靈武跨斷層水準(zhǔn)測量及相關(guān)研究

馬 楠，張 慧，王建亮，安玉清，李國斌

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏回族 銀川 750000）

0 引言

我國地震系統(tǒng)共有20多個(gè)單位從事地震水準(zhǔn)測量工作，目前全國共有271處跨斷層流動(dòng)觀測場地?？鐢鄬訄龅赜^測主要包括：跨斷層水準(zhǔn)測量、跨斷層基線測量、短程測距、短邊三角測量及連續(xù)自動(dòng)記錄的斷層形變測量等多種手段。其中跨斷層水準(zhǔn)測量是全國范圍內(nèi)跨斷層監(jiān)測普及面最廣的監(jiān)測手段，在地震監(jiān)測預(yù)報(bào)中發(fā)揮著重要的作用[1-2]。

寧夏地震局基于地震監(jiān)測需求，2017年在靈武上橋建設(shè)跨斷層水準(zhǔn)觀測場地，補(bǔ)強(qiáng)了靈武地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造垂直監(jiān)測能力，對(duì)靈武跨斷層水準(zhǔn)場地定期連續(xù)觀測，對(duì)于靈武斷層運(yùn)動(dòng)特征以及靈武地區(qū)和寧夏北部地區(qū)的震情跟蹤分析具有重要指示意義。

本文基于2018年7月至2019年6月靈武跨斷層水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)，分析了靈武斷層的活動(dòng)性，探討了靈武跨斷層水準(zhǔn)觀測場地不同光段、不同復(fù)測周期下的數(shù)據(jù)變化特征。

1 靈武跨斷層水準(zhǔn)場地概述

靈武斷層是銀川地塹和鄂爾多斯塊體分界構(gòu)造的一部分，位于銀川平原南段東緣，屬于晚第四紀(jì)活動(dòng)斷層，長約47km，構(gòu)造活動(dòng)顯著，平均垂直位移速率為0.24±0.014mm/a，是近代和現(xiàn)代中強(qiáng)地震活動(dòng)頻繁的地區(qū)。自上世紀(jì)70年代以來，學(xué)者多次對(duì)該斷裂進(jìn)行地質(zhì)地貌調(diào)查、古地震探槽研究、鉆探分析等研究，結(jié)果表明該斷裂歷史上曾發(fā)生過5期地表破裂地震事件，且斷裂具有分段組合破裂特征。上世紀(jì)60年代、70年代、80年代，該地區(qū)均發(fā)生過5級(jí)以上地震，因此靈武跨斷層水準(zhǔn)觀測對(duì)于監(jiān)測靈武地區(qū)的地震活動(dòng)、板塊構(gòu)造活動(dòng)及科學(xué)研究，均具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[3]。

靈武跨斷層場地地理位置處于靈武市上橋村，地表為山前洪積扇為主，砂石居多并伴有部分粘土。此地有寧夏地震局開挖的地震探槽，長約7m，深4m。探槽顯示該溝南、北兩側(cè)發(fā)育了三級(jí)階地，斷層在溝口錯(cuò)斷階地形成南北向的斷層崖，如圖1所示。靈武跨斷層觀測場地布設(shè)于該斷層之上，由6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（BM1-BM6）、6個(gè)測段（Ⅰ-Ⅵ），組成，測線總長度為340m，其中Ⅱ、Ⅴ測段與斷層正交，如圖2所示。

圖1 上橋探槽剖面素描Fig.1 Trench section sketch of Shangqiao

圖2 靈武跨斷層水準(zhǔn)場地布設(shè)圖Fig.2 Observation site layout of Lingwu

2 資料概況

靈武跨斷層水準(zhǔn)測量是相對(duì)一等水準(zhǔn)測量，選用萊卡DNA03數(shù)字電子水準(zhǔn)儀（編號(hào)：347994） 與其配套的條碼式銦瓦合金標(biāo)尺（編號(hào)：66626、66628）。觀測儀器和標(biāo)尺分別于2017年10月和2018年10月于西安二測中心進(jìn)行規(guī)范鑒定，鑒定合格。2017年6月和2018年6月銀川臺(tái)跨斷層短水準(zhǔn)臺(tái)級(jí)鑒定中，儀器鑒定亦合格，滿足國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范的要求，充分保障了課題觀測數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

