我國跨斷層流動形變監測研究綜述

趙 越

沈陽市應急管理事務服務中心 遼寧 沈陽 110000

引言

跨斷層形變測量是在現今構造活動強烈的活斷層主斷面上進行的動態測量。其主要任務在于直接、精細地測定活動斷層現今的運動方式、運動速率及斷層隨時間的演化過程[1]。監測結果具有精度高、物理意義明確的特點,便于探討斷層活動與地震的關系。我國自20世紀60年代末開始建立跨斷層流動形變監測場地,實踐表明跨斷層形變監測在多數強震發生以前可出現不同程度的斷層形變異常,同時幾十年的監測工作積累了大量寶貴的觀測資料和震例資料成果,積累了地震預報的實踐經驗。跨斷層流動監測研究工作在地震預測研究、地質探測、地球動力學等研究中發揮了重要作用,受到廣泛的重視。

1 跨斷層流動形變監測研究現狀

(1)發展歷程

我國跨斷層流動形變監測自1962年廣東新豐江6.1級地震開始,庫區周圍布設了水準、基線測距、重力測量和三角網,用來監測和研究新豐江水庫的地殼運動。1966年邢臺地震后,周恩來總理發出號召廣泛開展地震預報工作。至70-80年代,在全國范圍內建立了大規模的跨斷層觀測網絡,峰值達到400余處。監測測項涵蓋了水準測量、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。20世紀90年代,由國家地震局、省級地震局及專業測量隊共同組成了全國統一的三級跨斷層測量管理網絡。21世紀以來,各省局、市根據地震監測工作的需要也建立一定數量的流動監測場地。全國20個省先后建立跨斷層流動形變監測場地,這些場地以流動形變監測為主,還有少量的定點連續觀測臺站。據統計,全國現在運行的跨斷層流動監測場地數266處,24處定點場地[2]。

(2)場地建設

跨斷層流動監測場地在空間分布上,主要分布在南北地震帶、天山地震帶、華北地震帶、郯廬斷裂帶及東南沿海地區的主要斷裂上。幾十年來,全國跨斷層流動測量總體上沒有中斷,但由于各種不利因素影響如工程影響、環境和人為破壞等多種原因,導致監測場地越來越少[3-4]。以華北地區為例,華北地區的跨斷層流動形變監測場地在20世紀80年代末時最多達到近100處,200余監測測項,而目前華北地區跨斷層流動形變監測場地只有74處,監測項180余[5]。監測測項分為水準和基線,以水準測量為主體,監測頻率1-12次每年不等。

場地基準標志類型分為基巖標、基巖土層混合標、土層標三類類型。通過統計分析一般來說基巖標志主要分布于山區或丘陵地區,基巖土層標志分布于丘陵和盆地交匯地區,土層標志主要分布于平原地區。現有研究在場地監測環境分類中,將基巖標分為A類(最佳),基巖土層混合標為B類,土層標為C類[6]。

(3)數據處理方法

跨斷層流動形變監測所得到的高差或基線觀測值,包含了斷層活動信息,觀測誤差和各種外界因素的綜合影響。通常的處理途徑為:選擇正常期的數據,建立模型,然后利用模型推估正常期外的各時刻狀態,分析觀測與模型推估值得殘差并找出異常。異常的原因排除了環境和人為、儀器等影響后,可斷定為斷層的異常活動。早期學者多采用回歸法、卡爾曼濾波的動態處理等方法,張興飛(1992)提出基于混合回歸理論的跨斷層測量動態數據處理方法[7]。這些方法基于統計學來排除降雨、地溫等環境因素的影響,但該類方法需要地溫、蒸發、降雨等信息,應用受到限制。游麗蘭(1995)完成了跨斷層測量基礎理論及標準化研究工作[8]。劉冠中(2009)在前人研究的基礎上利用小波分析和信息熵理論,提出了能夠反映局部數據信息有序度大小的小波多尺度熵的變化特征方法。李臘月等(2013)用 主成分分析方法綜合分析首都圈跨斷層形變資料,取得良好效果。王世進等(2017)運用主成分分析方法,將活動量信息轉換為相互獨立的主成分,不僅最大程度地保留了原有信息,而且有效分離了不同成分最后結合震例對主成分進行時頻分析,研究斷層活動異常及其與地震之間的關系。吳培稚(2019)針對我國跨斷層監測周期不統一的問題進行了跨斷層測量不等間隔計算的數據匹配相關研究工作。劉天龍、陸明勇等(2020)實現了全國跨斷層流動形變數據管理和預處理系統設計工作。

