基于跨断层资料的辽宁地区主要断裂活动特征分析

孔祥瑞 杨牧萍 王喜龙 翟丽娜 杨晓东 刘健男 刘天龙

1 辽宁省地震局,沈阳市黄河北大街44号,110031

辽宁地区地质构造复杂,断裂分布广泛,在太平洋板块NWW向俯冲挤压作用下,形成以郯庐断裂带为控制断裂带,两侧分布金州断裂、浑河断裂、鸭绿江断裂、朝阳-北票断裂、大凌河断裂等多条断裂的构造格局[1-2]。从断裂走向展布特征来看,可分为NE-NNE向、近EW向、NW向和近NS向活动断裂,其中以NE向断裂为主[3]。万波等[4]研究认为,目前辽宁地区活动性较强且具有一定规模的断裂约42条,其中对地震活动有控制作用的断裂包括金州断裂、大凌河断裂、浑河断裂、朝阳-北票断裂等多条断裂。因此对辽宁地区主要断裂进行活动性研究,对该地区目前地震危险性评价以及未来地震趋势判定具有重要意义。

辽宁地区跨断层监测工作始于20世纪70年代,以观测断层垂向活动性为主,短水准观测周期为1～5 d,长水准观测周期一般为1～2月,能够完全跨越断层破碎带,在观测近场活动特征方面具有一定优势。由于辽宁地区GPS观测网密度小,无法准确获取断层近场活动信息,因此,目前对断裂活动性进行分析仍以水准资料为主。此外,辽宁地区断层活动分析工作主要集中在2013年以前,分析工作以地震活动性和地质构造调查为主,但随着观测资料的积累以及日本9.0级地震对我国东北、华北地区的影响,重新梳理和研究辽宁地区断层活动,对评估目前地震危险性以及未来地震趋势研判均具有一定意义。本文利用辽宁地区现有水准资料,较为全面地分析辽宁省内主要断裂带活动特征以及各断裂活动的一致性与差异性,为辽宁及周边地区地震预测提供依据。

1 辽宁地区跨断层水准场地概述

辽宁地区跨断层水准场地主要分布在郯庐断裂带两侧,考虑到水准数据资料的连续性以及场地改造等因素对数据质量的影响,本文选取北票、车坊、金州、丹东和清原5个场地的水准数据进行分析[5-6](表1、图1)。目前,辽宁地区水准观测仪主要为DiNi03数字水准仪,观测周期为1 d至2月。从观测精度来看,上述场地观测结果每公里往返中误差不超过±0.80 mm,观测精度符合要求。本文将优先选取符合测量标准的基岩点测段进行分析,以提高分析结果的可靠性。

图中1∶400万断裂信息引自文献[7]图1 辽宁地区ML≥5.0地震及水准场地分布Fig.1 Distribution of ML≥5.0 earthquakes and leveling sites in Liaoning area

表1 辽宁地区水准场地概况Tab.1 General information of leveling sites in Liaoning area

2 水准数据资料分析

2.1 车坊水准:大凌河断裂

车坊场地位于辽宁省锦州市义县车坊乡东沟口子村,跨大凌河断裂。大凌河断裂长约170 km,总体为NNE走向,倾向NW。车坊水准测线全长1.02 km,共设20站,分3段测量。该场地3号点为基岩点,西端6、7号点为土层点。由于该场地6号点于2011-10遭破坏,现作为过渡点使用,因此2011-10之后对该场地的分析主要为3-7测段(图2)。

图2 车坊跨断层水准数据变化曲线Fig.2 Variation of cross-fault leveling data in Chefang site

从车坊水准3-7测段数据曲线可以看出,1999年岫岩5.4级地震发生前,大凌河断裂垂向活动速率约为0.75 mm/a,累积变化量达3 mm。由于观测数据起始时间为1995年,岫岩地震前该断裂背景活动状态无法判断,但根据地震后该断裂活动状态可判断岫岩地震后断裂活动速率明显减弱。1999～2011年高差平均变化幅度不超过0.5 mm,主要为季节性变化引起的单期数据变化。2011年该断裂垂向活动速率加快,同年03-11发生日本9.0级地震,2011～2013年高差累积变化量接近2 mm;2013～2015年数据逐年恢复,期间于2013-01-23发生灯塔5.1级地震,2019年至今数据趋于平稳。