測量作業(yè)執(zhí)行中國地震局制定的《大地形變測量（水準(zhǔn)測量）規(guī)范》，根據(jù)跨斷層水準(zhǔn)測量任務(wù)情況，制定年度測量計(jì)劃，嚴(yán)格按照預(yù)定測量計(jì)劃開展跨斷層水準(zhǔn)測量工作。每次測量任務(wù)對(duì)使用的觀測設(shè)備進(jìn)行測量前和測量后檢驗(yàn)，嚴(yán)格執(zhí)行跨斷層水準(zhǔn)測量的作業(yè)流程，對(duì)水準(zhǔn)測量的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，盡量避免人為干擾和偶然誤差，從而提交合格的水準(zhǔn)測量成果資料。

2018年7月至2019年6月每月采集觀測數(shù)據(jù)1期，對(duì)各個(gè)測段觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和平差處理。2018年至2019年6月每期跨斷層水準(zhǔn)測量工作完成較好，測量前后萊卡DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀i角測量和銦瓦尺尺長改正數(shù)測量合格，符合測量規(guī)范。測量作業(yè)過程中，測量隊(duì)員嚴(yán)格執(zhí)行測量規(guī)范要求，未出現(xiàn)人為干擾導(dǎo)致的偶然誤差，每期測量數(shù)據(jù)各測段往返閉合差未超限，測量中誤差ΔM均在0.25以內(nèi)，測量成果符合規(guī)范要求，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

2018年07月至2019年06月，Ⅰ-Ⅵ測段高差測值平均值分別為-3297.21mm、-3093.77mm、-930.24mm、-1925.90mm、-5011.57mm、-383.87mm，觀測中誤差ΔM平均值為0.16，觀測數(shù)據(jù)均趨于穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)如表1。

3 相關(guān)分析

3.1 靈武斷層活動(dòng)性分析

Ⅰ-Ⅵ測段高程測值年最大變化幅度絕對(duì)值依次為 0.37mm、0.63mm、0.21mm、0.36mm、0.66mm、0.24mm，Ⅱ、Ⅴ測段因橫跨斷層，數(shù)據(jù)變化量相對(duì)于其它4個(gè)測段較大，符合場地條件，屬于正常動(dòng)態(tài)，如圖3、圖4所示。

高差測值（mm）時(shí)間 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ ΔM 2018.07 -3297.18 -3093.53 -930.32 1925.80 5011.65 383.79 0.17 2018.08 -3297.02 -3093.77 -930.30 1925.75 5011.76 383.82 0.22 2018.09 -3297.32 -3094.16 -930.11 1925.89 5011.71 383.95 0.24 2018.10 -3297.03 -3093.78 -930.22 1925.78 5011.78 383.80 0.24 2018.11 -3297.08 -3093.91 -930.23 1925.78 5011.94 383.88 0.12 2018.12 -3297.16 -3093.80 -930.28 1925.90 5011.74 383.76 0.11 2019.01 -3297.20 -3093.70 -930.22 1925.95 5011.54 383.90 0.07 2019.02 -3297.39 -3093.68 -930.23 1926.11 5011.34 383.87 0.11 2019.03 -3297.30 -3093.72 -930.20 1926.06 5011.35 383.90 0.14 2019.04 -3297.35 -3093.60 -930.24 1925.98 5011.28 383.79 0.24 2019.05 -3297.30 -3093.73 -930.26 1925.94 5011.42 383.98 0.08 2019.06 -3297.30 -3093.86 -930.30 1925.81 5011.34 384.00 0.07平均值 -3297.21 -3093.77 -930.24 1925.90 5011.57 383.87 0.16

圖3 Ⅱ測段數(shù)據(jù)曲線Fig.3 The second part of the data graph

以Ⅱ、Ⅴ測段為例，從數(shù)據(jù)形態(tài)來看，Ⅱ測段由東向西測量，Ⅴ測段由西向東測量，因測量方向相反，Ⅱ測段高差曲線呈先降后升趨勢，Ⅴ測段高差曲線呈先升后降趨勢，二者運(yùn)動(dòng)趨勢相反，呈負(fù)相關(guān)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測段與Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ測段呈對(duì)稱分布，測段相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值為0.7；Ⅰ、Ⅵ測段與Ⅲ、Ⅳ測段對(duì)稱分布于斷層上下盤，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值為1.0，彼此相關(guān)性較為顯著，符合靈武場地環(huán)境因素。

