基于跨斷層監測資料的金州斷裂活動性研究

孔祥瑞 翟麗娜 李夢瑩 孫慶山 焦明若 王喜龍

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號，110034

水準測量作為傳統的大地測量方法，具有測量精度高、觀測周期跨度大等優勢，是研究地殼垂直形變的重要手段之一[1]。水準測量得到的時序變化能夠反映區域構造活動的時空特征，具有較好的中短期預報意義[2-4]。

金州斷裂作為遼南地區一條主要的活動構造斷裂，其地震危險性一直備受關注。遼寧省金州地震臺自20世紀70年代起開展對金州斷裂及其周邊地震活動的監測工作，并為1975年海城地震的成功預報提供了重要的前兆依據[5]。同時，金州地震臺也是遼寧省跨斷層觀測手段最為豐富的臺站，是渤海海峽及鄰區重點監視防御區的重點監測臺站，對臺站資料進行深入分析對重點防御區的長中短期預報工作十分必要。金州斷裂相關工作主要集中在2013年以前，隨著觀測數據的積累與觀測手段的豐富，以及該地區中小地震和周邊地區應力應變調整，重新梳理和研究金州斷裂南段活動特征對于分析該地區地震危險性及對遼南地區未來地震趨勢的判定具有重要意義。

本文利用金州地震臺斷層蠕變觀測資料，計算斷層水平走滑量、水平張壓量和垂直變化量，提取斷層活動三維信息，結合金州斷裂的水準觀測資料，分析該斷層現今活動特征，梳理并分析日本7級以上強震對金州斷裂活動產生的影響，以期為遼寧南部地區地震趨勢判定提供定量的形變觀測依據。

1 場地資料概況及數據處理

1.1 場地及觀測資料概況

金州地震臺位于金州區大黑山西側(圖1)，地勢較為平坦。金州斷裂南段穿過臺站附近，斷裂全長約200 km，走向NE15°～20°，傾向NW70°，傾角約50°。觀測場地選定的東西向測線橫跨金州斷裂，南北向測線平行于金州斷裂。距離臺站北200 m處有斷裂出露，上盤(西盤)巖性為震旦系甘井子組白云質灰巖，基巖完整；下盤(東盤)巖性為太古界鞍山群黑云斜長片麻巖，基巖完整，覆蓋層厚度2 m。

圖1 研究區跨斷層場地、斷裂與地震分布

本文金州地震臺斷層觀測數據主要包括水準和三維斷層蠕變觀測資料，其中水準觀測為金州室內水準、金州場地水準和位于金州北部同樣跨金州斷裂的熊岳水準，觀測儀器型號為DI004光學水準儀，自觀測以來數據質量良好。根據往期觀測資料可知，金州水準觀測每km往返中誤差均值為±0.16 mm；熊岳水準場地觀測環境相對較差，每km往返中誤差均值為±0.63 mm，觀測結果均符合要求。斷層蠕變觀測系統由三部分組成，分別為2套DSG型水平變形測量儀，方位角分別為110°和140°，與斷層方向分別正交、斜交；1套DFG型垂直變形測量儀，方位角為110°，觀測精度為±0.005 mm。觀測結果與輔助觀測數據室溫并無良好相關性，且多年來觀測環境溫度無趨勢變化，由此可見，該系統能夠記錄到由溫度變化引起的地表熱形變及斷層水平活動和垂直活動信息[6]。2011年以來記錄數據平穩，無明顯外界干擾，其中斷層蠕變觀測系統的垂直形變分量與金州室內水準處于同一觀測室內，且測線互相平行，可進行對比分析。

1.2 數據處理

對斷層蠕變觀測數據進行提取是分析斷層活動性的重要步驟[7-9]，本文利用三維斷層形變觀測得到的正交、斜交及垂直3個分量的觀測數據，通過方位角和斷層傾角計算提取斷層活動的3個基本參數：水平走滑量、水平張壓量及垂直變化量。其中，水平走滑量計算公式為[10-12]:

(1)