2.2 丹东水准:鸭绿江断裂

丹东水准场地位于辽宁省丹东市四道沟滨江村,跨鸭绿江断裂。鸭绿江断裂为郯庐断裂带东侧次级断裂,是辽宁东部地区规模较大的断裂带之一[8]。丹东水准场地自2001年开始观测,观测周期为日观测,2019年起改为5 d观测。水准观测路线为“L”形路线,SN测线为跨断层测线[9]。该场地3个端点均为基岩观测点,由于观测场地在2006年受建筑施工影响,测站由10个增加到12个,测线长度由355 m增加到440 m。由于建设施工需要对基岩观测端点N进行改造,此次改造使该点产生一定量沉降,为消除该影响,本文对SW测段进行分析(图3)。

图3 丹东跨断层水准数据变化曲线Fig.3 Variation of cross-fault leveling data in Dandong site

从丹东水准SW测段观测数据可以看出,2006年建筑施工对观测数据造成一定影响,表现为年变形态消失,其最大影响为0.4 mm,2010年后数据趋于稳定。2010年该场地观测仪器由Ni002A光学水准仪更换为DiNi03数字水准仪,该型号水准仪采用光学自动读数,在一定程度上可消除人工读数误差,但DiNi03水准仪i角限差为15″,大于Ni002A光学水准仪,进而导致观测精度降低,使观测数据存在一定的年周期变化[10]。

从断裂活动变化来看,鸭绿江断裂总体活动水平偏弱,2001～2022年断层垂向累积变化量约为0.10 mm,平均活动速率约为0.05 mm/a,其中2001～2011年垂向累积变化量约为0.70 mm,平均活动速率约为0.07 mm/a,2012～2022年垂向累积变化量约为0.37 mm,平均活动速率约为0.04 mm/a,相比2001～2011年断裂活动进一步减弱。结合2011-03-11发生的日本9.0级地震,判断此次地震对该区域断裂应力积累存在缓解作用,导致断裂总体活动水平进一步减弱。

2.3 清原水准:浑河断裂

清原水准场地位于辽宁省抚顺市清原满族自治县。浑河断裂带西起沈阳西部平原,经抚顺市章党镇、红透山镇,东至抚顺清原满族自治县,全长约192 km,总体走向60°～70°[11-12]。清原水准场地观测仪器于2010年由Ni002A光学水准仪更换为DiNi03数字水准仪,2014年起该水准场地由每日观测改为每月观测。从清原水准B-A测段数据曲线可以看出,浑河断裂总体活动水平较弱,1995～2010年断层垂向累积变化量不超过0.5 mm,表明浑河断裂垂向运动基本处于稳定状态;2010～2022年,由于更换仪器导致观测数据受温度等季节性因素影响,存在明显的年周期变化,但该阶段浑河断裂总体活动水平与2010年之前基本一致。总体来看,浑河断裂垂向运动相对稳定,长期处于较弱的活动状态(图4)。

图4 清原跨断层水准数据变化曲线Fig.4 Variation of cross-fault leveling data in Qingyuan site

2.4 北票水准:朝阳-北票断裂

北票水准场地位于辽宁省北票市凉水河乡黄花营子村,测线总长0.66 km,共设18个测站,其中1号点为基岩点,其他点均为土层点。北票场地跨朝阳-北票断裂,该断裂全长约200 km,总体走向NE,倾向以NW为主[13]。从水准观测数据来看,根据断层垂向活动速率可将朝阳-北票断裂活动分为5个阶段(图5)。1995～2002年该断裂呈弱压性变化,垂向活动速率约为-0.86 mm/a;2003～2006年曲线呈转折加速形态,活动速率为-1.91 mm/a,期间发生巴林左旗5.9级地震和东乌珠穆沁旗5.9级地震;2007～2010年该断裂活动速率为-1.18 mm/a;2011年日本9.0级地震发生后,该水准数据出现趋势转向的异常变化,2011～2014年断裂活动速率为2.48 mm/a,表明此次日本地震对朝阳-北票断裂产生一定影响,出现差异性运动,在此期间辽宁西部地区发生科尔沁5.3级地震,该异常变化持续至2015年;2015～2022年该断裂垂向活动速率约为-0.7 mm/a,与1995～2002年活动速率接近,表明日本地震对朝阳-北票断裂的影响基本结束,该断裂目前的活动水平接近于相对稳定的背景活动水平。

图5 北票跨断层水准数据变化曲线Fig.5 Variation of cross-fault leveling data in Beipiao site

2.5 金州水准:金州断裂

金州水准场地位于辽宁省金州地震台形变观测室内。金州断裂为辽南地区主要活动构造断裂,全长约200 km,走向NE,倾向NW,总体表现为正断性质[14-15]。金州断裂为辽宁重点监测断裂之一,本文选取金州室内水准观测数据,对金州断裂活动性进行分析(图6)。

