山西黃莊高麗營、八寶山斷層活動性分析

黃莊-高麗營斷層活動方式黃莊-高立營斷層和八寶山斷層位于北京凹陷和北京西部海拔地區(qū)。這是控制北京塌陷的西醫(yī)邊界斷裂。黃莊-高麗營斷層南自淶水,向北東經(jīng)曉幼營、大灰廠、黃莊與南口-孫河斷層交切后繼續(xù)北延,經(jīng)高麗營東至懷柔廟城一帶,全長131km;八寶山斷層與黃莊-高麗營斷層近于平行,由淶水向北東方向經(jīng)曉幼營、大灰廠抵八寶山之后隱伏于北京平原,全長80km。兩條斷層第四紀都有活動,黃莊-高麗營斷層活動強烈,中更新世以至全新世仍有活動,八寶山斷層活動相對較弱。斷層傾向均為東南,。跨斷層形變測量得到的結(jié)果,可能是斷層的蠕動,也可能是斷層兩側(cè)的應(yīng)變變化。跨斷層測量成果是無法區(qū)分上述兩種情況的。當(dāng)斷層兩側(cè)存在應(yīng)變積累時,跨斷層形變測量及重力、地磁應(yīng)有相呼應(yīng)的同步變化,其變化應(yīng)具有一致性。因此,用多種手段對斷層進行監(jiān)測,綜合分析其變化,有助于判斷斷層活動性質(zhì)。有的學(xué)者曾對這兩條斷層的活動性進行過廣泛的研究,,認為黃莊-高麗營斷層活動方式以粘滑為主,兼少量穩(wěn)滑;八寶山斷層活動方式為兼有粘滑和穩(wěn)滑。筆者曾于1997年分析了控制這兩條斷層的形變、重力及地磁同步、共點觀測資料,認為八寶山斷層中段目前處于蠕動或曠動的狀態(tài)。為討論方便,本文以與這兩條斷層相交的南口-孫河斷層、永定河斷層及良鄉(xiāng)斷層將這兩條斷層分為北段、中北段、中南段及南段四段。綜合分析控制黃莊-高麗營斷層、八寶山斷層活動性的形變、重力及地磁資料,并對其活動性提出一些看法。1數(shù)據(jù)總結(jié)1.1流動利用基基承載力控制斷層活動的形變測點共有6處(圖1a,表1)。水準(zhǔn)測量精度約0.35mm/km,基線測量精度約為2×10-6,短邊測距精度約為0.5×10-6。流動水準(zhǔn)及基線大多每月觀測一次,短邊測距每半年觀測一次。桃山水準(zhǔn)、試驗場水準(zhǔn)及曉幼營短邊測距測線較長,其余3處測線長僅數(shù)十米。1.2廠-鄉(xiāng)賢及東南角斷層兩側(cè)的重力段差,在斷層北段有密云-懷柔、小湯山-順義,中北段有八寶山-大灰廠,中南段有試驗場、大灰廠-良鄉(xiāng)及良鄉(xiāng)-房山,南段有張坊-長溝及易縣-淶水(圖1b)。測點距斷層大多為數(shù)百米至一、二十公里;試驗場重力為由22個測點組成的標(biāo)石陣,近的測點距斷層數(shù)米。段差精度約10×10-8m/s2。段差值是在觀測北京重力大網(wǎng)及小網(wǎng)時得到的,1984年開始觀測(試驗場重力1993年開始觀測),小網(wǎng)每年觀測4期,大網(wǎng)每年觀測1期。1.3縣-婦人地區(qū)斷層兩側(cè)地磁測點的地磁差值是由通化后的點值計算得到的。北段有小湯山-順義,中南段有試驗場F-D,南段有房山-涿縣及易縣-涿縣(圖1c)。測點距斷層大多為數(shù)公里至二、三十公里;試驗場地磁測點距斷層數(shù)十米至近百米。資料從1986年開始(試驗場地磁1993年開始觀測)。每年觀測4期,精度約3nT。上述成果大多由綜合觀測中心觀測。桃山、大灰廠、八寶山及上萬形變測點先后由地殼所及北京市地震局觀測。成果符合觀測規(guī)范要求,連續(xù)可靠,均排除了外界條件變化所帶來的干擾。2觀測斷層活動的結(jié)果2.1跨斷層變形特點桃山水準(zhǔn):1982～1984年曾出現(xiàn)斷層張性活動,1985～1998年水準(zhǔn)變化不大,1999年初出現(xiàn)大幅度的異常變化,至2001年底累積異常幅值已達9mm。八寶山基線、水準(zhǔn):自觀測以來斷層呈壓性順扭活動趨勢。1999年斷層開始出現(xiàn)反扭活動,直交水準(zhǔn)同期顯示斷層呈張性活動,2001年變化減緩。