基于跨断层监测资料的金州断裂活动性研究

孔祥瑞 翟丽娜 李梦莹 孙庆山 焦明若 王喜龙

1 辽宁省地震局，沈阳市黄河北大街44号，110034

水准测量作为传统的大地测量方法，具有测量精度高、观测周期跨度大等优势，是研究地壳垂直形变的重要手段之一[1]。水准测量得到的时序变化能够反映区域构造活动的时空特征，具有较好的中短期预报意义[2-4]。

金州断裂作为辽南地区一条主要的活动构造断裂，其地震危险性一直备受关注。辽宁省金州地震台自20世纪70年代起开展对金州断裂及其周边地震活动的监测工作，并为1975年海城地震的成功预报提供了重要的前兆依据[5]。同时，金州地震台也是辽宁省跨断层观测手段最为丰富的台站，是渤海海峡及邻区重点监视防御区的重点监测台站，对台站资料进行深入分析对重点防御区的长中短期预报工作十分必要。金州断裂相关工作主要集中在2013年以前，随着观测数据的积累与观测手段的丰富，以及该地区中小地震和周边地区应力应变调整，重新梳理和研究金州断裂南段活动特征对于分析该地区地震危险性及对辽南地区未来地震趋势的判定具有重要意义。

本文利用金州地震台断层蠕变观测资料，计算断层水平走滑量、水平张压量和垂直变化量，提取断层活动三维信息，结合金州断裂的水准观测资料，分析该断层现今活动特征，梳理并分析日本7级以上强震对金州断裂活动产生的影响，以期为辽宁南部地区地震趋势判定提供定量的形变观测依据。

1 场地资料概况及数据处理

1.1 场地及观测资料概况

金州地震台位于金州区大黑山西侧(图1)，地势较为平坦。金州断裂南段穿过台站附近，断裂全长约200 km，走向NE15°～20°，倾向NW70°，倾角约50°。观测场地选定的东西向测线横跨金州断裂，南北向测线平行于金州断裂。距离台站北200 m处有断裂出露，上盘(西盘)岩性为震旦系甘井子组白云质灰岩，基岩完整；下盘(东盘)岩性为太古界鞍山群黑云斜长片麻岩，基岩完整，覆盖层厚度2 m。

图1 研究区跨断层场地、断裂与地震分布

本文金州地震台断层观测数据主要包括水准和三维断层蠕变观测资料，其中水准观测为金州室内水准、金州场地水准和位于金州北部同样跨金州断裂的熊岳水准，观测仪器型号为DI004光学水准仪，自观测以来数据质量良好。根据往期观测资料可知，金州水准观测每km往返中误差均值为±0.16 mm；熊岳水准场地观测环境相对较差，每km往返中误差均值为±0.63 mm，观测结果均符合要求。断层蠕变观测系统由三部分组成，分别为2套DSG型水平变形测量仪，方位角分别为110°和140°，与断层方向分别正交、斜交；1套DFG型垂直变形测量仪，方位角为110°，观测精度为±0.005 mm。观测结果与辅助观测数据室温并无良好相关性，且多年来观测环境温度无趋势变化，由此可见，该系统能够记录到由温度变化引起的地表热形变及断层水平活动和垂直活动信息[6]。2011年以来记录数据平稳，无明显外界干扰，其中断层蠕变观测系统的垂直形变分量与金州室内水准处于同一观测室内，且测线互相平行，可进行对比分析。

1.2 数据处理

对断层蠕变观测数据进行提取是分析断层活动性的重要步骤[7-9]，本文利用三维断层形变观测得到的正交、斜交及垂直3个分量的观测数据，通过方位角和断层倾角计算提取断层活动的3个基本参数：水平走滑量、水平张压量及垂直变化量。其中，水平走滑量计算公式为[10-12]:

(1)

