安徽地區跨斷層流動水準測量與區域地震關系研究

葛計劃 孫 軍 曹志磊 盧葉嘯 孫鴻博 于 磊 劉川琴 程 玲

1 安徽省地震局，合肥市長江西路558號，230031 2 安徽蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站，安徽省亳州市蒙城縣小澗鎮，233527 3 肥西縣地震監測站，合肥市肥西縣紫蓬鎮，231201

安徽地區處于華北斷塊、下揚子斷塊和秦嶺-大別山斷塊交匯部位，歷史上曾發生多次5級以上地震，區域內郯廬斷裂帶和“霍山地震窗”一直是地學研究的熱點。為監測省域斷層活動情況，安徽省地震局從20世紀80年代起開展跨斷層水準測量工作，跨斷層水準監測場地主要位于“霍山窗”和郯廬斷裂帶中南段沿線部分區域，目前已積累30余年的高精度觀測資料。部分學者[1-2]從不同空間尺度對該區域跨斷層水準的變化特征進行研究，認為水準資料能夠反映該區域現今的變化特征。為進一步研究安徽地區斷層活動與地震的關系，許多學者[3-5]采用不同方法處理該區域內跨斷層資料，得到相應指標的地震預測指示意義。但在水準觀測資料異常識別上存在不同方法和相應的判別標準，因此仍有待進一步研究。劉冠中等[6]針對新疆地區跨斷層形變資料提出“形變速率累加分析”法，并取得較好的效果。該方法對超出一定幅度的速率殘差進行積分，可使一定時間尺度內頻繁出現的異常變化更為直觀和突出。該方法在川滇地區[7]、青藏塊體東北緣[8]、山西北部地區[9]跨斷層水準資料分析中也取得較好的效果。本文采用“形變速率累加分析”法對安徽境內“霍山窗”、郯廬斷裂安徽段跨斷層流動水準資料進行處理，逐段分析該區域跨斷層水準測量資料，得到該指標下的有效“映震段落”，以期為安徽及周邊地區地震預測提供參考。

1 安徽地區跨斷層流動水準監測概述

安徽地區跨斷層水準流動測線主要分布在郯廬斷裂帶南段及大別造山帶東段活動斷層的主斷面上(圖1)，目前布設有8個場地，復測周期為l～12個月。跨郯廬斷裂帶有女山、槐柏、池河3個場地，“霍山窗”區域有大堰、錢家店、馬家嶺、洗兒塘、仙姑墳5個場地。考慮到線路改造和資料連續性因素，本文選用安徽地區1992～2018年6個跨斷層場地(圖1)14個測段的水準觀測資料，這些資料的測量標石符合觀測規范要求，觀測可信度較高[3]。

圖1 安徽省及鄰區ML≥4.0地震及流動水準場地分布

2 資料處理方法

跨斷層水準測量是對安裝在斷層兩盤基巖上的標石進行重復測量，其物理意義明確，所得結果為斷層垂向活動和各種干擾因素的綜合結果，一般隨時間在一定范圍內變化。因此，界定“正常”變化標準、突出異常變化是進一步分析的基礎。本文采用“形變速率累加”計算模型，對原始觀測資料進行相應處理，然后進行統計分析以識別異常，具體計算公式參見文獻[6]。

該方法以2倍標準差為控制限剔除在“正常”變化范圍內的月形變速率，僅保留超出控制限的形變速率殘差。通過積分使其累加放大，得到最終的形變速率累加，可使速率異常更加突出和易于識別。將連續的形變速率累加作為比較明確的異常指標，將單點突跳作為溫度、降水、觀測誤差予以剔除[6-8]。本文認為短時間內出現的多次單點突跳并不能排除是斷層非常態活動的可能，因此成文時一并進行分析。與該方法在其他地區注重單點分析不同，本文還對相同時段所有跨斷層測線的總體變化特征及其與地震之間的關系進行探討。

3 資料處理與分析

采用“形變速率累加”法計算安徽地區6個場地14個測段的形變速率累加，繪制形變速率累加時間曲線。為檢驗形變速率累加在地震前后的映震效果，對各測段原始曲線與形變速率累加曲線進行對比分析，統計每個測段出現形變速率累加時段的次數和異常出現后發生地震的次數，用以計算預測效率(預測效率=有震時段數/異常時段數)，從而確定預測效果較好的段落。為全面分析資料處理結果與地震的關系，選取1992～2018年郯廬斷裂帶中南段(29°～36°N, 114°～122°E)主干斷裂兩側各250 km范圍內MS5.0左右地震、安徽省及鄰區ML4.0以上地震(表1)，研究地震時段內流動水準計算的形變速率累加指標的變化情況。

