灵武跨断层水准测量及相关研究

2020-09-25王建亮安玉清李国斌

防灾减灾学报 2020年3期

马楠，张慧，王建亮，安玉清，李国斌

（宁夏回族自治区地震局，宁夏回族银川 750000）

0 引言

我国地震系统共有20多个单位从事地震水准测量工作，目前全国共有271处跨断层流动观测场地。跨断层场地观测主要包括：跨断层水准测量、跨断层基线测量、短程测距、短边三角测量及连续自动记录的断层形变测量等多种手段。其中跨断层水准测量是全国范围内跨断层监测普及面最广的监测手段，在地震监测预报中发挥着重要的作用[1-2]。

宁夏地震局基于地震监测需求，2017年在灵武上桥建设跨断层水准观测场地，补强了灵武地区地质构造垂直监测能力，对灵武跨断层水准场地定期连续观测，对于灵武断层运动特征以及灵武地区和宁夏北部地区的震情跟踪分析具有重要指示意义。

本文基于2018年7月至2019年6月灵武跨断层水准观测数据，分析了灵武断层的活动性，探讨了灵武跨断层水准观测场地不同光段、不同复测周期下的数据变化特征。

1 灵武跨断层水准场地概述

灵武断层是银川地堑和鄂尔多斯块体分界构造的一部分，位于银川平原南段东缘，属于晚第四纪活动断层，长约47km，构造活动显著，平均垂直位移速率为0.24±0.014mm/a，是近代和现代中强地震活动频繁的地区。自上世纪70年代以来，学者多次对该断裂进行地质地貌调查、古地震探槽研究、钻探分析等研究，结果表明该断裂历史上曾发生过5期地表破裂地震事件，且断裂具有分段组合破裂特征。上世纪60年代、70年代、80年代，该地区均发生过5级以上地震，因此灵武跨断层水准观测对于监测灵武地区的地震活动、板块构造活动及科学研究，均具有很强的应用价值和现实意义[3]。

灵武跨断层场地地理位置处于灵武市上桥村，地表为山前洪积扇为主，砂石居多并伴有部分粘土。此地有宁夏地震局开挖的地震探槽，长约7m，深4m。探槽显示该沟南、北两侧发育了三级阶地，断层在沟口错断阶地形成南北向的断层崖，如图1所示。灵武跨断层观测场地布设于该断层之上，由6个基准点（BM1-BM6）、6个测段（Ⅰ-Ⅵ），组成，测线总长度为340m，其中Ⅱ、Ⅴ测段与断层正交，如图2所示。

图1 上桥探槽剖面素描Fig.1 Trench section sketch of Shangqiao

图2 灵武跨断层水准场地布设图Fig.2 Observation site layout of Lingwu

2 资料概况

灵武跨断层水准测量是相对一等水准测量，选用莱卡DNA03数字电子水准仪（编号：347994）与其配套的条码式铟瓦合金标尺（编号：66626、66628）。观测仪器和标尺分别于2017年10月和2018年10月于西安二测中心进行规范鉴定，鉴定合格。2017年6月和2018年6月银川台跨断层短水准台级鉴定中，仪器鉴定亦合格，满足国家一、二等水准测量规范的要求，充分保障了课题观测数据的可靠性和准确性。

测量作业执行中国地震局制定的《大地形变测量（水准测量）规范》，根据跨断层水准测量任务情况，制定年度测量计划，严格按照预定测量计划开展跨断层水准测量工作。每次测量任务对使用的观测设备进行测量前和测量后检验，严格执行跨断层水准测量的作业流程，对水准测量的各个环节进行严格控制，尽量避免人为干扰和偶然误差，从而提交合格的水准测量成果资料。

2018年7月至2019年6月每月采集观测数据1期，对各个测段观测数据进行预处理和平差处理。2018年至2019年6月每期跨断层水准测量工作完成较好，测量前后莱卡DNA03数字水准仪i角测量和铟瓦尺尺长改正数测量合格，符合测量规范。测量作业过程中，测量队员严格执行测量规范要求，未出现人为干扰导致的偶然误差，每期测量数据各测段往返闭合差未超限，测量中误差ΔM均在0.25以内，测量成果符合规范要求，数据质量可靠。

2018年07月至2019年06月，Ⅰ-Ⅵ测段高差测值平均值分别为-3297.21mm、-3093.77mm、-930.24mm、-1925.90mm、-5011.57mm、-383.87mm，观测中误差ΔM平均值为0.16，观测数据均趋于稳定，观测数据如表1。

3 相关分析

3.1 灵武断层活动性分析

Ⅰ-Ⅵ测段高程测值年最大变化幅度绝对值依次为 0.37mm、0.63mm、0.21mm、0.36mm、0.66mm、0.24mm，Ⅱ、Ⅴ测段因横跨断层，数据变化量相对于其它4个测段较大，符合场地条件，属于正常动态，如图3、图4所示。

