我国跨断层流动形变监测研究综述

赵 越

沈阳市应急管理事务服务中心 辽宁 沈阳 110000

引言

跨断层形变测量是在现今构造活动强烈的活断层主断面上进行的动态测量。其主要任务在于直接、精细地测定活动断层现今的运动方式、运动速率及断层随时间的演化过程[1]。监测结果具有精度高、物理意义明确的特点,便于探讨断层活动与地震的关系。我国自20世纪60年代末开始建立跨断层流动形变监测场地,实践表明跨断层形变监测在多数强震发生以前可出现不同程度的断层形变异常,同时几十年的监测工作积累了大量宝贵的观测资料和震例资料成果,积累了地震预报的实践经验。跨断层流动监测研究工作在地震预测研究、地质探测、地球动力学等研究中发挥了重要作用,受到广泛的重视。

1 跨断层流动形变监测研究现状

(1)发展历程

我国跨断层流动形变监测自1962年广东新丰江6.1级地震开始,库区周围布设了水准、基线测距、重力测量和三角网,用来监测和研究新丰江水库的地壳运动。1966年邢台地震后,周恩来总理发出号召广泛开展地震预报工作。至70-80年代,在全国范围内建立了大规模的跨断层观测网络,峰值达到400余处。监测测项涵盖了水准测量、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。20世纪90年代,由国家地震局、省级地震局及专业测量队共同组成了全国统一的三级跨断层测量管理网络。21世纪以来,各省局、市根据地震监测工作的需要也建立一定数量的流动监测场地。全国20个省先后建立跨断层流动形变监测场地,这些场地以流动形变监测为主,还有少量的定点连续观测台站。据统计,全国现在运行的跨断层流动监测场地数266处,24处定点场地[2]。

(2)场地建设

跨断层流动监测场地在空间分布上,主要分布在南北地震带、天山地震带、华北地震带、郯庐断裂带及东南沿海地区的主要断裂上。几十年来,全国跨断层流动测量总体上没有中断,但由于各种不利因素影响如工程影响、环境和人为破坏等多种原因,导致监测场地越来越少[3-4]。以华北地区为例,华北地区的跨断层流动形变监测场地在20世纪80年代末时最多达到近100处,200余监测测项,而目前华北地区跨断层流动形变监测场地只有74处,监测项180余[5]。监测测项分为水准和基线,以水准测量为主体,监测频率1-12次每年不等。

场地基准标志类型分为基岩标、基岩土层混合标、土层标三类类型。通过统计分析一般来说基岩标志主要分布于山区或丘陵地区,基岩土层标志分布于丘陵和盆地交汇地区,土层标志主要分布于平原地区。现有研究在场地监测环境分类中,将基岩标分为A类(最佳),基岩土层混合标为B类,土层标为C类[6]。

(3)数据处理方法

跨断层流动形变监测所得到的高差或基线观测值,包含了断层活动信息,观测误差和各种外界因素的综合影响。通常的处理途径为:选择正常期的数据,建立模型,然后利用模型推估正常期外的各时刻状态,分析观测与模型推估值得残差并找出异常。异常的原因排除了环境和人为、仪器等影响后,可断定为断层的异常活动。早期学者多采用回归法、卡尔曼滤波的动态处理等方法,张兴飞(1992)提出基于混合回归理论的跨断层测量动态数据处理方法[7]。这些方法基于统计学来排除降雨、地温等环境因素的影响,但该类方法需要地温、蒸发、降雨等信息,应用受到限制。游丽兰(1995)完成了跨断层测量基础理论及标准化研究工作[8]。刘冠中(2009)在前人研究的基础上利用小波分析和信息熵理论,提出了能够反映局部数据信息有序度大小的小波多尺度熵的变化特征方法。李腊月等(2013)用 主成分分析方法综合分析首都圈跨断层形变资料,取得良好效果。王世进等(2017)运用主成分分析方法,将活动量信息转换为相互独立的主成分,不仅最大程度地保留了原有信息,而且有效分离了不同成分最后结合震例对主成分进行时频分析,研究断层活动异常及其与地震之间的关系。吴培稚(2019)针对我国跨断层监测周期不统一的问题进行了跨断层测量不等间隔计算的数据匹配相关研究工作。刘天龙、陆明勇等(2020)实现了全国跨断层流动形变数据管理和预处理系统设计工作。

