北京城市环境同世界上其他大城市（Keller，1981，1988；Hansen，1982；Frederick，1975）一样存在着日益加深的潜在危机，越来越引起人们关注。地壳环境不仅是地球环境的重要组成部分，而且也是城市环境地质的重要研究课题之一。通过对北京西山上升（郭旭东等，1993）和新构造运动（郭旭东等，1995）的继续研究。把传统的新构造运动研究与地壳垂直形变及跨断层短水准监测研究相结合，探索出综合定量分析北京城市未来发展中地壳环境潜在危机的方法，为今后首都地震预报及地质灾害防治提供了科学依据。
一、北京地区大地构造的基本格局
北京地区在大地构造上属于华北断块的中部——燕山隆起带西段和太行山隆起带北段的转折部位。在以往漫长的地质历史中，曾发生过多次强烈的造山运动，尤以中生代的燕山运动最为剧烈。喜马拉雅构造期，新构造运动也极为强烈。它不仅表现在明显的差异性升降运动上，而且也表现在水平错动和构造回返上，使第三纪夷平面系列逐渐解体。西山期构造运动又继承了第三纪的差异性升降运动、断裂运动及水平运动，使北京山区不断上升，平原区继续下沉，形成现今的由一系列北东向隆起与坳陷和被北西向断层分割的小断块所组成的构造格局。北京地区多组构造线主要为北北东向、北东向、北西向及东西向，其中北东向和北西向断裂是控制性构造。目前它们大多属活断层，如八宝山断层、南口山前断层、施庄断层及通县—大兴断层等。
二、若干观测站断层剖面的新观察
为了进一步了解北京城市发展中地壳环境动态变化的趋势，我们较长时间观测纪录了施庄、南口山前、沿河城、张山营、张家台、八宝山、大灰厂、密云、燕家台、墙子路、南口和德胜口等12个观测站的断层剖面。前8个断层剖面的观察结果，具有如下特征。
1.施庄断裂
该断裂位于施庄村北侧，是一条左旋压扭性逆断层。断层南侧为震旦纪硅质灰岩，北侧为早更新世黄土状土。断层走向为NW 326°，倾角为80°，断距最大达20 m。断层面保存较好。断层擦痕有3组：走向NE 55°，倾角38°；走向NW 315°，倾角65°；走向NW 305°，倾角25°。第四纪时期，该断层有过3次活动，目前仍有活动（详见前述）。
2.南口山前断裂
该断裂位于南口村河谷东岸，属逆断层。断层北侧为震旦纪白云质灰岩和硅质灰岩（Z1），南侧为晚更新世砂砾层。断层破碎带宽约5~10 m，断层面和断层角砾岩保存较好。断层走向为NE 50°，倾角39°，断距5~6 m。断层时代为晚更新世，即53.00±0.43 ka B。P。，目前系一条活断层。
3.沿河城断裂
沿河城断裂位于沿河城乡西约2 km处，属正断层。断层北侧为震旦纪（Z4）硅质灰岩和白云岩，南侧为侏罗纪（J3）火山岩、辉绿岩和晚更新世砂砾层。由于晚更新世期间断层下盘上升，使其中砂砾层高度比永定河第二级阶地的一般高度要高大约30 m。其地质年龄为70.82±0.65 ka B。P。。断层走向为NE50°，倾角为70°~80°，长约30km，是一条较新的活断层。
4.张山营断裂
该断裂位于张山营村西北约3 km的山麓地带，属正断层。断层北侧为震旦纪雾迷山组（Zw5）白云岩和白云质灰岩，西南侧为太古界（Ar15）黑云母角闪片岩。断层走向为NW320°，倾向E，倾角60°，长13 km。断层破碎带宽约10 m。
5.张家台断裂
该断裂位于大城子乡张家台测站，属于逆断层。断层东南侧为太古界（Ar15）片麻岩。断层走向为NE30°，倾向NW，倾角60°，长22 km。断层破碎带宽约5~10 m。
6.八宝山断裂
该断裂位于北京八宝山东侧，属逆断层。断层东侧为震旦纪黑色硅质灰岩，西侧为二叠纪红庙岭组石英砂岩。断层近期仍有活动，其中有的小断层穿过现代红土风化壳。断层走向为NE70°，倾向SE，倾角40°。由于该断层目前仍在活动，造成观测站地下室墙壁和地板发生多处严重的破裂现象。其中墙壁上水平裂缝有的长2 m，一组扭裂面长1~1.5 m，宽0.5 cm；地板上有条裂缝长约4~5m。据地壳蠕变仪测定，八宝山断层近期仍有长趋势活动。
7.大灰厂断裂
