華北地區跨斷層流動形變監測場地優化初探

陸明勇 于海生 李志雄 李杰 王秀文李巖峰 寇建新 馮軍 張平法

1）中國地震應急搜救中心，北京市石景山區玉泉西街1號 100049

2）山東地震局，濟南 250014

3）山西地震局，太原 030021

0 引言

華北地區是我國地震多發地區之一，歷來是防震減災工作的重點地區，該地區自20世紀60年代末開始建立跨斷層流動形變監測場地并進行地震活動監測。該區在40多年的跨斷層流動形變監測中，積累了一批連續可靠、高精度、具有較高價值的觀測資料，在地震預測研究、地質探測、地球動力學等研究中發揮了積極作用（陸明勇等，2011a）①大地形變測量技術管理部，2007，全國跨斷層形變場地監測場地及2006年度運行報告；與此同時，經濟的快速發展致使監測環境發生了很大變化，影響了監測場地及監測資料質量，監測場地數逐年減少（車兆宏，2003）；多年監測效果表明，現有監測場地并不都能較好地反映區域構造應力-應變場的變化（陸明勇等，2011b）②陸明勇等，2010，首都圈地區跨斷層流動形變監測場地技術評價與觀測資料映震效能及監測場地優化研究。而近20年來，地球科學技術的快速發展特別是地質填圖和地球物理探測等研究的進展，使我們對斷層活動性質又有了新的認識（徐錫偉等，2002；趙國敏等，2006；鄧起東等，2007；張世民等，2008；陳宇坤等，2010；邵永新等，2010）。

因此，重新審視華北地區40多年來跨斷層流動形變監測場地映震效能、選址優劣，并由此制定出更能反映斷層活動或構造應力場變化的監測場地布設結果，有利于最大限度捕獲到地震活動異常信息。監測場地的布設優化需基于跨斷層流動形變測量規范，統籌兼顧監測控制能力和地質構造分布，并最大限度地滿足捕獲到地震活動異常信息的需求。筆者曾經探討了小區域監測場地的優化布設問題（陸明勇等，2013），但地震活動特別是強震孕育、發展、發生等過程是大范圍地質事件。而探討大范圍區域的華北地區跨斷層流動形變監測場地優化布設問題，可以提高其優化布設方案的可控性、有效性、合理性等，并最終提高該區跨斷層流動形變監測捕獲地震活動異常信息的能力。

1 斷裂上的監測場地布設分析

1.1 各地質時代斷裂上監測場地布設概況

華北地區包括遼寧西南部、內蒙古中南部、北京、天津、河北、山西、山東、河南、江蘇及安徽等地區，位于中國大陸的東部。在構造上隸屬鄂爾多斯斷塊東緣、太行山、華北平原、河淮平原、陰山-燕山、膠遼、蘇滬-南黃海等多個斷塊，地質構造復雜、斷裂多，斷裂走向多為 NE、NNE、NW、NNW等方向（鄧起東等，2007；朱紅彬等，2010）（圖1）。華北陸地區域有 318條斷裂，其中全新世活動斷裂49條，晚更新世活動斷裂71條，第四紀活動斷裂170條，前第四紀活動斷裂28條；全新世活動斷裂主要分布在西北部的山西、河北及山東等地，晚更新世活動斷裂主要分布在山西、安徽等地，第四紀活動斷裂廣泛分布于全區，前第四紀活動斷裂主要分布于華北北部、河南、江蘇及山東等地（圖1、表1、表2）。華北地區的基巖斷裂主要分布在山西、河北等西北部地區，隱伏斷裂主要分布在東南部平原地區（圖1）。

華北地區74處監測場地布設在該地區44條斷裂（斷層）上，占13.84%。監測場地布設不同地質時期活動斷裂（斷層）數及占總數比分別為：全新世11條，占22.45%；晚更新世13條，占18.31%；早第四紀16條，占 9.41%；前第四紀 4條，占 14.29%。這樣，華北地區全新世、晚更新世活動斷裂上布設了監測場地的有24條斷裂，占該斷裂的20.00%。已有研究表明，第四紀以來活動過的斷層，特別是晚更新世中、晚期和全新世期間曾經明顯活動的斷層，更容易發生地震（國家地震局，1991），而華北地區全新世、晚更新世活動斷裂上布設了監測場地的有24條斷裂，僅占該時期斷裂的20.00%，因此就華北地區跨斷層流動形變監測場地的布設狀況面言，其監控效能很低（圖1）。

