跨斷層流動形變監測環境及監測技術探討*

陸明勇 劉天海 黃寶森 李 民 寇建新 房宗緋 張金城 于海生

(中國地震應急搜救中心，北京 100049)

跨斷層流動形變監測環境及監測技術探討*

陸明勇 劉天海 黃寶森 李 民 寇建新 房宗緋 張金城 于海生

(中國地震應急搜救中心，北京 100049)

對首都圈地區跨斷層流動形變監測環境的考察發現，某些監測場地中(近20%)存在一定的非地震因素影響。為減少非地震因素的影響，跨斷層流動形變水準和基線應該同樁觀測;測量儀器應該由具有更高測量精度和穩定性的DiNi電子水準儀代替Ni002光學水準儀，用Di2002甚至TC2003和TCA系列儀器代替傳統的24 m基線尺。

首都圈地區;跨斷層;流動形變;監測環境;監測技術

1 引言

首都圈地區跨斷層流動形變始建于為20世紀60年代，大部分建點觀測為20世紀70—80年代。首都圈地區不僅監測場地多，監測周期短而且觀測資料時間長，資料價值高，如：1976年唐山地震、1989年大同-陽高地震、1998年張北地震，震前均出現斷層明顯異常活動變化［1-5］，且斷層的水平異常活動較垂直異常活動明顯［6］。

首都圈地區跨斷層流動形變共有監測場地24處，其中13處為水準監測場地，10處為基線、水準同樁監測場地，1處為基線、水準不同樁監測場;19處的監測樁為基巖端點，5處為土層端點;21處監測場地為每月監測1次(基線監測都為每月監測1次)，3處為每2月監測1次(2處為土層端點);最早監測始于1967年10月，最晚監測為1993年1月。近年來，觀測環境發生了很大變化，干擾源顯著增多，監測環境變化不僅使監測場地大量減少［7］，首都圈地區跨斷層流動形變監測場地在20世紀80年代末時最多達30多處、監測項達100余項，目前只有24處、監測65測項，而且也造成觀測數據可信度的降低。而在過去30～40年里，觀測儀器也發生了很大的變化，觀測儀器不斷更新;從最早的光學儀器、手工測量，到現在數字儀器、自動觀測以及空間對地觀測。

為此，為了客觀真實地評價監測環境狀況和監測資料質量的可靠性，我們對監測場地進行了實地考察并對考察結果進行了分析;同時對目前地殼形變監測儀器(技術)以及跨斷層流動形變監測情況進行了分析，并探討了跨斷層流動形變測量技術的發展趨勢。

2 跨斷層流動形變監測場地監測環境分析

首都圈地區跨斷層流動形變監測場地可分為土層監測場地與基巖監測場地。土層監測場地即監測樁是埋設在土層里，一般分布在人口較多的平原地區，受非地震影響較多;基巖監測場地為監測樁埋設在基巖里，主要分布在人類活動較少的山區。為此，可以根據監測場地類型、監測環境狀況等對首都圈地區跨斷層流動形變監測場地進行分類，即監測場地為土層點、受干擾因素多的場地為C類;監測場地為基巖點、受干擾因素較多或監測場地為基巖點、受干擾因素較少的場地為B類;監測場地是基巖點、受干擾因素少的場地為A類。

考察發現，影響斷層活動信息真實的因素主要有：土層樁、人為因素、汽車活動因素以及降雨、積水等因素。在跨斷層流動形變監測場地考察過程中發現，一處場地可能存在多種影響因素。監測場地非地震影響因素共23項，其中11處觀測場地存在人為因素影響、占整個24處觀測場地的45.83%;其次為土層樁觀測場地和汽車因素觀測場地均為5處、占20.83%;受降雨、積水等因素影響的場地有2處，占8.33%(表1)。對4種影響因素的進一步分析顯示，在受影響的23項場地影響因素中，人為因素影響達11項、占47.83%;土層樁和汽車影響因素均為5項、占21.74%;降雨因素為2項、占8.7%。而對監測場地進行分類分析表明：A類觀測場地11處、占45.83%，B類觀測場地8處、占33.33%，C類觀測場地5處、占20.83%。因此，在分析的24處監測場地中，監測環境不太好的監測場地(C類觀測場地)占20.83%，79.19%監測場地(A類和B類觀測場地)的監測環境還是比較好的。

表1 非地震因素影響場地分析表Tab.1 Analysis of the sites affected by non-seismic factors

3 跨斷層流動形變監測技術

3.1 跨斷層流動形變監測儀器(技術)

