我國跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測研究綜述

趙 越

沈陽市應(yīng)急管理事務(wù)服務(wù)中心 遼寧 沈陽 110000

引言

跨斷層形變測量是在現(xiàn)今構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的活斷層主斷面上進(jìn)行的動(dòng)態(tài)測量。其主要任務(wù)在于直接、精細(xì)地測定活動(dòng)斷層現(xiàn)今的運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速率及斷層隨時(shí)間的演化過程[1]。監(jiān)測結(jié)果具有精度高、物理意義明確的特點(diǎn),便于探討斷層活動(dòng)與地震的關(guān)系。我國自20世紀(jì)60年代末開始建立跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場地,實(shí)踐表明跨斷層形變監(jiān)測在多數(shù)強(qiáng)震發(fā)生以前可出現(xiàn)不同程度的斷層形變異常,同時(shí)幾十年的監(jiān)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(yù)報(bào)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。跨斷層流動(dòng)監(jiān)測研究工作在地震預(yù)測研究、地質(zhì)探測、地球動(dòng)力學(xué)等研究中發(fā)揮了重要作用,受到廣泛的重視。

1 跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測研究現(xiàn)狀

(1)發(fā)展歷程

我國跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測自1962年廣東新豐江6.1級地震開始,庫區(qū)周圍布設(shè)了水準(zhǔn)、基線測距、重力測量和三角網(wǎng),用來監(jiān)測和研究新豐江水庫的地殼運(yùn)動(dòng)。1966年邢臺(tái)地震后,周恩來總理發(fā)出號召廣泛開展地震預(yù)報(bào)工作。至70-80年代,在全國范圍內(nèi)建立了大規(guī)模的跨斷層觀測網(wǎng)絡(luò),峰值達(dá)到400余處。監(jiān)測測項(xiàng)涵蓋了水準(zhǔn)測量、基線測量、短程測距、短邊三角測量及連續(xù)自動(dòng)記錄的斷層形變測量等多種手段。20世紀(jì)90年代,由國家地震局、省級地震局及專業(yè)測量隊(duì)共同組成了全國統(tǒng)一的三級跨斷層測量管理網(wǎng)絡(luò)。21世紀(jì)以來,各省局、市根據(jù)地震監(jiān)測工作的需要也建立一定數(shù)量的流動(dòng)監(jiān)測場地。全國20個(gè)省先后建立跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場地,這些場地以流動(dòng)形變監(jiān)測為主,還有少量的定點(diǎn)連續(xù)觀測臺(tái)站。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國現(xiàn)在運(yùn)行的跨斷層流動(dòng)監(jiān)測場地?cái)?shù)266處,24處定點(diǎn)場地[2]。

(2)場地建設(shè)

跨斷層流動(dòng)監(jiān)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(qū)的主要斷裂上。幾十年來,全國跨斷層流動(dòng)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(huán)境和人為破壞等多種原因,導(dǎo)致監(jiān)測場地越來越少[3-4]。以華北地區(qū)為例,華北地區(qū)的跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場地在20世紀(jì)80年代末時(shí)最多達(dá)到近100處,200余監(jiān)測測項(xiàng),而目前華北地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場地只有74處,監(jiān)測項(xiàng)180余[5]。監(jiān)測測項(xiàng)分為水準(zhǔn)和基線,以水準(zhǔn)測量為主體,監(jiān)測頻率1-12次每年不等。

場地基準(zhǔn)標(biāo)志類型分為基巖標(biāo)、基巖土層混合標(biāo)、土層標(biāo)三類類型。通過統(tǒng)計(jì)分析一般來說基巖標(biāo)志主要分布于山區(qū)或丘陵地區(qū),基巖土層標(biāo)志分布于丘陵和盆地交匯地區(qū),土層標(biāo)志主要分布于平原地區(qū)。現(xiàn)有研究在場地監(jiān)測環(huán)境分類中,將基巖標(biāo)分為A類(最佳),基巖土層混合標(biāo)為B類,土層標(biāo)為C類[6]。

(3)數(shù)據(jù)處理方法

跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測所得到的高差或基線觀測值,包含了斷層活動(dòng)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(shù)據(jù),建立模型,然后利用模型推估正常期外的各時(shí)刻狀態(tài),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(huán)境和人為、儀器等影響后,可斷定為斷層的異常活動(dòng)。早期學(xué)者多采用回歸法、卡爾曼濾波的動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理方法[7]。這些方法基于統(tǒng)計(jì)學(xué)來排除降雨、地溫等環(huán)境因素的影響,但該類方法需要地溫、蒸發(fā)、降雨等信息,應(yīng)用受到限制。游麗蘭(1995)完成了跨斷層測量基礎(chǔ)理論及標(biāo)準(zhǔn)化研究工作[8]。劉冠中(2009)在前人研究的基礎(chǔ)上利用小波分析和信息熵理論,提出了能夠反映局部數(shù)據(jù)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(jìn)等(2017)運(yùn)用主成分分析方法,將活動(dòng)量信息轉(zhuǎn)換為相互獨(dú)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(jié)合震例對主成分進(jìn)行時(shí)頻分析,研究斷層活動(dòng)異常及其與地震之間的關(guān)系。吳培稚(2019)針對我國跨斷層監(jiān)測周期不統(tǒng)一的問題進(jìn)行了跨斷層測量不等間隔計(jì)算的數(shù)據(jù)匹配相關(guān)研究工作。劉天龍、陸明勇等(2020)實(shí)現(xiàn)了全國跨斷層流動(dòng)形變數(shù)據(jù)管理和預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

