安徽地区跨断层流动水准测量与区域地震关系研究

2022-03-29葛计划曹志磊卢叶啸孙鸿博刘川琴

大地测量与地球动力学 2022年4期

葛计划孙军曹志磊卢叶啸孙鸿博于磊刘川琴程玲

1 安徽省地震局，合肥市长江西路558号，230031 2 安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，安徽省亳州市蒙城县小涧镇，233527 3 肥西县地震监测站，合肥市肥西县紫蓬镇，231201

安徽地区处于华北断块、下扬子断块和秦岭-大别山断块交汇部位，历史上曾发生多次5级以上地震，区域内郯庐断裂带和“霍山地震窗”一直是地学研究的热点。为监测省域断层活动情况，安徽省地震局从20世纪80年代起开展跨断层水准测量工作，跨断层水准监测场地主要位于“霍山窗”和郯庐断裂带中南段沿线部分区域，目前已积累30余年的高精度观测资料。部分学者[1-2]从不同空间尺度对该区域跨断层水准的变化特征进行研究，认为水准资料能够反映该区域现今的变化特征。为进一步研究安徽地区断层活动与地震的关系，许多学者[3-5]采用不同方法处理该区域内跨断层资料，得到相应指标的地震预测指示意义。但在水准观测资料异常识别上存在不同方法和相应的判别标准，因此仍有待进一步研究。刘冠中等[6]针对新疆地区跨断层形变资料提出“形变速率累加分析”法，并取得较好的效果。该方法对超出一定幅度的速率残差进行积分，可使一定时间尺度内频繁出现的异常变化更为直观和突出。该方法在川滇地区[7]、青藏块体东北缘[8]、山西北部地区[9]跨断层水准资料分析中也取得较好的效果。本文采用“形变速率累加分析”法对安徽境内“霍山窗”、郯庐断裂安徽段跨断层流动水准资料进行处理，逐段分析该区域跨断层水准测量资料，得到该指标下的有效“映震段落”，以期为安徽及周边地区地震预测提供参考。

1 安徽地区跨断层流动水准监测概述

安徽地区跨断层水准流动测线主要分布在郯庐断裂带南段及大别造山带东段活动断层的主断面上(图1)，目前布设有8个场地，复测周期为l～12个月。跨郯庐断裂带有女山、槐柏、池河3个场地，“霍山窗”区域有大堰、钱家店、马家岭、洗儿塘、仙姑坟5个场地。考虑到线路改造和资料连续性因素，本文选用安徽地区1992～2018年6个跨断层场地(图1)14个测段的水准观测资料，这些资料的测量标石符合观测规范要求，观测可信度较高[3]。

图1 安徽省及邻区ML≥4.0地震及流动水准场地分布

2 资料处理方法

跨断层水准测量是对安装在断层两盘基岩上的标石进行重复测量，其物理意义明确，所得结果为断层垂向活动和各种干扰因素的综合结果，一般随时间在一定范围内变化。因此，界定“正常”变化标准、突出异常变化是进一步分析的基础。本文采用“形变速率累加”计算模型，对原始观测资料进行相应处理，然后进行统计分析以识别异常，具体计算公式参见文献[6]。

该方法以2倍标准差为控制限剔除在“正常”变化范围内的月形变速率，仅保留超出控制限的形变速率残差。通过积分使其累加放大，得到最终的形变速率累加，可使速率异常更加突出和易于识别。将连续的形变速率累加作为比较明确的异常指标，将单点突跳作为温度、降水、观测误差予以剔除[6-8]。本文认为短时间内出现的多次单点突跳并不能排除是断层非常态活动的可能，因此成文时一并进行分析。与该方法在其他地区注重单点分析不同，本文还对相同时段所有跨断层测线的总体变化特征及其与地震之间的关系进行探讨。

3 资料处理与分析

采用“形变速率累加”法计算安徽地区6个场地14个测段的形变速率累加，绘制形变速率累加时间曲线。为检验形变速率累加在地震前后的映震效果，对各测段原始曲线与形变速率累加曲线进行对比分析，统计每个测段出现形变速率累加时段的次数和异常出现后发生地震的次数，用以计算预测效率(预测效率=有震时段数/异常时段数)，从而确定预测效果较好的段落。为全面分析资料处理结果与地震的关系，选取1992～2018年郯庐断裂带中南段(29°～36°N, 114°～122°E)主干断裂两侧各250 km范围内MS5.0左右地震、安徽省及邻区ML4.0以上地震(表1)，研究地震时段内流动水准计算的形变速率累加指标的变化情况。