式中，ΔL為基線水平向測值變化；ΔH為斷層垂直向測值變化；α為基線觀測方向與斷層走向的夾角，以斷層走向為起算邊，順時針至測線方向(0°<α<180°)；β為斷層傾角。當Δd>0時，斷層為右旋；當ΔH>0時，斷層上盤相對下盤上升，為逆斷層；當ΔL>0時，斷層上盤相對下盤水平測線伸長。

2 金州斷裂南段現今活動特征

2.1 斷層蠕變觀測與室內水準資料對比分析

2.1.1 斷層蠕變觀測數據處理及分析

利用本文數據處理方法，計算得到斷層水平走滑量、水平張壓量、垂直變化量的時間序列曲線(圖2)。水平走滑量時間序列(圖2(a))結果顯示，金州斷裂南段總體表現為右旋運動，其中2012～2014年表現為微左旋運動特征，平均走滑速率約為0.4 mm/a，活動水平較低；2014年至今轉變為右旋運動，平均走滑速率約為1 mm/a，該結果與金州斷裂右旋活動背景一致，但從活動速率上看，目前處于較低的活動水平。水平張壓量時間序列(圖2(b))結果顯示，金州斷裂南段總體表現為上盤相對下盤水平測線處于伸長狀態，表明水平方向受拉張力影響，其中2012～2014年該區域斷層受壓性影響，變化速率為-0.05 mm/a；2014～2019年斷層受張性影響，變化速率為0.24 mm/a；2020年至今受張性影響有所減弱，變化速率約為0.05 mm/a。垂直變化量時間序列(圖2(c))結果顯示，2012～2014年金州斷層垂直變化也處于較低水平，其最大累積變化量對應的時間段為2014～2020年，斷層上盤相對下盤上升最大幅度為3 mm，但年均變化量僅為0.5 mm左右，運動水平較弱。

圖2 金州斷層水平走滑量、水平張壓量、垂直變化量曲線

由圖2中2012年以來斷層走滑量、張壓量以及垂直量的總體趨勢可知，從時間角度分析，斷層活動三分量具有一定的同步性，2014年斷層由弱壓性運動轉變為拉張運動，斷層走滑和垂直方向的運動速率也出現相應變化；從應力變化角度分析，在拉張作用下斷層呈右旋運動，且上下盤高差呈增加趨勢，這與斷層右旋兼正斷的活動背景一致。

2.1.2 室內水準資料分析

金州臺室內水準觀測資料時間長，與斷層蠕變觀測均跨金州斷裂，且與垂直測項安裝在同一觀測室內，兩測線平行，對室內水準資料進行分析一方面能夠從長時間尺度了解金州斷裂的活動性質，另一方面又能與斷層蠕變垂直方向進行對比，分析兩者數據的穩定性和準確性(圖3)。

圖3 金州臺室內水準與周邊井水位對比

將圖3中2012～2021年室內水準觀測數據曲線與圖2(c)中斷層形變垂直變化量曲線進行對比發現，年變周期幅值與斷層觀測尺度、儀器自身受溫度氣壓等環境因素影響有關，但趨勢變化特征基本一致，表明兩者均能真實反映斷層垂直方向的變化情況，從而驗證了數據的準確性。

圖3中水位數據值采用人工測量方式，為觀測井口至水面的距離。對比金州臺室內水準高差曲線與水位曲線可以看出，其趨勢形態基本一致，即水位上升伴隨著水準高差絕對值減小[13-14]。從水準數據反映的斷層活動來看，水準曲線趨勢形態主要分為3個階段，即1995～2006年曲線緩慢上升，2005～2016年加速下降，2016年至今數據曲線恢復其緩慢上升狀態。根據圖2(b)張壓曲線中斷層活動在2014年由弱壓性轉為張性可知，室內水準受張性影響，高差變化也呈增加趨勢，其相關性與斷層蠕變垂直分量一致。結合2011年日本9.1級地震發現，該水準曲線的加速-轉折變化主要受日本地震影響，地震發生后曲線下降速率有所減緩，2016年后曲線恢復上升趨勢，并逐漸恢復至與2006年前曲線形態一致。

2.2 短水準及長水準資料對比分析

本文水準資料選取金州臺場地水準，結合位于金州地震臺北部同樣監測金州斷裂的熊岳水準場地進行對比分析。首先分析該場地長期變化趨勢，然后結合日本7級以上強震發震時間與水準變化進行對比，分析周邊地區強震對金州斷裂活動性的影響。

