靈武跨斷層水準測量及相關研究

馬 楠，張 慧，王建亮，安玉清，李國斌

（寧夏回族自治區地震局，寧夏回族 銀川 750000）

0 引言

我國地震系統共有20多個單位從事地震水準測量工作，目前全國共有271處跨斷層流動觀測場地。跨斷層場地觀測主要包括：跨斷層水準測量、跨斷層基線測量、短程測距、短邊三角測量及連續自動記錄的斷層形變測量等多種手段。其中跨斷層水準測量是全國范圍內跨斷層監測普及面最廣的監測手段，在地震監測預報中發揮著重要的作用[1-2]。

寧夏地震局基于地震監測需求，2017年在靈武上橋建設跨斷層水準觀測場地，補強了靈武地區地質構造垂直監測能力，對靈武跨斷層水準場地定期連續觀測，對于靈武斷層運動特征以及靈武地區和寧夏北部地區的震情跟蹤分析具有重要指示意義。

本文基于2018年7月至2019年6月靈武跨斷層水準觀測數據，分析了靈武斷層的活動性，探討了靈武跨斷層水準觀測場地不同光段、不同復測周期下的數據變化特征。

1 靈武跨斷層水準場地概述

靈武斷層是銀川地塹和鄂爾多斯塊體分界構造的一部分，位于銀川平原南段東緣，屬于晚第四紀活動斷層，長約47km，構造活動顯著，平均垂直位移速率為0.24±0.014mm/a，是近代和現代中強地震活動頻繁的地區。自上世紀70年代以來，學者多次對該斷裂進行地質地貌調查、古地震探槽研究、鉆探分析等研究，結果表明該斷裂歷史上曾發生過5期地表破裂地震事件，且斷裂具有分段組合破裂特征。上世紀60年代、70年代、80年代，該地區均發生過5級以上地震，因此靈武跨斷層水準觀測對于監測靈武地區的地震活動、板塊構造活動及科學研究，均具有很強的應用價值和現實意義[3]。

靈武跨斷層場地地理位置處于靈武市上橋村，地表為山前洪積扇為主，砂石居多并伴有部分粘土。此地有寧夏地震局開挖的地震探槽，長約7m，深4m。探槽顯示該溝南、北兩側發育了三級階地，斷層在溝口錯斷階地形成南北向的斷層崖，如圖1所示。靈武跨斷層觀測場地布設于該斷層之上，由6個基準點（BM1-BM6）、6個測段（Ⅰ-Ⅵ），組成，測線總長度為340m，其中Ⅱ、Ⅴ測段與斷層正交，如圖2所示。

圖1 上橋探槽剖面素描Fig.1 Trench section sketch of Shangqiao

圖2 靈武跨斷層水準場地布設圖Fig.2 Observation site layout of Lingwu

2 資料概況

靈武跨斷層水準測量是相對一等水準測量，選用萊卡DNA03數字電子水準儀（編號：347994） 與其配套的條碼式銦瓦合金標尺（編號：66626、66628）。觀測儀器和標尺分別于2017年10月和2018年10月于西安二測中心進行規范鑒定，鑒定合格。2017年6月和2018年6月銀川臺跨斷層短水準臺級鑒定中，儀器鑒定亦合格，滿足國家一、二等水準測量規范的要求，充分保障了課題觀測數據的可靠性和準確性。

測量作業執行中國地震局制定的《大地形變測量（水準測量）規范》，根據跨斷層水準測量任務情況，制定年度測量計劃，嚴格按照預定測量計劃開展跨斷層水準測量工作。每次測量任務對使用的觀測設備進行測量前和測量后檢驗，嚴格執行跨斷層水準測量的作業流程，對水準測量的各個環節進行嚴格控制，盡量避免人為干擾和偶然誤差，從而提交合格的水準測量成果資料。

2018年7月至2019年6月每月采集觀測數據1期，對各個測段觀測數據進行預處理和平差處理。2018年至2019年6月每期跨斷層水準測量工作完成較好，測量前后萊卡DNA03數字水準儀i角測量和銦瓦尺尺長改正數測量合格，符合測量規范。測量作業過程中，測量隊員嚴格執行測量規范要求，未出現人為干擾導致的偶然誤差，每期測量數據各測段往返閉合差未超限，測量中誤差ΔM均在0.25以內，測量成果符合規范要求，數據質量可靠。

