跨断层流动形变监测环境及监测技术探讨*

陆明勇 刘天海 黄宝森 李 民 寇建新 房宗绯 张金城 于海生

(中国地震应急搜救中心，北京 100049)

跨断层流动形变监测环境及监测技术探讨*

陆明勇 刘天海 黄宝森 李 民 寇建新 房宗绯 张金城 于海生

(中国地震应急搜救中心，北京 100049)

对首都圈地区跨断层流动形变监测环境的考察发现，某些监测场地中(近20%)存在一定的非地震因素影响。为减少非地震因素的影响，跨断层流动形变水准和基线应该同桩观测;测量仪器应该由具有更高测量精度和稳定性的DiNi电子水准仪代替Ni002光学水准仪，用Di2002甚至TC2003和TCA系列仪器代替传统的24 m基线尺。

首都圈地区;跨断层;流动形变;监测环境;监测技术

1 引言

首都圈地区跨断层流动形变始建于为20世纪60年代，大部分建点观测为20世纪70—80年代。首都圈地区不仅监测场地多，监测周期短而且观测资料时间长，资料价值高，如：1976年唐山地震、1989年大同-阳高地震、1998年张北地震，震前均出现断层明显异常活动变化［1-5］，且断层的水平异常活动较垂直异常活动明显［6］。

首都圈地区跨断层流动形变共有监测场地24处，其中13处为水准监测场地，10处为基线、水准同桩监测场地，1处为基线、水准不同桩监测场;19处的监测桩为基岩端点，5处为土层端点;21处监测场地为每月监测1次(基线监测都为每月监测1次)，3处为每2月监测1次(2处为土层端点);最早监测始于1967年10月，最晚监测为1993年1月。近年来，观测环境发生了很大变化，干扰源显著增多，监测环境变化不仅使监测场地大量减少［7］，首都圈地区跨断层流动形变监测场地在20世纪80年代末时最多达30多处、监测项达100余项，目前只有24处、监测65测项，而且也造成观测数据可信度的降低。而在过去30～40年里，观测仪器也发生了很大的变化，观测仪器不断更新;从最早的光学仪器、手工测量，到现在数字仪器、自动观测以及空间对地观测。

为此，为了客观真实地评价监测环境状况和监测资料质量的可靠性，我们对监测场地进行了实地考察并对考察结果进行了分析;同时对目前地壳形变监测仪器(技术)以及跨断层流动形变监测情况进行了分析，并探讨了跨断层流动形变测量技术的发展趋势。

2 跨断层流动形变监测场地监测环境分析

首都圈地区跨断层流动形变监测场地可分为土层监测场地与基岩监测场地。土层监测场地即监测桩是埋设在土层里，一般分布在人口较多的平原地区，受非地震影响较多;基岩监测场地为监测桩埋设在基岩里，主要分布在人类活动较少的山区。为此，可以根据监测场地类型、监测环境状况等对首都圈地区跨断层流动形变监测场地进行分类，即监测场地为土层点、受干扰因素多的场地为C类;监测场地为基岩点、受干扰因素较多或监测场地为基岩点、受干扰因素较少的场地为B类;监测场地是基岩点、受干扰因素少的场地为A类。

考察发现，影响断层活动信息真实的因素主要有：土层桩、人为因素、汽车活动因素以及降雨、积水等因素。在跨断层流动形变监测场地考察过程中发现，一处场地可能存在多种影响因素。监测场地非地震影响因素共23项，其中11处观测场地存在人为因素影响、占整个24处观测场地的45.83%;其次为土层桩观测场地和汽车因素观测场地均为5处、占20.83%;受降雨、积水等因素影响的场地有2处，占8.33%(表1)。对4种影响因素的进一步分析显示，在受影响的23项场地影响因素中，人为因素影响达11项、占47.83%;土层桩和汽车影响因素均为5项、占21.74%;降雨因素为2项、占8.7%。而对监测场地进行分类分析表明：A类观测场地11处、占45.83%，B类观测场地8处、占33.33%，C类观测场地5处、占20.83%。因此，在分析的24处监测场地中，监测环境不太好的监测场地(C类观测场地)占20.83%，79.19%监测场地(A类和B类观测场地)的监测环境还是比较好的。