通過對1991～2020年數據進行分析(圖4)，總體來看，斷層上、下盤高差曲線呈現減小趨勢，其中1991～2002年垂直運動速率為-0.04 mm/a；2003～2009年垂直運動速率明顯減小，出現閉鎖現象，該時段內垂直運動速率僅為-0.013 mm/a；2011～2013年期間，該區域斷層活動速率減小，且在2010年年變形態消失，2011-03-11日本9.1級地震對中國東北區域的郯廬斷裂帶北段產生明顯的拉張運動，并在應力積累水平上具有緩解作用[15-18]。通過對金州水準數據進行分析可知，該地震對金州斷裂南段具有基本相同的影響，表現為應力積累減緩，斷層垂直運動速率減小。2014～2018年該變化得以恢復，表明該地區垂直形變速率基本恢復至背景水平。2019年至今，該場地點位更換，且觀測周期發生改變，故不進行深入分析。

圖4 金州場地跨斷層水準數據變化

從地震時間序列與金州水準時間序列對比來看，日本地震活躍會使金州斷裂活動減弱，或出現小幅度的差異性調整活動。根據日本3·11地震對東北地區應力積累具有緩解作用這一觀點發現，1995年和2003年日本地震活躍期間，金州斷層活動與日本3·11地震震后形態類似，這表明日本7級以上強震會對金州斷裂所處區域產生一定應力變化，進而對斷層活動產生一定影響。

熊岳場地為2個月觀測一期的流動場地，場地跨金州斷裂，其中1號和7號點位于斷裂上盤，19號和25號點位于斷裂下盤，1號、19號和25號點位于基巖，7號點位于土層。選取2001～2021年水準1～25測段數據繪制時間序列曲線，與周邊及日本7級以上地震進行對比，結果見圖5。

圖5 熊岳場地跨斷層水準數據變化

從水準1～25測段數據來看，2001～2021年曲線速率約為-0.09 mm/a，總體運動速率高于金州水準。結合地質資料可知，熊岳水準監測區域的斷層為正斷性質，這與金州臺水準所反映的斷層性質一致。結合周邊地區M-T圖對比發現，周邊地震活動對斷層運動影響較小，日本3·11地震發生后，其運動速率略微加快，但總體活動水平較弱。

3 結 語

本文通過對金州斷裂多個水準場地和斷層蠕變觀測資料進行處理，參考金州斷裂地質資料，分析該斷裂近場活動特征，得到以下結論：

1)斷層蠕變觀測垂直分量測線與同臺站室內水準測量作為同觀測室、同方向且平行的兩套系統，其記錄的2012年以來斷層活動信息總體趨勢形態和年變周期一致，表明觀測數據可靠，可反映斷層活動信息，年變周期幅值差異與斷層觀測尺度、儀器自身受溫度氣壓等環境因素影響有關。

2)從金州斷裂跨斷層形變觀測長趨勢曲線來看，由于水準場地觀測尺度和觀測環境不同，曲線形態和量值也存在差異，但總體表現為以張性正斷活動為主，與背景資料具有很好的一致性，斷層地質資料中右旋的運動特征也與斷層蠕變觀測的計算結果一致。

3)金州斷裂南段總體呈正斷活動特征，平均速率約為0.05 mm/a；平行斷裂方向的滑動速率為0.4 mm/a，雖保持右旋錯動，但活動速率很小。從水準數據來看，1991～2021年金州斷層運動速率約為-0.033 mm/a，屬于弱活動水平；而熊岳場地水準總體運動速率為-0.09 mm/a，由此可見金州斷裂南段活動水平弱于北段，該觀點與區域地震活動性基本一致。

4)日本3·11地震對金州斷裂不同測段水準的影響存在差異，金州臺室內水準和場地短水準時間序列曲線速率減小，而熊岳水準曲線速率增大，表明受日本強地震影響該區域存在應力變化且震后出現調整運動。從金州2套水準觀測數據來看，2015年后運動形態與長期背景水平基本一致，由此可見，日本3·11地震對該區域斷層活動產生的影響逐漸恢復至其原有的運動特性。