图6 金州跨断层水准数据变化曲线Fig.6 Variation of cross-fault leveling data in Jinzhou site

根据金州水准数据变化曲线可将该断裂活动分为4个阶段,1995～2005年数据曲线缓慢上升,垂直分量运动速率约为0.02 mm/a;2006～2011年数据曲线呈下降趋势,运动速率约为-0.06 mm/a,日本9.0级地震发生后其活动速率有所减缓;2012～2017年运动速率约为-0.03 mm/a;2018～2022年运动速率约为0.015 mm/a,基本与1995～2005年断裂活动速率一致。从观测曲线和2011年日本9.0级地震发震时间可以判断,金州断裂在日本地震发生后,由于应力场发生变化,其断裂活动特征也发生一定改变,该影响在2017年后有所减弱,目前该断裂垂向运动特征基本与2005年之前运动特征一致。

2.6 讨 论

从现今辽宁地区主要断裂的运动变化量和活动速率来看,各断裂运动特征并不突出。从断裂空间分布角度来看,辽宁北部地区的浑河断裂、鸭绿江断裂活动相对稳定,自水准观测有记录以来基本保持其原有的活动特征;而辽南地区的金州断裂以及辽西地区的朝阳-北票断裂、大凌河断裂活动相对较为明显,水准资料显示辽南及辽西地区的断层活动存在自身差异性运动。

从时间尺度来看,清原水准数据显示浑河断裂长期处于稳定状态;车坊水准数据显示大凌河断裂在2011年存在高值异常变化,同年发生日本9.0级地震,2015年水准数据恢复其原有状态;同期丹东水准数据显示鸭绿江断裂活动速率在2011年由0.07 mm/a减弱到0.04 mm/a。此外,金州断裂和朝阳-北票断裂在2011年也出现一定的差异性变化,由此可判断此次日本地震对上述断裂的活动性均存在一定影响。

从断裂活动特征来看,金州断裂和朝阳-北票断裂受日本地震影响均产生同步响应。其中金州水准资料垂向活动速率在2006年由0.02 mm/a变为-0.06 mm/a,2011年日本9.0级地震发生后,该断裂垂向运动有所减弱,活动速率约为-0.03 mm/a,2018年该断裂活动特征与2005年之前运动特征一致;朝阳-北票断裂也存在类似变化,在2002年垂向活动速率由-0.86 mm/a变为-1.91 mm/a,断层活动速率明显加快,期间辽西及辽蒙交界地区发生3次5级以上地震,表明朝阳-北票断裂断层活动的差异性变化与周边地区发生5级以上地震危险性存在一定联系。截至目前,朝阳-北票断裂活动速率与1995～2002年活动速率接近,由此可判断当前断层活动与背景活动水平一致。根据日本地震前后金州和北票水准数据变化情况可判断,辽宁地区应力场变化会对金州断裂和朝阳-北票断裂断层活动产生一定影响,而其他断裂活动特征并未出现明显变化,由此也可判断金州断裂和朝阳-北票断裂更易受应力变化的影响而产生差异运动。

3 结 语

本文通过对辽宁金州、车坊、北票、丹东以及清原水准场地资料进行处理分析,结合辽宁地区地质资料,对各主要断裂活动特征进行研究,得到以下结论:

1)各观测场地受自身观测条件影响观测精度存在差异,土层观测点受季节因素影响较大;辽宁水准观测部分观测站由Ni002A光学水准仪更换为DiNi03数字水准仪,更换后受温度等因素影响,存在一定的周期性年变特征。

2)鸭绿江断裂、浑河断裂断层活动相比于金州断裂、朝阳-北票断裂以及大凌河断裂相对稳定,总体活动速率平稳;金州断裂和朝阳-北票断裂活动性存在自身差异变化,且变化时间存在一定同步性,其中朝阳-北票断裂差异性异常变化与辽西及辽蒙交界地区5级以上地震的对应性较好。

3)根据日本地震对辽宁地区主要断裂的响应程度分析可知,辽宁地区应力改变对金州断裂和朝阳-北票断裂活动性均产生一定影响,且时间上存在同步性;而其他各断裂活动特征并未出现明显改变,由此可判断金州断裂和朝阳-北票断裂相比于其他断裂更易受应力场改变的影响,从而产生差异性活动。

4)日本3·11地震对金州断裂和朝阳-北票断裂影响较为明显,表明日本地震对辽西和辽南地区影响较大,震后存在应力调整运动。2015年后金州断裂和朝阳-北票断裂活动特征与其长期背景水平一致,表明日本地震对辽宁地区的影响逐渐减弱,区域内断裂活动逐渐恢复其原有的运动特征。