表1 非地震因素影响场地分析表Tab.1 Analysis of the sites affected by non-seismic factors

3 跨断层流动形变监测技术

3.1 跨断层流动形变监测仪器(技术)

跨断层流动形变测量分为水平(基线)和垂直(水准)。截至2009年底，全国共有20个省局及直属单位进行跨断层形变场地监测，共有261个监测场地，其中水准有238场地、基线有23场地①大地形变测量技术管理部.2009年度全国跨断层形变场地监测网运行报告［R］.2010.。用于监测垂直形变的水准测量的观测仪器为Ni002系列光学水准仪、DiNi系列电子水准仪;用于水平形变测量的测距(含基线测距)和基线分别采用传统的24米基线尺、Di2002红外测距仪、TC2003测量①。因此，各单位使用仪器不同，一方面老仪器老化现象十分严重、故障率逐年升高、耗材难以购置、仪器维修不便，仪器更新迫在眉睫①;另一方面各种新仪器(技术)不断出现，面临仪器(技术)选用的技术难题。在此，对目前跨断层流动形变测量工作中仪器使用以及一些监测情况进行分析并探讨跨断层流动形变测量技术。

表2为形变监测仪器(方法)技术特征统计表，从表2可以看出：虽然各种对地观测技术日趋成熟，但要运用于跨断层流动形变测量，特别是短距离跨断层流动形变测量还不太可行。如：GPS短距离观测投入成本太大，不利于推广应用，并且受地形因素的影响;PS-InSAR技术信息目前还需要依赖国外提供的信息资料且间隔时间较长，不能快速灵活地获得断层活动信息;卫星激光测距(SLR)精度为亚厘米级，PS-InSAR技术精度变化范围大，与不同数据处理关键技术有关等。所以，在跨断层流动形变测量方面，无论从经济上投入、还是从仪器监测精度和实际监测精度符合规范精度以及仪器性能稳定、精度可靠、使用方便性、测量速度等方面看，水准测量用DiNi电子水准仪代替Ni002光学水准仪，基线测量用Di2002甚至TC2003和TCA系列仪器代替传统的24m基线尺是最为可行的办法。

表2 形变监测仪器(技术)特征统计表［7－20］Tab.2 Statistics of the technical characteristics of instrument for deformation monitoring

3.2 监测场地观测技术

1)跨断层流动形变水准和基线同桩观测

要获得三维的断层活动信息必须对断层进行同桩的垂直和水平观测即水准观测和基线观测。研究认为，地壳水平运动量大于垂直运动量。过去测距仪测量精度低、稳定性欠佳，加常数、乘常数测定精度不高;基线丈量效率低，对场地要求高等诸方面技术和设备的原因，跨断层水平形变测量也基本被放弃或减少。而如今Di2002红外测距仪、TC2003和TCA系列测距仪等具有体积小、易携带、耗电省、频率稳、观测速度快、外界条件变化小、观测值比较稳定、观测精度高等特点①，为水准和基线同桩观测提供了仪器(技术)保障。

2)跨断层流动形变基线观测桩改造

首都圈地区跨断层流动形变观测桩基本分为两种，一种为单纯的水准观测桩，水泥浇铸，埋设于地下，一般出露地表较少。另一种为水准、基线同桩观测，水准标志出露地表较少，但基线桩由水泥浇铸、出露地表为1.2～2.5m高［20］，中间有突出的螺杆，以便固定测量仪器。

基线桩出露地表较多且基线柱中间含有金属，容易被破坏;而基线桩可能并不垂直地面或中间突出螺杆不垂直地面，造成监测仪器重量全部由固定螺栓和中间突出螺杆承担，容易使固定螺栓和中间突出螺杆之间的螺纹破坏，使中间突出螺杆更加不垂直地面，容易造成监测误差增大，测量不合［20］。如2010年8月燕家台斜交基线观测时，仪器漂移不稳、测量不合，更换仪器固定螺丝后变化4.38 mm;9月该固定螺丝螺纹仍不是很好，又更换固定螺丝，9月观测恢复变化3.69 mm;在此过程中，其余测线变化较小，未见异常②陆明勇，燕家台斜交基线观测突变异常落实报告［R］.2010.。分析认为：不合可能是多种因素引起误差放大的结果，如固定螺栓和中间突出螺杆之间的螺纹不好造成仪器固定不稳、观测时仪器误差和人为误差等，而异常变化与更换固定螺丝有关②。