1.2 監測場地布設區域

圖1 華北地區跨斷層流動形變監測場地擬優化布設及斷裂（斷層）分布③陳文彬，2014，華北地區斷裂分布圖

表1 監測場地跨斷裂狀況統計

表2 擬優化布設前后跨斷層流動形變監測場地布設統計

華北地區共有74處跨斷層流動形變監測場地（表1），主要分布在北京及其鄰區、山西斷裂帶、郯廬斷裂帶中偏南地區、遼西地區、安徽霍山地區及其附近以及華東的茅山東側斷裂帶上（圖1），其空間分布極其不均勻，存在很多監測盲區（陸明勇等，2015）。如河南省除北部1個小區域有2處跨斷層監測場地外，其余地區未設監測場地。又如內蒙古中南地區屬于華北地區范疇，處于晉冀蒙交界地區，晚更新世活動斷裂和全新世活動斷裂多，但未布設跨斷層流動形變監測場地（圖1）。一些控制性大斷裂亦未布設監測場地，如山西晉城-獲鹿斷裂（圖1）。該斷裂帶南起濟源北，向北經晉城、高平、長治，到獲鹿，總長350km；該斷裂帶是山西隆起的一條重要構造，其在高平以北為晚更新世活動斷裂，以南為早、中更新世斷裂。沿該斷裂帶中強地震較活躍，歷史上多次發生5級左右地震，現今小震亦時有發生（孫麗娜等，2009）④。以跨斷層測量相關規范中的要求來衡量（國家地震局，1991；中國地震局，2012），很多歷史上曾經發生多次地震的晚更新世或全新世活動的斷裂上也未布設跨斷層監測場地。如聊城-蘭考斷裂是一條晚更新世-全新世早期活動的斷裂，該斷裂是魯西隆起與內黃凹陷的分界斷裂，西南起于蘭考縣，向北經范縣、聊城至韓屯轉向北東，全長約360km，沿斷裂發生過多次中強地震，如1937年發生過菏澤7.0級地震④中國地震局地球物理勘探中心鄭州基礎工程勘察研究院等，2007，鄭州市城市快速軌道一號線工程場地地震安全性評價（圖1）。綜上可知，目前華北地區跨斷層流動形變監測網布設存在很多盲區，有待于進一步完善（陸明勇等，2015）。

1.3 監測場地跨斷裂狀況

華北地區跨斷層流動形變監測場地大部分始建于20世紀70、80年代，受當時活動斷層研究水平以及勘探、技術方面的限制，一些監測場地布設未能在完全查明斷層活動背景的情況下實施，特別是對那些在覆蓋層較厚的平原地帶布設的跨斷層流動形變監測場地更是缺少專門研究，有些至今尚不能確定布測的監測場地是否跨過斷層。如位于石家莊西北部的靈壽縣慈峪鎮境內的河北盧家洼-慈峪跨斷層流動水準監測場地，地處平原地區，偶見基巖出露，測線沿S201省道布測。其中南面的盧家洼測點西臨S201省道，東距村民農舍圍墻約0.5m，其南約1km處有基巖小丘，可見一斷裂，從地貌上看，北面的慈峪測點在斷裂一盤，南面的盧家洼測點在斷裂內⑤。又如，北京南口水準跨斷層監測場地曾被認為跨越了南口-山前斷裂和南口-孫河斷裂，且所有測點均為基巖點；但最新的南口地區斷裂研究認為，南口-孫河斷裂距今6萬年以來的活動被南口-山前斷裂阻斷在南口，沿山溝向XN方向未見活動（張世民等，2008）；考察發現，南口跨斷層流動水準監測場地4號測點不在基巖上，而在沖積物形成的堆積物上且可能在斷裂帶內，大量降雨后可造成與4號測點有關的測線出現大幅值突變；所以，該場地事實上并不存在跨南口-孫河斷裂的測線⑤陸明勇等，2015，華北地區跨斷層流動形變監測場地與監測網優化研究（地震科技星火計劃項目（XH14057））。