Ⅱ測段2018年7月至2019年6月觀測數(shù)據(jù)均值極差圖如圖5所示。測值均值為-3093.769mm，測值上下控制界限為3093.591～3093.974mm，極差值為0.174，極差值上下控制界限為0.000～0.448，數(shù)據(jù)置信度為94.06%。

圖4 Ⅴ測段數(shù)據(jù)曲線Fig.4 The fifth part of the data graph

Ⅱ測段當(dāng)期觀測數(shù)據(jù)測值與極差值均在其控制上下界限范圍內(nèi)，測期所有觀測數(shù)據(jù)符合觀測要求，精度達(dá)標(biāo)，觀測成果可靠，置信度優(yōu)，符合科研用途。

圖5 Ⅱ測段均值極差圖（201807—201906）Fig.5 The second part of mean range analysis

2018年7月至2019年6月Ⅱ測段年變化量為0.63mm，平均垂直位移速率為0.25mm/a，符合靈武斷層已知平均垂直位移速率0.24±0.014mm/a，因此以Ⅱ測段觀測數(shù)據(jù)分析顯示該斷層運(yùn)動(dòng)無明顯異常，斷層活動(dòng)性正常。

2018年7月至2019年6月Ⅴ測段觀測數(shù)據(jù)均值極差圖如圖6所示。測值均值為5011.555mm，測值上下控制界限為5011.741mm-5011.368mm，極差值為0.182，極差值上下控制界限為0.000-0.468，數(shù)據(jù)置信度為93.79%。

圖6 Ⅴ測段均值極差圖（201807—201906）Fig.6 The fifth part of mean range analysis

Ⅴ測段當(dāng)期觀測數(shù)據(jù)3組測值略超出其控制上下界限范圍，分別是第2組、第4組、第5組觀測數(shù)據(jù)，超差數(shù)據(jù)范圍恰好處于年度高值和低值，第3組觀測數(shù)據(jù)測值處于均值線附近，縱觀第2組均值數(shù)值至第4組均值數(shù)值，均值線保持向下運(yùn)動(dòng)趨勢，與Ⅴ測段觀測數(shù)據(jù)測值運(yùn)動(dòng)趨勢相同，超差主要原因?yàn)闇夭钭兓瘜?dǎo)致土質(zhì)膨脹系數(shù)改變，且Ⅴ測段極差值均在其控制上下界限范圍內(nèi)，證明2018年7月至2019年6月每期測量數(shù)據(jù)的變化量處于正常水平，結(jié)合兩者綜合分析靈武斷層Ⅴ測段測值數(shù)據(jù)和均值數(shù)據(jù)變化處于正常水平，部分均值超差原因系溫度和土質(zhì)膨脹系數(shù)變化所致[4]。

2018年7月至2019年6月Ⅴ測段年變化量為0.66mm，平均垂直位移速率為0.17mm/a，略低于已知平均垂直位移速率0.24±0.014mm/a，原因是BM5測點(diǎn)相對(duì)高程是觀測場地最高的地方，故其測值較大，導(dǎo)致在斷層兩端變化量基本一致的情況下，其平均垂直位移速率略低，相對(duì)于已知值低29%，反觀BM5測點(diǎn)高程測值均數(shù)絕對(duì)值5011.55相對(duì)于BM2測點(diǎn)高程測值均數(shù)絕對(duì)值3093.76高38%，二者成負(fù)相關(guān)，數(shù)值變化幅度接近，故Ⅴ測段平均垂直位移速率較低屬正?，F(xiàn)象，因此以Ⅴ測段數(shù)據(jù)分析顯示該斷層運(yùn)動(dòng)無明顯異常，斷層運(yùn)動(dòng)趨勢正常。