高差测值（mm）时间 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ ΔM 2018.07 -3297.18 -3093.53 -930.32 1925.80 5011.65 383.79 0.17 2018.08 -3297.02 -3093.77 -930.30 1925.75 5011.76 383.82 0.22 2018.09 -3297.32 -3094.16 -930.11 1925.89 5011.71 383.95 0.24 2018.10 -3297.03 -3093.78 -930.22 1925.78 5011.78 383.80 0.24 2018.11 -3297.08 -3093.91 -930.23 1925.78 5011.94 383.88 0.12 2018.12 -3297.16 -3093.80 -930.28 1925.90 5011.74 383.76 0.11 2019.01 -3297.20 -3093.70 -930.22 1925.95 5011.54 383.90 0.07 2019.02 -3297.39 -3093.68 -930.23 1926.11 5011.34 383.87 0.11 2019.03 -3297.30 -3093.72 -930.20 1926.06 5011.35 383.90 0.14 2019.04 -3297.35 -3093.60 -930.24 1925.98 5011.28 383.79 0.24 2019.05 -3297.30 -3093.73 -930.26 1925.94 5011.42 383.98 0.08 2019.06 -3297.30 -3093.86 -930.30 1925.81 5011.34 384.00 0.07平均值 -3297.21 -3093.77 -930.24 1925.90 5011.57 383.87 0.16

图3 Ⅱ测段数据曲线Fig.3 The second part of the data graph

以Ⅱ、Ⅴ测段为例，从数据形态来看，Ⅱ测段由东向西测量，Ⅴ测段由西向东测量，因测量方向相反，Ⅱ测段高差曲线呈先降后升趋势，Ⅴ测段高差曲线呈先升后降趋势，二者运动趋势相反，呈负相关。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ测段与Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ测段呈对称分布，测段相关系数绝对值为0.7；Ⅰ、Ⅵ测段与Ⅲ、Ⅳ测段对称分布于断层上下盘，相关系数绝对值为1.0，彼此相关性较为显著，符合灵武场地环境因素。

Ⅱ测段2018年7月至2019年6月观测数据均值极差图如图5所示。测值均值为-3093.769mm，测值上下控制界限为3093.591～3093.974mm，极差值为0.174，极差值上下控制界限为0.000～0.448，数据置信度为94.06%。

图4 Ⅴ测段数据曲线Fig.4 The fifth part of the data graph

Ⅱ测段当期观测数据测值与极差值均在其控制上下界限范围内，测期所有观测数据符合观测要求，精度达标，观测成果可靠，置信度优，符合科研用途。

图5 Ⅱ测段均值极差图（201807—201906）Fig.5 The second part of mean range analysis

2018年7月至2019年6月Ⅱ测段年变化量为0.63mm，平均垂直位移速率为0.25mm/a，符合灵武断层已知平均垂直位移速率0.24±0.014mm/a，因此以Ⅱ测段观测数据分析显示该断层运动无明显异常，断层活动性正常。

2018年7月至2019年6月Ⅴ测段观测数据均值极差图如图6所示。测值均值为5011.555mm，测值上下控制界限为5011.741mm-5011.368mm，极差值为0.182，极差值上下控制界限为0.000-0.468，数据置信度为93.79%。

图6 Ⅴ测段均值极差图（201807—201906）Fig.6 The fifth part of mean range analysis

Ⅴ测段当期观测数据3组测值略超出其控制上下界限范围，分别是第2组、第4组、第5组观测数据，超差数据范围恰好处于年度高值和低值，第3组观测数据测值处于均值线附近，纵观第2组均值数值至第4组均值数值，均值线保持向下运动趋势，与Ⅴ测段观测数据测值运动趋势相同，超差主要原因为温差变化导致土质膨胀系数改变，且Ⅴ测段极差值均在其控制上下界限范围内，证明2018年7月至2019年6月每期测量数据的变化量处于正常水平，结合两者综合分析灵武断层Ⅴ测段测值数据和均值数据变化处于正常水平，部分均值超差原因系温度和土质膨胀系数变化所致[4]。

2018年7月至2019年6月Ⅴ测段年变化量为0.66mm，平均垂直位移速率为0.17mm/a，略低于已知平均垂直位移速率0.24±0.014mm/a，原因是BM5测点相对高程是观测场地最高的地方，故其测值较大，导致在断层两端变化量基本一致的情况下，其平均垂直位移速率略低，相对于已知值低29%，反观BM5测点高程测值均数绝对值5011.55相对于BM2测点高程测值均数绝对值3093.76高38%，二者成负相关，数值变化幅度接近，故Ⅴ测段平均垂直位移速率较低属正常现象，因此以Ⅴ测段数据分析显示该断层运动无明显异常，断层运动趋势正常。

结合Ⅱ、Ⅴ测段综合分析，灵武断层平均垂直位移速率正常，断层活动性趋于稳定，各测段相关性良好，无明显异常变化。且灵武跨断层水准场地高差测值趋势变化与气温变化同步，高差测值存在夏高冬低的年变动态，符合场地环境因素。