2018年07月至2019年06月，Ⅰ-Ⅵ測段高差測值平均值分別為-3297.21mm、-3093.77mm、-930.24mm、-1925.90mm、-5011.57mm、-383.87mm，觀測中誤差ΔM平均值為0.16，觀測數據均趨于穩定，觀測數據如表1。

3 相關分析

3.1 靈武斷層活動性分析

Ⅰ-Ⅵ測段高程測值年最大變化幅度絕對值依次為 0.37mm、0.63mm、0.21mm、0.36mm、0.66mm、0.24mm，Ⅱ、Ⅴ測段因橫跨斷層，數據變化量相對于其它4個測段較大，符合場地條件，屬于正常動態，如圖3、圖4所示。

高差測值（mm）時間 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ ΔM 2018.07 -3297.18 -3093.53 -930.32 1925.80 5011.65 383.79 0.17 2018.08 -3297.02 -3093.77 -930.30 1925.75 5011.76 383.82 0.22 2018.09 -3297.32 -3094.16 -930.11 1925.89 5011.71 383.95 0.24 2018.10 -3297.03 -3093.78 -930.22 1925.78 5011.78 383.80 0.24 2018.11 -3297.08 -3093.91 -930.23 1925.78 5011.94 383.88 0.12 2018.12 -3297.16 -3093.80 -930.28 1925.90 5011.74 383.76 0.11 2019.01 -3297.20 -3093.70 -930.22 1925.95 5011.54 383.90 0.07 2019.02 -3297.39 -3093.68 -930.23 1926.11 5011.34 383.87 0.11 2019.03 -3297.30 -3093.72 -930.20 1926.06 5011.35 383.90 0.14 2019.04 -3297.35 -3093.60 -930.24 1925.98 5011.28 383.79 0.24 2019.05 -3297.30 -3093.73 -930.26 1925.94 5011.42 383.98 0.08 2019.06 -3297.30 -3093.86 -930.30 1925.81 5011.34 384.00 0.07平均值 -3297.21 -3093.77 -930.24 1925.90 5011.57 383.87 0.16

圖3 Ⅱ測段數據曲線Fig.3 The second part of the data graph

以Ⅱ、Ⅴ測段為例，從數據形態來看，Ⅱ測段由東向西測量，Ⅴ測段由西向東測量，因測量方向相反，Ⅱ測段高差曲線呈先降后升趨勢，Ⅴ測段高差曲線呈先升后降趨勢，二者運動趨勢相反，呈負相關。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測段與Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ測段呈對稱分布，測段相關系數絕對值為0.7；Ⅰ、Ⅵ測段與Ⅲ、Ⅳ測段對稱分布于斷層上下盤，相關系數絕對值為1.0，彼此相關性較為顯著，符合靈武場地環境因素。

Ⅱ測段2018年7月至2019年6月觀測數據均值極差圖如圖5所示。測值均值為-3093.769mm，測值上下控制界限為3093.591～3093.974mm，極差值為0.174，極差值上下控制界限為0.000～0.448，數據置信度為94.06%。

圖4 Ⅴ測段數據曲線Fig.4 The fifth part of the data graph

Ⅱ測段當期觀測數據測值與極差值均在其控制上下界限范圍內，測期所有觀測數據符合觀測要求，精度達標，觀測成果可靠，置信度優，符合科研用途。

圖5 Ⅱ測段均值極差圖（201807—201906）Fig.5 The second part of mean range analysis

2018年7月至2019年6月Ⅱ測段年變化量為0.63mm，平均垂直位移速率為0.25mm/a，符合靈武斷層已知平均垂直位移速率0.24±0.014mm/a，因此以Ⅱ測段觀測數據分析顯示該斷層運動無明顯異常，斷層活動性正常。

