利用唐山地震臺(tái)資料研究唐山斷裂活動(dòng)特征1

周海濤 張立成 王連山

（中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180）

引言

唐山地震臺(tái)內(nèi)建有跨斷裂水準(zhǔn)測(cè)線和基線測(cè)線，主要用于監(jiān)測(cè)唐山斷裂的活動(dòng)狀況，40余年來(lái)積累了豐富的資料，為研究唐山斷裂的活動(dòng)奠定了基礎(chǔ)，近年來(lái)唐山地震臺(tái)又陸續(xù)增加了斷層CO2測(cè)量和地應(yīng)力測(cè)量等手段用于監(jiān)測(cè)唐山斷裂活動(dòng)。其中跨斷層形變測(cè)量是積累時(shí)間最長(zhǎng)、觀測(cè)精度較高、能夠直接反映斷層活動(dòng)的形變觀測(cè)手段。許多學(xué)者利用跨斷層形變資料進(jìn)行了研究，并取得了較豐碩的研究成果（李文靜等，2009；黃建平等，2010，2011；周海濤等，2013）。利用跨斷層形變數(shù)據(jù)可求解斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比參數(shù)，而斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比又對(duì)地震預(yù)測(cè)研究有一定指示意義（張晶等，2011）。

斷層土壤氣是地球內(nèi)部沿著活動(dòng)板塊或塊體邊界及其它地殼薄弱帶向地表遷移釋放的氣體。監(jiān)測(cè)跨斷層土壤氣釋放濃度的變化，已成為探索地震前兆與地震預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)斷裂活動(dòng)性的重要方法（汪成民等，1991；劉菁華等，2006）。斷層土壤氣CO2是地球內(nèi)部生成的眾多流體組分中最有可能大量遷移至地表并在地表某點(diǎn)集中釋放的氣體之一，它的異常濃度和通量，可以很好地反映地震活動(dòng)和斷裂帶的活動(dòng)情況（周曉成等，2012；張揚(yáng)等，2016）。

唐山地震臺(tái)從2011年7月開(kāi)始進(jìn)行斷層CO2測(cè)量，每日監(jiān)測(cè)1次，臺(tái)站場(chǎng)地內(nèi)的斷層、基線和水準(zhǔn)測(cè)線、CO2觀測(cè)點(diǎn)位如圖1所示。本文通過(guò)對(duì)唐山地震臺(tái)跨斷層形變和CO2資料進(jìn)行分析處理，研究唐山斷裂的運(yùn)動(dòng)特征、斷裂活動(dòng)協(xié)調(diào)比及CO2變化特征，以期總結(jié)出相關(guān)規(guī)律，為地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)提供有益的借鑒。

1 斷裂形變特征

基線觀測(cè)可以監(jiān)測(cè)到斷層兩盤間的水平形變，本文忽略應(yīng)變部分，將基線變化近似地看作由斷層兩盤相對(duì)水平運(yùn)動(dòng)所引起，研究斷層水平運(yùn)動(dòng)特征。一般的跨斷層基線與斷層的位置關(guān)系見(jiàn)圖2。唐山地震臺(tái)共布設(shè)4條基線測(cè)線和4條水準(zhǔn)測(cè)線，其中2條水準(zhǔn)測(cè)線跨斷層，4條基線測(cè)線均跨斷層。水平張壓、走滑分量采用公式（1）計(jì)算，通過(guò)4條跨斷層基線數(shù)據(jù)并利用最小二乘法求解斷裂的水平向運(yùn)動(dòng)量值（周海濤等，2009）。斷層垂向運(yùn)動(dòng)分量通過(guò)2條跨斷層水準(zhǔn)變化量取平均值得出。

圖2 斷層與基線位置關(guān)系Fig.2 Sketch map of the position relation of the fault and the baseline