3.2 光段分析

2019年4月20日至4月30日以2天为周期，对灵武场地进行光段实验数据采集，采集方法如表2所示。测组1为上午往测，下午返测；测组2为上午往返测；测组3为下午往返测，3个测组各采集观测数据5期，共采集观测数据15期。所有观测数据高差闭合差、中误差均符合规范要求，精度达标。对采集到的观测数据平差预处理后进行对比分析，并绘制各测段观测数据箱线图。

表2 光段对比数据采集方法

如图7-12所示，各测段在3种光段下，连续5期观测数据所绘箱体均具有收敛性，其均值与中位数较为接近，数据时间跨度较短，短期高差变化可忽略，且无明显异常值，观测数据置信度较高，证明不同光段下观测数据稳定性良好。

三种光段下连续5期观测数据所绘制的误差线上下界限控制范围均小于等于0.05mm，表明在三种光段下由同一个操作员采集到的观测数据所受到的系统误差区别不大，即不同光段下的折光系数所造成的偶然误差可以忽略。

三种光段下测得的观测数据变化量极小值为0.02mm，极大值为0.04mm，不同光段存在数据差异小、稳定性强的特征，不同光段下的观测数据均能正确反映灵武跨断层水准观测场地高差变化，因此上午或下午光段内一次性完成灵武场地的往返测量获得的高差和闭合差均

图7 Ⅰ测段多光段箱体图Fig.7 Box diagram of the first part of multiple light periods

图9 Ⅲ测段多光段箱体图Fig.9 Box diagram of the third part of multiple light periods

图11 Ⅴ测段多光段箱体图Fig.11 Box diagram of the fifth part of multiple light period

3.3 周期分析

以1个月、2个月、3个月为周期，分别记为周期T1、T2、T3，将灵武场地2018年7月至2019年6月观测数据分割建组，并作出三种周期Ⅱ、Ⅴ测段的数据变化趋势图，如图13所能代表灵武跨断层水准场地正常高差数据，未来可根据测量实际情况，安排在一个光段内完成往返水准测量，以提高观测效率。示。2019年9月观测数据由光学水准仪Ni002观测，该仪器因使用年限较长，系统误差较大，且测值恰为Ⅱ测段极小值，为保证分析严谨性和规避系统误差，故2018年9月观测数据不用于周期分析。

图8 Ⅱ测段多光段箱体图Fig.8 Box diagramof thesecond partof multiplelightperiods

图10 Ⅳ测段多光段箱体图Fig.10 Box diagramof thefourth partof multiplelight periods

图12 Ⅵ测段多光段箱体图Fig.12 Box diagram of the sixth part of multiple light periods

因Ⅱ、Ⅴ测段横跨断层，垂直形变较为明显，以Ⅱ、Ⅴ测段为例分析。Ⅱ测段TI、T2、T3高差数据曲线均呈现先降后升的曲线形态，数据曲线图均正确标识出该测段的极大值和极小值，时间基本吻合，三种周期观测数据彼此均有显著相关性。T1、T2数据曲线转折点均在2018年11月（2018年9月数据人为剔除，不用于周期分析），T3周期数据曲线拐点在2018年10月，因周期原因，T3周期数据曲线形变化相较于T1、T2周期数曲线变化略显超前，短期观测场地高差变化信息反映不甚全面，在捕捉变化因子方面稍逊一筹。

Ⅴ测段数据曲线与Ⅱ测段数据曲线呈负相关，故TI、T2、T3高差数据曲线均呈现先升后降的曲线形态，数据曲线图也能正确标识出该测段的极大值和极小值，时间基本吻合，三种周期观测数据彼此均有显著相关性，与同周期Ⅱ测段数据曲线彼此也呈负相关。T1、T2数据曲线拐点均在2018年11月，T3周期数据曲线拐点在2018年10月，同Ⅱ测段数据曲线拐点一致，原因类似。

图13 Ⅱ、Ⅴ测段多周期图Fig.13 The second and fifth part of multi-period diagram

三种周期均能反映出一定时期内该断层的主要变化信息和变化特点，T1周期数据曲线因数据量相对丰富，能更好的反映出断层的短期变化；T2周期相较于T1周期数据曲线更加光滑，不仅能反映出断层的整体变化趋势，还剔除了长趋势变化过程中的短期微小波动，在断层稳定的长趋势变化研究过程中，短期的微小数据波动研究意义不大，因此T2周期更适合定点跨断层水准测量对于断层的监测和研究；T3周期相对于T1、T2周期在捕捉断层变化因子方面稍逊一筹，适宜长期趋势研究，但在捕捉短临信息方面欠佳，不利于短临周期的地震分析研究。

综上所述，分析显示以T2周期为复测周期，即每两个月开展一次跨断层水准测量最佳。但目前灵武场地数据积累量较少，因此建议持续以1个月为复测周期对灵武场地进行跨断层水准观测，待数据样本足够多、观测条件成熟，对灵武跨断层水准场地变化特征和信息掌握的更加全面时，可根据实际情况采取T2周期开展跨断层水准测量工作[5]