基于斷層形變協(xié)調(diào)比的斷層形變分析

李文靜

中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心唐山臺(tái)，河北省唐山市復(fù)興路老十中院內(nèi) 063001

0 引言

近40年的跨斷層形變監(jiān)測(cè)用于地震預(yù)測(cè)的研究實(shí)踐表明，在強(qiáng)地震發(fā)生前后距震中一定范圍內(nèi)的斷層活動(dòng)會(huì)出現(xiàn)不同程度的變化，表現(xiàn)為斷層運(yùn)動(dòng)速率和受力方式發(fā)生變化等。斷層的異常形變是對(duì)地震孕育、發(fā)生過(guò)程中地殼的受力狀態(tài)異常變化的重要提示?？鐢鄬有巫冇^測(cè)作為一種重要的地震前兆觀測(cè)手段在我國(guó)的地震預(yù)測(cè)實(shí)踐中發(fā)揮了重要作用，積累了豐富的觀測(cè)資料和地震形變前兆異常實(shí)例，主要體現(xiàn)在用跨斷層測(cè)量結(jié)果分析研究某一區(qū)域或斷裂帶的斷層運(yùn)動(dòng)速率(車兆宏等，1999;呂戈培等，2002)、地震前兆異常(車兆宏等，2004;范燕等，2001;江在森等，1998;李杰等，2010b)及其與地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系(李杰等，2010a;薄萬(wàn)舉等，1997、2001)。

應(yīng)用斷層形變資料處理并提取地震前兆信息的方法很多，如動(dòng)態(tài)灰箱、概率合成、卡爾曼濾波等方法在分析預(yù)測(cè)中都起到一定的作用(周碩愚，1994;施順英等，2007;游麗蘭等，1992)。郭良遷(2008)利用華北地區(qū)跨斷層水準(zhǔn)資料系統(tǒng)統(tǒng)地研究了斷層形變異常強(qiáng)度，認(rèn)為斷層形變的異常強(qiáng)度可視為中時(shí)間尺度的地震前兆。葛計(jì)劃等(2011)基于垂直變化速率提出斷層形變異常強(qiáng)度可作為區(qū)域中強(qiáng)地震的中期異常指標(biāo)。這些方法一般使用的是單一水準(zhǔn)或基線觀測(cè)，對(duì)發(fā)揮多測(cè)項(xiàng)、多測(cè)段的綜合作用的研究還有待進(jìn)一步探索。

本文擬在此前研究的基礎(chǔ)上基于唐山地震臺(tái)跨斷層觀測(cè)數(shù)據(jù)，將不同測(cè)段的短基線和短水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行組合，用斷層形變協(xié)調(diào)比參數(shù)(張晶等，2011;M7專項(xiàng)工作組，2012;薄萬(wàn)舉等，1998)分析斷層活動(dòng)特征，并試圖分析該組參數(shù)的變化與唐山區(qū)域地震活動(dòng)的關(guān)系。

1 基本原理

當(dāng)同一測(cè)點(diǎn)的測(cè)線長(zhǎng)數(shù)十米時(shí)，可將斷層兩盤在臺(tái)站測(cè)量范圍內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)近似看成兩塊剛性塊體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并分解成水平扭動(dòng)、水平相向(或背向)運(yùn)動(dòng)及垂直方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，共3個(gè)分量。設(shè)測(cè)線與斷層夾角為α(定義為測(cè)線順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到與斷層線重合時(shí)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度)，測(cè)線伸長(zhǎng)量為ΔL(縮短為負(fù))，設(shè)上盤逆時(shí)針相對(duì)下盤的扭錯(cuò)量為α，水平拉張量為b，垂直上升量為c，水準(zhǔn)變化量為Δh(由上盤到下盤為往測(cè)方向)，則在2條α不同的測(cè)線上，同時(shí)實(shí)施水準(zhǔn)和基線測(cè)量，可唯一確定斷層運(yùn)動(dòng)參數(shù)(薄萬(wàn)舉等，1998)。

當(dāng)斷層活動(dòng)處于剛性無(wú)障礙蠕滑時(shí)，如果造成斷層活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)環(huán)境絕對(duì)保持不變，其蠕滑的方向保持不變時(shí)，其運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足以下條件：