2018年7月至2019年6月Ⅴ測段觀測數據均值極差圖如圖6所示。測值均值為5011.555mm，測值上下控制界限為5011.741mm-5011.368mm，極差值為0.182，極差值上下控制界限為0.000-0.468，數據置信度為93.79%。

圖6 Ⅴ測段均值極差圖（201807—201906）Fig.6 The fifth part of mean range analysis

Ⅴ測段當期觀測數據3組測值略超出其控制上下界限范圍，分別是第2組、第4組、第5組觀測數據，超差數據范圍恰好處于年度高值和低值，第3組觀測數據測值處于均值線附近，縱觀第2組均值數值至第4組均值數值，均值線保持向下運動趨勢，與Ⅴ測段觀測數據測值運動趨勢相同，超差主要原因為溫差變化導致土質膨脹系數改變，且Ⅴ測段極差值均在其控制上下界限范圍內，證明2018年7月至2019年6月每期測量數據的變化量處于正常水平，結合兩者綜合分析靈武斷層Ⅴ測段測值數據和均值數據變化處于正常水平，部分均值超差原因系溫度和土質膨脹系數變化所致[4]。

2018年7月至2019年6月Ⅴ測段年變化量為0.66mm，平均垂直位移速率為0.17mm/a，略低于已知平均垂直位移速率0.24±0.014mm/a，原因是BM5測點相對高程是觀測場地最高的地方，故其測值較大，導致在斷層兩端變化量基本一致的情況下，其平均垂直位移速率略低，相對于已知值低29%，反觀BM5測點高程測值均數絕對值5011.55相對于BM2測點高程測值均數絕對值3093.76高38%，二者成負相關，數值變化幅度接近，故Ⅴ測段平均垂直位移速率較低屬正常現象，因此以Ⅴ測段數據分析顯示該斷層運動無明顯異常，斷層運動趨勢正常。

結合Ⅱ、Ⅴ測段綜合分析，靈武斷層平均垂直位移速率正常，斷層活動性趨于穩定，各測段相關性良好，無明顯異常變化。且靈武跨斷層水準場地高差測值趨勢變化與氣溫變化同步，高差測值存在夏高冬低的年變動態，符合場地環境因素。

3.2 光段分析

2019年4月20日至4月30日以2天為周期，對靈武場地進行光段實驗數據采集，采集方法如表2所示。測組1為上午往測，下午返測；測組2為上午往返測；測組3為下午往返測，3個測組各采集觀測數據5期，共采集觀測數據15期。所有觀測數據高差閉合差、中誤差均符合規范要求，精度達標。對采集到的觀測數據平差預處理后進行對比分析，并繪制各測段觀測數據箱線圖。

表2 光段對比數據采集方法

如圖7-12所示，各測段在3種光段下，連續5期觀測數據所繪箱體均具有收斂性，其均值與中位數較為接近，數據時間跨度較短，短期高差變化可忽略，且無明顯異常值，觀測數據置信度較高，證明不同光段下觀測數據穩定性良好。

三種光段下連續5期觀測數據所繪制的誤差線上下界限控制范圍均小于等于0.05mm，表明在三種光段下由同一個操作員采集到的觀測數據所受到的系統誤差區別不大，即不同光段下的折光系數所造成的偶然誤差可以忽略。

三種光段下測得的觀測數據變化量極小值為0.02mm，極大值為0.04mm，不同光段存在數據差異小、穩定性強的特征，不同光段下的觀測數據均能正確反映靈武跨斷層水準觀測場地高差變化，因此上午或下午光段內一次性完成靈武場地的往返測量獲得的高差和閉合差均

圖7 Ⅰ測段多光段箱體圖Fig.7 Box diagram of the first part of multiple light periods

圖9 Ⅲ測段多光段箱體圖Fig.9 Box diagram of the third part of multiple light periods

圖11 Ⅴ測段多光段箱體圖Fig.11 Box diagram of the fifth part of multiple light period

3.3 周期分析

以1個月、2個月、3個月為周期，分別記為周期T1、T2、T3，將靈武場地2018年7月至2019年6月觀測數據分割建組，并作出三種周期Ⅱ、Ⅴ測段的數據變化趨勢圖，如圖13所能代表靈武跨斷層水準場地正常高差數據，未來可根據測量實際情況，安排在一個光段內完成往返水準測量，以提高觀測效率。示。2019年9月觀測數據由光學水準儀Ni002觀測，該儀器因使用年限較長，系統誤差較大，且測值恰為Ⅱ測段極小值，為保證分析嚴謹性和規避系統誤差，故2018年9月觀測數據不用于周期分析。

