孔祥瑞 楊牧萍 王喜龍 翟麗娜 楊曉東 劉健男 劉天龍

1 遼寧省地震局,沈陽市黃河北大街44號,110031

遼寧地區(qū)地質構造復雜,斷裂分布廣泛,在太平洋板塊NWW向俯沖擠壓作用下,形成以郯廬斷裂帶為控制斷裂帶,兩側分布金州斷裂、渾河斷裂、鴨綠江斷裂、朝陽-北票斷裂、大凌河斷裂等多條斷裂的構造格局[1-2]。從斷裂走向展布特征來看,可分為NE-NNE向、近EW向、NW向和近NS向活動斷裂,其中以NE向斷裂為主[3]。萬波等[4]研究認為,目前遼寧地區(qū)活動性較強且具有一定規(guī)模的斷裂約42條,其中對地震活動有控制作用的斷裂包括金州斷裂、大凌河斷裂、渾河斷裂、朝陽-北票斷裂等多條斷裂。因此對遼寧地區(qū)主要斷裂進行活動性研究,對該地區(qū)目前地震危險性評價以及未來地震趨勢判定具有重要意義。

遼寧地區(qū)跨斷層監(jiān)測工作始于20世紀70年代,以觀測斷層垂向活動性為主,短水準觀測周期為1～5 d,長水準觀測周期一般為1～2月,能夠完全跨越斷層破碎帶,在觀測近場活動特征方面具有一定優(yōu)勢。由于遼寧地區(qū)GPS觀測網密度小,無法準確獲取斷層近場活動信息,因此,目前對斷裂活動性進行分析仍以水準資料為主。此外,遼寧地區(qū)斷層活動分析工作主要集中在2013年以前,分析工作以地震活動性和地質構造調查為主,但隨著觀測資料的積累以及日本9.0級地震對我國東北、華北地區(qū)的影響,重新梳理和研究遼寧地區(qū)斷層活動,對評估目前地震危險性以及未來地震趨勢研判均具有一定意義。本文利用遼寧地區(qū)現有水準資料,較為全面地分析遼寧省內主要斷裂帶活動特征以及各斷裂活動的一致性與差異性,為遼寧及周邊地區(qū)地震預測提供依據。

1 遼寧地區(qū)跨斷層水準場地概述

遼寧地區(qū)跨斷層水準場地主要分布在郯廬斷裂帶兩側,考慮到水準數據資料的連續(xù)性以及場地改造等因素對數據質量的影響,本文選取北票、車坊、金州、丹東和清原5個場地的水準數據進行分析[5-6](表1、圖1)。目前,遼寧地區(qū)水準觀測儀主要為DiNi03數字水準儀,觀測周期為1 d至2月。從觀測精度來看,上述場地觀測結果每公里往返中誤差不超過±0.80 mm,觀測精度符合要求。本文將優(yōu)先選取符合測量標準的基巖點測段進行分析,以提高分析結果的可靠性。

圖中1∶400萬斷裂信息引自文獻[7]圖1 遼寧地區(qū)ML≥5.0地震及水準場地分布Fig.1 Distribution of ML≥5.0 earthquakes and leveling sites in Liaoning area

表1 遼寧地區(qū)水準場地概況Tab.1 General information of leveling sites in Liaoning area

2 水準數據資料分析

2.1 車坊水準:大凌河斷裂

車坊場地位于遼寧省錦州市義縣車坊鄉(xiāng)東溝口子村,跨大凌河斷裂。大凌河斷裂長約170 km,總體為NNE走向,傾向NW。車坊水準測線全長1.02 km,共設20站,分3段測量。該場地3號點為基巖點,西端6、7號點為土層點。由于該場地6號點于2011-10遭破壞,現作為過渡點使用,因此2011-10之后對該場地的分析主要為3-7測段(圖2)。

圖2 車坊跨斷層水準數據變化曲線Fig.2 Variation of cross-fault leveling data in Chefang site

從車坊水準3-7測段數據曲線可以看出,1999年岫巖5.4級地震發(fā)生前,大凌河斷裂垂向活動速率約為0.75 mm/a,累積變化量達3 mm。由于觀測數據起始時間為1995年,岫巖地震前該斷裂背景活動狀態(tài)無法判斷,但根據地震后該斷裂活動狀態(tài)可判斷岫巖地震后斷裂活動速率明顯減弱。1999～2011年高差平均變化幅度不超過0.5 mm,主要為季節(jié)性變化引起的單期數據變化。2011年該斷裂垂向活動速率加快,同年03-11發(fā)生日本9.0級地震,2011～2013年高差累積變化量接近2 mm;2013～2015年數據逐年恢復,期間于2013-01-23發(fā)生燈塔5.1級地震,2019年至今數據趨于平穩(wěn)。

