利用唐山地震臺資料研究唐山斷裂活動特征1

周海濤 張立成 王連山

（中國地震局第一監測中心，天津 300180）

引言

唐山地震臺內建有跨斷裂水準測線和基線測線，主要用于監測唐山斷裂的活動狀況，40余年來積累了豐富的資料，為研究唐山斷裂的活動奠定了基礎，近年來唐山地震臺又陸續增加了斷層CO2測量和地應力測量等手段用于監測唐山斷裂活動。其中跨斷層形變測量是積累時間最長、觀測精度較高、能夠直接反映斷層活動的形變觀測手段。許多學者利用跨斷層形變資料進行了研究，并取得了較豐碩的研究成果（李文靜等，2009；黃建平等，2010，2011；周海濤等，2013）。利用跨斷層形變數據可求解斷層活動協調比參數，而斷層活動協調比又對地震預測研究有一定指示意義（張晶等，2011）。

斷層土壤氣是地球內部沿著活動板塊或塊體邊界及其它地殼薄弱帶向地表遷移釋放的氣體。監測跨斷層土壤氣釋放濃度的變化，已成為探索地震前兆與地震預測及評價斷裂活動性的重要方法（汪成民等，1991；劉菁華等，2006）。斷層土壤氣CO2是地球內部生成的眾多流體組分中最有可能大量遷移至地表并在地表某點集中釋放的氣體之一，它的異常濃度和通量，可以很好地反映地震活動和斷裂帶的活動情況（周曉成等，2012；張揚等，2016）。

唐山地震臺從2011年7月開始進行斷層CO2測量，每日監測1次，臺站場地內的斷層、基線和水準測線、CO2觀測點位如圖1所示。本文通過對唐山地震臺跨斷層形變和CO2資料進行分析處理，研究唐山斷裂的運動特征、斷裂活動協調比及CO2變化特征，以期總結出相關規律，為地震監測預測提供有益的借鑒。

1 斷裂形變特征

基線觀測可以監測到斷層兩盤間的水平形變，本文忽略應變部分，將基線變化近似地看作由斷層兩盤相對水平運動所引起，研究斷層水平運動特征。一般的跨斷層基線與斷層的位置關系見圖2。唐山地震臺共布設4條基線測線和4條水準測線，其中2條水準測線跨斷層，4條基線測線均跨斷層。水平張壓、走滑分量采用公式（1）計算，通過4條跨斷層基線數據并利用最小二乘法求解斷裂的水平向運動量值（周海濤等，2009）。斷層垂向運動分量通過2條跨斷層水準變化量取平均值得出。

圖2 斷層與基線位置關系Fig.2 Sketch map of the position relation of the fault and the baseline

式中：x為張壓分量（垂直于斷裂走向，張性運動為正）；y為走滑分量（沿斷裂走向，左旋走滑為正）；δL1和δL2分別是基線1、基線2的2期觀測值之間變化量（伸長為正）；α1、α2分別是基線1、基線2與斷裂走向的夾角（由斷層走向順時針轉動到基線方向所轉過的角度）。

跨斷層測量資料為1984年1月1日—2018年3月6日的數據。將計算結果繪制成時序曲線，見圖3。

圖3 唐山斷裂運動變化時序曲線Fig.3 The time series curve of Tangshan fault movement

從圖3（a）可以看出，斷層在2003年以前以拉張為主（曲線上升為拉張，下降為壓縮，下同），2003—2008年主要表現為壓縮，2008—2011年主要表現為拉張，2011年主要表現為壓縮，2012年至今張壓運動不明顯。斷層在各時段張壓運動互相交替，但總體上來說，斷層呈弱張性運動。

從圖3（b）可以看出，斷層在1997年以前主要以右旋走滑為主（曲線下降為右旋，上升為左旋，下同）；1997—2002年表現為左旋走滑；2003—2012年呈右旋走滑趨勢，2012年至今走滑運動不明顯。斷層在各時段左旋和右旋走滑運動互相交替，但總體上來說，斷層呈弱右旋走滑運動。

從圖3（c）可以看出，斷層在1997年以前主要表現為正斷活動（曲線上升為正斷；曲線下降為逆斷；下同）。1997年至今正斷和逆斷活動變化不明顯。

唐山斷裂運動變化時序曲線表明，唐山斷裂近35年來整體上在水平方向呈微弱的右旋張性活動，垂直方向呈正斷活動，但不同時段的運動狀態有所不同。

2 斷裂活動協調比

張晶等（2011）提出了斷層活動協調比參數的概念，認為走滑兼傾滑無障礙蠕動是1種無應變積累的活動狀態，其特征可用剛體運動模型來描述。當斷層在動平衡系統下處于無障礙自由蠕滑時，可認為是1種相對穩定狀態。當作用力的大小和方向在單位時間內不變時，斷層的運動增量分別為走滑分量、拉張分量和垂直分量，定義這3個分量中2個分量之比為斷層活動協調比參數。