圖8 Ⅱ測段多光段箱體圖Fig.8 Box diagramof thesecond partof multiplelightperiods

圖10 Ⅳ測段多光段箱體圖Fig.10 Box diagramof thefourth partof multiplelight periods

圖12 Ⅵ測段多光段箱體圖Fig.12 Box diagram of the sixth part of multiple light periods

因Ⅱ、Ⅴ測段橫跨斷層，垂直形變較為明顯，以Ⅱ、Ⅴ測段為例分析。Ⅱ測段TI、T2、T3高差數據曲線均呈現先降后升的曲線形態，數據曲線圖均正確標識出該測段的極大值和極小值，時間基本吻合，三種周期觀測數據彼此均有顯著相關性。T1、T2數據曲線轉折點均在2018年11月（2018年9月數據人為剔除，不用于周期分析），T3周期數據曲線拐點在2018年10月，因周期原因，T3周期數據曲線形變化相較于T1、T2周期數曲線變化略顯超前，短期觀測場地高差變化信息反映不甚全面，在捕捉變化因子方面稍遜一籌。

Ⅴ測段數據曲線與Ⅱ測段數據曲線呈負相關，故TI、T2、T3高差數據曲線均呈現先升后降的曲線形態，數據曲線圖也能正確標識出該測段的極大值和極小值，時間基本吻合，三種周期觀測數據彼此均有顯著相關性，與同周期Ⅱ測段數據曲線彼此也呈負相關。T1、T2數據曲線拐點均在2018年11月，T3周期數據曲線拐點在2018年10月，同Ⅱ測段數據曲線拐點一致，原因類似。

圖13 Ⅱ、Ⅴ測段多周期圖Fig.13 The second and fifth part of multi-period diagram

三種周期均能反映出一定時期內該斷層的主要變化信息和變化特點，T1周期數據曲線因數據量相對豐富，能更好的反映出斷層的短期變化；T2周期相較于T1周期數據曲線更加光滑，不僅能反映出斷層的整體變化趨勢，還剔除了長趨勢變化過程中的短期微小波動，在斷層穩定的長趨勢變化研究過程中，短期的微小數據波動研究意義不大，因此T2周期更適合定點跨斷層水準測量對于斷層的監測和研究；T3周期相對于T1、T2周期在捕捉斷層變化因子方面稍遜一籌，適宜長期趨勢研究，但在捕捉短臨信息方面欠佳，不利于短臨周期的地震分析研究。

綜上所述，分析顯示以T2周期為復測周期，即每兩個月開展一次跨斷層水準測量最佳。但目前靈武場地數據積累量較少，因此建議持續以1個月為復測周期對靈武場地進行跨斷層水準觀測，待數據樣本足夠多、觀測條件成熟，對靈武跨斷層水準場地變化特征和信息掌握的更加全面時，可根據實際情況采取T2周期開展跨斷層水準測量工作[5]

4 結論

綜上研究分析表明：

2018年07月至2019年06月靈武斷層活動性較為平穩，年平均垂直位移速率與理論值相符，高差測值趨勢變化與氣溫變化同步，測值存在夏高冬低的年變動態.

不同光段測得的觀測數據彼此存在測值變化量小、穩定性強的特征，因此定于上午光段或下午光段內一次性完成靈武場地的往返測量獲得的高差測值和閉合差均能代表靈武跨斷層水準場地正常高差數據，可提高觀測效率.

建議持續以1個月作為復測周期對靈武場地進行跨斷層水準觀測，待靈武場地數據樣本足夠多、觀測條件成熟，周期變化研究更加明朗時，可根據實際情況采取T2周期開展跨斷層水準測量工作。