表1 1992～2018年安徽省及鄰區ML4.0以上地震目錄及分組情況

研究表明[10-11]，研究區所在的郯廬斷裂帶中南段區域ML4.0以上地震與MS5.0以上地震在一定程度上存在南北地震聯發的現象。

3.1 郯廬斷裂帶流動測線

3.1.1 女山測線：郯廬西界主干斷裂

女山場地位于安徽省五河縣大鞏山林場，海拔高程約26 m，場地跨郯廬西界主干斷裂，C-B(K)、D-A(K)為跨斷層測段，1992～2018年期間華東地區發生的3組顯著地震前的映震情況如下：原始曲線圖中1995-09-20蒼山地震前4個測段均未見明顯異常，僅D-C測線原始曲線中測值下降，經“形變速率累加”法處理后，震前4個測段未出現速率超限現象，但震后在1995-11～1996-06有3個測段(C-B(K), D-A(K), D-C)出現連續的形變速率累加現象。2005-11-26九江地震前4個測段中只有C-B(K)在震前2005-02～08出現連續的形變速率累加現象，期間發生2005-07-21壽縣地震；C-B(K), D-A(K), D-C三個測段在震后半年內陸續出現連續的形變速率累加現象，其中D-C段在2005-12～2006-08連續出現形變速率累加現象，開始時間與九江地震近乎同期，期間發生2006-07-26定遠地震。2011-01-19安慶地震和2011-06-17桐城地震前后4個測段在2010-10～2011-10期間先后出現同步的形變速率累加現象(圖2)。

圖2 女山場地各測段原始觀測值與形變速率累加曲線

3組地震前后各測線的不同表現可能與蒼山地震、九江地震距離觀測場地較遠有關，因先發的聯動地震震級偏小，因此震前僅在跨斷裂的C-B(K)處有一定反應，后續較大地震發生后，應力傳遞至斷層所在區域，進而表現為形變速率累加增強。安慶地震屬于近場較強地震，且測線位于郯廬斷裂應力傳遞部位，對應力較為敏感，從而出現震前、震中、震后密集的形變速率累加現象。

省內單發地震前后映震情況：女山場地4個測段原始數據在1999-12-30利辛地震前可見到明顯的趨勢性下降變化，且在1998-06～1999-04期間陸續同步出現形變速率累加現象，顯示斷層活動增強，1998-12開始出現明顯的低速趨勢性回升，并在該過程中發生地震。此外，2006年定遠地震、2009年肥東地震、2014年霍山地震前后上述4個測段均存在形變速率累加現象。

女山場地各測段對華東ML4.0以上單發地震預測效果較好，一般在出現形變速率累加現象后1～12個月內發生地震，異常持續時間為2～12個月。4個測段的預測效率分別為：C-B(K)段為75%、D-A(K)段為72.72%、B-A段為75%、D-C段為69.23%。

3.1.2 槐柏測線：郯廬西界主干斷裂

槐柏場地位于安徽省桐城市城東鄉柏莊村，測點跨郯廬西界主干斷裂。1992～2009年每年觀測1次，2010年開始每2個月觀測1次。從圖3可以看出，雖然采樣率較低但仍表現出顯著的周期性和趨勢性變化，1995年蒼山地震、2005年九江地震和2011年安慶地震前均出現較為明顯的形變速率累加過程。

圖3 槐柏場地各測段原始觀測值與形變速率累加曲線

因數據采樣率原因，目前尚無法細致分析該場地1992～2009年期間形變速率累加與省內其他單發地震的關系。2012-07-20高郵地震發生在2次時間較短的形變速率累加時段之間；2014-04-20霍山地震前(2013-11～2014-04)和2016-10-20射陽地震前(2015-08～2016-06)也存在明顯的形變速率累加現象。

槐柏測線形變速率累加異常的持續時間從2個月至3 a不等，異常結束后1～6個月內發生ML4.0以上地震的可能性較大，整體預測效率為87.5%。因數據采樣率存在差異，1992～2009年數據變化可作為背景性趨勢看待，2010年以來數據變化表現為頻繁的形變速率累加，說明該時段斷層活動速率變化較大。