幾十年來,通過我國地震工作者不懈努力、探索實(shí)踐,形成了多部規(guī)章條例,包括《跨斷層測量規(guī)范(1991)》(國家地震局,1991)、《地震地形變數(shù)字水準(zhǔn)測量技術(shù)規(guī)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(zhǔn)測量規(guī)范(2015)》(中國地震局,2015)。這些規(guī)范條例的制定凝結(jié)了廣大地震監(jiān)測者的心血和智慧,對指導(dǎo)我國的跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測研究工作進(jìn)步影響深遠(yuǎn)。

2 目前研究存在的主要問題

我國跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測工作自20世紀(jì)60年代開始,受限于地震科技認(rèn)識(shí)水平和工作條件,場地的選取受到很多非構(gòu)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(jiān)測環(huán)境的干擾,也難以發(fā)揮觀測效能;部分觀測網(wǎng)絡(luò)受行政區(qū)劃分割,形成獨(dú)立的片區(qū),對構(gòu)造帶整體的認(rèn)識(shí)有一定影響,同時(shí)一些控制性大斷裂未布設(shè)跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場地。

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

另一方面,監(jiān)測場地環(huán)境干擾日益突出,造成監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量下降,已經(jīng)不能較好地反映區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力-應(yīng)變場的變化。特別是近年來,觀測環(huán)境發(fā)生了很大變化,干擾源顯著增多,監(jiān)測環(huán)境不僅使得監(jiān)測場地大量減少,也造成觀測數(shù)據(jù)可信度的降低。

幾十年發(fā)展中,跨斷層流動(dòng)形變觀測儀器發(fā)了很大變化,觀測儀器不斷更新,從最早的光學(xué)儀器、手工測量,到現(xiàn)在的數(shù)字儀器、自動(dòng)測量以及空間對地觀測。目前跨斷層流動(dòng)監(jiān)測設(shè)備缺乏或老化,缺乏更新機(jī)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(qū)均存在著跨斷層監(jiān)測布局難以滿足現(xiàn)今地震預(yù)測預(yù)報(bào)需求的問題,亟需開展跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場監(jiān)測環(huán)境和監(jiān)測效能評估,進(jìn)行優(yōu)化工作。根據(jù)2017年我國開展的《全國跨斷層場地優(yōu)化改造》項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),可對場地采取舍棄、修復(fù)完善和新建三種方式。(1)對現(xiàn)有可能未跨過斷層、觀測環(huán)境不好,受干擾因素多以及映震效果不好,無法使用的監(jiān)測場地予以舍棄。(2)對于場地內(nèi)只有水準(zhǔn)單測項(xiàng)的場地可以增加水平監(jiān)測手段,最好能夠?qū)崿F(xiàn)同樁觀測。研究認(rèn)為,地震孕育是三維的,地殼水平運(yùn)動(dòng)量大于垂直運(yùn)動(dòng)量,特別是以走滑型地震為主的華北地區(qū)。(3)新增建設(shè)監(jiān)測場地應(yīng)充分考慮活動(dòng)斷裂的易發(fā)地震、斷裂規(guī)模和空間位置,觀測環(huán)境滿足跨斷層流動(dòng)形變測量規(guī)范。優(yōu)化工作即要充分考慮地震危險(xiǎn)性、地震空段等因素,還要對活動(dòng)斷裂進(jìn)行詳細(xì)研究,如括斷裂的活動(dòng)性、分段性以及相同斷裂不同斷之間的活動(dòng)關(guān)系。對現(xiàn)有場地對斷裂監(jiān)測效能的評估。根據(jù)已有的研究成果,第四紀(jì)以來活動(dòng)過的斷層,特別是晚更新世中、晚期和全新世期間曾經(jīng)明顯活動(dòng)的斷層,更容易發(fā)生地震(國家地震局1991)。新建場地宜增強(qiáng)對第四紀(jì)以來活動(dòng)的斷層特別是晚更新世中、晚期,和全新世期間曾經(jīng)明顯活動(dòng)的斷層的監(jiān)測,斷裂較長的可以布設(shè)兩處以上。

另外在對數(shù)據(jù)的利用上,需要加強(qiáng)跨斷層監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理、建設(shè)統(tǒng)一的共享服務(wù)平臺(tái),提高能力提供更加細(xì)致廣泛的產(chǎn)品,可以更加有效的發(fā)揮跨斷層能形變監(jiān)測的作用,加深對大斷裂的整體認(rèn)識(shí)。同時(shí)還應(yīng)積極探索新方法、新技術(shù)在跨斷層形變監(jiān)測中的應(yīng)用。

結(jié)語

幾十年來,許多學(xué)者進(jìn)行了大量的跨斷層觀測研究工作,取得很大進(jìn)展。這些進(jìn)展包括明確樹立了構(gòu)造形變測量的觀點(diǎn),形成一些有效數(shù)據(jù)處理方法,持續(xù)開展了對多重點(diǎn)地震帶的斷層形變監(jiān)測、建立并逐步完善了場地建設(shè)規(guī)章條例、積累了一批寶貴的震例資料成果,積累了地震預(yù)報(bào)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。但也存在著不少問題,如場地監(jiān)測環(huán)境破壞、監(jiān)測性能低,空間分布不均勻,存在空區(qū)盲區(qū)的問題突出,觀測手段和設(shè)備老化嚴(yán)重,新技術(shù)的應(yīng)用水平不高有待解決,監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和處理平臺(tái)方法需要進(jìn)一步完善。相信跨斷層流動(dòng)監(jiān)測工作在新技術(shù)新方法的支撐下,逐步實(shí)現(xiàn)斷層活動(dòng)性質(zhì)更深刻更全面的認(rèn)識(shí),為實(shí)現(xiàn)地震預(yù)報(bào)做出更大的貢獻(xiàn)。