该断裂位于大灰厂断层活动观测站，属正断层。断层东侧为震旦纪（Z25）白云岩和白云岩质灰岩，西侧为太古界灰绿色板岩和片岩（Arj）。断层破碎带宽约12 m，主要为灰绿色断层泥。断层走向为NE70°，倾向SE，倾角68°。断层延伸长45 km，断距约4 500 m。由于断层的最新活动，台站房屋亦出现明显的破裂现象。
8.密云断裂
该断裂位于密云县二甲峪村附近，属逆断层。断层北东侧为二叠—三叠纪灰黄色砂岩和页岩，并有辉绿岩和火山岩侵入；西南侧为震旦纪（Z2）灰岩和硅质灰岩。在断裂带有小规模的岩层褶皱现象。该断层亦属于密云—北京—涿县活动断层构造带的组成部分。该断裂带内曾发生过6级以上地震2次，3级以上地震170余次（1988年以前），至于微震活动则更为频繁。
三、地壳垂直形变的区域分布规律
建国以来，北京地区已建有一个全国最完善的具高精度的地壳形变监测网络，积累了大量实际观测资料。为了研究北京地区目前地壳环境动态变化趋势，对1950年以来的大地水准测量数据进行了处理。通过筛选，选择了重合水准点414个，对水准高差在平差前进行了概略计算，并进行了标尺米真长改正和正常水准面不平行改正。水准网平差采用复测水准网的动态平差法，取其重心参考基准为起算基准的伪逆平差（武汉测绘学院大地测量系地震测量教研组，1980）。其中一二等水准点高差权比为1∶0.5，参与平差的高差观测值个数为1，684个。平差结果：单位权中误差为±1.89 mm。其数值偏大是因沉降区多期水准高差改正数较大所致。
取平差计算后水准点的变化速率值，应用计算机自动绘图，绘制了北京地区地壳垂直形变速率图。北京地区近45年来地壳活动有如下特征。
1.西升东降，北升南降
西升东降，北升南降大体上与地形和大地构造的格局相吻合。这反映了现代构造运动的继承性特点。
上升区年均上升速率为1~2 mm，在张家庄、九渡河一带，最大年均上升速率可达3 mm；平原地区年均下沉速率为1~2 mm（城市用水引起的地面下沉量除外）。因此，北京山区相对于平原地区的相对年均上升量可达4 mm左右。2.地面下沉现象严重
在沙河、通县等地出现了多处地面下沉现象，通常都认为是由于过量开采地下水所引起的（胡惠民等，1981）。
我们认为，上述相对的定量分析是可信的，但绝对的定量分析，由于目前尚难找到1个可信的确实不动的水准点作参考而难以推算。综合多年来各种方法的分析结果，表明：北京山区（包括西山和北山）平均年上升速率在2 mm以上。但在过去45年中，有些阶段地壳形变量也还存在异常现象，如据地壳形变资料分析，1966—1978年间，山区最大上升量达18 mm，年均上升量仅为1.5 mm，低于45年来的年均速率。这说明，地壳运动不仅在空间上存在很大的差异性，而且在时间上其运动速率也是不等量的。
四、现代断层活动的新判据
为了监测现代断层时空变化动态，国家地震局第一地形变监测中心和地壳应力研究所等各有关单位，在北京地区各主要断层带上先后设置了近40处观测站点，对断层的活动性进行了长期观测，积累了丰富资料。1993—1994年，对其中13个站点断层剖面进行了观察，并选择其中8个剖面作为研究对象。这8个站点大多拥有最近20多年或10年间的跨断层短水准及短基线观测记录。通过对这些观测资料的系统分析，我们发现这8条断层的最新活动具有一定的周期性。
1.施庄断层曲线具有下列显著特点
（1）施庄断层26年来有频繁的升降活动——脉动。以1年时间为间隔，呈参差不齐的锯齿状分布。其中所含的信息有：①随机噪声；②年变干扰；③地球内部动力变化引起的脉动。这三者性质不同，成分各异，故可通过观测曲线直接对地球内部动力变化及其较长周期的脉动做出分析。
（2）以1969年起始观测高差为0点，在过去26年中大部分时间观测数值反映该断层处于一种趋势性运动中。经分析认为，施庄村以东、以北区域相对以西、以南区域上升，年最大上升量达1.2 mm。
（3）1968—1975年和1988—1991年的两个阶段中，断层呈反向运动，年变化量最大可达0.6 mm。
