陸明勇 劉天海 黃寶森 李 民 寇建新 房宗緋 張金城 于海生

(中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049)

跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)環(huán)境及監(jiān)測(cè)技術(shù)探討*

陸明勇 劉天海 黃寶森 李 民 寇建新 房宗緋 張金城 于海生

(中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049)

對(duì)首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)環(huán)境的考察發(fā)現(xiàn)，某些監(jiān)測(cè)場(chǎng)地中(近20%)存在一定的非地震因素影響。為減少非地震因素的影響，跨斷層流動(dòng)形變水準(zhǔn)和基線應(yīng)該同樁觀測(cè);測(cè)量?jī)x器應(yīng)該由具有更高測(cè)量精度和穩(wěn)定性的DiNi電子水準(zhǔn)儀代替Ni002光學(xué)水準(zhǔn)儀，用Di2002甚至TC2003和TCA系列儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的24 m基線尺。

首都圈地區(qū);跨斷層;流動(dòng)形變;監(jiān)測(cè)環(huán)境;監(jiān)測(cè)技術(shù)

1 引言

首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變始建于為20世紀(jì)60年代，大部分建點(diǎn)觀測(cè)為20世紀(jì)70—80年代。首都圈地區(qū)不僅監(jiān)測(cè)場(chǎng)地多，監(jiān)測(cè)周期短而且觀測(cè)資料時(shí)間長(zhǎng)，資料價(jià)值高，如：1976年唐山地震、1989年大同-陽(yáng)高地震、1998年張北地震，震前均出現(xiàn)斷層明顯異常活動(dòng)變化［1-5］，且斷層的水平異?；顒?dòng)較垂直異?；顒?dòng)明顯［6］。

首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變共有監(jiān)測(cè)場(chǎng)地24處，其中13處為水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)場(chǎng)地，10處為基線、水準(zhǔn)同樁監(jiān)測(cè)場(chǎng)地，1處為基線、水準(zhǔn)不同樁監(jiān)測(cè)場(chǎng);19處的監(jiān)測(cè)樁為基巖端點(diǎn)，5處為土層端點(diǎn);21處監(jiān)測(cè)場(chǎng)地為每月監(jiān)測(cè)1次(基線監(jiān)測(cè)都為每月監(jiān)測(cè)1次)，3處為每2月監(jiān)測(cè)1次(2處為土層端點(diǎn));最早監(jiān)測(cè)始于1967年10月，最晚監(jiān)測(cè)為1993年1月。近年來(lái)，觀測(cè)環(huán)境發(fā)生了很大變化，干擾源顯著增多，監(jiān)測(cè)環(huán)境變化不僅使監(jiān)測(cè)場(chǎng)地大量減少［7］，首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)場(chǎng)地在20世紀(jì)80年代末時(shí)最多達(dá)30多處、監(jiān)測(cè)項(xiàng)達(dá)100余項(xiàng)，目前只有24處、監(jiān)測(cè)65測(cè)項(xiàng)，而且也造成觀測(cè)數(shù)據(jù)可信度的降低。而在過(guò)去30～40年里，觀測(cè)儀器也發(fā)生了很大的變化，觀測(cè)儀器不斷更新;從最早的光學(xué)儀器、手工測(cè)量，到現(xiàn)在數(shù)字儀器、自動(dòng)觀測(cè)以及空間對(duì)地觀測(cè)。

為此，為了客觀真實(shí)地評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)環(huán)境狀況和監(jiān)測(cè)資料質(zhì)量的可靠性，我們對(duì)監(jiān)測(cè)場(chǎng)地進(jìn)行了實(shí)地考察并對(duì)考察結(jié)果進(jìn)行了分析;同時(shí)對(duì)目前地殼形變監(jiān)測(cè)儀器(技術(shù))以及跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行了分析，并探討了跨斷層流動(dòng)形變測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)場(chǎng)地監(jiān)測(cè)環(huán)境分析

