趙 越

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

引言

跨斷層形變測(cè)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(cè)量。其主要任務(wù)在于直接、精細(xì)地測(cè)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(guò)程[1]。監(jiān)測(cè)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(guó)自20世紀(jì)60年代末開(kāi)始建立跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)場(chǎng)地,實(shí)踐表明跨斷層形變監(jiān)測(cè)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(cè)工作積累了大量寶貴的觀測(cè)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)?？鐢鄬恿鲃?dòng)監(jiān)測(cè)研究工作在地震預(yù)測(cè)研究、地質(zhì)探測(cè)、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(cè)研究現(xiàn)狀

(1)發(fā)展歷程

我國(guó)跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)自1962年廣東新豐江6.1級(jí)地震開(kāi)始,庫(kù)區(qū)周圍布設(shè)了水準(zhǔn)、基線測(cè)距、重力測(cè)量和三角網(wǎng),用來(lái)監(jiān)測(cè)和研究新豐江水庫(kù)的地殼運(yùn)動(dòng)。1966年邢臺(tái)地震后,周恩來(lái)總理發(fā)出號(hào)召?gòu)V泛開(kāi)展地震預(yù)報(bào)工作。至70-80年代,在全國(guó)范圍內(nèi)建立了大規(guī)模的跨斷層觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),峰值達(dá)到400余處。監(jiān)測(cè)測(cè)項(xiàng)涵蓋了水準(zhǔn)測(cè)量、基線測(cè)量、短程測(cè)距、短邊三角測(cè)量及連續(xù)自動(dòng)記錄的斷層形變測(cè)量等多種手段。20世紀(jì)90年代,由國(guó)家地震局、省級(jí)地震局及專業(yè)測(cè)量隊(duì)共同組成了全國(guó)統(tǒng)一的三級(jí)跨斷層測(cè)量管理網(wǎng)絡(luò)。21世紀(jì)以來(lái),各省局、市根據(jù)地震監(jiān)測(cè)工作的需要也建立一定數(shù)量的流動(dòng)監(jiān)測(cè)場(chǎng)地。全國(guó)20個(gè)省先后建立跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)場(chǎng)地,這些場(chǎng)地以流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)為主,還有少量的定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)臺(tái)站。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)現(xiàn)在運(yùn)行的跨斷層流動(dòng)監(jiān)測(cè)場(chǎng)地?cái)?shù)266處,24處定點(diǎn)場(chǎng)地[2]。

(2)場(chǎng)地建設(shè)

跨斷層流動(dòng)監(jiān)測(cè)場(chǎng)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(lái),全國(guó)跨斷層流動(dòng)測(cè)量總體上沒(méi)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(cè)場(chǎng)地越來(lái)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(cè)場(chǎng)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(cè)測(cè)項(xiàng),而目前華北地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)場(chǎng)地只有74處,監(jiān)測(cè)項(xiàng)180余[5]。監(jiān)測(cè)測(cè)項(xiàng)分為水準(zhǔn)和基線,以水準(zhǔn)測(cè)量為主體,監(jiān)測(cè)頻率1-12次每年不等。

場(chǎng)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(guò)統(tǒng)計(jì)分析一般來(lái)說(shuō)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)?，F(xiàn)有研究在場(chǎng)地監(jiān)測(cè)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(cè)所得到的高差或基線觀測(cè)值,包含了斷層活動(dòng)信息,觀測(cè)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(cè)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?；顒?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(cè)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(lái)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(cè)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(duì)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(duì)我國(guó)跨斷層監(jiān)測(cè)周期不統(tǒng)一的問(wèn)題進(jìn)行了跨斷層測(cè)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(guó)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(lái),通過(guò)我國(guó)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(cè)量規(guī)范(1991)》(國(guó)家地震局,1991)、《地震地形變數(shù)字水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)規(guī)范(2003)》《地震地殼形變觀測(cè)方法-跨斷層位移測(cè)量(2012)》(中國(guó)地震局,2012)、《地震水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范(2015)》(中國(guó)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(cè)者的心血和智慧,對(duì)指導(dǎo)我國(guó)的跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)研究工作進(jìn)步影響深遠(yuǎn)。