3.2 “霍山窗”內流動水準

3.2.1 大偃場地：龍窩基巖斷裂

大偃場地位于安徽省霍山縣三板橋鄉大堰村，跨越龍窩基巖斷裂。從圖4可以看出，3-2(K)測段在1993-12～1995-04為形變速率累加時段，原始曲線測值變化幅度較大，存在明顯的應力積累過程，隨后發生1995-04-15江西瑞昌地震，5個月后(1995-09-20)發生山東蒼山地震；2005-11-26江西九江地震前(2005-02～04)存在形變速率累加超限現象，3個月后發生首發地震(2005-07-21安徽壽縣地震)，原始曲線圖中2004-02～2005-04處于相對高值，隨后在較為明顯的趨勢性下降過程中發生九江地震；2011-01-19安徽安慶地震發生在2008-12～2010-02與2011-10～2012-10兩個速率超限時段之間。2-1測段在蒼山地震前后無變化；2005-11-26江西九江地震前(2005-04～06)出現短時速率超限現象，1個月后(2005-07-21)發生安徽壽縣地震，4個月后發生九江地震；2011-01-19安慶地震期間(2010-06～2011-02)出現累加速率集中時段，表明存在明顯的應力積累過程。

圖4 大堰場地各測段原始觀測值與形變速率累加曲線

1999年利辛地震、2009年肥東地震、2014年霍山地震、2015年阜陽地震前后均出現較為同步的短期速率超限情況，只是在出現時間和持續時間上存在微小差別。

3-2(K)測段在3次地震前均出現明顯的形變速率累加；2-1測段在3次地震前異常速率累加次數和變化幅度均相對較小，主要形變累積發生在1998～1999年和2010年以后，但2條測線的轉折時期較為同步(圖4)。總體上看，跨斷層測段出現的異常時段更為集中，且形變速率累加相對較大。

大偃場地2條測線形變速率累加出現的異常持續時間為2個月至1 a，異常結束后4～12個月內發生ML4.0以上地震的可能性較大，2-1測段的預測效率為81.81%，3-2(K)測段的預測效率為64.7%。從兩段數據的原始曲線和形變速率累加曲線來看，兩者的轉折時段較為一致，說明形變速率累加曲線能保留原始曲線的轉折信息。

3.2.2馬家嶺場地：落兒嶺-土地嶺斷裂

馬家嶺測線位于安徽省霍山縣落兒嶺鄉馬家嶺村，場地跨越落兒嶺-土地嶺斷裂。1992～2007年形變速率出現累加，反映該時段測線所在區域斷層活動性較低。2008年至今形變速率累加較為集中(圖5)，2011-01-19安慶地震前后(2010-10～2011-06)存在明顯的形變速率頻繁累加過程，隨后發生2011-06-17桐城地震和2011-09-10湖北陽新地震。此外，2009-04-06肥東地震前(2008-06～2009-02)、2014-04-20霍山地震和2015-03-14阜陽地震前(2013-10～2014-10)均存在明顯的形變速率累加過程。

圖5 馬家嶺場地各測段原始觀測值與形變速率累加曲線

馬家嶺測線異常的持續時間一般為2個月至1 a，在形變速率累加出現后2～12個月內發震，2-1測線的預測效率為62.5%。原始曲線中2008年之后數據變幅相對1992～2007年明顯增大，從而導致形變速率累加曲線出現形態分段現象，表明該斷裂2008年以后活動性增強。

3.2.3 錢家店場地：牛角沖斷裂

錢家店場地位于安徽省霍山縣三板橋鄉錢家店村，場地跨越牛角沖斷裂。該場地現有3個測段，其中3-1(K)和2-1(K)跨斷層。

1995-09-20蒼山地震前后，3個測段均存在明顯的速率增大和趨勢性下降過程(圖6)。2005-11-26九江地震前，3-1(K)測段在2004-08～2005-04、3-2測段在2003-12～2005-04表現為間斷式的形變速率累加，該時段結束后發生2005-07-21壽縣地震，4個月后發生2005-11-26九江地震。2011-01-19安慶地震前，3-1(K)測段在2010-02～10期間出現連續的形變速率累加；2011-06-17桐城地震前后，3-1(K)測段在2011-04～08也出現連續的形變速率累加。2011-09-10湖北陽新地震前后，3-1(K)測段在2011-04～08、2-1(K)測段在2011-08～2012-10出現形變速率累加，震后3-2測段在2012-02～08出現連續6個月的形變速率累加。

圖6 錢家店場地各測段原始觀測值與形變速率累加曲線

本文同時還對表1中單發地震前后錢家店3個測線的應變速率累加曲線的變化情況進行探討，3-2測段在1999-12-30利辛地震前后(1999-02～2002-02)、2006-07-26定遠地震前后(2006-06～10)、2009-04-06肥東地震前后(2009-02～06)出現連續的形變速率累加；3-1(K)測段在2014-04-20霍山地震前(2013-10～2014-04)出現形變速率累加。