首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)場(chǎng)地可分為土層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地與基巖監(jiān)測(cè)場(chǎng)地。土層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地即監(jiān)測(cè)樁是埋設(shè)在土層里，一般分布在人口較多的平原地區(qū)，受非地震影響較多;基巖監(jiān)測(cè)場(chǎng)地為監(jiān)測(cè)樁埋設(shè)在基巖里，主要分布在人類活動(dòng)較少的山區(qū)。為此，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)場(chǎng)地類型、監(jiān)測(cè)環(huán)境狀況等對(duì)首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)場(chǎng)地進(jìn)行分類，即監(jiān)測(cè)場(chǎng)地為土層點(diǎn)、受干擾因素多的場(chǎng)地為C類;監(jiān)測(cè)場(chǎng)地為基巖點(diǎn)、受干擾因素較多或監(jiān)測(cè)場(chǎng)地為基巖點(diǎn)、受干擾因素較少的場(chǎng)地為B類;監(jiān)測(cè)場(chǎng)地是基巖點(diǎn)、受干擾因素少的場(chǎng)地為A類。

考察發(fā)現(xiàn)，影響斷層活動(dòng)信息真實(shí)的因素主要有：土層樁、人為因素、汽車活動(dòng)因素以及降雨、積水等因素。在跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)場(chǎng)地考察過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，一處場(chǎng)地可能存在多種影響因素。監(jiān)測(cè)場(chǎng)地非地震影響因素共23項(xiàng)，其中11處觀測(cè)場(chǎng)地存在人為因素影響、占整個(gè)24處觀測(cè)場(chǎng)地的45.83%;其次為土層樁觀測(cè)場(chǎng)地和汽車因素觀測(cè)場(chǎng)地均為5處、占20.83%;受降雨、積水等因素影響的場(chǎng)地有2處，占8.33%(表1)。對(duì)4種影響因素的進(jìn)一步分析顯示，在受影響的23項(xiàng)場(chǎng)地影響因素中，人為因素影響達(dá)11項(xiàng)、占47.83%;土層樁和汽車影響因素均為5項(xiàng)、占21.74%;降雨因素為2項(xiàng)、占8.7%。而對(duì)監(jiān)測(cè)場(chǎng)地進(jìn)行分類分析表明：A類觀測(cè)場(chǎng)地11處、占45.83%，B類觀測(cè)場(chǎng)地8處、占33.33%，C類觀測(cè)場(chǎng)地5處、占20.83%。因此，在分析的24處監(jiān)測(cè)場(chǎng)地中，監(jiān)測(cè)環(huán)境不太好的監(jiān)測(cè)場(chǎng)地(C類觀測(cè)場(chǎng)地)占20.83%，79.19%監(jiān)測(cè)場(chǎng)地(A類和B類觀測(cè)場(chǎng)地)的監(jiān)測(cè)環(huán)境還是比較好的。

表1 非地震因素影響場(chǎng)地分析表Tab.1 Analysis of the sites affected by non-seismic factors

3 跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)儀器(技術(shù))

跨斷層流動(dòng)形變測(cè)量分為水平(基線)和垂直(水準(zhǔn))。截至2009年底，全國(guó)共有20個(gè)省局及直屬單位進(jìn)行跨斷層形變場(chǎng)地監(jiān)測(cè)，共有261個(gè)監(jiān)測(cè)場(chǎng)地，其中水準(zhǔn)有238場(chǎng)地、基線有23場(chǎng)地①大地形變測(cè)量技術(shù)管理部.2009年度全國(guó)跨斷層形變場(chǎng)地監(jiān)測(cè)網(wǎng)運(yùn)行報(bào)告［R］.2010.。用于監(jiān)測(cè)垂直形變的水準(zhǔn)測(cè)量的觀測(cè)儀器為Ni002系列光學(xué)水準(zhǔn)儀、DiNi系列電子水準(zhǔn)儀;用于水平形變測(cè)量的測(cè)距(含基線測(cè)距)和基線分別采用傳統(tǒng)的24米基線尺、Di2002紅外測(cè)距儀、TC2003測(cè)量①。因此，各單位使用儀器不同，一方面老儀器老化現(xiàn)象十分嚴(yán)重、故障率逐年升高、耗材難以購(gòu)置、儀器維修不便，儀器更新迫在眉睫①;另一方面各種新儀器(技術(shù))不斷出現(xiàn)，面臨儀器(技術(shù))選用的技術(shù)難題。在此，對(duì)目前跨斷層流動(dòng)形變測(cè)量工作中儀器使用以及一些監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行分析并探討跨斷層流動(dòng)形變測(cè)量技術(shù)。

