黄庄高丽营断层的分段性

黄庄高丽营断层的分段性

0黄庄—引言在北京的地质构造中，北京位于阴山东西复杂的构造带的南缘，太行山和华北平原上许多nn方向的构造的交汇处。结构复杂，新世纪以来，不同方向的构造活动不同。然而,就规模和活动性强度而言,NNE向的黄庄—高丽营断层最为突出。北京地区是我国地震防灾的重点地区,近年来黄庄—高丽营断层与南口—孙河断层的交汇地带小震频繁,引起了人们的广泛关注。黄庄—高丽营断层纵贯北京地区中部,北起怀柔附近,南至河北省的涞水,长达140km,走向N20～30°E,倾向SE,倾角49°～68°(图1)。第三纪控制了北京凹陷的西部边界。此断裂大多呈隐伏状,但在卫星影像图中有明显的反映,国家地震局地质所用地震转换波法探测表明,该断裂深部切穿莫霍面。活断层研究是地震预测预报的重要内容,而断层活动性的定量研究又是提高地震预报准确性的关键问题之一。目前,在国内外活断层的定量研究中,最常用的方法之一是活断层探槽开挖的方法,这种方法对于出露地表或埋藏较浅的活断层研究效果较好,而对隐伏活断层的研究就有些困难。本文用分形几何理论,研究黄庄—高丽营断层的分段性。并根据地质、地貌、地球物理、地形变测量和地震等新资料进行验证。1地震活动地区几何结构的研究分形几何方法是分析研究断层破裂几何结构的方法之一,可以定量地衡量各断层或断层各段几何结构复杂程度的差异,并可与构造活动性的强弱、构造发育的阶段及地震活动的特点和趋势相联系,进而评定各断层或断层各段构造活动性的强弱及地震活动性,从而确定潜在地震段。1.1断层资料选取用国家地震局地震地质大队1984年编制的《北京地区活动断裂和地震震中分布图》(1∶10万)作为断层资料,黄庄—高丽营断裂带宽度取10km。根据地质构造条件、地形地貌特征、几何结构特征等先将断裂带划分为10个自然段落:A～J(图2)。1.2含断层网格的nis-roi线性关系引用高安秀树(1989)所提出的粗视化网格法计算断裂系的分数维。采用的网格的尺度ri(i=1,2,…11)及其对应的包含断层格子的总数Ni列在表1中。分别用最小二乘法拟合出ri和Ni(ri)线性关系式:lgN(r)=A-Dlgr(1)其中,N(r)是边长为r的网格中包含断层的格子总数,D为断层的分数维。各段落A和D的值列于表1中,各相关系r基本都大于98%,可信度都大于95%。1.3新世以来各段的活动特征根据计算的结果(表1),把断层分为以下三段:A、B、C、D四个自然段落合并为第Ⅰ段,E、F、G合并为第Ⅱ段,H、I、J作为第Ⅲ段(图2)。第Ⅰ段(涞水—郭家坟),走向NNE—NS,倾向NE—E,中更新世以来没有活动迹象;第Ⅱ段(晓幼营—立水桥),走向NNE—NEE,倾向NE,长约44km,中更新世到晚更新世晚期有活动;第Ⅲ段(北七家—怀柔),走向NNE,倾向NE,长约42km,地表基本没有地质露头,由地质、地貌分析该段全新世仍有活动。从地质、地貌特征来看,第Ⅰ段和第Ⅱ段的分段标志是:①断层走向发生变化,由N20°E变为N30°E;②南部涿县凹陷和北部丰台凹陷交界处的良乡凸起。第Ⅱ段和第Ⅲ段的分段标志是:①NW向的南口—孙河断层;②丰台凹陷北部的来广营凸起与顺义凹陷交界处(图1)。分别计算合并后各段的ri、Ni及A和D值,列于表1中。表中还给出了整个断裂带的值。2断裂带分段变化的特点研究表明,重力、磁力、电性结构和地壳厚度变化等沿断裂带走向也呈现分段变化的特点。为了验证根据分形几何特征进行的上述分段方案的合理性,特从以下几个方面讨论:2.1高庄—重力场的变化重力异常是地壳、上地幔物质密度变化及其构造特征的反映。根据1984年至1992年上半年的重力测量资料绘制的各点值变化情况平面图(图3)表明,高庄—高丽营断层东北段重力值减小,西南段重力值增加。第Ⅰ段绝大部分为正值,从北到南重力值递增,由0以下增加到20×10-8m/s2以上;第二段全部为负值,中部最低,向南北两端都递增;第Ⅲ段变化范围较小,大多在-20×10-8m/s2左右。