試驗場水準(zhǔn):黃莊-高麗營斷層北側(cè)10號測點與八寶山斷層南側(cè)13號測點之間的高差,1999年開始出現(xiàn)10號點相對13號點升高的持續(xù)變化,反映這兩條斷層之間的塊體呈壓性變化,2001年6月累積異常幅值達到7mm并開始轉(zhuǎn)折。大灰廠基線:大同地震前出現(xiàn)斷層順扭異常活動,大同地震后總體呈壓性反扭趨勢,在曲線波動下降過程中發(fā)生張北地震。震后持續(xù)順扭,2001年以來變化速率減緩。曉幼營測距:1988年斷層出現(xiàn)顯著的壓性反扭活動,1997年初反向為張性順扭,幅值累積達7～8mm。2000年以來變化不大。京西試驗場測距:自1999年初至2000年底處于壓縮趨勢,幅值達6×10-6。這一變化與流動水準(zhǔn)觀測獲得的兩條斷層之間的塊體呈受壓狀態(tài)的結(jié)果是一致的。上萬基線、水準(zhǔn):觀測以來呈比較穩(wěn)定的順扭活動,變化速率較緩。跨斷層形變的特點是:變化幅度大;空間分布上中段變化大、南端無明顯變化;同一段變化具有相對的統(tǒng)一性。大同地震后斷層中南段出現(xiàn)了持續(xù)大幅度變化,成為黃莊-高麗營斷層、八寶山斷層活動的重要特點,這一變化在張北地震后仍持續(xù)了一段時間,近年變化趨緩。2.2重力段變化特征北段懷柔-密云重力段差在張北地震后出現(xiàn)30×10-8m/s2的持續(xù)下降;小湯山-順義重力段差在觀測期間呈現(xiàn)持續(xù)下降,速率比較穩(wěn)定,1993～1996年初出現(xiàn)幅值為50×10-8m/s2的異常變化,異常恢復(fù)后2年發(fā)生張北地震(圖3)。其他測段變化不顯著。上述重力測點距斷層比較遠,持續(xù)時間較長,為趨勢性變化。變化比較突出的是在測點距斷層較近的試驗場觀測場地上(圖4)。黃莊-高麗營斷層兩側(cè)重力段差在張北地震前2個月觀測到60×10-8m/s2的異常變化,震后恢復(fù),這一變化主要分布在靠近黃莊-高麗營斷層斷面兩側(cè)4號與6號測點之間幾十米的地段,這是震前觀測到的可靠的重力短期前兆。張北地震前兩年靠近八寶山斷層兩側(cè)的17、18號測點幾十米的地段重力段差值持續(xù)下降70×10-8m/s2,震后該段重力段差變化不大。張北地震后距八寶山斷層較遠的13號與22號測點之間的重力測段及兩條斷層之間13號與10號測點之間重力段差分別持續(xù)上升45×10-8m/s2及25×10-8m/s2,總計上升70×10-8m/s2。這一重力變化的空間分布有著斷層活動的深層次的原因。2.3斷層外側(cè)地磁差值分析大同地震后小湯山-順義地磁差值曾出現(xiàn)持續(xù)2年的下降,幅值近10nT;房山-涿縣地磁差值持續(xù)下降,年速率大致在0.5nT/a,速率也較低。張北地震后小湯山-順義、房山-涿縣及易縣-涿縣地磁差值均出現(xiàn)趨勢上升,幅值在4～8nT(圖5)。試驗場兩條斷層外側(cè)地磁總體呈上升變化,幅值在7nT左右,年速率為0.9nT/a;其中黃莊-高麗營斷層兩側(cè)地磁差值持續(xù)上升,八寶山斷層兩側(cè)地磁差值持續(xù)下降,顯示兩條斷層之間塊體的地磁值處于升高的狀態(tài)(圖6)。3斷層重力及地磁變化與應(yīng)力場及斷層—討論與結(jié)論(1)斷層活動以中南段最為顯著,并存在向北擴展的趨勢。中南段垂直及水平形變已達厘米級。斷層兩側(cè)重力、地磁變化也比較顯著:黃莊-高麗營斷層兩側(cè)的重力段差在張北地震前變化60×10-8m/s2,八寶山斷層兩側(cè)重力段差震前累計下降70×10-8m/s2;試驗場兩條斷層外側(cè)地磁差值以0.9nT/a的速率上升。斷層南段活動比較弱。1999年開始北段桃山水準(zhǔn)監(jiān)測到斷層呈加速張性活動,懷柔-密云重力段差持續(xù)下降30×10-8m/s2,小湯山-順義地磁差值趨勢上升4～8nT。