斷層活動協調比作為走滑兼傾滑無障礙斷層蠕動模型的特征參數，如果接近常數，就可近似認為斷層活動基本為無障礙蠕動。當斷層活動協調比是變量，偏離正常值很大時，在排除了非構造活動（干擾及人為影響等）的情況下，可以認為斷層的常態活動發生了變化，斷層蠕動趨向不穩定，可能產生新的斷層異常活動，也可能形成新的斷層閉鎖，造成協調比趨勢的偏離，這表明斷層或附近一定有新的應力增強或應變積累。當斷層失穩發生強震，斷層的高應變能釋放之后，斷層活動又趨于剛性錯動模式，協調比又恢復穩定形態（張晶等，2011）。

通過跨斷層觀測的基線和水準經推導可得到斷層活動協調比參數。首先，由基線、水準同測數據可求得斷層水平走滑分量（y）、水平張壓分量（x）和垂直運動分量（h）。

將斷層兩盤在臺站測量范圍內的相對運動近似看成2塊剛性塊體間的相對運動，并分解成水平走滑分量、水平張壓分量和垂直運動分量的相對運動的3個分量。這3個分量即前文得出的斷層水平走滑分量（y）、水平張壓分量（x）和垂向運動分量（h），將2個分量之比作為斷層活動協調比。為了便于分析，把斷層活動協調比中超過3倍標準差的數值去掉，然后將所得出的結果繪制協調比散點圖，如圖4所示。

圖4（a）中的協調比散點圖為斷層水平張壓分量與水平走滑分量比值的時間序列，從圖中可以看出在1984—1986年該協調比處于比較離散的狀態，1976年唐山7.8級地震后，斷層活動處于調整階段，局部存在一定的應變積累或釋放，因此會與斷層的常態活動存在差異；1985—2000年的協調比相對比較穩定；2001—2004年處于相對離散狀態，研究發現2004年1月20日在距唐山斷裂約40km的灤縣-樂亭斷裂上發生了4.6級地震，認為可能與這次震前地殼應力場的異?；顒佑嘘P，引起了斷層協調比的異常變化。

圖4 唐山斷裂斷層活動協調比散點圖Fig.4 The scatter diagram of the fault motion coordination ratio of the Tangshan fault

圖4（b）中的協調比散點圖為斷層垂直運動分量與水平走滑分量比值的時間序列，從圖中可以看出，此協調比曲線與圖4（a）中的協調比曲線狀態幾乎一致，可得到與圖4（a）完全一致的解釋，同時其幅值更大，說明在本場地內斷層垂直運動信息比水平運動信息更顯著。

圖4（c）中的協調比散點圖為斷層垂直運動分量與水平張壓分量比值的時間序列，從圖中可以看出在1984—1988年該協調比處于比較離散的狀態，應是1976年唐山7.8級地震后斷層活動調整的反映。1989—2008年的協調比相對比較穩定，但在2008年汶川8.0級地震之后不久，協調比出現1個異常上升現象，而該異常變化的出現主要是由于水平張壓量值的減小。該變化是否與汶川8.0級地震后華北地區應力調整有關還有待進一步的研究。

圖4中顯示的散點圖大部分近似直線，其實是由于比例尺的原因。若放大比例尺，可以看出散點所構成的曲線在中線附近上下波動，且波動幅度較小，在相對較小比例尺下難以分辨。

通過分析唐山地震臺所處位置的唐山斷裂協調比可以看出，唐山7.8級地震引起的華北地殼應力場調整并沒有完全結束，事實上唐山7.8級地震后也陸續發生了一系列的較大余震。而2001—2004年的應力調整之前發生了1998年張北6.2級地震、2004年灤縣4.6級地震和2006年文安5.1級地震。與這些地震相應的地殼應力場的異常活動在唐山臺斷層形變觀測中都有所體現。

3 斷層土壤氣CO2特征

斷裂活動使圍巖發生破裂而釋放出大量的CO2氣體，CO2沿斷裂上升并通過附近的土壤層釋放出來。因此，在有利于氣體釋放的部位，如活動斷裂帶，觀測CO2的動態特征，研究CO2的釋放規律和異?；顒?，有可能獲得與地殼運動相關的信息，進而分析斷裂活動的情況，捕捉到地震前兆異常，為地震預報提供依據。

為了監測唐山斷裂土壤氣CO2動態變化特征，在唐山地震臺設有2處斷層土壤氣CO2觀測點，分別位于唐山斷裂的上盤和下盤，采用CO2快速測定管進行測量。CO2快速測定管是長約14cm、直徑約0.45cm的玻璃管。管內充填了吸附有百里藍酚酞的活性氧化鋁，測定管本身為藍色，當CO2進入測定管，即被活性氧化鋁吸附，與管內的百里藍酚酞發生反應，使測定管的顏色變為白色。CO2根據測定管變白色柱的長度，從刻度上即可直接讀出CO2的含量數值。