（4）该曲线反映1971年，1976年，1980年，1984年，1988年和1992年等6年中施庄断层表现出较强的相对活动，曲线出现比其他年份较高的峰值变化，这种现象可能是由于地壳升降运动具有准4年周期变化特征的一种显示。我们用a，b，c，d，e，f，g等字母代表这种周期性变化规律。
2.张家台曲线同施庄曲线相比有显著异同
（1）从总体上看，曲线反映的地壳垂直运动亦较频繁，同施庄有类似不规则锯齿状形态。
（2）在1971年至1988年的大部分时间中突出的峰值变化较少，说明此间断层活动较弱。1989—1993年，曲线上有较多的峰值和低谷，说明张家台断层此时变得较为活动。
（3）在24年中断层活动性有增强趋势，其幅度和频率变化显示出的周期性规律与施庄雷同，但其相对升降的频率和幅度比施庄断层为小。
3.张山营断层短水准观测结果
（1）曲线类似于张家台曲线，呈不规则的锯齿状。
（2）从曲线的峰值与谷值分布的规律看，大体上有两段明显的变动：①自1969—1975年，曲线出现较多低谷，且变化频率亦较高，反映这7年间地壳活动较强；②1976—1987年，曲线上峰与谷的变化较多，最大年变化量达1.2 mm以上。
对上述2条曲线综合分析表明，它们之间似乎有个共同的准4年断层活动周期。从空间分布看，张山营纬度最高，张家台次之，施庄村最低。从图中虚线所显示的规律看，断层的每个活动周期都是从纬度高的地区开始，逐渐地向纬度低的地区扩散。
给出的时间尺度较短的几条跨断层短水准观测曲线表明：德胜口观测曲线在1982—1994年间也有峰值与谷值的显著变化，其年变量最大超过了4 mm，并出现了1983年，1986年，1988年，1990年及1992年等5个突出的峰值。这说明在过去的13年中，地壳仍有5次周期性活动，每个周期的时间间隔为2~4年不等。大灰厂垂直水准曲线则是另一类型，曲线上出现了3个明显的阶梯状上升：1980—1988年，曲线变化幅度不大，并稳定在0点连线以下，少有波动；1988—1992年曲线上升，反映地壳运动开始变得活跃；1992—1994年，曲线突然猛升，较0点高出8.44 mm，属地壳局部性的加速运动，显示地壳运动的特殊性。密云水准连线在1984—1994年间，反映为较突出的升降变化，大体上可分为5个较小的周期，其中最大变化量每年超过3 mm。南口水准曲线在1982—1994年间，除了1988年有突然上升外，一直处于下降状态，年变化幅度亦达3 mm。永乐店测站位于北京平原的东南部，曲线明显为跳跃式的缓慢上升且跳跃频率较高，年变幅干扰较大，但其低频趋势变化所反映的变形量还是可信的。
总之，上述分析表明：
（1）现代地壳活动有一定的周期性和规律性。在较长的形变观测资料中容易捕捉到较长周期的地壳整体性大范围运动的规律性信息。
（2）因地壳结构的复杂性及其各种非均匀性特征，决定了地壳运动在不同的时间域和空间域存在着特殊性，这在多项观测时段较短的形变资料中能较好地体现出来。
五、现代地壳运动的周期性分析
北京地区现代地壳运动具有一定的周期性，我们将地壳运动大体上划分为长周期、中周期、短周期和超短周期4个不同的频谱成分。
1.长周期
以地质和地质年龄资料为证据，长周期一般具有较长时间尺度特征。西山期地壳运动的时间尺度为2.5 Ma，此间地壳运动的主要类型有断裂运动、垂直升降运动和水平振荡运动。其中以垂直升降运动为主，具脉动性质。但每次较大的地壳脉动量在时空分布上显示有非同步和不等量特点。
2.中周期
中周期的时间尺度仅次于长周期。西山期地壳运动可初步划分为12个构造幕。其中10个构造幕（W1~W10）已有报道（郭旭东等，1995），另2个构造幕主要是根据施庄谷上游2个全新世阶地沉积物的地质年龄来确定的。其中高阶地的年龄为6，000 aB。P。；低阶地年龄为2，500 aB。P。。这样北京地区中周期的次数可能达12次（W1~W12）。每个周期的时间尺度变化在0.30~0.50 Ma。在晚更新世期间，中周期的时间尺度大致变化在0.3~0.02 Ma之间，在全新世之间约为2~3 ka。显然，地壳运动周期存在着时空差异。从已掌握的证据看，自早更新世以来，地壳活动越来越频繁，但时间越早，收集可信而完整的地质证据就越困难，即经长期风化作用，某些可供准确测定的证据已经消失，故对中周期地壳运动的早期特征的描述是较为粗略的。