2.2ws—磁异常特征根据国家地震局地质所和分析预报中心的资料(1986),做出了沿黄庄—高丽营断层走向(WS—NE)的磁异常分布图(图4a)。断层第Ⅰ段是正磁异常区,变化范围较小;第Ⅱ段是一片磁场变化较大,并以正异常为主的地区;第Ⅲ段是变化范围较小的负磁异常区。表明第Ⅱ段上地壳构造较Ⅰ、Ⅲ段复杂。这与第Ⅱ段较大的D值所反映的该段断层结构复杂相一致。2.3高导层与低频层根据国家地震局地质研究所和分析预报中心(1986)资料简化而成的北京地区编制的地壳厚度及上地幔高导层深度图(图5,上地幔高导层相当于低速层),虽然高导层深度和地壳厚度等值线延伸方向与断层走向基本一致,各段的特征也稍有差别:第Ⅰ段高导层深度较均匀,在77km左右,地壳厚度约33～33.5km;第Ⅱ段中部高导层埋深稍浅,即高导低速层有隆起现象,地壳厚度约33.5～34km;第Ⅲ段从南到北高导层埋藏逐渐变深,地壳厚度34～36km。第Ⅱ段的高导低速层隆起现象也和该段分数维较大相一致。3地形变的测量运动学特征指断层上下盘垂直或水平相对运动时的表现。活动构造的活动速度往往很缓慢,所以必须使用精密仪器进行探测。通常用精密水准测量和三角网测量来观测较大范围内的地形变,以了解现今构造的活动状况及区域应力场;用断层微量位移测量和短水准测量来观测活动断裂带或某一测点的地形变,从而掌握活动断裂带的活动强度和方式。3.1地壳变形速率北京地区的一等精密水准测量工作大体从50年代开始,精度较高。资料比较完整的大体是从邢台地震前后开始的。图4b是根据北京地区地壳形变速率资料所作的沿黄庄—高丽营断层走向(WS—NE)的地壳形变速率图。图中显示,第Ⅰ段以隆起为主,速率为3～4mm/a;第Ⅱ段只WS端隆起,主要部分为沉降带,沉降速度最大区超过了5mm/a;第Ⅲ段南部有少量沉降带,沉降速度在3mm/a以下,北部为隆起区,隆起速度为1mm/a。对比图4a和4b,不难看出,形变异常和磁异常类似。3.2断层活动速率许多学者曾对首都圈跨断层大地测量资料进行过系统分析和研究。图4c是根据与黄庄—高丽营断层有关的断层位移测量部分资料绘制的断层活动速率分布图。图中显示,第Ⅱ段断层活动强度最大,这进一步验证了分数维大小与构造活动性强弱关系非常密切,分数维较大的段,构造活动性也较强。3.3桃山点和断层第段有限元数值计算和断层位移资料的研究表明,目前黄庄—高丽营断层所处的北京凹陷目前的主压应力方向为NE,断层在上万点(第Ⅱ段南部)目前活动方式为顺扭、挤压;而在桃山点(位于断层第Ⅲ段)目前活动方式为拉张。可见,受南口—孙河断裂的切割,断层活动方式表现出分段性。河流对地壳运动具有敏感的反应,与其它地貌现象相比,它反映的时代较新,能反映现代构造运动的特征。水系对于断层的水平扭动作用很敏感,经对通过黄庄—高丽营断层的河流形态分析,断层不同段落的新构造运动方式不同:第Ⅰ段断层右旋为主;第Ⅱ段断层左旋为主;第Ⅲ段断层右旋为主(图2)。4注重沿黄庄—地震活动性特征各段断层分数维不同,其对应的构造活动性强弱不同,地震活动的水平也不同。分数维大的段,地震频次应该较高,强度也应该更大。地震分布与断裂的关系上呈现分段表现,是活动断裂的基本动力学特征。根据对1970年以来的现代微震活动分析,沿黄庄—高丽营断层或在其附近发生的2.0级以上地震,大部分集中在第Ⅱ段。据统计,截止到1997年底,发生在断裂带及其附近的434级以上地震共9次,具体分布如下:第Ⅰ段,2次;第Ⅱ段,5次;第Ⅲ段2次。有史料记载以来,沿黄庄—高丽营断层及其附近所发生的最大震级的地震是1730年9月30日在温泉附近的612级地震,发生在小汤山—东北旺断裂上(位于断层第Ⅱ段);其次是1658年2月3日的涞水6级地震(位于断层第Ⅰ段);断层第Ⅲ段迄今尚未发生过6级以上地震。从上述分析不难看出,地震活动性与断层分数维有较好的对应,分数维较大的第Ⅱ段,地震频次较高,强度较大;而分数维较小的第Ⅰ段和第Ⅲ段地震相对频度较低,强度也较弱。5黄庄—结论根据对黄庄—高丽营断层的分形几何特征、地球物理特征、运动学特征和地震活动性特征的分析,得出如下认识:1.黄庄—高丽营断层活动具分段性,不同段