跨斷層流動形變測量分為水平(基線)和垂直(水準)。截至2009年底，全國共有20個省局及直屬單位進行跨斷層形變場地監測，共有261個監測場地，其中水準有238場地、基線有23場地①大地形變測量技術管理部.2009年度全國跨斷層形變場地監測網運行報告［R］.2010.。用于監測垂直形變的水準測量的觀測儀器為Ni002系列光學水準儀、DiNi系列電子水準儀;用于水平形變測量的測距(含基線測距)和基線分別采用傳統的24米基線尺、Di2002紅外測距儀、TC2003測量①。因此，各單位使用儀器不同，一方面老儀器老化現象十分嚴重、故障率逐年升高、耗材難以購置、儀器維修不便，儀器更新迫在眉睫①;另一方面各種新儀器(技術)不斷出現，面臨儀器(技術)選用的技術難題。在此，對目前跨斷層流動形變測量工作中儀器使用以及一些監測情況進行分析并探討跨斷層流動形變測量技術。

表2為形變監測儀器(方法)技術特征統計表，從表2可以看出：雖然各種對地觀測技術日趨成熟，但要運用于跨斷層流動形變測量，特別是短距離跨斷層流動形變測量還不太可行。如：GPS短距離觀測投入成本太大，不利于推廣應用，并且受地形因素的影響;PS-InSAR技術信息目前還需要依賴國外提供的信息資料且間隔時間較長，不能快速靈活地獲得斷層活動信息;衛星激光測距(SLR)精度為亞厘米級，PS-InSAR技術精度變化范圍大，與不同數據處理關鍵技術有關等。所以，在跨斷層流動形變測量方面，無論從經濟上投入、還是從儀器監測精度和實際監測精度符合規范精度以及儀器性能穩定、精度可靠、使用方便性、測量速度等方面看，水準測量用DiNi電子水準儀代替Ni002光學水準儀，基線測量用Di2002甚至TC2003和TCA系列儀器代替傳統的24m基線尺是最為可行的辦法。

表2 形變監測儀器(技術)特征統計表［7－20］Tab.2 Statistics of the technical characteristics of instrument for deformation monitoring

3.2 監測場地觀測技術

1)跨斷層流動形變水準和基線同樁觀測

要獲得三維的斷層活動信息必須對斷層進行同樁的垂直和水平觀測即水準觀測和基線觀測。研究認為，地殼水平運動量大于垂直運動量。過去測距儀測量精度低、穩定性欠佳，加常數、乘常數測定精度不高;基線丈量效率低，對場地要求高等諸方面技術和設備的原因，跨斷層水平形變測量也基本被放棄或減少。而如今Di2002紅外測距儀、TC2003和TCA系列測距儀等具有體積小、易攜帶、耗電省、頻率穩、觀測速度快、外界條件變化小、觀測值比較穩定、觀測精度高等特點①，為水準和基線同樁觀測提供了儀器(技術)保障。

2)跨斷層流動形變基線觀測樁改造

首都圈地區跨斷層流動形變觀測樁基本分為兩種，一種為單純的水準觀測樁，水泥澆鑄，埋設于地下，一般出露地表較少。另一種為水準、基線同樁觀測，水準標志出露地表較少，但基線樁由水泥澆鑄、出露地表為1.2～2.5m高［20］，中間有突出的螺桿，以便固定測量儀器。

基線樁出露地表較多且基線柱中間含有金屬，容易被破壞;而基線樁可能并不垂直地面或中間突出螺桿不垂直地面，造成監測儀器重量全部由固定螺栓和中間突出螺桿承擔，容易使固定螺栓和中間突出螺桿之間的螺紋破壞，使中間突出螺桿更加不垂直地面，容易造成監測誤差增大，測量不合［20］。如2010年8月燕家臺斜交基線觀測時，儀器漂移不穩、測量不合，更換儀器固定螺絲后變化4.38 mm;9月該固定螺絲螺紋仍不是很好，又更換固定螺絲，9月觀測恢復變化3.69 mm;在此過程中，其余測線變化較小，未見異常②陸明勇，燕家臺斜交基線觀測突變異常落實報告［R］.2010.。分析認為：不合可能是多種因素引起誤差放大的結果，如固定螺栓和中間突出螺桿之間的螺紋不好造成儀器固定不穩、觀測時儀器誤差和人為誤差等，而異常變化與更換固定螺絲有關②。

針對跨斷層基線樁存在的問題，提出將測量樁中間突出的固定測量儀器的金屬螺桿更換為埋設于測量樁中具有螺紋孔的且與測量樁一樣高的固定測量儀器的金屬盤。一方面可以使金屬裸露在外的空間減小，增加基線測量樁破壞難度、降低基線測量樁破壞幾率。另一方面減小了以前基線測量樁測量時測量儀器重量全由固定螺桿承擔，造成測量儀器調平、調穩時間過長且容易使固定螺桿傾斜增加測量不合的概率，從而減小測量儀器安裝過程中出現漂移的幾率、減小測量不合的概率和幅度。但在具體操作和實施時，應該是在過去基線測量樁破壞后無法繼續測量的情況下實施改造，這樣既可以進行測量樁改造又可以最大限度的保證測量環境的穩定和數據的連續。