表1 1992～2018年安徽省及邻区ML4.0以上地震目录及分组情况

研究表明[10-11]，研究区所在的郯庐断裂带中南段区域ML4.0以上地震与MS5.0以上地震在一定程度上存在南北地震联发的现象。

3.1 郯庐断裂带流动测线

3.1.1 女山测线：郯庐西界主干断裂

女山场地位于安徽省五河县大巩山林场，海拔高程约26 m，场地跨郯庐西界主干断裂，C-B(K)、D-A(K)为跨断层测段，1992～2018年期间华东地区发生的3组显著地震前的映震情况如下：原始曲线图中1995-09-20苍山地震前4个测段均未见明显异常，仅D-C测线原始曲线中测值下降，经“形变速率累加”法处理后，震前4个测段未出现速率超限现象，但震后在1995-11～1996-06有3个测段(C-B(K), D-A(K), D-C)出现连续的形变速率累加现象。2005-11-26九江地震前4个测段中只有C-B(K)在震前2005-02～08出现连续的形变速率累加现象，期间发生2005-07-21寿县地震；C-B(K), D-A(K), D-C三个测段在震后半年内陆续出现连续的形变速率累加现象，其中D-C段在2005-12～2006-08连续出现形变速率累加现象，开始时间与九江地震近乎同期，期间发生2006-07-26定远地震。2011-01-19安庆地震和2011-06-17桐城地震前后4个测段在2010-10～2011-10期间先后出现同步的形变速率累加现象(图2)。

图2 女山场地各测段原始观测值与形变速率累加曲线

3组地震前后各测线的不同表现可能与苍山地震、九江地震距离观测场地较远有关，因先发的联动地震震级偏小，因此震前仅在跨断裂的C-B(K)处有一定反应，后续较大地震发生后，应力传递至断层所在区域，进而表现为形变速率累加增强。安庆地震属于近场较强地震，且测线位于郯庐断裂应力传递部位，对应力较为敏感，从而出现震前、震中、震后密集的形变速率累加现象。

省内单发地震前后映震情况：女山场地4个测段原始数据在1999-12-30利辛地震前可见到明显的趋势性下降变化，且在1998-06～1999-04期间陆续同步出现形变速率累加现象，显示断层活动增强，1998-12开始出现明显的低速趋势性回升，并在该过程中发生地震。此外，2006年定远地震、2009年肥东地震、2014年霍山地震前后上述4个测段均存在形变速率累加现象。

女山场地各测段对华东ML4.0以上单发地震预测效果较好，一般在出现形变速率累加现象后1～12个月内发生地震，异常持续时间为2～12个月。4个测段的预测效率分别为：C-B(K)段为75%、D-A(K)段为72.72%、B-A段为75%、D-C段为69.23%。

3.1.2 槐柏测线：郯庐西界主干断裂

槐柏场地位于安徽省桐城市城东乡柏庄村，测点跨郯庐西界主干断裂。1992～2009年每年观测1次，2010年开始每2个月观测1次。从图3可以看出，虽然采样率较低但仍表现出显著的周期性和趋势性变化，1995年苍山地震、2005年九江地震和2011年安庆地震前均出现较为明显的形变速率累加过程。

图3 槐柏场地各测段原始观测值与形变速率累加曲线

因数据采样率原因，目前尚无法细致分析该场地1992～2009年期间形变速率累加与省内其他单发地震的关系。2012-07-20高邮地震发生在2次时间较短的形变速率累加时段之间；2014-04-20霍山地震前(2013-11～2014-04)和2016-10-20射阳地震前(2015-08～2016-06)也存在明显的形变速率累加现象。

槐柏测线形变速率累加异常的持续时间从2个月至3 a不等，异常结束后1～6个月内发生ML4.0以上地震的可能性较大，整体预测效率为87.5%。因数据采样率存在差异，1992～2009年数据变化可作为背景性趋势看待，2010年以来数据变化表现为频繁的形变速率累加，说明该时段断层活动速率变化较大。