几十年来,通过我国地震工作者不懈努力、探索实践,形成了多部规章条例,包括《跨断层测量规范(1991)》(国家地震局,1991)、《地震地形变数字水准测量技术规范(2003)》《地震地壳形变观测方法-跨断层位移测量(2012)》(中国地震局,2012)、《地震水准测量规范(2015)》(中国地震局,2015)。这些规范条例的制定凝结了广大地震监测者的心血和智慧,对指导我国的跨断层流动形变监测研究工作进步影响深远。

2 目前研究存在的主要问题

我国跨断层流动形变监测工作自20世纪60年代开始,受限于地震科技认识水平和工作条件,场地的选取受到很多非构造条件的约束。造成选取场地跨越的断层较老,有的甚至不完全跨越断层;部分场地受到场地监测环境的干扰,也难以发挥观测效能;部分观测网络受行政区划分割,形成独立的片区,对构造带整体的认识有一定影响,同时一些控制性大断裂未布设跨断层流动形变监测场地。

陆明勇(2015)做出相关研究,华北地区跨断层流动监测场地空间分布极不均匀,存在很多监测盲区,场地的布设效能较低。跨断层流动观测规范要求Q3和Q4断裂要布设跨断层监测场地,但实际布设率很低。例如华北地区74处监测场地布设在44条断裂上,而布设在全新世、晚更新世上的监测场地24处,仅占该时期断裂的20%[3]。

另一方面,监测场地环境干扰日益突出,造成监测数据质量下降,已经不能较好地反映区域构造应力-应变场的变化。特别是近年来,观测环境发生了很大变化,干扰源显著增多,监测环境不仅使得监测场地大量减少,也造成观测数据可信度的降低。

几十年发展中,跨断层流动形变观测仪器发了很大变化,观测仪器不断更新,从最早的光学仪器、手工测量,到现在的数字仪器、自动测量以及空间对地观测。目前跨断层流动监测设备缺乏或老化,缺乏更新机制是比较突出的问题。

3 工作建议与展望

如前文所述,目前各地区均存在着跨断层监测布局难以满足现今地震预测预报需求的问题,亟需开展跨断层流动形变监测场监测环境和监测效能评估,进行优化工作。根据2017年我国开展的《全国跨断层场地优化改造》项目经验,可对场地采取舍弃、修复完善和新建三种方式。(1)对现有可能未跨过断层、观测环境不好,受干扰因素多以及映震效果不好,无法使用的监测场地予以舍弃。(2)对于场地内只有水准单测项的场地可以增加水平监测手段,最好能够实现同桩观测。研究认为,地震孕育是三维的,地壳水平运动量大于垂直运动量,特别是以走滑型地震为主的华北地区。(3)新增建设监测场地应充分考虑活动断裂的易发地震、断裂规模和空间位置,观测环境满足跨断层流动形变测量规范。优化工作即要充分考虑地震危险性、地震空段等因素,还要对活动断裂进行详细研究,如括断裂的活动性、分段性以及相同断裂不同断之间的活动关系。对现有场地对断裂监测效能的评估。根据已有的研究成果,第四纪以来活动过的断层,特别是晚更新世中、晚期和全新世期间曾经明显活动的断层,更容易发生地震(国家地震局1991)。新建场地宜增强对第四纪以来活动的断层特别是晚更新世中、晚期,和全新世期间曾经明显活动的断层的监测,断裂较长的可以布设两处以上。

另外在对数据的利用上,需要加强跨断层监测数据的管理、建设统一的共享服务平台,提高能力提供更加细致广泛的产品,可以更加有效的发挥跨断层能形变监测的作用,加深对大断裂的整体认识。同时还应积极探索新方法、新技术在跨断层形变监测中的应用。

结语

几十年来,许多学者进行了大量的跨断层观测研究工作,取得很大进展。这些进展包括明确树立了构造形变测量的观点,形成一些有效数据处理方法,持续开展了对多重点地震带的断层形变监测、建立并逐步完善了场地建设规章条例、积累了一批宝贵的震例资料成果,积累了地震预报的实践经验。但也存在着不少问题,如场地监测环境破坏、监测性能低,空间分布不均匀,存在空区盲区的问题突出,观测手段和设备老化严重,新技术的应用水平不高有待解决,监测数据管理和处理平台方法需要进一步完善。相信跨断层流动监测工作在新技术新方法的支撑下,逐步实现断层活动性质更深刻更全面的认识,为实现地震预报做出更大的贡献。