式中：x為張壓分量（垂直于斷裂走向，張性運(yùn)動(dòng)為正）；y為走滑分量（沿?cái)嗔炎呦?，左旋走滑為正）；δL1和δL2分別是基線1、基線2的2期觀測(cè)值之間變化量（伸長(zhǎng)為正）；α1、α2分別是基線1、基線2與斷裂走向的夾角（由斷層走向順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到基線方向所轉(zhuǎn)過(guò)的角度）。

跨斷層測(cè)量資料為1984年1月1日—2018年3月6日的數(shù)據(jù)。將計(jì)算結(jié)果繪制成時(shí)序曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 唐山斷裂運(yùn)動(dòng)變化時(shí)序曲線Fig.3 The time series curve of Tangshan fault movement

從圖3（a）可以看出，斷層在2003年以前以拉張為主（曲線上升為拉張，下降為壓縮，下同），2003—2008年主要表現(xiàn)為壓縮，2008—2011年主要表現(xiàn)為拉張，2011年主要表現(xiàn)為壓縮，2012年至今張壓運(yùn)動(dòng)不明顯。斷層在各時(shí)段張壓運(yùn)動(dòng)互相交替，但總體上來(lái)說(shuō)，斷層呈弱張性運(yùn)動(dòng)。

從圖3（b）可以看出，斷層在1997年以前主要以右旋走滑為主（曲線下降為右旋，上升為左旋，下同）；1997—2002年表現(xiàn)為左旋走滑；2003—2012年呈右旋走滑趨勢(shì)，2012年至今走滑運(yùn)動(dòng)不明顯。斷層在各時(shí)段左旋和右旋走滑運(yùn)動(dòng)互相交替，但總體上來(lái)說(shuō)，斷層呈弱右旋走滑運(yùn)動(dòng)。

從圖3（c）可以看出，斷層在1997年以前主要表現(xiàn)為正斷活動(dòng)（曲線上升為正斷；曲線下降為逆斷；下同）。1997年至今正斷和逆斷活動(dòng)變化不明顯。

唐山斷裂運(yùn)動(dòng)變化時(shí)序曲線表明，唐山斷裂近35年來(lái)整體上在水平方向呈微弱的右旋張性活動(dòng)，垂直方向呈正斷活動(dòng)，但不同時(shí)段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有所不同。

2 斷裂活動(dòng)協(xié)調(diào)比

張晶等（2011）提出了斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比參數(shù)的概念，認(rèn)為走滑兼傾滑無(wú)障礙蠕動(dòng)是1種無(wú)應(yīng)變積累的活動(dòng)狀態(tài)，其特征可用剛體運(yùn)動(dòng)模型來(lái)描述。當(dāng)斷層在動(dòng)平衡系統(tǒng)下處于無(wú)障礙自由蠕滑時(shí)，可認(rèn)為是1種相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)作用力的大小和方向在單位時(shí)間內(nèi)不變時(shí)，斷層的運(yùn)動(dòng)增量分別為走滑分量、拉張分量和垂直分量，定義這3個(gè)分量中2個(gè)分量之比為斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比參數(shù)。

斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比作為走滑兼傾滑無(wú)障礙斷層蠕動(dòng)模型的特征參數(shù)，如果接近常數(shù)，就可近似認(rèn)為斷層活動(dòng)基本為無(wú)障礙蠕動(dòng)。當(dāng)斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比是變量，偏離正常值很大時(shí)，在排除了非構(gòu)造活動(dòng)（干擾及人為影響等）的情況下，可以認(rèn)為斷層的常態(tài)活動(dòng)發(fā)生了變化，斷層蠕動(dòng)趨向不穩(wěn)定，可能產(chǎn)生新的斷層異?；顒?dòng)，也可能形成新的斷層閉鎖，造成協(xié)調(diào)比趨勢(shì)的偏離，這表明斷層或附近一定有新的應(yīng)力增強(qiáng)或應(yīng)變積累。當(dāng)斷層失穩(wěn)發(fā)生強(qiáng)震，斷層的高應(yīng)變能釋放之后，斷層活動(dòng)又趨于剛性錯(cuò)動(dòng)模式，協(xié)調(diào)比又恢復(fù)穩(wěn)定形態(tài)（張晶等，2011）。