表2為形變監(jiān)測(cè)儀器(方法)技術(shù)特征統(tǒng)計(jì)表，從表2可以看出：雖然各種對(duì)地觀測(cè)技術(shù)日趨成熟，但要運(yùn)用于跨斷層流動(dòng)形變測(cè)量，特別是短距離跨斷層流動(dòng)形變測(cè)量還不太可行。如：GPS短距離觀測(cè)投入成本太大，不利于推廣應(yīng)用，并且受地形因素的影響;PS-InSAR技術(shù)信息目前還需要依賴國(guó)外提供的信息資料且間隔時(shí)間較長(zhǎng)，不能快速靈活地獲得斷層活動(dòng)信息;衛(wèi)星激光測(cè)距(SLR)精度為亞厘米級(jí)，PS-InSAR技術(shù)精度變化范圍大，與不同數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)有關(guān)等。所以，在跨斷層流動(dòng)形變測(cè)量方面，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上投入、還是從儀器監(jiān)測(cè)精度和實(shí)際監(jiān)測(cè)精度符合規(guī)范精度以及儀器性能穩(wěn)定、精度可靠、使用方便性、測(cè)量速度等方面看，水準(zhǔn)測(cè)量用DiNi電子水準(zhǔn)儀代替Ni002光學(xué)水準(zhǔn)儀，基線測(cè)量用Di2002甚至TC2003和TCA系列儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的24m基線尺是最為可行的辦法。

表2 形變監(jiān)測(cè)儀器(技術(shù))特征統(tǒng)計(jì)表［7－20］Tab.2 Statistics of the technical characteristics of instrument for deformation monitoring

3.2 監(jiān)測(cè)場(chǎng)地觀測(cè)技術(shù)

1)跨斷層流動(dòng)形變水準(zhǔn)和基線同樁觀測(cè)

要獲得三維的斷層活動(dòng)信息必須對(duì)斷層進(jìn)行同樁的垂直和水平觀測(cè)即水準(zhǔn)觀測(cè)和基線觀測(cè)。研究認(rèn)為，地殼水平運(yùn)動(dòng)量大于垂直運(yùn)動(dòng)量。過(guò)去測(cè)距儀測(cè)量精度低、穩(wěn)定性欠佳，加常數(shù)、乘常數(shù)測(cè)定精度不高;基線丈量效率低，對(duì)場(chǎng)地要求高等諸方面技術(shù)和設(shè)備的原因，跨斷層水平形變測(cè)量也基本被放棄或減少。而如今Di2002紅外測(cè)距儀、TC2003和TCA系列測(cè)距儀等具有體積小、易攜帶、耗電省、頻率穩(wěn)、觀測(cè)速度快、外界條件變化小、觀測(cè)值比較穩(wěn)定、觀測(cè)精度高等特點(diǎn)①，為水準(zhǔn)和基線同樁觀測(cè)提供了儀器(技術(shù))保障。

2)跨斷層流動(dòng)形變基線觀測(cè)樁改造

首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變觀測(cè)樁基本分為兩種，一種為單純的水準(zhǔn)觀測(cè)樁，水泥澆鑄，埋設(shè)于地下，一般出露地表較少。另一種為水準(zhǔn)、基線同樁觀測(cè)，水準(zhǔn)標(biāo)志出露地表較少，但基線樁由水泥澆鑄、出露地表為1.2～2.5m高［20］，中間有突出的螺桿，以便固定測(cè)量?jī)x器。