3.2 “霍山窗”内流动水准

3.2.1 大偃场地：龙窝基岩断裂

大偃场地位于安徽省霍山县三板桥乡大堰村，跨越龙窝基岩断裂。从图4可以看出，3-2(K)测段在1993-12～1995-04为形变速率累加时段，原始曲线测值变化幅度较大，存在明显的应力积累过程，随后发生1995-04-15江西瑞昌地震，5个月后(1995-09-20)发生山东苍山地震；2005-11-26江西九江地震前(2005-02～04)存在形变速率累加超限现象，3个月后发生首发地震(2005-07-21安徽寿县地震)，原始曲线图中2004-02～2005-04处于相对高值，随后在较为明显的趋势性下降过程中发生九江地震；2011-01-19安徽安庆地震发生在2008-12～2010-02与2011-10～2012-10两个速率超限时段之间。2-1测段在苍山地震前后无变化；2005-11-26江西九江地震前(2005-04～06)出现短时速率超限现象，1个月后(2005-07-21)发生安徽寿县地震，4个月后发生九江地震；2011-01-19安庆地震期间(2010-06～2011-02)出现累加速率集中时段，表明存在明显的应力积累过程。

图4 大堰场地各测段原始观测值与形变速率累加曲线

1999年利辛地震、2009年肥东地震、2014年霍山地震、2015年阜阳地震前后均出现较为同步的短期速率超限情况，只是在出现时间和持续时间上存在微小差别。

3-2(K)测段在3次地震前均出现明显的形变速率累加；2-1测段在3次地震前异常速率累加次数和变化幅度均相对较小，主要形变累积发生在1998～1999年和2010年以后，但2条测线的转折时期较为同步(图4)。总体上看，跨断层测段出现的异常时段更为集中，且形变速率累加相对较大。

大偃场地2条测线形变速率累加出现的异常持续时间为2个月至1 a，异常结束后4～12个月内发生ML4.0以上地震的可能性较大，2-1测段的预测效率为81.81%，3-2(K)测段的预测效率为64.7%。从两段数据的原始曲线和形变速率累加曲线来看，两者的转折时段较为一致，说明形变速率累加曲线能保留原始曲线的转折信息。

3.2.2马家岭场地：落儿岭-土地岭断裂

马家岭测线位于安徽省霍山县落儿岭乡马家岭村，场地跨越落儿岭-土地岭断裂。1992～2007年形变速率出现累加，反映该时段测线所在区域断层活动性较低。2008年至今形变速率累加较为集中(图5)，2011-01-19安庆地震前后(2010-10～2011-06)存在明显的形变速率频繁累加过程，随后发生2011-06-17桐城地震和2011-09-10湖北阳新地震。此外，2009-04-06肥东地震前(2008-06～2009-02)、2014-04-20霍山地震和2015-03-14阜阳地震前(2013-10～2014-10)均存在明显的形变速率累加过程。

图5 马家岭场地各测段原始观测值与形变速率累加曲线

马家岭测线异常的持续时间一般为2个月至1 a，在形变速率累加出现后2～12个月内发震，2-1测线的预测效率为62.5%。原始曲线中2008年之后数据变幅相对1992～2007年明显增大，从而导致形变速率累加曲线出现形态分段现象，表明该断裂2008年以后活动性增强。

3.2.3 钱家店场地：牛角冲断裂

钱家店场地位于安徽省霍山县三板桥乡钱家店村，场地跨越牛角冲断裂。该场地现有3个测段，其中3-1(K)和2-1(K)跨断层。

1995-09-20苍山地震前后，3个测段均存在明显的速率增大和趋势性下降过程(图6)。2005-11-26九江地震前，3-1(K)测段在2004-08～2005-04、3-2测段在2003-12～2005-04表现为间断式的形变速率累加，该时段结束后发生2005-07-21寿县地震，4个月后发生2005-11-26九江地震。2011-01-19安庆地震前，3-1(K)测段在2010-02～10期间出现连续的形变速率累加；2011-06-17桐城地震前后，3-1(K)测段在2011-04～08也出现连续的形变速率累加。2011-09-10湖北阳新地震前后，3-1(K)测段在2011-04～08、2-1(K)测段在2011-08～2012-10出现形变速率累加，震后3-2测段在2012-02～08出现连续6个月的形变速率累加。

图6 钱家店场地各测段原始观测值与形变速率累加曲线

本文同时还对表1中单发地震前后钱家店3个测线的应变速率累加曲线的变化情况进行探讨，3-2测段在1999-12-30利辛地震前后(1999-02～2002-02)、2006-07-26定远地震前后(2006-06～10)、2009-04-06肥东地震前后(2009-02～06)出现连续的形变速率累加；3-1(K)测段在2014-04-20霍山地震前(2013-10～2014-04)出现形变速率累加。