幾十年來,通過我國地震工作者不懈努力、探索實踐,形成了多部規章條例,包括《跨斷層測量規范(1991)》(國家地震局,1991)、《地震地形變數字水準測量技術規范(2003)》《地震地殼形變觀測方法-跨斷層位移測量(2012)》(中國地震局,2012)、《地震水準測量規范(2015)》(中國地震局,2015)。這些規范條例的制定凝結了廣大地震監測者的心血和智慧,對指導我國的跨斷層流動形變監測研究工作進步影響深遠。

2 目前研究存在的主要問題

我國跨斷層流動形變監測工作自20世紀60年代開始,受限于地震科技認識水平和工作條件,場地的選取受到很多非構造條件的約束。造成選取場地跨越的斷層較老,有的甚至不完全跨越斷層;部分場地受到場地監測環境的干擾,也難以發揮觀測效能;部分觀測網絡受行政區劃分割,形成獨立的片區,對構造帶整體的認識有一定影響,同時一些控制性大斷裂未布設跨斷層流動形變監測場地。

陸明勇(2015)做出相關研究,華北地區跨斷層流動監測場地空間分布極不均勻,存在很多監測盲區,場地的布設效能較低。跨斷層流動觀測規范要求Q3和Q4斷裂要布設跨斷層監測場地,但實際布設率很低。例如華北地區74處監測場地布設在44條斷裂上,而布設在全新世、晚更新世上的監測場地24處,僅占該時期斷裂的20%[3]。

另一方面,監測場地環境干擾日益突出,造成監測數據質量下降,已經不能較好地反映區域構造應力-應變場的變化。特別是近年來,觀測環境發生了很大變化,干擾源顯著增多,監測環境不僅使得監測場地大量減少,也造成觀測數據可信度的降低。

幾十年發展中,跨斷層流動形變觀測儀器發了很大變化,觀測儀器不斷更新,從最早的光學儀器、手工測量,到現在的數字儀器、自動測量以及空間對地觀測。目前跨斷層流動監測設備缺乏或老化,缺乏更新機制是比較突出的問題。

3 工作建議與展望

如前文所述,目前各地區均存在著跨斷層監測布局難以滿足現今地震預測預報需求的問題,亟需開展跨斷層流動形變監測場監測環境和監測效能評估,進行優化工作。根據2017年我國開展的《全國跨斷層場地優化改造》項目經驗,可對場地采取舍棄、修復完善和新建三種方式。(1)對現有可能未跨過斷層、觀測環境不好,受干擾因素多以及映震效果不好,無法使用的監測場地予以舍棄。(2)對于場地內只有水準單測項的場地可以增加水平監測手段,最好能夠實現同樁觀測。研究認為,地震孕育是三維的,地殼水平運動量大于垂直運動量,特別是以走滑型地震為主的華北地區。(3)新增建設監測場地應充分考慮活動斷裂的易發地震、斷裂規模和空間位置,觀測環境滿足跨斷層流動形變測量規范。優化工作即要充分考慮地震危險性、地震空段等因素,還要對活動斷裂進行詳細研究,如括斷裂的活動性、分段性以及相同斷裂不同斷之間的活動關系。對現有場地對斷裂監測效能的評估。根據已有的研究成果,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)。新建場地宜增強對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層的監測,斷裂較長的可以布設兩處以上。

另外在對數據的利用上,需要加強跨斷層監測數據的管理、建設統一的共享服務平臺,提高能力提供更加細致廣泛的產品,可以更加有效的發揮跨斷層能形變監測的作用,加深對大斷裂的整體認識。同時還應積極探索新方法、新技術在跨斷層形變監測中的應用。

結語

幾十年來,許多學者進行了大量的跨斷層觀測研究工作,取得很大進展。這些進展包括明確樹立了構造形變測量的觀點,形成一些有效數據處理方法,持續開展了對多重點地震帶的斷層形變監測、建立并逐步完善了場地建設規章條例、積累了一批寶貴的震例資料成果,積累了地震預報的實踐經驗。但也存在著不少問題,如場地監測環境破壞、監測性能低,空間分布不均勻,存在空區盲區的問題突出,觀測手段和設備老化嚴重,新技術的應用水平不高有待解決,監測數據管理和處理平臺方法需要進一步完善。相信跨斷層流動監測工作在新技術新方法的支撐下,逐步實現斷層活動性質更深刻更全面的認識,為實現地震預報做出更大的貢獻。