式中，ΔL为基线水平向测值变化；ΔH为断层垂直向测值变化；α为基线观测方向与断层走向的夹角，以断层走向为起算边，顺时针至测线方向(0°<α<180°)；β为断层倾角。当Δd>0时，断层为右旋；当ΔH>0时，断层上盘相对下盘上升，为逆断层；当ΔL>0时，断层上盘相对下盘水平测线伸长。

2 金州断裂南段现今活动特征

2.1 断层蠕变观测与室内水准资料对比分析

2.1.1 断层蠕变观测数据处理及分析

利用本文数据处理方法，计算得到断层水平走滑量、水平张压量、垂直变化量的时间序列曲线(图2)。水平走滑量时间序列(图2(a))结果显示，金州断裂南段总体表现为右旋运动，其中2012～2014年表现为微左旋运动特征，平均走滑速率约为0.4 mm/a，活动水平较低；2014年至今转变为右旋运动，平均走滑速率约为1 mm/a，该结果与金州断裂右旋活动背景一致，但从活动速率上看，目前处于较低的活动水平。水平张压量时间序列(图2(b))结果显示，金州断裂南段总体表现为上盘相对下盘水平测线处于伸长状态，表明水平方向受拉张力影响，其中2012～2014年该区域断层受压性影响，变化速率为-0.05 mm/a；2014～2019年断层受张性影响，变化速率为0.24 mm/a；2020年至今受张性影响有所减弱，变化速率约为0.05 mm/a。垂直变化量时间序列(图2(c))结果显示，2012～2014年金州断层垂直变化也处于较低水平，其最大累积变化量对应的时间段为2014～2020年，断层上盘相对下盘上升最大幅度为3 mm，但年均变化量仅为0.5 mm左右，运动水平较弱。

图2 金州断层水平走滑量、水平张压量、垂直变化量曲线

由图2中2012年以来断层走滑量、张压量以及垂直量的总体趋势可知，从时间角度分析，断层活动三分量具有一定的同步性，2014年断层由弱压性运动转变为拉张运动，断层走滑和垂直方向的运动速率也出现相应变化；从应力变化角度分析，在拉张作用下断层呈右旋运动，且上下盘高差呈增加趋势，这与断层右旋兼正断的活动背景一致。

2.1.2 室内水准资料分析

金州台室内水准观测资料时间长，与断层蠕变观测均跨金州断裂，且与垂直测项安装在同一观测室内，两测线平行，对室内水准资料进行分析一方面能够从长时间尺度了解金州断裂的活动性质，另一方面又能与断层蠕变垂直方向进行对比，分析两者数据的稳定性和准确性(图3)。

图3 金州台室内水准与周边井水位对比

将图3中2012～2021年室内水准观测数据曲线与图2(c)中断层形变垂直变化量曲线进行对比发现，年变周期幅值与断层观测尺度、仪器自身受温度气压等环境因素影响有关，但趋势变化特征基本一致，表明两者均能真实反映断层垂直方向的变化情况，从而验证了数据的准确性。

图3中水位数据值采用人工测量方式，为观测井口至水面的距离。对比金州台室内水准高差曲线与水位曲线可以看出，其趋势形态基本一致，即水位上升伴随着水准高差绝对值减小[13-14]。从水准数据反映的断层活动来看，水准曲线趋势形态主要分为3个阶段，即1995～2006年曲线缓慢上升，2005～2016年加速下降，2016年至今数据曲线恢复其缓慢上升状态。根据图2(b)张压曲线中断层活动在2014年由弱压性转为张性可知，室内水准受张性影响，高差变化也呈增加趋势，其相关性与断层蠕变垂直分量一致。结合2011年日本9.1级地震发现，该水准曲线的加速-转折变化主要受日本地震影响，地震发生后曲线下降速率有所减缓，2016年后曲线恢复上升趋势，并逐渐恢复至与2006年前曲线形态一致。

2.2 短水准及长水准资料对比分析

本文水准资料选取金州台场地水准，结合位于金州地震台北部同样监测金州断裂的熊岳水准场地进行对比分析。首先分析该场地长期变化趋势，然后结合日本7级以上强震发震时间与水准变化进行对比，分析周边地区强震对金州断裂活动性的影响。

