北京—密云一带呈现下沉趋势,而这2个区域恰好是NNE向的延庆—怀来构造带、怀柔—北京—涿县构造带与NWW向的张渤构造带的交错位置(张祖胜等,1981; 韩月萍等,2010; 张四新,张希,2012; 苏建锋,薄万举,2016),表明了这个时期内这3个构造带活动明显。研究区西部形变特征变化较大,岱海断陷带东北部及山西断陷带北部由微沉变为上升,而大同盆地、忻定盆地北部出现较大的下沉,下沉速率最大达7.5 mm/a,太行山断块仍以隆升为主,但上升速率有所减小,约为2 mm/a。

图2c显示,研究区2005—2015年地壳垂直形变在继承前期特征的基础上主要变化体现在量值上,尤其是上升区域年速率明显增大,鄂尔多斯断块东缘、太行山断块上升速率约为1～8 mm/a,研究区东部的唐山断裂、滦县—乐亭断裂也有2 mm/a的小幅下沉。延庆—怀柔构造带与张渤构造带均呈下沉趋势,但速率不大,约为0～3 mm/a。主要下沉区集中在山西断陷带,包括呼包盆地、大同盆地和太原盆地。

1985—2015年,由于间隔时间较长,公共测点数量相对较少,图2d显示30年内研究区地壳垂直运动较为平稳,以继承性运动为主,但该时期的不同时间段内存在小幅波动的运动特征。延庆—怀来构造带与张渤构造带交叉地带是形变较为复杂的区域,这也说明这段时间内相应的断层构造较为活跃。少部分下沉区分布在盆地附近,主要有呼包盆地、大同盆地、太行山断块北段与张渤构造带交界地区。

图2 华北北部地区不同时期地壳垂直形变等值线图
Fig.2 Contour line of crustal vertical deformation in the northern area of North China in different period

丰镇—大同—涞源水准剖面自北向南穿过口泉断裂、六棱山北麓断裂和太白山山前断裂等。口泉断裂展布在大同盆地的西侧,NNE走向,SE倾向,断层性质为右旋走滑,其西侧为口泉山脉,东侧为大同盆地。图3显示,1985—2015年各个时期口泉断裂上下盘断层相对形变速率分别为-0.5,0.13,-0.03 mm/a,说明这个时期内口泉断裂活跃度较低。六棱山北麓断裂为正断层,走向NEE—NE,倾向NNW—NW,各时期上下盘形变相对速率分别为0.25,-1.4,-5.4 mm/a,该断裂由弱压性变为张性活动,且近期活动速率有增大趋势。太白山山前断裂为正断层,走向NEE,倾向NW,各时期断层两侧速率差分别为-0.8,0.04,0.24 mm/a,速率变化不大,表明该断裂处于

图3 丰镇—大同—涞源水准剖面地壳垂直形变速率变化图
Fig.3 Crustal vertical deformation rate of the Feng-zhen-Datong-Laiyuan water leveling profile

图4 张家口—下花园—延庆水准剖面地壳垂直形变速率变化图
Fig.4 Vertical deformation rate of the Zhangjiakou-Xiahuayuan-Yanqing profile

一定的闭锁状态。

张家口—下花园—延庆水准剖面自西向东分别跨越了怀涿盆地北缘断裂、延矾盆地北缘断裂等。怀涿盆地北缘断裂倾向为SE,为正断层,计算该断裂两侧20 km内测点形变量,如图4所示。从图中可看出,1985—2015年各时间段上盘相对于下盘形变速率均表现为张性活动。延矾盆地北缘断裂倾向为SE,活动性质为正断层,上盘相对于下盘形变总体上也以张性活动为主。该剖面2条断裂近年活动特征与正断层的性质相符,可以看出张家口—下花园—延庆水准剖面的垂向形变以继承性运动为主。

基于跨断层短水准资料,以起始年观测数据为基准,将每年各个月份观测值减去基准年对应月份的数值,计算垂直形变累积量及速率,这样可以消除季节、气象变化等引起的年周变影响。华北北部地区的跨断层场地及台站主要分布在首都圈地区的张家口—渤海构造带西部及山西断陷带中北段,故分别对这2个区域跨断层数据处理分析。

图5给出了张家口—渤海构造带部分跨断层场地垂直形变累积活动量变化曲线。大灰厂、京西测点跨越八宝山断裂,密云测点跨越二甲峪—密云断裂,数据显示这2条断裂均从相对平稳状态转向压性活动,尤其是从1992年后,大灰厂测点垂直活动速率明显加大,直至2005年变化幅度逐步减缓; 其他测点监测的相应断裂活动均为张性运动,而且大多数从1990年左右开始,断层的活动性明显加强。

山西断陷带中北段测点垂直形变累积量变化如图6所示,结果显示各个场地及台站监测断裂活动性一致,均表现为张性正断层活动,且活动量逐年增加,涉及的断裂主要有系舟山北麓断裂、

图5 张家口—渤海构造带部分跨断层场地垂直形变累积活动量及速率
Fig.5 Cumulative activity and rate of the vertical deformation for some cross-fault sites in the Zhangjiakou-Bohai tectonic belt

图6 山西断陷带中北段部分跨断层场地垂直形变累积活动量
Fig.6 Cumulative activity of the vertical deformation for some cross-fault sites in the middle northern part of the Shanxi fault zone

图7展示了研究区1985—2015年的垂直形变梯度与M_S≥5.5地震的对应关系。地震目录统计显示,1985—2015年该地区发生M_S≥5.5地震10余次。除强下沉区外,高梯度分布区主要有5个,分别是太行山断块北部的张家口—下花园—岔道、北京—密云、高丽铺—唐山,岱海盆地西部的呼和浩特—和林格尔、山西断陷带的大同—山阴—阳明堡。

1989年10月18日大同M_S6.1地震与1998年1月10日张北M_S6.2地震均发生在高梯度带附近区域。大同所处的山西断陷带一直是中小地震活跃区,主要分布有口泉断裂、六棱山北麓断裂等,1985—2000年丰镇—大同—山阴形变表现出下沉趋势,从2000年开始下沉趋势明显增大,高梯度区也向大同东南方向扩大,剖面结果显示六棱山北麓断裂由1985—2000年的弱压性(0.25 mm/a)到张性活动(-1.4 mm/a)。2004年1月20日,河北滦县附近发生M_S5.0地震,这一带育有滦县—乐亭断裂、唐山断裂等,滦县周边地区呈弱上升趋势,而从唐山到滦县是等值线变化的交界区,由下降变为上升,也位于高梯度范围内。2006年7月4日文安发生M_S5.0地震,该区域恰好处于张家口—渤海构造带与太行山断块交会地带,怀涿盆地北缘断裂和延矾盆地北缘断裂西南端,断裂发育丰富,1985—2005年文安地区相对周边形变特征均表现为下沉,且延矾盆地北缘断裂活动由0.1 mm/a的弱压性活动变为-0.9 mm/a的张性运动,断层活动性质变化明显,同时文安地区也是形变速率高梯度带集中的一个重要区域。

图7 1985—2015年垂直形变梯度与MS≥5.5地震分布
Fig.7 Vertical deformation gradient and MS≥5.5 earthquake distribution from 1985 to 2015