其中d為斷層面傾滑分量，有稱f1、f2、f3、f4為斷層形變協(xié)調(diào)比(張晶等，2011)?？紤]存在觀測(cè)誤差、小幅度的外部擾動(dòng)和地殼運(yùn)動(dòng)的正常波動(dòng)性變化的影響，在Δt時(shí)間內(nèi)的斷層走滑、拉張、垂直運(yùn)動(dòng)分量中任意兩個(gè)分量之比也會(huì)有一定的波動(dòng)，但應(yīng)該是圍繞協(xié)調(diào)比常數(shù)在一定范圍內(nèi)的波動(dòng)，正常情況下可將其作為近似常數(shù)看待。當(dāng)其偏離這一常數(shù)過(guò)大時(shí)，則可能意味著地殼應(yīng)力場(chǎng)的活動(dòng)出現(xiàn)了異常，應(yīng)注意加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與研究。

2 唐山地震臺(tái)及資料介紹

1976年唐山大震之后，國(guó)家地震局第一監(jiān)測(cè)中心在地震地表破裂顯著的唐山市老十中院內(nèi)建立了跨斷層短水準(zhǔn)和短基線測(cè)量場(chǎng)地，迄今已積累了30余年的數(shù)據(jù)，包括4條短水準(zhǔn)和4條短基線測(cè)量及其它輔助氣象測(cè)量(李文靜等，2009;黃建平等，2010)，其測(cè)量場(chǎng)地及測(cè)線布設(shè)如圖1。已有資料顯示(國(guó)家地震局《一九七六年唐山地震》編寫組，1982)，唐山地震在唐山地震臺(tái)附近造成的地裂縫沿唐山礦5號(hào)逆斷層(斷面傾向NW，走向NE30°，傾角70°～80°，如圖1所示)密集成帶分布，在臺(tái)站地區(qū)呈張性地裂縫、右旋扭動(dòng)特征，該裂縫的西北側(cè)上升，東南側(cè)下降。

圖1 唐山臺(tái)測(cè)量場(chǎng)地及測(cè)線布設(shè)示意圖

黃建平等(2011)的研究認(rèn)為，2009年之前的數(shù)據(jù)可以分為1984～1989、1990～1998和1999～2008年3個(gè)時(shí)段。為觀察斷裂的趨勢(shì)變化，消除其高頻成分和隨機(jī)波動(dòng)，對(duì)原始數(shù)據(jù)采用年均值方法進(jìn)行了處理(圖2)，計(jì)算了不同時(shí)段的斷層形變協(xié)調(diào)比。

3 分析與討論

根據(jù)唐山臺(tái)4個(gè)測(cè)段的實(shí)際測(cè)量，則由公式(2)可以得到方程組為

即

圖2 1985～2010年唐山臺(tái)短基線、短水準(zhǔn)年均值變化曲線

從而可得(1)式中的a和(2)式中的b。對(duì)公式(3)中的c，可以由各段平均得到。所得結(jié)果見表1。

表1 不同時(shí)段的斷層參數(shù)及狀態(tài)表

根據(jù)式(1)～(4)及圖1可知，在同一測(cè)段同時(shí)具備水準(zhǔn)和基線測(cè)量，則可以有4個(gè)測(cè)段，即

S1：使用B1-2，L2-3的數(shù)據(jù)，其與斷層夾角 α=66°;

S2：使用B2-3，L2-3和L3-4的數(shù)據(jù)，其與斷層夾角 α=126°;

S3：使用B3-4，L4-1的數(shù)據(jù)，其與斷層夾角 α=66°;

S4：使用B4-1，L1-2和L2-3的數(shù)據(jù)，其與斷層夾角 α=6°;

根據(jù)夾角的不同，可以得到如下5種組合模式：模式一(M1)包括S1和S2;模式二(M2)包括S1和S4;模式三(M3)包括 S3和 S2;模式四(M4)包括 S3和 S4;模式五(M5)包括 S2和S4。

根據(jù)式(1)～(3)，可以分別計(jì)算判斷不同時(shí)段的斷層活動(dòng)狀態(tài)，見表2。

表2 不同基線和水準(zhǔn)組合計(jì)算得到的斷層形變協(xié)調(diào)比

由表2看出，唐山5號(hào)斷裂在臺(tái)站所處地區(qū)活動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈，活動(dòng)性質(zhì)多變，可以總結(jié)出如下幾個(gè)特點(diǎn)：①右旋活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，左旋活動(dòng)時(shí)間短;②上盤上升時(shí)間長(zhǎng)，下降時(shí)間短;③水平拉張時(shí)間長(zhǎng)，壓縮時(shí)間短。特點(diǎn)①說(shuō)明該斷裂呈右旋活動(dòng)趨勢(shì)，但存在反向變化;特點(diǎn)②反應(yīng)該斷層以逆斷層活動(dòng)為主;特點(diǎn)③與②相矛盾，可能與該斷裂走向、傾向復(fù)雜多變有關(guān)。