基線樁出露地表較多且基線柱中間含有金屬，容易被破壞;而基線樁可能并不垂直地面或中間突出螺桿不垂直地面，造成監(jiān)測(cè)儀器重量全部由固定螺栓和中間突出螺桿承擔(dān)，容易使固定螺栓和中間突出螺桿之間的螺紋破壞，使中間突出螺桿更加不垂直地面，容易造成監(jiān)測(cè)誤差增大，測(cè)量不合［20］。如2010年8月燕家臺(tái)斜交基線觀測(cè)時(shí)，儀器漂移不穩(wěn)、測(cè)量不合，更換儀器固定螺絲后變化4.38 mm;9月該固定螺絲螺紋仍不是很好，又更換固定螺絲，9月觀測(cè)恢復(fù)變化3.69 mm;在此過(guò)程中，其余測(cè)線變化較小，未見(jiàn)異常②陸明勇，燕家臺(tái)斜交基線觀測(cè)突變異常落實(shí)報(bào)告［R］.2010.。分析認(rèn)為：不合可能是多種因素引起誤差放大的結(jié)果，如固定螺栓和中間突出螺桿之間的螺紋不好造成儀器固定不穩(wěn)、觀測(cè)時(shí)儀器誤差和人為誤差等，而異常變化與更換固定螺絲有關(guān)②。

針對(duì)跨斷層基線樁存在的問(wèn)題，提出將測(cè)量樁中間突出的固定測(cè)量?jī)x器的金屬螺桿更換為埋設(shè)于測(cè)量樁中具有螺紋孔的且與測(cè)量樁一樣高的固定測(cè)量?jī)x器的金屬盤(pán)。一方面可以使金屬裸露在外的空間減小，增加基線測(cè)量樁破壞難度、降低基線測(cè)量樁破壞幾率。另一方面減小了以前基線測(cè)量樁測(cè)量時(shí)測(cè)量?jī)x器重量全由固定螺桿承擔(dān)，造成測(cè)量?jī)x器調(diào)平、調(diào)穩(wěn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且容易使固定螺桿傾斜增加測(cè)量不合的概率，從而減小測(cè)量?jī)x器安裝過(guò)程中出現(xiàn)漂移的幾率、減小測(cè)量不合的概率和幅度。但在具體操作和實(shí)施時(shí)，應(yīng)該是在過(guò)去基線測(cè)量樁破壞后無(wú)法繼續(xù)測(cè)量的情況下實(shí)施改造，這樣既可以進(jìn)行測(cè)量樁改造又可以最大限度的保證測(cè)量環(huán)境的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)的連續(xù)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)影響首都圈地區(qū)跨斷層活動(dòng)信息真實(shí)觀測(cè)的因素主要有測(cè)樁為土層點(diǎn)、人為因素、汽車活動(dòng)以及降雨等因素。其中人為因素影響達(dá)11處觀測(cè)場(chǎng)地、占整個(gè)24處觀測(cè)場(chǎng)地的45.83%，其次為土層測(cè)樁和汽車因素，均為5處、占20.83%，降雨、積水等因素為2處、占8.33%。從24處跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)場(chǎng)地來(lái)非地震因素影響大小看，非地震因素影響較小的監(jiān)測(cè)場(chǎng)地有19處、占79.17%;非地震因素影響較大的監(jiān)測(cè)場(chǎng)地有5處、占20.83%。

2)在跨斷層流動(dòng)形變測(cè)量方面，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)投入還是從儀器監(jiān)測(cè)精度和實(shí)際監(jiān)測(cè)精度符合規(guī)范精度以及儀器性能穩(wěn)定、精度可靠、使用方便、測(cè)量速度等方面看，目前各種對(duì)地觀測(cè)技術(shù)運(yùn)用于日常的跨斷層流動(dòng)形變測(cè)量特別是短距離的跨斷層流動(dòng)形變測(cè)量還不太可行。未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，水準(zhǔn)測(cè)量可以使用DiNi電子水準(zhǔn)儀代替Ni002光學(xué)水準(zhǔn)儀，基線可以使用Di2002甚至TC2003和TCA系列儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的24 m基線尺進(jìn)行基線形變監(jiān)測(cè)。