通過(guò)跨斷層觀測(cè)的基線和水準(zhǔn)經(jīng)推導(dǎo)可得到斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比參數(shù)。首先，由基線、水準(zhǔn)同測(cè)數(shù)據(jù)可求得斷層水平走滑分量（y）、水平張壓分量（x）和垂直運(yùn)動(dòng)分量（h）。

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2塊剛性塊體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并分解成水平走滑分量、水平張壓分量和垂直運(yùn)動(dòng)分量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的3個(gè)分量。這3個(gè)分量即前文得出的斷層水平走滑分量（y）、水平張壓分量（x）和垂向運(yùn)動(dòng)分量（h），將2個(gè)分量之比作為斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比。為了便于分析，把斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比中超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值去掉，然后將所得出的結(jié)果繪制協(xié)調(diào)比散點(diǎn)圖，如圖4所示。

圖4（a）中的協(xié)調(diào)比散點(diǎn)圖為斷層水平張壓分量與水平走滑分量比值的時(shí)間序列，從圖中可以看出在1984—1986年該協(xié)調(diào)比處于比較離散的狀態(tài)，1976年唐山7.8級(jí)地震后，斷層活動(dòng)處于調(diào)整階段，局部存在一定的應(yīng)變積累或釋放，因此會(huì)與斷層的常態(tài)活動(dòng)存在差異；1985—2000年的協(xié)調(diào)比相對(duì)比較穩(wěn)定；2001—2004年處于相對(duì)離散狀態(tài)，研究發(fā)現(xiàn)2004年1月20日在距唐山斷裂約40km的灤縣-樂(lè)亭斷裂上發(fā)生了4.6級(jí)地震，認(rèn)為可能與這次震前地殼應(yīng)力場(chǎng)的異?；顒?dòng)有關(guān)，引起了斷層協(xié)調(diào)比的異常變化。

圖4 唐山斷裂斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比散點(diǎn)圖Fig.4 The scatter diagram of the fault motion coordination ratio of the Tangshan fault

圖4（b）中的協(xié)調(diào)比散點(diǎn)圖為斷層垂直運(yùn)動(dòng)分量與水平走滑分量比值的時(shí)間序列，從圖中可以看出，此協(xié)調(diào)比曲線與圖4（a）中的協(xié)調(diào)比曲線狀態(tài)幾乎一致，可得到與圖4（a）完全一致的解釋，同時(shí)其幅值更大，說(shuō)明在本場(chǎng)地內(nèi)斷層垂直運(yùn)動(dòng)信息比水平運(yùn)動(dòng)信息更顯著。

圖4（c）中的協(xié)調(diào)比散點(diǎn)圖為斷層垂直運(yùn)動(dòng)分量與水平張壓分量比值的時(shí)間序列，從圖中可以看出在1984—1988年該協(xié)調(diào)比處于比較離散的狀態(tài)，應(yīng)是1976年唐山7.8級(jí)地震后斷層活動(dòng)調(diào)整的反映。1989—2008年的協(xié)調(diào)比相對(duì)比較穩(wěn)定，但在2008年汶川8.0級(jí)地震之后不久，協(xié)調(diào)比出現(xiàn)1個(gè)異常上升現(xiàn)象，而該異常變化的出現(xiàn)主要是由于水平張壓量值的減小。該變化是否與汶川8.0級(jí)地震后華北地區(qū)應(yīng)力調(diào)整有關(guān)還有待進(jìn)一步的研究。

圖4中顯示的散點(diǎn)圖大部分近似直線，其實(shí)是由于比例尺的原因。若放大比例尺，可以看出散點(diǎn)所構(gòu)成的曲線在中線附近上下波動(dòng)，且波動(dòng)幅度較小，在相對(duì)較小比例尺下難以分辨。