2.2 丹東水準:鴨綠江斷裂

丹東水準場地位于遼寧省丹東市四道溝濱江村,跨鴨綠江斷裂。鴨綠江斷裂為郯廬斷裂帶東側次級斷裂,是遼寧東部地區(qū)規(guī)模較大的斷裂帶之一[8]。丹東水準場地自2001年開始觀測,觀測周期為日觀測,2019年起改為5 d觀測。水準觀測路線為“L”形路線,SN測線為跨斷層測線[9]。該場地3個端點均為基巖觀測點,由于觀測場地在2006年受建筑施工影響,測站由10個增加到12個,測線長度由355 m增加到440 m。由于建設施工需要對基巖觀測端點N進行改造,此次改造使該點產生一定量沉降,為消除該影響,本文對SW測段進行分析(圖3)。

圖3 丹東跨斷層水準數據變化曲線Fig.3 Variation of cross-fault leveling data in Dandong site

從丹東水準SW測段觀測數據可以看出,2006年建筑施工對觀測數據造成一定影響,表現為年變形態(tài)消失,其最大影響為0.4 mm,2010年后數據趨于穩(wěn)定。2010年該場地觀測儀器由Ni002A光學水準儀更換為DiNi03數字水準儀,該型號水準儀采用光學自動讀數,在一定程度上可消除人工讀數誤差,但DiNi03水準儀i角限差為15″,大于Ni002A光學水準儀,進而導致觀測精度降低,使觀測數據存在一定的年周期變化[10]。

從斷裂活動變化來看,鴨綠江斷裂總體活動水平偏弱,2001～2022年斷層垂向累積變化量約為0.10 mm,平均活動速率約為0.05 mm/a,其中2001～2011年垂向累積變化量約為0.70 mm,平均活動速率約為0.07 mm/a,2012～2022年垂向累積變化量約為0.37 mm,平均活動速率約為0.04 mm/a,相比2001～2011年斷裂活動進一步減弱。結合2011-03-11發(fā)生的日本9.0級地震,判斷此次地震對該區(qū)域斷裂應力積累存在緩解作用,導致斷裂總體活動水平進一步減弱。

2.3 清原水準:渾河斷裂

清原水準場地位于遼寧省撫順市清原滿族自治縣。渾河斷裂帶西起沈陽西部平原,經撫順市章黨鎮(zhèn)、紅透山鎮(zhèn),東至撫順清原滿族自治縣,全長約192 km,總體走向60°～70°[11-12]。清原水準場地觀測儀器于2010年由Ni002A光學水準儀更換為DiNi03數字水準儀,2014年起該水準場地由每日觀測改為每月觀測。從清原水準B-A測段數據曲線可以看出,渾河斷裂總體活動水平較弱,1995～2010年斷層垂向累積變化量不超過0.5 mm,表明渾河斷裂垂向運動基本處于穩(wěn)定狀態(tài);2010～2022年,由于更換儀器導致觀測數據受溫度等季節(jié)性因素影響,存在明顯的年周期變化,但該階段渾河斷裂總體活動水平與2010年之前基本一致?？傮w來看,渾河斷裂垂向運動相對穩(wěn)定,長期處于較弱的活動狀態(tài)(圖4)。

圖4 清原跨斷層水準數據變化曲線Fig.4 Variation of cross-fault leveling data in Qingyuan site

2.4 北票水準:朝陽-北票斷裂

北票水準場地位于遼寧省北票市涼水河鄉(xiāng)黃花營子村,測線總長0.66 km,共設18個測站,其中1號點為基巖點,其他點均為土層點。北票場地跨朝陽-北票斷裂,該斷裂全長約200 km,總體走向NE,傾向以NW為主[13]。從水準觀測數據來看,根據斷層垂向活動速率可將朝陽-北票斷裂活動分為5個階段(圖5)。1995～2002年該斷裂呈弱壓性變化,垂向活動速率約為-0.86 mm/a;2003～2006年曲線呈轉折加速形態(tài),活動速率為-1.91 mm/a,期間發(fā)生巴林左旗5.9級地震和東烏珠穆沁旗5.9級地震;2007～2010年該斷裂活動速率為-1.18 mm/a;2011年日本9.0級地震發(fā)生后,該水準數據出現趨勢轉向的異常變化,2011～2014年斷裂活動速率為2.48 mm/a,表明此次日本地震對朝陽-北票斷裂產生一定影響,出現差異性運動,在此期間遼寧西部地區(qū)發(fā)生科爾沁5.3級地震,該異常變化持續(xù)至2015年;2015～2022年該斷裂垂向活動速率約為-0.7 mm/a,與1995～2002年活動速率接近,表明日本地震對朝陽-北票斷裂的影響基本結束,該斷裂目前的活動水平接近于相對穩(wěn)定的背景活動水平。

圖5 北票跨斷層水準數據變化曲線Fig.5 Variation of cross-fault leveling data in Beipiao site

2.5 金州水準:金州斷裂

金州水準場地位于遼寧省金州地震臺形變觀測室內。金州斷裂為遼南地區(qū)主要活動構造斷裂,全長約200 km,走向NE,傾向NW,總體表現為正斷性質[14-15]。金州斷裂為遼寧重點監(jiān)測斷裂之一,本文選取金州室內水準觀測數據,對金州斷裂活動性進行分析(圖6)。