4 結語

1)影響首都圈地區跨斷層活動信息真實觀測的因素主要有測樁為土層點、人為因素、汽車活動以及降雨等因素。其中人為因素影響達11處觀測場地、占整個24處觀測場地的45.83%，其次為土層測樁和汽車因素，均為5處、占20.83%，降雨、積水等因素為2處、占8.33%。從24處跨斷層流動形變監測場地來非地震因素影響大小看，非地震因素影響較小的監測場地有19處、占79.17%;非地震因素影響較大的監測場地有5處、占20.83%。

2)在跨斷層流動形變測量方面，無論從經濟投入還是從儀器監測精度和實際監測精度符合規范精度以及儀器性能穩定、精度可靠、使用方便、測量速度等方面看，目前各種對地觀測技術運用于日常的跨斷層流動形變測量特別是短距離的跨斷層流動形變測量還不太可行。未來一段時間內，水準測量可以使用DiNi電子水準儀代替Ni002光學水準儀，基線可以使用Di2002甚至TC2003和TCA系列儀器代替傳統的24 m基線尺進行基線形變監測。

3)跨斷層測量應該對斷層進行同樁的垂直和水平的觀測，高效的Di2002紅外測距儀、TC2003和TCA系列測距儀等為廣泛開展斷層活動水平測量提供了技術支持。水準、基線同樁觀測的基線測量樁進行技術改造，一方面可以使基線測量標致、固定器材和測量儀器之間有效的平穩的銜接，有效減小它們之間的摩擦損失;另一方面，可以減少基線監測樁被破壞的概率。從而可以有效保證監測儀器在測量過程中的穩定，減小測量不合的概率和程度，增加獲取斷層活動可靠信息的能力。

1 張國民，等.大同-陽高地震研究［M］.北京：地震出版社，1993.(Zhang guomin，et al.Datong-Yanggao earthquake research［M］.Beijing：Seimological Press，1993)

2 車兆宏.唐山及大同-陽高地震大地形變與重力前兆綜合研究［J］.山西地震，1995，(1)：34-38.(Che Zhaohong.A comprehensive research on the precursory geodetic deformation and gravity variation of Tangshan and Datong-Yanggao earthquakes［J］.Earthquake Research in Shanxi，1995，(1)：34-38)

3 張國民，等.一九九八年張北地震［M］.北京：地震出版社，1999.(Zhang Guomin，et al.1998 Zhangbei earthquake［M］.Beijing：Seismological Press，1999)

4 陸明勇.地殼形變與地下水相互作用及“雙力源”前兆觀點［J］.大地測量與地球動力學，2006，(1)：76-83.(Lu Mingyong.Muyual action between crustal deformation and under ground water and view of seismic precursor of“double force source”［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2006，(1)：76-83)

5 陸明勇，等.華北強震前地下流體長趨勢變化特征及其產生機理的研究［J］.西北地震學報，2010，32(2)：129-138.(Lu Mingyong，et al.Study on characteristics of longtime trend change of subsurface fluid before strong earthquake in North China and its mechanism［J］.Northwestern Seismological Journal，32(2)：129-138)

6 車兆宏，范燕，馬牧軍.華北地區震前斷層異常活動方式［J］.地震，2004，24(2)：109-118.(Che Zhaohong，Fan Yan and Ma Mujun.Pattern of the fault movement before earthquakes in the North China region［J］.Earthquake，24 (2)：109-118)

7 車兆宏.我國斷層形變觀測在地震研究中的進展及問題［J］.國際地震動態，2003，299：11-14.(Che Zhaohong.Progress and problems of the fault deformation observation in the earthquake researches in China［J］.Recent Developments in World Seismology，2003，299：11-14)

8 陳鑫連，顧國華.GPS精密衛星定位技術在我國地球科學中的應用——中國地殼運動觀測網絡工程進展［A］.西部大開發：科教先行與可持續發展——中國科協2000年學術年會文集［C］.北京：科學技術出版社，2000.(Chen xinlian and Gu guohua.Precise GPS satellite positioning technology in our earth science applications——China Crustal Movement Observation Network Engineering Progress［A］.“Go West：advance science and education and sustainable development——China Association 2000 Annual Meeting Proceedings”［C］.Beijing：Science and Technology Press，2000)

9 鞏守文，祝意青，任道勝.威特DI2002測距儀性能及其與ME-3000反射鏡匹配研究［J］.地殼形變與地震，1995，(2)：43-50.(Gong Shouwen，Zhu Yiqing and Ren Daoshen.Performance wild DI2002 ranger and the investigation on matching ME-3000 reflector［J］.Crustal Deformation and Earthquake，1995，(2)：43-50)