3)跨斷層測(cè)量應(yīng)該對(duì)斷層進(jìn)行同樁的垂直和水平的觀測(cè)，高效的Di2002紅外測(cè)距儀、TC2003和TCA系列測(cè)距儀等為廣泛開(kāi)展斷層活動(dòng)水平測(cè)量提供了技術(shù)支持。水準(zhǔn)、基線同樁觀測(cè)的基線測(cè)量樁進(jìn)行技術(shù)改造，一方面可以使基線測(cè)量標(biāo)致、固定器材和測(cè)量?jī)x器之間有效的平穩(wěn)的銜接，有效減小它們之間的摩擦損失;另一方面，可以減少基線監(jiān)測(cè)樁被破壞的概率。從而可以有效保證監(jiān)測(cè)儀器在測(cè)量過(guò)程中的穩(wěn)定，減小測(cè)量不合的概率和程度，增加獲取斷層活動(dòng)可靠信息的能力。

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16 張景發(fā)，龔利霞，姜文亮.PS InSAR技術(shù)在地殼長(zhǎng)期緩慢形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，2006，(6)：1 -6.(Zhang Jingfa，Gong Lixia and Jiang Wenliang.Application of PS-InSAR technique to measurement of longterm crustal deformatio［J］.Recent Developments in World Seismology，2006，(6)：1-6)

17 張祖勝.中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)［J］.中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)，2001，(3)：45-49.(Zhang Zusheng.The crustal movement observation network of China［J］.China Basic Science，2001，(3)：45-49)

18 周昌賢.GPS技術(shù)在監(jiān)測(cè)地震與地殼運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用［N］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)-技術(shù)創(chuàng)新，2009，32：20.(Zhou Changxian.GPS technology to monitor earthquakes and crustal movement in the application［N］.Science and Technology Consulting Herald，2009，32：20)

19 祝意青，鞏守義，劉練.威特DI2002測(cè)距儀實(shí)測(cè)精度分析［J］.地震研究，1997，20(3)：332-338.(Zhu Yiqing，Gong Shouwen and Liu Lian.Ranging precision analysis of wild DI 2022 ranger［J］.Journal of Seismological Research，1997，20(3)：332-338)

20 國(guó)家地震局.跨斷層測(cè)量規(guī)范［S］.北京：地震出版社，1991.(State Seismological Bureau.Cross-fault measurement standard［S］.Beijing：Seismological Press，1991)

DISCUSSION OF ENVIRONMENT AND MONITORING TECHNOLOGY FOR CROSS-FAULT MOBILE DEFORMATION MONITORING

Lu Mingyong，Liu Tianhai，Huang Baosen，Li Min，Kou Jianxin，F(xiàn)ang Zongfei，Zhang Jincheng and Yu Haisheng
(China Center for Earthquake Disaster Emergency and SAR，Beijing 100049)

On the basis of the study of cross-fault mobile deformation monitoring environment in the Capital Region of China，it is found that there are a few sites(near 20%)impacted by the non-seismic factors.So we suggest that the crustal deformation monitoring techniques(instruments)and the cross-fault deformation surveying line layout should be improved and the cross-fault flow deformation level ling survey and baseline level of observation should be at the same pile.The baseline survey pile of existing level and baseline measurements should be technologically transformed at the appropriate time，in the measurement instrumentation：DiNi electronic level should be used instead of Ni002 Optical Level，Di2002 even TC2003 and TCA series of instruments should be used instead of the 24m traditional foot baseline deformation monitoring.

Capital area of China;cross-fault;mobile deformation;monitoring environment;monitoring technology

1671-5942(2011)05-0141-05

2011-01-11

中國(guó)地震局地震行業(yè)專項(xiàng)(201008012);中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司項(xiàng)目

陸明勇，男，1965年生，研究員，主要研究方向?yàn)榈貧ば巫?、地下流體、地球動(dòng)力學(xué)與地震預(yù)測(cè)等.E-mail：lmy9988@163.com

P315.72+6

A