通過(guò)分析唐山地震臺(tái)所處位置的唐山斷裂協(xié)調(diào)比可以看出，唐山7.8級(jí)地震引起的華北地殼應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整并沒(méi)有完全結(jié)束，事實(shí)上唐山7.8級(jí)地震后也陸續(xù)發(fā)生了一系列的較大余震。而2001—2004年的應(yīng)力調(diào)整之前發(fā)生了1998年張北6.2級(jí)地震、2004年灤縣4.6級(jí)地震和2006年文安5.1級(jí)地震。與這些地震相應(yīng)的地殼應(yīng)力場(chǎng)的異?；顒?dòng)在唐山臺(tái)斷層形變觀測(cè)中都有所體現(xiàn)。

3 斷層土壤氣CO2特征

斷裂活動(dòng)使圍巖發(fā)生破裂而釋放出大量的CO2氣體，CO2沿?cái)嗔焉仙⑼ㄟ^(guò)附近的土壤層釋放出來(lái)。因此，在有利于氣體釋放的部位，如活動(dòng)斷裂帶，觀測(cè)CO2的動(dòng)態(tài)特征，研究CO2的釋放規(guī)律和異?；顒?dòng)，有可能獲得與地殼運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信息，進(jìn)而分析斷裂活動(dòng)的情況，捕捉到地震前兆異常，為地震預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

為了監(jiān)測(cè)唐山斷裂土壤氣CO2動(dòng)態(tài)變化特征，在唐山地震臺(tái)設(shè)有2處斷層土壤氣CO2觀測(cè)點(diǎn)，分別位于唐山斷裂的上盤和下盤，采用CO2快速測(cè)定管進(jìn)行測(cè)量。CO2快速測(cè)定管是長(zhǎng)約14cm、直徑約0.45cm的玻璃管。管內(nèi)充填了吸附有百里藍(lán)酚酞的活性氧化鋁，測(cè)定管本身為藍(lán)色，當(dāng)CO2進(jìn)入測(cè)定管，即被活性氧化鋁吸附，與管內(nèi)的百里藍(lán)酚酞發(fā)生反應(yīng)，使測(cè)定管的顏色變?yōu)榘咨O2根據(jù)測(cè)定管變白色柱的長(zhǎng)度，從刻度上即可直接讀出CO2的含量數(shù)值。

由于斷層土壤氣CO2與地溫有一定的關(guān)系，因此在監(jiān)測(cè)斷層土壤氣CO2同時(shí)還在同一地點(diǎn)、同一深度加測(cè)地溫。另外，降雨量一般也會(huì)對(duì)斷層土壤氣CO2產(chǎn)生一定影響，因此本研究中收集了唐山地震臺(tái)降雨量資料進(jìn)行綜合分析。

對(duì)唐山地震臺(tái)所在位置的唐山斷裂土壤氣CO2含量（斷層下盤CO2含量）、測(cè)定孔內(nèi)溫度及臺(tái)站降雨量進(jìn)行繪圖分析，如圖5所示。由圖可見(jiàn)地溫變化呈明顯的年周期變化，斷層土壤氣CO2濃度與地溫呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。而降水量較大時(shí)，斷層土壤氣CO2與降雨量呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖5 唐山地震臺(tái)土壤CO2濃度（a）、地溫（b）、降水量（c）觀測(cè)散點(diǎn)圖Fig.5 The scatter diagram of soil gas CO2concentration (a), ground temperature(b) and rainfall (c) in Tangshan seismic station

由圖5可以看出，斷層氣CO2受地溫和降水量的影響較大。一般認(rèn)為降雨的影響是因?yàn)镃O2在水中溶解度較大，當(dāng)雨季測(cè)孔進(jìn)水，孔下沿?cái)鄬由仙翜y(cè)孔的CO2大量溶解于水中，可導(dǎo)致斷層氣CO2測(cè)值比正常值低數(shù)倍的變化。對(duì)于觀測(cè)中的降雨干擾，一般根據(jù)測(cè)點(diǎn)附近的降雨資料定性識(shí)別和排除。同時(shí)，斷層氣CO2與地溫呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。斷層氣CO2釋放量具有明顯的夏高冬低年變特點(diǎn)，一般認(rèn)為這種現(xiàn)象與地下的生物化學(xué)作用有關(guān)（Sugisaki等，1983；王基華等，1994），在提取斷層氣CO2前兆異常時(shí)，一般可進(jìn)行地溫改正，用以消除地溫干擾。