2 目前研究存在的主要問(wèn)題

我國(guó)跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)工作自20世紀(jì)60年代開(kāi)始,受限于地震科技認(rèn)識(shí)水平和工作條件,場(chǎng)地的選取受到很多非構(gòu)造條件的約束。造成選取場(chǎng)地跨越的斷層較老,有的甚至不完全跨越斷層;部分場(chǎng)地受到場(chǎng)地監(jiān)測(cè)環(huán)境的干擾,也難以發(fā)揮觀測(cè)效能;部分觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)受行政區(qū)劃分割,形成獨(dú)立的片區(qū),對(duì)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(cè)場(chǎng)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(cè)場(chǎng)地空間分布極不均勻,存在很多監(jiān)測(cè)盲區(qū),場(chǎng)地的布設(shè)效能較低。跨斷層流動(dòng)觀測(cè)規(guī)范要求Q3和Q4斷裂要布設(shè)跨斷層監(jiān)測(cè)場(chǎng)地,但實(shí)際布設(shè)率很低。例如華北地區(qū)74處監(jiān)測(cè)場(chǎng)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(cè)場(chǎng)地24處,僅占該時(shí)期斷裂的20%[3]。

另一方面,監(jiān)測(cè)場(chǎng)地環(huán)境干擾日益突出,造成監(jiān)測(cè)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(chǎng)的變化。特別是近年來(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)境不僅使得監(jiān)測(cè)場(chǎng)地大量減少,也造成觀測(cè)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(cè)儀器發(fā)了很大變化,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)在的數(shù)字儀器、自動(dòng)測(cè)量以及空間對(duì)地觀測(cè)。目前跨斷層流動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備缺乏或老化,缺乏更新機(jī)制是比較突出的問(wèn)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(cè)布局難以滿足現(xiàn)今地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)需求的問(wèn)題,亟需開(kāi)展跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測(cè)場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境和監(jiān)測(cè)效能評(píng)估,進(jìn)行優(yōu)化工作。根據(jù)2017年我國(guó)開(kāi)展的《全國(guó)跨斷層場(chǎng)地優(yōu)化改造》項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),可對(duì)場(chǎng)地采取舍棄、修復(fù)完善和新建三種方式。(1)對(duì)現(xiàn)有可能未跨過(guò)斷層、觀測(cè)環(huán)境不好,受干擾因素多以及映震效果不好,無(wú)法使用的監(jiān)測(cè)場(chǎng)地予以舍棄。(2)對(duì)于場(chǎng)地內(nèi)只有水準(zhǔn)單測(cè)項(xiàng)的場(chǎng)地可以增加水平監(jiān)測(cè)手段,最好能夠?qū)崿F(xiàn)同樁觀測(cè)。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(cè)場(chǎng)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(cè)環(huán)境滿足跨斷層流動(dòng)形變測(cè)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(duì)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(duì)現(xiàn)有場(chǎng)地對(duì)斷裂監(jiān)測(cè)效能的評(píng)估。根據(jù)已有的研究成果,第四紀(jì)以來(lái)活動(dòng)過(guò)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(guó)家地震局1991)。新建場(chǎng)地宜增強(qiáng)對(duì)第四紀(jì)以來(lái)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(cè),斷裂較長(zhǎng)的可以布設(shè)兩處以上。

另外在對(duì)數(shù)據(jù)的利用上,需要加強(qiáng)跨斷層監(jiān)測(cè)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(cè)的作用,加深對(duì)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(cè)中的應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

幾十年來(lái),許多學(xué)者進(jìn)行了大量的跨斷層觀測(cè)研究工作,取得很大進(jìn)展。這些進(jìn)展包括明確樹(shù)立了構(gòu)造形變測(cè)量的觀點(diǎn),形成一些有效數(shù)據(jù)處理方法,持續(xù)開(kāi)展了對(duì)多重點(diǎn)地震帶的斷層形變監(jiān)測(cè)、建立并逐步完善了場(chǎng)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(wèn)題,如場(chǎng)地監(jiān)測(cè)環(huán)境破壞、監(jiān)測(cè)性能低,空間分布不均勻,存在空區(qū)盲區(qū)的問(wèn)題突出,觀測(cè)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(cè)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(cè)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)。