圖6 金州跨斷層水準數據變化曲線Fig.6 Variation of cross-fault leveling data in Jinzhou site

根據金州水準數據變化曲線可將該斷裂活動分為4個階段,1995～2005年數據曲線緩慢上升,垂直分量運動速率約為0.02 mm/a;2006～2011年數據曲線呈下降趨勢,運動速率約為-0.06 mm/a,日本9.0級地震發(fā)生后其活動速率有所減緩;2012～2017年運動速率約為-0.03 mm/a;2018～2022年運動速率約為0.015 mm/a,基本與1995～2005年斷裂活動速率一致。從觀測曲線和2011年日本9.0級地震發(fā)震時間可以判斷,金州斷裂在日本地震發(fā)生后,由于應力場發(fā)生變化,其斷裂活動特征也發(fā)生一定改變,該影響在2017年后有所減弱,目前該斷裂垂向運動特征基本與2005年之前運動特征一致。

2.6 討 論

從現今遼寧地區(qū)主要斷裂的運動變化量和活動速率來看,各斷裂運動特征并不突出。從斷裂空間分布角度來看,遼寧北部地區(qū)的渾河斷裂、鴨綠江斷裂活動相對穩(wěn)定,自水準觀測有記錄以來基本保持其原有的活動特征;而遼南地區(qū)的金州斷裂以及遼西地區(qū)的朝陽-北票斷裂、大凌河斷裂活動相對較為明顯,水準資料顯示遼南及遼西地區(qū)的斷層活動存在自身差異性運動。

從時間尺度來看,清原水準數據顯示渾河斷裂長期處于穩(wěn)定狀態(tài);車坊水準數據顯示大凌河斷裂在2011年存在高值異常變化,同年發(fā)生日本9.0級地震,2015年水準數據恢復其原有狀態(tài);同期丹東水準數據顯示鴨綠江斷裂活動速率在2011年由0.07 mm/a減弱到0.04 mm/a。此外,金州斷裂和朝陽-北票斷裂在2011年也出現一定的差異性變化,由此可判斷此次日本地震對上述斷裂的活動性均存在一定影響。

從斷裂活動特征來看,金州斷裂和朝陽-北票斷裂受日本地震影響均產生同步響應。其中金州水準資料垂向活動速率在2006年由0.02 mm/a變?yōu)?0.06 mm/a,2011年日本9.0級地震發(fā)生后,該斷裂垂向運動有所減弱,活動速率約為-0.03 mm/a,2018年該斷裂活動特征與2005年之前運動特征一致;朝陽-北票斷裂也存在類似變化,在2002年垂向活動速率由-0.86 mm/a變?yōu)?1.91 mm/a,斷層活動速率明顯加快,期間遼西及遼蒙交界地區(qū)發(fā)生3次5級以上地震,表明朝陽-北票斷裂斷層活動的差異性變化與周邊地區(qū)發(fā)生5級以上地震危險性存在一定聯系。截至目前,朝陽-北票斷裂活動速率與1995～2002年活動速率接近,由此可判斷當前斷層活動與背景活動水平一致。根據日本地震前后金州和北票水準數據變化情況可判斷,遼寧地區(qū)應力場變化會對金州斷裂和朝陽-北票斷裂斷層活動產生一定影響,而其他斷裂活動特征并未出現明顯變化,由此也可判斷金州斷裂和朝陽-北票斷裂更易受應力變化的影響而產生差異運動。

3 結 語

本文通過對遼寧金州、車坊、北票、丹東以及清原水準場地資料進行處理分析,結合遼寧地區(qū)地質資料,對各主要斷裂活動特征進行研究,得到以下結論:

1)各觀測場地受自身觀測條件影響觀測精度存在差異,土層觀測點受季節(jié)因素影響較大;遼寧水準觀測部分觀測站由Ni002A光學水準儀更換為DiNi03數字水準儀,更換后受溫度等因素影響,存在一定的周期性年變特征。

2)鴨綠江斷裂、渾河斷裂斷層活動相比于金州斷裂、朝陽-北票斷裂以及大凌河斷裂相對穩(wěn)定,總體活動速率平穩(wěn);金州斷裂和朝陽-北票斷裂活動性存在自身差異變化,且變化時間存在一定同步性,其中朝陽-北票斷裂差異性異常變化與遼西及遼蒙交界地區(qū)5級以上地震的對應性較好。

3)根據日本地震對遼寧地區(qū)主要斷裂的響應程度分析可知,遼寧地區(qū)應力改變對金州斷裂和朝陽-北票斷裂活動性均產生一定影響,且時間上存在同步性;而其他各斷裂活動特征并未出現明顯改變,由此可判斷金州斷裂和朝陽-北票斷裂相比于其他斷裂更易受應力場改變的影響,從而產生差異性活動。

4)日本3·11地震對金州斷裂和朝陽-北票斷裂影響較為明顯,表明日本地震對遼西和遼南地區(qū)影響較大,震后存在應力調整運動。2015年后金州斷裂和朝陽-北票斷裂活動特征與其長期背景水平一致,表明日本地震對遼寧地區(qū)的影響逐漸減弱,區(qū)域內斷裂活動逐漸恢復其原有的運動特征。