對(duì)斷層氣CO2采用傅立葉滑動(dòng)去年周期的方法去除年變周期，結(jié)果如圖6所示。可以看出，圖6（a）中已沒(méi)有明顯的年變周期現(xiàn)象，2014年之后斷層氣CO2濃度的離散性比2014年之前大很多；與降水量進(jìn)行對(duì)比研究可以看出兩者的負(fù)相關(guān)性很明顯。

圖6 唐山地震臺(tái)土壤CO2濃度變化（去掉年變周期值）（a）及降水量（b）時(shí)序曲線Fig.6 The time series curve of soil gas CO2concentration variation(removal of annual variation period) (a) and rainfall (b) in Tangshan seismic station

為了研究唐山斷裂土壤CO2與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選取2011年7月以來(lái)在唐山斷裂附近發(fā)生的2個(gè)4級(jí)以上地震進(jìn)行研究，分別為2012年5月28日發(fā)生的4.8級(jí)地震和2016年9月10日發(fā)生的4.2級(jí)地震。研究發(fā)現(xiàn)，在2012年5月28日4.8級(jí)地震發(fā)生之前，3月份斷層土壤氣CO2濃度處于低值，然后逐漸上升，地震發(fā)生之前的5月23日，斷層土壤氣CO2濃度大幅下降，之后恢復(fù)上升狀態(tài)，并于5日后發(fā)生地震，之后保持了一定時(shí)期的高值。2016年9月10日4.2級(jí)地震發(fā)生之前的7月下旬至8月下旬，斷層土壤氣CO2濃度大幅下降，并劇烈波動(dòng)，這可能與降水量變大有一定關(guān)系，之后在8月底至9月初大幅上升，在地震發(fā)生之前小幅波動(dòng)，后發(fā)生地震，地震之后保持了一定時(shí)期的高值。由此可見(jiàn)，唐山地震臺(tái)斷層土壤氣CO2對(duì)唐山斷裂附近發(fā)生的4級(jí)以上地震有一定的顯示。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)唐山地震臺(tái)內(nèi)的跨斷層基線和水準(zhǔn)、斷層土壤氣CO2及臺(tái)站降水量等資料進(jìn)行分析研究。粗略地給出了唐山地震臺(tái)內(nèi)的唐山斷裂形變特征、斷層活動(dòng)協(xié)調(diào)比、CO2變化特征。

（1）通過(guò)唐山斷裂運(yùn)動(dòng)變化時(shí)序曲線可以看出，唐山斷裂近35年來(lái)整體上在水平方向呈微弱的右旋張性活動(dòng)，垂直方向呈正斷活動(dòng)，但不同時(shí)段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有所不同。

（2）通過(guò)分析唐山地震臺(tái)所處位置的唐山斷裂協(xié)調(diào)比認(rèn)為，唐山7.8級(jí)地震引起的華北地殼應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整并沒(méi)有完全結(jié)束；

（3）近年來(lái)唐山地震臺(tái)內(nèi)的唐山斷裂斷層土壤氣CO2變化與地溫、降水量有很大關(guān)系，并在臺(tái)站周邊發(fā)生地震前有一定的顯示。

（4）綜合分析認(rèn)為，唐山地震臺(tái)形變和流體前兆觀測(cè)對(duì)附近及華北因區(qū)域地殼應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整引起的中小地震有一定的顯示，說(shuō)明該臺(tái)具有一定的前兆異常顯示能力；隨著觀測(cè)資料和經(jīng)驗(yàn)的持續(xù)積累，有希望在該區(qū)域發(fā)生更大地震前捕捉到更顯著的前兆異常。

致謝：感謝薄萬(wàn)舉研究員對(duì)本文的指導(dǎo)和幫助。