錢家店場地3個測段的形變速率累加曲線異常的持續時間為2個月至1 a，在異常結束后0～6個月內發震。3-1(K)和3-2測段預測效果較好，兩者的預測效率分別為75%和53.84%，異常主要體現在3次比較明顯的聯發地震前后6個月內，2個測段均表現出明顯的形變速率累加，如果忽略測量間隔對資料處理和分析的影響，跨斷層測量的形變速率累加結果在震前的表現將更加明顯。跨斷層的2-1(K)測線形變速率累加效果不佳，原因可能為測線較短且與斷層小角度斜交，導致起點和終點的活動較為同步。

3.2.4 洗兒塘場地：青山-曉天斷裂

洗兒塘場地為跨斷層短水準觀測場地，位于安徽省霍山縣落兒嶺鄉洗兒塘村，場地跨越青山-曉天斷裂，其中3-1、2-1測段跨斷層。

1995-04-15瑞昌地震前，2-1測段在1994-10～12出現形變速率累加，異常結束后半年左右發震；2-3測段在1995-09-20山東蒼山地震前(1995-08～10)出現形變速率累加，震后1996-02～1997-02也出現連續的形變速率累加(圖7)。

2005-11-26九江地震前，2-1測段在2004-12～2005-10出現形變速率累加，期間發生安徽壽縣地震，異常結束后次月發生九江地震，2006-02～04出現連續的形變速率累加，隨后發生2006-07-26定遠地震。

2011年安慶地震前，2-1測段在2009-10～2010-06出現形變速率累加，6個月后(2011-01-19)發生安慶地震。2011-08～2012-10期間3個測段均出現較為同步的形變速率累加，該時間段先后發生2011-06-17桐城地震和2011-09-10陽新地震。

單發地震前后的形變速率累加變化情況：3-1測段在1999-12-30利辛地震前(1999-02～08)、2002-07-04霍山地震前后(2002-06～08)均出現連續速率累加。2-1測段在2009-04-06肥東地震前(2008-10～2009-02)出現連續的形變速率累加。2014-04-20霍山地震前，2-1測段在震前半年(2013-04～12)、2-3測段在2013-04～2014-10同步出現形變速率累加。2015-03-14阜陽地震前，2-3測段在2014-04～10、2-1和3-1測段在2014-12～2015-04均出現形變速率累加。

該場地跨斷層的2-1、3-1測段在震前預測效果較好，形變速率累加曲線出現后2個月至1 a內發震，異常持續時間一般為2個月至1 a。3-1測段的預測效率為75%，3個聯發地震時段中僅在1995-09-20蒼山地震前出現形變速率累加，對華東地區ML4.0以上地震的預測效果較好；2-3測段的預測效率為57.14%，在蒼山地震前出現明顯異常；2-1測段的預測效率為52.94%，3次聯發地震前均出現較為明顯的形變速率累加。2個跨斷層測段出現速率累加的時段相對較多，說明該場地跨斷層測段蘊含更多信息。

4 結 語

1)采用“形變速率累加分析”法在提取超限速率的同時，原始數據的轉折變化也能得到保留，計算結果顯示測線轉折時期形變速率累加出現的頻次明顯增多。

2)由于斷層構造和活動特性存在差異，雖然連續出現形變速率累加的測線映震效果較好，但也無法一一對應，可能與該測線所跨斷層對不同方位、距離的地震反應不同有關，需結合測線進行具體分析。

3)形變速率累加在不同時段出現的頻次不同，表明斷裂活動具有一定的分時特征。各場地的形變速率累加圖整體上也具有分時特征：1992～1998年除槐柏和馬家嶺2個場地外，形變速率累加曲線表現為群體性上升形態；1999～2010年前后，形變速率累加曲線整體表現為平直線背景下的若干短期形變速率累加，說明斷層活動性整體較弱；2008～2018年期間形變速率累加曲線表現為群體性上升形態，表明斷層活動性逐漸增強。

4)跨斷層測線出現形變速率累加的頻率比不跨斷層測線高，說明跨斷層測線含有更加豐富的斷層活動信息。選擇出現異常時段較多，同時具有較多地震段落的測線作為本場地的預測段落，計算預測效率(表2)。結果表明，女山、槐柏、大堰、錢家店相應段落的預測效果較好，華東地區3次聯發地震前后形變速率累加的持續時間一般為1個月至1 a，在異常結束后6～12個月內發生地震，可作為震情監視的中長期預測指標。

表2 1992～2018年各場地映震較好段落的預測效率

5)華東地區3次比較顯著的聯動地震發生前均出現較為明顯的形變速率累加的群體性現象。通過總結有限震例可初步得到，當本區域跨斷層水準資料出現較為密集的形變速率累加時，應警惕華東地區發生MS5.0左右地震。