斷層活動似有從南向北擴展的趨勢。(2)斷層活動與強震活動密切相關(guān)。1987年前斷層活動不顯著,大同地震前2年大灰廠基線開始出現(xiàn)斷層異常活動,震后斷層呈反向趨勢變化,并隨著地震的衰減斷層活動速率逐漸趨緩。張北地震前2年八寶山斷層兩側(cè)出現(xiàn)的重力段差變化在震后停止;黃莊-高麗營斷層兩側(cè)重力段差僅在張北地震前2個月出現(xiàn)短期變化,并在震后即恢復(fù);懷柔-密云重力段差在張北地震后出現(xiàn)持續(xù)下降。張北地震后小湯山-順義、房山-涿縣及易縣-涿縣地磁差值出現(xiàn)趨勢上升。斷層兩側(cè)形變、重力及地磁變化,在時間上大多與兩次地震的發(fā)生有關(guān),有的在兩次地震前后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。兩條斷層所在地段是地震活動引起應(yīng)力場變化的敏感地區(qū)。(3)黃莊-高麗營斷層與八寶山斷層之間的塊體,在斷層活動中具有特殊性,為一壓性變化的區(qū)域。位于黃莊-高麗營斷層與八寶山斷層之間的水準(zhǔn)測線,1999年上半年開始出現(xiàn)反映兩條斷層之間的塊體呈壓性的持續(xù)變化,同一地點的測距結(jié)果也顯示了同一現(xiàn)象;張北地震后試驗場出現(xiàn)重力上升的趨勢變化,是由八寶山斷層及兩斷層之間塊體的重力值升高引起的;試驗場地磁空間變化顯示,斷層之間塊體的地磁值持續(xù)升高,也反映了這一地塊處于持續(xù)壓縮的狀態(tài)。這兩條斷層為鏟式正斷層,其斷面呈“Y”形相交,斷層之間的塊體為“無根”的塊體,這種結(jié)構(gòu)是形成這一變化的構(gòu)造背景。(4)黃莊-高麗營斷層與八寶山斷層為大同及張北地震后應(yīng)力轉(zhuǎn)移集中的地區(qū),轉(zhuǎn)移集中的應(yīng)力可能以斷層蠕動的形式得到緩慢釋放。近年國內(nèi)外學(xué)者曾研究了大地震誘發(fā)的靜應(yīng)力場變化,這種變化引起震源區(qū)附近一定范圍內(nèi)應(yīng)力的轉(zhuǎn)移及調(diào)整,因此大地震不僅觸發(fā)震源區(qū)附近的余震活動,而且可以影響到一定范圍內(nèi)另一次強震的發(fā)生,或使某一斷層的地震危險性得到緩解。轉(zhuǎn)移集中的應(yīng)力,可以以地震的形式集中釋放,也可以以慢地震或斷層蠕動的形式緩慢釋放。對斷層的多年監(jiān)測顯示,強震發(fā)生后不少形變臺點出現(xiàn)較震前幅度更大、持續(xù)時間更長的異常變化,但在異常測點附近并沒有強震發(fā)生。這一現(xiàn)象在我國華北及西南地區(qū)都觀測到。這一事實表明,存在有以斷層蠕動的形式緩慢釋放強震后轉(zhuǎn)移集中應(yīng)力的可能。黃莊-高麗營斷層與八寶山斷層在大同地震前后開始出現(xiàn)顯著活動,并在兩次地震后斷層活動持續(xù)發(fā)展,表明強震發(fā)生后應(yīng)力轉(zhuǎn)移集中到了這一地區(qū),但轉(zhuǎn)移集中的部分應(yīng)力可能以斷層蠕動的形式得到了緩慢釋放。由上述分析可以看出,斷層形變及斷層兩測重力、地磁變化具有一定的協(xié)調(diào)性:在變化的空間分布上斷層的中南段變化均最為顯著;在變化時間上均與強震的發(fā)生密切相關(guān);3種測項的變化均反映了兩條斷層之間的塊體處于持續(xù)壓縮的狀態(tài)。但由于除試驗場水準(zhǔn)與重力、測距與地磁為共點準(zhǔn)同步觀測外,其余各處各測項均為單獨布設(shè),復(fù)測的時間間隔不一致,觀測時間不同步,因此形變與重、磁的變化在時間及幅度上存在一定差異,對從變化的機理上進行進一步深入研究帶來一定困難。綜上所述,筆者得到如下結(jié)論:黃莊-高麗營斷層及八寶山斷層的活動,以永定河斷層與良鄉(xiāng)斷層之