针对跨断层基线桩存在的问题，提出将测量桩中间突出的固定测量仪器的金属螺杆更换为埋设于测量桩中具有螺纹孔的且与测量桩一样高的固定测量仪器的金属盘。一方面可以使金属裸露在外的空间减小，增加基线测量桩破坏难度、降低基线测量桩破坏几率。另一方面减小了以前基线测量桩测量时测量仪器重量全由固定螺杆承担，造成测量仪器调平、调稳时间过长且容易使固定螺杆倾斜增加测量不合的概率，从而减小测量仪器安装过程中出现漂移的几率、减小测量不合的概率和幅度。但在具体操作和实施时，应该是在过去基线测量桩破坏后无法继续测量的情况下实施改造，这样既可以进行测量桩改造又可以最大限度的保证测量环境的稳定和数据的连续。

4 结语

1)影响首都圈地区跨断层活动信息真实观测的因素主要有测桩为土层点、人为因素、汽车活动以及降雨等因素。其中人为因素影响达11处观测场地、占整个24处观测场地的45.83%，其次为土层测桩和汽车因素，均为5处、占20.83%，降雨、积水等因素为2处、占8.33%。从24处跨断层流动形变监测场地来非地震因素影响大小看，非地震因素影响较小的监测场地有19处、占79.17%;非地震因素影响较大的监测场地有5处、占20.83%。

2)在跨断层流动形变测量方面，无论从经济投入还是从仪器监测精度和实际监测精度符合规范精度以及仪器性能稳定、精度可靠、使用方便、测量速度等方面看，目前各种对地观测技术运用于日常的跨断层流动形变测量特别是短距离的跨断层流动形变测量还不太可行。未来一段时间内，水准测量可以使用DiNi电子水准仪代替Ni002光学水准仪，基线可以使用Di2002甚至TC2003和TCA系列仪器代替传统的24 m基线尺进行基线形变监测。

3)跨断层测量应该对断层进行同桩的垂直和水平的观测，高效的Di2002红外测距仪、TC2003和TCA系列测距仪等为广泛开展断层活动水平测量提供了技术支持。水准、基线同桩观测的基线测量桩进行技术改造，一方面可以使基线测量标致、固定器材和测量仪器之间有效的平稳的衔接，有效减小它们之间的摩擦损失;另一方面，可以减少基线监测桩被破坏的概率。从而可以有效保证监测仪器在测量过程中的稳定，减小测量不合的概率和程度，增加获取断层活动可靠信息的能力。

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DISCUSSION OF ENVIRONMENT AND MONITORING TECHNOLOGY FOR CROSS-FAULT MOBILE DEFORMATION MONITORING

Lu Mingyong，Liu Tianhai，Huang Baosen，Li Min，Kou Jianxin，Fang Zongfei，Zhang Jincheng and Yu Haisheng
(China Center for Earthquake Disaster Emergency and SAR，Beijing 100049)

On the basis of the study of cross-fault mobile deformation monitoring environment in the Capital Region of China，it is found that there are a few sites(near 20%)impacted by the non-seismic factors.So we suggest that the crustal deformation monitoring techniques(instruments)and the cross-fault deformation surveying line layout should be improved and the cross-fault flow deformation level ling survey and baseline level of observation should be at the same pile.The baseline survey pile of existing level and baseline measurements should be technologically transformed at the appropriate time，in the measurement instrumentation：DiNi electronic level should be used instead of Ni002 Optical Level，Di2002 even TC2003 and TCA series of instruments should be used instead of the 24m traditional foot baseline deformation monitoring.

Capital area of China;cross-fault;mobile deformation;monitoring environment;monitoring technology

1671-5942(2011)05-0141-05

2011-01-11

中国地震局地震行业专项(201008012);中国地震局监测预报司项目

陆明勇，男，1965年生，研究员，主要研究方向为地壳形变、地下流体、地球动力学与地震预测等.E-mail：lmy9988@163.com

P315.72+6

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