由于斷層土壤氣CO2與地溫有一定的關系，因此在監測斷層土壤氣CO2同時還在同一地點、同一深度加測地溫。另外，降雨量一般也會對斷層土壤氣CO2產生一定影響，因此本研究中收集了唐山地震臺降雨量資料進行綜合分析。

對唐山地震臺所在位置的唐山斷裂土壤氣CO2含量（斷層下盤CO2含量）、測定孔內溫度及臺站降雨量進行繪圖分析，如圖5所示。由圖可見地溫變化呈明顯的年周期變化，斷層土壤氣CO2濃度與地溫呈明顯的正相關關系。而降水量較大時，斷層土壤氣CO2與降雨量呈一定的負相關關系。

圖5 唐山地震臺土壤CO2濃度（a）、地溫（b）、降水量（c）觀測散點圖Fig.5 The scatter diagram of soil gas CO2concentration (a), ground temperature(b) and rainfall (c) in Tangshan seismic station

由圖5可以看出，斷層氣CO2受地溫和降水量的影響較大。一般認為降雨的影響是因為CO2在水中溶解度較大，當雨季測孔進水，孔下沿斷層上升至測孔的CO2大量溶解于水中，可導致斷層氣CO2測值比正常值低數倍的變化。對于觀測中的降雨干擾，一般根據測點附近的降雨資料定性識別和排除。同時，斷層氣CO2與地溫呈顯著的正相關關系。斷層氣CO2釋放量具有明顯的夏高冬低年變特點，一般認為這種現象與地下的生物化學作用有關（Sugisaki等，1983；王基華等，1994），在提取斷層氣CO2前兆異常時，一般可進行地溫改正，用以消除地溫干擾。

對斷層氣CO2采用傅立葉滑動去年周期的方法去除年變周期，結果如圖6所示?？梢钥闯?，圖6（a）中已沒有明顯的年變周期現象，2014年之后斷層氣CO2濃度的離散性比2014年之前大很多；與降水量進行對比研究可以看出兩者的負相關性很明顯。

圖6 唐山地震臺土壤CO2濃度變化（去掉年變周期值）（a）及降水量（b）時序曲線Fig.6 The time series curve of soil gas CO2concentration variation(removal of annual variation period) (a) and rainfall (b) in Tangshan seismic station

為了研究唐山斷裂土壤CO2與地震的對應關系，選取2011年7月以來在唐山斷裂附近發生的2個4級以上地震進行研究，分別為2012年5月28日發生的4.8級地震和2016年9月10日發生的4.2級地震。研究發現，在2012年5月28日4.8級地震發生之前，3月份斷層土壤氣CO2濃度處于低值，然后逐漸上升，地震發生之前的5月23日，斷層土壤氣CO2濃度大幅下降，之后恢復上升狀態，并于5日后發生地震，之后保持了一定時期的高值。2016年9月10日4.2級地震發生之前的7月下旬至8月下旬，斷層土壤氣CO2濃度大幅下降，并劇烈波動，這可能與降水量變大有一定關系，之后在8月底至9月初大幅上升，在地震發生之前小幅波動，后發生地震，地震之后保持了一定時期的高值。由此可見，唐山地震臺斷層土壤氣CO2對唐山斷裂附近發生的4級以上地震有一定的顯示。

4 結論

通過對唐山地震臺內的跨斷層基線和水準、斷層土壤氣CO2及臺站降水量等資料進行分析研究。粗略地給出了唐山地震臺內的唐山斷裂形變特征、斷層活動協調比、CO2變化特征。

（1）通過唐山斷裂運動變化時序曲線可以看出，唐山斷裂近35年來整體上在水平方向呈微弱的右旋張性活動，垂直方向呈正斷活動，但不同時段的運動狀態有所不同。

（2）通過分析唐山地震臺所處位置的唐山斷裂協調比認為，唐山7.8級地震引起的華北地殼應力場調整并沒有完全結束；

（3）近年來唐山地震臺內的唐山斷裂斷層土壤氣CO2變化與地溫、降水量有很大關系，并在臺站周邊發生地震前有一定的顯示。

（4）綜合分析認為，唐山地震臺形變和流體前兆觀測對附近及華北因區域地殼應力場調整引起的中小地震有一定的顯示，說明該臺具有一定的前兆異常顯示能力；隨著觀測資料和經驗的持續積累，有希望在該區域發生更大地震前捕捉到更顯著的前兆異常。

致謝：感謝薄萬舉研究員對本文的指導和幫助。