結(jié)合Ⅱ、Ⅴ測段綜合分析，靈武斷層平均垂直位移速率正常，斷層活動(dòng)性趨于穩(wěn)定，各測段相關(guān)性良好，無明顯異常變化。且靈武跨斷層水準(zhǔn)場地高差測值趨勢變化與氣溫變化同步，高差測值存在夏高冬低的年變動(dòng)態(tài)，符合場地環(huán)境因素。

3.2 光段分析

2019年4月20日至4月30日以2天為周期，對(duì)靈武場地進(jìn)行光段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，采集方法如表2所示。測組1為上午往測，下午返測；測組2為上午往返測；測組3為下午往返測，3個(gè)測組各采集觀測數(shù)據(jù)5期，共采集觀測數(shù)據(jù)15期。所有觀測數(shù)據(jù)高差閉合差、中誤差均符合規(guī)范要求，精度達(dá)標(biāo)。對(duì)采集到的觀測數(shù)據(jù)平差預(yù)處理后進(jìn)行對(duì)比分析，并繪制各測段觀測數(shù)據(jù)箱線圖。

表2 光段對(duì)比數(shù)據(jù)采集方法

如圖7-12所示，各測段在3種光段下，連續(xù)5期觀測數(shù)據(jù)所繪箱體均具有收斂性，其均值與中位數(shù)較為接近，數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較短，短期高差變化可忽略，且無明顯異常值，觀測數(shù)據(jù)置信度較高，證明不同光段下觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性良好。

三種光段下連續(xù)5期觀測數(shù)據(jù)所繪制的誤差線上下界限控制范圍均小于等于0.05mm，表明在三種光段下由同一個(gè)操作員采集到的觀測數(shù)據(jù)所受到的系統(tǒng)誤差區(qū)別不大，即不同光段下的折光系數(shù)所造成的偶然誤差可以忽略。

三種光段下測得的觀測數(shù)據(jù)變化量極小值為0.02mm，極大值為0.04mm，不同光段存在數(shù)據(jù)差異小、穩(wěn)定性強(qiáng)的特征，不同光段下的觀測數(shù)據(jù)均能正確反映靈武跨斷層水準(zhǔn)觀測場地高差變化，因此上午或下午光段內(nèi)一次性完成靈武場地的往返測量獲得的高差和閉合差均

圖7 Ⅰ測段多光段箱體圖Fig.7 Box diagram of the first part of multiple light periods

圖9 Ⅲ測段多光段箱體圖Fig.9 Box diagram of the third part of multiple light periods

圖11 Ⅴ測段多光段箱體圖Fig.11 Box diagram of the fifth part of multiple light period

3.3 周期分析

以1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月為周期，分別記為周期T1、T2、T3，將靈武場地2018年7月至2019年6月觀測數(shù)據(jù)分割建組，并作出三種周期Ⅱ、Ⅴ測段的數(shù)據(jù)變化趨勢圖，如圖13所能代表靈武跨斷層水準(zhǔn)場地正常高差數(shù)據(jù)，未來可根據(jù)測量實(shí)際情況，安排在一個(gè)光段內(nèi)完成往返水準(zhǔn)測量，以提高觀測效率。示。2019年9月觀測數(shù)據(jù)由光學(xué)水準(zhǔn)儀Ni002觀測，該儀器因使用年限較長，系統(tǒng)誤差較大，且測值恰為Ⅱ測段極小值，為保證分析嚴(yán)謹(jǐn)性和規(guī)避系統(tǒng)誤差，故2018年9月觀測數(shù)據(jù)不用于周期分析。

圖8 Ⅱ測段多光段箱體圖Fig.8 Box diagramof thesecond partof multiplelightperiods

圖10 Ⅳ測段多光段箱體圖Fig.10 Box diagramof thefourth partof multiplelight periods

圖12 Ⅵ測段多光段箱體圖Fig.12 Box diagram of the sixth part of multiple light periods

因Ⅱ、Ⅴ測段橫跨斷層，垂直形變較為明顯，以Ⅱ、Ⅴ測段為例分析。Ⅱ測段TI、T2、T3高差數(shù)據(jù)曲線均呈現(xiàn)先降后升的曲線形態(tài)，數(shù)據(jù)曲線圖均正確標(biāo)識(shí)出該測段的極大值和極小值，時(shí)間基本吻合，三種周期觀測數(shù)據(jù)彼此均有顯著相關(guān)性。T1、T2數(shù)據(jù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)均在2018年11月（2018年9月數(shù)據(jù)人為剔除，不用于周期分析），T3周期數(shù)據(jù)曲線拐點(diǎn)在2018年10月，因周期原因，T3周期數(shù)據(jù)曲線形變化相較于T1、T2周期數(shù)曲線變化略顯超前，短期觀測場地高差變化信息反映不甚全面，在捕捉變化因子方面稍遜一籌。