钱家店场地3个测段的形变速率累加曲线异常的持续时间为2个月至1 a，在异常结束后0～6个月内发震。3-1(K)和3-2测段预测效果较好，两者的预测效率分别为75%和53.84%，异常主要体现在3次比较明显的联发地震前后6个月内，2个测段均表现出明显的形变速率累加，如果忽略测量间隔对资料处理和分析的影响，跨断层测量的形变速率累加结果在震前的表现将更加明显。跨断层的2-1(K)测线形变速率累加效果不佳，原因可能为测线较短且与断层小角度斜交，导致起点和终点的活动较为同步。

3.2.4 洗儿塘场地：青山-晓天断裂

洗儿塘场地为跨断层短水准观测场地，位于安徽省霍山县落儿岭乡洗儿塘村，场地跨越青山-晓天断裂，其中3-1、2-1测段跨断层。

1995-04-15瑞昌地震前，2-1测段在1994-10～12出现形变速率累加，异常结束后半年左右发震；2-3测段在1995-09-20山东苍山地震前(1995-08～10)出现形变速率累加，震后1996-02～1997-02也出现连续的形变速率累加(图7)。

2005-11-26九江地震前，2-1测段在2004-12～2005-10出现形变速率累加，期间发生安徽寿县地震，异常结束后次月发生九江地震，2006-02～04出现连续的形变速率累加，随后发生2006-07-26定远地震。

2011年安庆地震前，2-1测段在2009-10～2010-06出现形变速率累加，6个月后(2011-01-19)发生安庆地震。2011-08～2012-10期间3个测段均出现较为同步的形变速率累加，该时间段先后发生2011-06-17桐城地震和2011-09-10阳新地震。

单发地震前后的形变速率累加变化情况：3-1测段在1999-12-30利辛地震前(1999-02～08)、2002-07-04霍山地震前后(2002-06～08)均出现连续速率累加。2-1测段在2009-04-06肥东地震前(2008-10～2009-02)出现连续的形变速率累加。2014-04-20霍山地震前，2-1测段在震前半年(2013-04～12)、2-3测段在2013-04～2014-10同步出现形变速率累加。2015-03-14阜阳地震前，2-3测段在2014-04～10、2-1和3-1测段在2014-12～2015-04均出现形变速率累加。

该场地跨断层的2-1、3-1测段在震前预测效果较好，形变速率累加曲线出现后2个月至1 a内发震，异常持续时间一般为2个月至1 a。3-1测段的预测效率为75%，3个联发地震时段中仅在1995-09-20苍山地震前出现形变速率累加，对华东地区ML4.0以上地震的预测效果较好；2-3测段的预测效率为57.14%，在苍山地震前出现明显异常；2-1测段的预测效率为52.94%，3次联发地震前均出现较为明显的形变速率累加。2个跨断层测段出现速率累加的时段相对较多，说明该场地跨断层测段蕴含更多信息。

4 结语

1)采用“形变速率累加分析”法在提取超限速率的同时，原始数据的转折变化也能得到保留，计算结果显示测线转折时期形变速率累加出现的频次明显增多。

2)由于断层构造和活动特性存在差异，虽然连续出现形变速率累加的测线映震效果较好，但也无法一一对应，可能与该测线所跨断层对不同方位、距离的地震反应不同有关，需结合测线进行具体分析。

3)形变速率累加在不同时段出现的频次不同，表明断裂活动具有一定的分时特征。各场地的形变速率累加图整体上也具有分时特征：1992～1998年除槐柏和马家岭2个场地外，形变速率累加曲线表现为群体性上升形态；1999～2010年前后，形变速率累加曲线整体表现为平直线背景下的若干短期形变速率累加，说明断层活动性整体较弱；2008～2018年期间形变速率累加曲线表现为群体性上升形态，表明断层活动性逐渐增强。

4)跨断层测线出现形变速率累加的频率比不跨断层测线高，说明跨断层测线含有更加丰富的断层活动信息。选择出现异常时段较多，同时具有较多地震段落的测线作为本场地的预测段落，计算预测效率(表2)。结果表明，女山、槐柏、大堰、钱家店相应段落的预测效果较好，华东地区3次联发地震前后形变速率累加的持续时间一般为1个月至1 a，在异常结束后6～12个月内发生地震，可作为震情监视的中长期预测指标。