10 顧慶華.DINI12電子水準儀在臺站短水準測撬巾的應用［J］.地震地磁觀測與研究，2006，27(3)：96-100.(Gu Qinghua.Application of DINI12 electron water level for the short distance level measure in seismostation［J］.Seisological and Geomagnetic Observation and Research，2006，27(3)：96-100)

11 焦明連，蔣廷臣.PSInSAR技術在地表形變監測中的應用研究［J］.全球定位系統，2008，33(4)：7-10.(Jiao Minglian and Jiang Tingchen.Monitoring of ground deformation with PSInSAR［J］.GNSS World of China，2008，33 (4)：7-10)

12 劉基余.60年距離測量的演變［J］.海洋測繪，2010，30 (2)：74-78.(Liu Jiyu.he distance measurement evolution in 60 years［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2010，30(2)：74-78)

13 陸盛泉.南通地震臺數字水準儀觀測效果的分析［J］.地震地磁觀測與研究，2009，30(5)：65-70.(Lu Shengquan.Analysis on the effect of dgital level observation in Nantong Seismostation［J］.Seisological and Geomagnetic Observation and Research，2009，30(5)：65-70)

14 牛之俊，等.中國地殼運動觀測網絡［J］.大地測量與地球動力學，2002，(3)：88-93.(Niu Zhijun，et al.Crutal movement observation network of china［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2002，(3)：88-93)

15 衛建東，等.TCA2003測量機器人在南水大壩監測網測量中的應用［J］.水電自動化與大壩監測，2005，29(1)：70-73.(Wei Jiandong，et al.Application of georobot to monitoring network of Nanshui Dam［J］.Hydropower Automation and Dam Monitoring，2005，29(1)：70-73)

16 張景發，龔利霞，姜文亮.PS InSAR技術在地殼長期緩慢形變監測中的應用［J］.國際地震動態，2006，(6)：1 -6.(Zhang Jingfa，Gong Lixia and Jiang Wenliang.Application of PS-InSAR technique to measurement of longterm crustal deformatio［J］.Recent Developments in World Seismology，2006，(6)：1-6)

17 張祖勝.中國地殼運動觀測網絡［J］.中國基礎科學，2001，(3)：45-49.(Zhang Zusheng.The crustal movement observation network of China［J］.China Basic Science，2001，(3)：45-49)

18 周昌賢.GPS技術在監測地震與地殼運動中的應用［N］.科技創新導報-技術創新，2009，32：20.(Zhou Changxian.GPS technology to monitor earthquakes and crustal movement in the application［N］.Science and Technology Consulting Herald，2009，32：20)

19 祝意青，鞏守義，劉練.威特DI2002測距儀實測精度分析［J］.地震研究，1997，20(3)：332-338.(Zhu Yiqing，Gong Shouwen and Liu Lian.Ranging precision analysis of wild DI 2022 ranger［J］.Journal of Seismological Research，1997，20(3)：332-338)

20 國家地震局.跨斷層測量規范［S］.北京：地震出版社，1991.(State Seismological Bureau.Cross-fault measurement standard［S］.Beijing：Seismological Press，1991)

DISCUSSION OF ENVIRONMENT AND MONITORING TECHNOLOGY FOR CROSS-FAULT MOBILE DEFORMATION MONITORING

Lu Mingyong，Liu Tianhai，Huang Baosen，Li Min，Kou Jianxin，Fang Zongfei，Zhang Jincheng and Yu Haisheng
(China Center for Earthquake Disaster Emergency and SAR，Beijing 100049)

On the basis of the study of cross-fault mobile deformation monitoring environment in the Capital Region of China，it is found that there are a few sites(near 20%)impacted by the non-seismic factors.So we suggest that the crustal deformation monitoring techniques(instruments)and the cross-fault deformation surveying line layout should be improved and the cross-fault flow deformation level ling survey and baseline level of observation should be at the same pile.The baseline survey pile of existing level and baseline measurements should be technologically transformed at the appropriate time，in the measurement instrumentation：DiNi electronic level should be used instead of Ni002 Optical Level，Di2002 even TC2003 and TCA series of instruments should be used instead of the 24m traditional foot baseline deformation monitoring.

Capital area of China;cross-fault;mobile deformation;monitoring environment;monitoring technology

1671-5942(2011)05-0141-05

2011-01-11

中國地震局地震行業專項(201008012);中國地震局監測預報司項目

陸明勇，男，1965年生，研究員，主要研究方向為地殼形變、地下流體、地球動力學與地震預測等.E-mail：lmy9988@163.com

P315.72+6

A