3.短周期
短周期主要指近期地壳运动规律。由于此间已有了精确的仪器和先进的测量方法，因此地壳运动规律性的研究就更详细、更精确和更系统。北京地区自1950年开始进行大地水准测量，自1969年开始进行跨断层短水准和短基线观测，从而进入地壳形变和断层活动性的定量评价研究阶段。这样，短周期时间尺度可以定为45年（1950—1995）。但由于对大地水准测量资料还有待系统整理，故此处暂以跨断层短水准起始观测的年限为准，则短周期时间尺度暂定为26年（1969—1995）。在这26年中，华北地区地壳活动达到45年来的高峰期，相继发生了数次大地震。此外，北京地区断层活动性加强，其升降幅度达0.5~2.7 mm/a。其中以张山营断层的变幅最大，施庄断层其次，而张家台断层变化最小，并具有7次明显的周期性变化。
4.超短周期
这是指通过对跨断层短水准测量资料分析而得出的地壳运动中时间尺度较短的变化成分，对此给出了a，b，c，d，e，f，g等7个超短周期。超短周期的提出和发现，对研究现代地壳运动规律来说是至关重要的，并且不应忽视对这7个超短周期中时间尺度更短的小周期性地壳运动事件的观测和研究，因为它们对地震预报工作可能是非常重要的。北京地区现代地壳运动可能具有以4年为时间尺度的周期性变化规律，这种规律在山区较明显，平原区由于过量开采地下水引起地面下沉的反馈作用而稍为逊色。
六、北京地区首次地震预报
西山期地壳上升运动不仅表现在有明显的周期性，而且其上升速率也是逐渐增加的。其中在2.50~1.00 Ma的早更新世，北京西山上升速率为0.3~0.4 mm/a；在1.0~0.10 Ma的中更新世，其上升速率仅为0.3 mm/a；在0.10~0.012 Ma的晚更新世，其上升速率达到最大值0.82 mm/a；在12，000~2，500年间，其上升速率仅为0.76，mm/a（郭旭东等，1995）。在最近的45年（1950—1995）中，北京山区上升速率平均为1~2，mm/a，最大可达3，mm/a，相对于平原区其上升速率达4mm/a。这说明此间地壳活动是十分明显的。另据张存德资料，在1966—1972年华北大地震期间，即地壳活动高峰期，北京西山最大上升量达20，mm，平均3.6，mm/a。1972—1975年，北京某些地区总升降量达50，mm，平均达12.5，mm/a。这显然说明，地壳形变量在大地震期间，局部地区会有大幅度增加。
应绍奋等（1988）指出，垂直形变反映地壳垂直方向上的上升和下降，它不仅代表了地壳的垂直运动，而且也是各处地壳运动因素综合作用在垂直方向上的结果。地震与地形变速率数值没有绝对的对应关系，而与整体活动背景、构造特点及差异强度等有关。地震多发生在地形变等值线比较密集、上升与下降过渡区及两组等值线转折交汇的部位。北京地区地壳运动的特点是北升南降和西升东降。这不仅与大地构造线和地形变等值线比较密集有关，而且也与上升和下降过渡区的分布特征相一致。这样，从地壳形变等值线区域分布规律上看，北京西山山前地带具有潜在的发震条件；从断层活动性看，北京地区现代断层活动性还是较强的，这已被跨断层短水准测量结果所证实。其中特别是施庄断层、张山营断层及张家台断层等，近30年来具有明显的活动周期。联系到密云二甲峪断层近代有较频繁的地震活动，说明断层带是地震发生的潜在危险区。地震的发生也可能具有一定的周期性，因此加强地壳活动短周期和超短周期的研究对地震预报是很有必要的。在北京地区地震预报中，特别要加强对以4年为时段的超短周期地壳运动规律的研究及对时间尺度更短的地壳活动性的分析。此外，八宝山断层和大灰厂断层目前还有强烈和明显的活动，说明北京地区地震发生的潜在危险还是存在的，必须加强台站观测。薄万举（1991）指出，大地测量资料的研究表明，华北地区存在若干6~7级地震背景区。我们认为北京地区目前的地壳活动是30年来地壳强活动期的继续，近期仍存在着发生5级左右较强烈地震的长趋势。因此，必须要加强超短周期地壳运动规律的综合分析和研究。