同時(shí)，表2也顯示出綜合判斷的結(jié)果和表1中聯(lián)合方程組的判斷結(jié)果完全一致，不同組合模式的計(jì)算結(jié)果中只有M4和M5組合完全和綜合判斷結(jié)果一致，即這兩個(gè)組合應(yīng)該是反映斷層活動(dòng)狀態(tài)的最佳組合。同樣，據(jù)M2組合得到的判斷結(jié)果在各個(gè)時(shí)間段都沒(méi)有和綜合判斷結(jié)果取得一致，可能與臺(tái)站觀測(cè)樁為土層測(cè)樁有關(guān)。表3給出了不同測(cè)段組合所使用到的測(cè)點(diǎn)。從表中可以看出，計(jì)算效果較差的都同時(shí)涉及了B1和B2兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。與B3和B4搭配時(shí)，B2點(diǎn)造成的計(jì)算結(jié)果相對(duì)較差。由此可以推斷，B2點(diǎn)造成了涉及該測(cè)段的數(shù)據(jù)誤差增大。而B2點(diǎn)并不是靠近斷層最近的點(diǎn)，故不容易受到斷層畸變的影響，因此需要更深入地了解該點(diǎn)場(chǎng)地條件再進(jìn)行討論。

表3 不同組合使用的測(cè)點(diǎn)一覽表

進(jìn)一步，根據(jù)M5組合，利用公式(4)，可以得到斷層形變協(xié)調(diào)比序列(圖3)。由圖3可以看出，斷層形變協(xié)調(diào)比f(wàn)1、f2、f3、f4這4個(gè)序列發(fā)生了一些顯著的偏離正常背景的變化。對(duì)比這4個(gè)參數(shù)序列，其中f1序列變化范圍最小，f2和f4稍大，f3變化范圍最大。結(jié)合唐山市地震目錄，可以將這些顯著偏離正常背景的變化分為若干個(gè)階段，在f1、f2、f3、f4每一個(gè)顯著偏離正常背景的階段之后，都出現(xiàn)了1次或一群4.5級(jí)以上局部地震活動(dòng)?？梢赃@樣解釋：這4個(gè)序列大部分時(shí)間表現(xiàn)為一個(gè)常數(shù)，表明斷層活動(dòng)接近于正常蠕動(dòng);當(dāng)變量協(xié)調(diào)比偏離原來(lái)正常值很大時(shí)，斷層活動(dòng)趨向于不穩(wěn)定或已產(chǎn)生閉鎖;即協(xié)調(diào)比的改變預(yù)示著斷層存在應(yīng)變積累。當(dāng)斷層失穩(wěn)發(fā)生地震，并伴隨高應(yīng)變釋放后，斷層活動(dòng)又趨于正常狀態(tài)，斷層形變協(xié)調(diào)比再次趨于正常。而且，這種斷層形變協(xié)調(diào)比參數(shù)的大幅度變化時(shí)間和后續(xù)4.5級(jí)以上地震的時(shí)間間隔也呈現(xiàn)逐漸拉長(zhǎng)的趨勢(shì)(最后3次的時(shí)間間隔分別達(dá)到1個(gè)月，6個(gè)月，24個(gè)月)。如果按照這種模式來(lái)解釋，根據(jù)最后一次斷層形變協(xié)調(diào)比的大幅變化時(shí)間(2012年年中)，那么唐山地區(qū)的地震活動(dòng)背景是在未來(lái)2～3年內(nèi)可能發(fā)生4.5級(jí)以上地震。

圖3 月均值計(jì)算得到的斷層形變協(xié)調(diào)比序列

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)唐山臺(tái)短基線和短水準(zhǔn)資料的綜合運(yùn)用，初步分析了唐山5號(hào)斷層的基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算得到了該斷層的形變協(xié)調(diào)比序列，得到如下認(rèn)識(shí)：

(1)對(duì)與斷層走向呈不同夾角的測(cè)段組合會(huì)產(chǎn)生不同的斷層活動(dòng)特征狀態(tài)認(rèn)識(shí)。對(duì)唐山臺(tái)的資料而言，與斷層走向夾角較小的兩個(gè)測(cè)段獲得的認(rèn)識(shí)相對(duì)更好，可能和該斷層以走滑為主、該區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)以水平運(yùn)動(dòng)為主相關(guān)。

(2)斷層形變協(xié)調(diào)比序列有顯著的偏離正常背景的變化，且和唐山區(qū)域中等以上地震活動(dòng)呈現(xiàn)交替出現(xiàn)的態(tài)勢(shì)，可能反映了區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)在不斷地調(diào)整和變化之中。

致謝：感謝唐山市地震局提供的區(qū)域地震目錄。感謝審稿老師的中肯建議和和武艷強(qiáng)博士的指導(dǎo)。