由監測場地跨斷裂狀況統計結果（表1）可見，華北地區現有74處監測場地，除河北省地震局有1處監測場地未完全跨斷裂外，其余監測場地測線均不同程度跨越斷裂，占全部監測場地的98.65%。

中國地震應急搜救中心、山東省地震局、江蘇省地震局等跨斷層流動形變監測場地共5處跨越了前第四紀活動斷裂，占全部監測場地的6.76%。除山西省地震局所監測的場地未跨越第四紀活動斷裂外，其余監測單位的監測場地均有跨越第四紀活動斷裂的場地，華北地區共28處監測場地跨越第四紀活動斷裂，占比37.84%。晚更新世活動斷裂和全新世活動斷裂是活動年代較新的斷裂，是跨斷層流動形變監測的目標斷裂，除河北省地震局所轄的監測場地全部未跨越晚更新世活動斷裂和全新世活動斷裂外，其他監測單位的監測場地均不同程度跨越晚更新世活動斷裂和全新世活動斷裂；其中有23處監測場地跨晚更新世活動斷裂，占比31.08%，17處跨全新世活動斷裂，占比22.97%，二者合計共40處，占比54.05%。

華北地區跨斷層流動形變監測場地所跨斷裂主要為NE、NW向斷裂，特別是NE向斷裂最多（表1、圖1）。除河南省地震局和中國地震應急搜救中心所監測的監測場地周圍有未出露斷裂的監測場地外，其余監測單位均沒有未出露斷裂的監測場地。未出露斷裂的監測場地分布在覆蓋層厚的平原地區，其中地震應急搜救中心有3處，河南省地震局有1處（表1）。

1.4 監測場地類型

監測場地類型指監測內容或為水準或為基線。在華北地區74處監測場地中，每個監測場地都有水準監測，占比100%；有11處場地還進行了基線監測，占比14.86%，皆布測在首都圈地區。華北地區地殼構造活動水平方向運動速率大于垂直方向運動速率，而地震孕育、發生過程引起的構造活動是三維構造運動。因此，目前華北地區跨斷層流動形變監測場地監測內容單一，無法有效完整地監測到地震活動異常信息。

2 跨斷層流動形變監測場地監測效能概況

首先對華北地區現有74處監測場地逐一進行考察，然后據考察結果及監測資料、監測場地與地震的映震關系，即監測場地監測資料異常變化與地震間的關系，分析了40多年來監測場地監測效能，且對監測場地的監測效能進行分級，即監測場地監測效能好為A級，較好為B級，不佳的為C級。

在華北地區8個跨斷層流動形變監測單位中，有4個單位的監測場地無A級（河南省地震局、遼寧省地震局、山東省地震局和河北省地震局），各監測單位皆有C級。從整個華北地區來看，74處跨斷層流動形變監測場地具有A、B、C級監測效能的分別為15、46、13，其占比依次為20.27%、62.16%、17.57%（圖1）。進一步分析B級以上的監測場地發現，除場地數最少的河南省地震局，其他7個監測單位的B級以上的監測場地占大多數，最多為山西省地震局（90.00%），最少為遼寧省地震局（66.67%），B級場地在整個華北地區占82.43%（圖1），表明該區整體監測效能較好。

3 跨斷層流動形變監測場地的擬優化布設

3.1 擬優化布設原則

依據《跨斷層測量規范》（國家地震局，1991）、《中華人民共和國地震行業標準地震地殼形變觀測方法——跨斷層位移測量》（中國地震局，2012）、國外跨斷層測量布設方法以及監測目標和監測場地監測效能等，對現有跨斷層流動形變監測場地擬采用以下原則進行優化處理：