Ⅴ測段數(shù)據(jù)曲線與Ⅱ測段數(shù)據(jù)曲線呈負(fù)相關(guān)，故TI、T2、T3高差數(shù)據(jù)曲線均呈現(xiàn)先升后降的曲線形態(tài)，數(shù)據(jù)曲線圖也能正確標(biāo)識(shí)出該測段的極大值和極小值，時(shí)間基本吻合，三種周期觀測數(shù)據(jù)彼此均有顯著相關(guān)性，與同周期Ⅱ測段數(shù)據(jù)曲線彼此也呈負(fù)相關(guān)。T1、T2數(shù)據(jù)曲線拐點(diǎn)均在2018年11月，T3周期數(shù)據(jù)曲線拐點(diǎn)在2018年10月，同Ⅱ測段數(shù)據(jù)曲線拐點(diǎn)一致，原因類似。

圖13 Ⅱ、Ⅴ測段多周期圖Fig.13 The second and fifth part of multi-period diagram

三種周期均能反映出一定時(shí)期內(nèi)該斷層的主要變化信息和變化特點(diǎn)，T1周期數(shù)據(jù)曲線因數(shù)據(jù)量相對(duì)豐富，能更好的反映出斷層的短期變化；T2周期相較于T1周期數(shù)據(jù)曲線更加光滑，不僅能反映出斷層的整體變化趨勢，還剔除了長趨勢變化過程中的短期微小波動(dòng)，在斷層穩(wěn)定的長趨勢變化研究過程中，短期的微小數(shù)據(jù)波動(dòng)研究意義不大，因此T2周期更適合定點(diǎn)跨斷層水準(zhǔn)測量對(duì)于斷層的監(jiān)測和研究；T3周期相對(duì)于T1、T2周期在捕捉斷層變化因子方面稍遜一籌，適宜長期趨勢研究，但在捕捉短臨信息方面欠佳，不利于短臨周期的地震分析研究。

綜上所述，分析顯示以T2周期為復(fù)測周期，即每兩個(gè)月開展一次跨斷層水準(zhǔn)測量最佳。但目前靈武場地?cái)?shù)據(jù)積累量較少，因此建議持續(xù)以1個(gè)月為復(fù)測周期對(duì)靈武場地進(jìn)行跨斷層水準(zhǔn)觀測，待數(shù)據(jù)樣本足夠多、觀測條件成熟，對(duì)靈武跨斷層水準(zhǔn)場地變化特征和信息掌握的更加全面時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況采取T2周期開展跨斷層水準(zhǔn)測量工作[5]

4 結(jié)論

綜上研究分析表明：

2018年07月至2019年06月靈武斷層活動(dòng)性較為平穩(wěn)，年平均垂直位移速率與理論值相符，高差測值趨勢變化與氣溫變化同步，測值存在夏高冬低的年變動(dòng)態(tài).

不同光段測得的觀測數(shù)據(jù)彼此存在測值變化量小、穩(wěn)定性強(qiáng)的特征，因此定于上午光段或下午光段內(nèi)一次性完成靈武場地的往返測量獲得的高差測值和閉合差均能代表靈武跨斷層水準(zhǔn)場地正常高差數(shù)據(jù)，可提高觀測效率.

建議持續(xù)以1個(gè)月作為復(fù)測周期對(duì)靈武場地進(jìn)行跨斷層水準(zhǔn)觀測，待靈武場地?cái)?shù)據(jù)樣本足夠多、觀測條件成熟，周期變化研究更加明朗時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況采取T2周期開展跨斷層水準(zhǔn)測量工作。