通过对1991～2020年数据进行分析(图4)，总体来看，断层上、下盘高差曲线呈现减小趋势，其中1991～2002年垂直运动速率为-0.04 mm/a；2003～2009年垂直运动速率明显减小，出现闭锁现象，该时段内垂直运动速率仅为-0.013 mm/a；2011～2013年期间，该区域断层活动速率减小，且在2010年年变形态消失，2011-03-11日本9.1级地震对中国东北区域的郯庐断裂带北段产生明显的拉张运动，并在应力积累水平上具有缓解作用[15-18]。通过对金州水准数据进行分析可知，该地震对金州断裂南段具有基本相同的影响，表现为应力积累减缓，断层垂直运动速率减小。2014～2018年该变化得以恢复，表明该地区垂直形变速率基本恢复至背景水平。2019年至今，该场地点位更换，且观测周期发生改变，故不进行深入分析。

图4 金州场地跨断层水准数据变化

从地震时间序列与金州水准时间序列对比来看，日本地震活跃会使金州断裂活动减弱，或出现小幅度的差异性调整活动。根据日本3·11地震对东北地区应力积累具有缓解作用这一观点发现，1995年和2003年日本地震活跃期间，金州断层活动与日本3·11地震震后形态类似，这表明日本7级以上强震会对金州断裂所处区域产生一定应力变化，进而对断层活动产生一定影响。

熊岳场地为2个月观测一期的流动场地，场地跨金州断裂，其中1号和7号点位于断裂上盘，19号和25号点位于断裂下盘，1号、19号和25号点位于基岩，7号点位于土层。选取2001～2021年水准1～25测段数据绘制时间序列曲线，与周边及日本7级以上地震进行对比，结果见图5。

图5 熊岳场地跨断层水准数据变化

从水准1～25测段数据来看，2001～2021年曲线速率约为-0.09 mm/a，总体运动速率高于金州水准。结合地质资料可知，熊岳水准监测区域的断层为正断性质，这与金州台水准所反映的断层性质一致。结合周边地区M-T图对比发现，周边地震活动对断层运动影响较小，日本3·11地震发生后，其运动速率略微加快，但总体活动水平较弱。

3 结 语

本文通过对金州断裂多个水准场地和断层蠕变观测资料进行处理，参考金州断裂地质资料，分析该断裂近场活动特征，得到以下结论：

1)断层蠕变观测垂直分量测线与同台站室内水准测量作为同观测室、同方向且平行的两套系统，其记录的2012年以来断层活动信息总体趋势形态和年变周期一致，表明观测数据可靠，可反映断层活动信息，年变周期幅值差异与断层观测尺度、仪器自身受温度气压等环境因素影响有关。

2)从金州断裂跨断层形变观测长趋势曲线来看，由于水准场地观测尺度和观测环境不同，曲线形态和量值也存在差异，但总体表现为以张性正断活动为主，与背景资料具有很好的一致性，断层地质资料中右旋的运动特征也与断层蠕变观测的计算结果一致。

3)金州断裂南段总体呈正断活动特征，平均速率约为0.05 mm/a；平行断裂方向的滑动速率为0.4 mm/a，虽保持右旋错动，但活动速率很小。从水准数据来看，1991～2021年金州断层运动速率约为-0.033 mm/a，属于弱活动水平；而熊岳场地水准总体运动速率为-0.09 mm/a，由此可见金州断裂南段活动水平弱于北段，该观点与区域地震活动性基本一致。

4)日本3·11地震对金州断裂不同测段水准的影响存在差异，金州台室内水准和场地短水准时间序列曲线速率减小，而熊岳水准曲线速率增大，表明受日本强地震影响该区域存在应力变化且震后出现调整运动。从金州2套水准观测数据来看，2015年后运动形态与长期背景水平基本一致，由此可见，日本3·11地震对该区域断层活动产生的影响逐渐恢复至其原有的运动特性。