（1）未跨過斷層的監測場地且觀測環境不好、受干擾因素多、映震效能不好的（即監測效能不佳）可以考慮撤除或自然淘汰后，在其所監視的斷裂上修復或異地改建，使其跨越斷層并提高監測效能。

（2）跨過斷層的監測場地，如果存在影響監測的干擾因素，應通過修復或異地改建，達到提高監測效能的目的。

（3）現有場地如未布設基線測量，在條件許可時，應布設基線測量且最好是水準和基線同樁布測。

圖1給出了場地擬優化布設及斷裂（斷層）分布。其擬優化布設時在考慮了現有監測場地的基礎上，基于監測的可控性、均勻性以及活動斷裂容易發震狀況和斷裂規模等因素。因此，華北地區擬新增跨斷層流動形變監測場地具體布設原則為：

（1）平原地區監測場地擬布設場距應大于山區，地震多發地區特別是強震多發地震地區擬布設場距小于地震活動較弱的地區，盡量選取遠離人員活動的基巖地區布設。

（2）水準和基線同樁布測。

（3）第四紀以來活動的斷層特別是晚更新世中、晚期和全新世期間曾經明顯活動的斷裂上應盡可能布設跨斷層流動形變監測場地，斷裂較長的可增加監測場地數目。

（4）晚更新世中、晚期和全新世期間曾經明顯活動的歷史斷裂數量多、規模小且現有監測場地布距較小的，可以不增設監測場地。

（5）控制性的早第四紀活動斷裂可以適當布設跨斷層流動形變監測場地。

（6）前第四紀活動斷裂上不布設跨斷層流動形變監測場地。

3.2 擬優化布設結果

擬優化新增設跨斷層流動形變監測場地88處，其中跨全新世（Q4）活動斷裂的監測場地34處，占擬新增監測場地的38.64%，全部分布在華北地區的中北部（圖1）；跨晚更新世（Q3）場地25處，占比28.41%，較均勻分布在每個地區；跨第四紀（Q1－2）場地29處，占比32.95%，主要分布在華北地區的南部（18處），占該區域擬新增布設跨斷層流動形變監測場地（24處）的75%。總體來看，擬新增布設跨斷層流動形變監測場地大部分位于跨全新世活動斷裂和跨晚更新世活動斷裂（共計59處，占擬新增監測場地的67.05%）（圖1、表2）。

華北地區跨斷層流動形變監測場地擬優化布設后，將在125條斷裂上布設跨斷層監測場地，占該區總斷裂的39.31%。其中37條全新世活動斷裂上擬布設監測場地，占同年代活動斷裂的75.51%；43條晚更新世活動斷裂上擬布設監測場地，占同年代活動斷裂的60.56%；41條早第四紀活動斷裂上擬布設監測場地，占同年代斷裂的24.12%；前第四紀活動斷裂上的監測場地數擬不變（表2）。因此，監測場地擬優化布設后，不僅規模較大的斷裂上布設了監測場地，而且大幅度地提高了易發地震的晚更新世中、晚期和全新世期間曾經明顯活動斷裂的監控比例（80條斷裂，占其總斷裂的66.67%），消除了華北地區跨斷層流動形變網監測盲區，提高了該區跨斷層流動形變網監測能力（圖1、表2）。

4 結語

本文基于華北地區跨斷層流動形變監測場地布測現狀及監測效能，對其優化布設進行了討論并擬定了布設原則，繼而給出了擬優化布設結果。華北地區跨斷層流動形變擬優化布設將使該區容易發震的晚更新世中、晚期和全新世期間曾經明顯活動的斷裂（120條）中，除去某些數目多、規模小的斷裂外（如山西和河北地區），皆布設有跨斷層監測場地。擬優化后華北地區318條斷裂中的125條斷裂上擬布設有跨斷層監測場地，占斷裂總數的39.31%（擬優化前為13.84%）。跨斷層流動形變場地擬優化布設適當增加了對東南部地區規模較大的隱伏斷裂監控，消除了華北地區跨斷層流動形變網監測地震活動盲區，提高了該區跨斷層流動形變網監測地震活動能力。