基于構(gòu)造物理模擬實驗的隱伏斷層跨斷層場地監(jiān)測效果分析
——以寧河場地為例

丁 寧 謝 瑜 陳長云 王生文 劉芳彤

1 中國地震局第一監(jiān)測中心, 天津市耐火路7 號, 300180 2 中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津市大直沽八號路4號，300170 3 遼寧省地震局丹東地震臺，遼寧省丹東市天后宮街70號，118000

寧河跨斷層場地位于天津市寧河區(qū)蘆臺農(nóng)場二分廠，也稱蘆臺跨斷層場地。其中，水準(zhǔn)跨斷層場地于1970-07起測，至2005-05每月觀測一期，后自2005-07至今，每2個月觀測一期，單數(shù)月份觀測；基線跨斷層場地2008-05起測至今，每2個月觀測一期，單數(shù)月份觀測。

跨斷層場地監(jiān)測多用于出露地表的活動斷層監(jiān)測，隱伏斷層監(jiān)測場地較少。寧河場地監(jiān)測中，桐城斷裂為隱伏斷層。筆者多次對寧河跨斷層場地進行野外地質(zhì)調(diào)查，由于隱伏斷層的斷層面在地表無出露，隱伏斷層線(上覆為數(shù)10 m厚第四系松散堆積層)在地表的垂直投影位置并不一定對應(yīng)斷層活動或潛在破裂影響至地表的位置，因此調(diào)查后不能確定隱伏斷層的跨斷層場地是否能達到監(jiān)測斷層活動的效果。針對以上情況，本文設(shè)計構(gòu)造物理模擬實驗，以研究跨斷層場地監(jiān)測對隱伏斷層斷裂活動監(jiān)測是否有效。

1 地質(zhì)背景

寧河跨斷層監(jiān)測場地位于河北平原地震帶內(nèi)。河北平原地震帶為華北第三、第四活動期強震活動主體地區(qū)之一，由唐山斷裂、大城東斷裂、新河斷裂、邯鄲斷裂等組成，其沿襲部分早第三紀(jì)盆地的主斷裂發(fā)展，明顯活動始于晚第三紀(jì)，是一條形成于統(tǒng)一構(gòu)造應(yīng)力場下、呈北東向延伸、具有右旋走滑活動特征的新生斷裂帶[1-2]。

寧河跨斷層監(jiān)測場地的目標(biāo)斷裂為近E-W走向的桐城斷裂。桐城斷裂為隱伏斷裂，位于寧河6.9級地震的極震區(qū)內(nèi)，也是引起唐山7.8級地震的4條主要斷裂(滄東斷裂、唐山斷裂、寧河-張家口斷裂、寧河-昌黎斷裂)的交會部位(圖1)，屬于唐山7.8級地震的震中區(qū)。

圖1 寧河地區(qū)斷層分布[5]

桐城斷裂走向從西到東由NE向急轉(zhuǎn)為EW向，并與大坨斷裂、南澗沽斷裂和嶺頭斷裂組成帚狀壓扭性構(gòu)造[3-4]。桐城斷裂在平面上與重力密度帶符合，展布較長(50 km)，落差大(50～380 m)，錯斷層位高(新近系400～1 000 m)，是構(gòu)造單元滄縣隆起與黃驊坳陷在其北部的分界線，為隆起與坳陷發(fā)展過程中形成的壓性高角度(60°～70°)正斷裂[3]。在寧河地區(qū)，桐城斷裂呈近東西走向，傾向南，傾角60°，與區(qū)域構(gòu)造走向一致。桐城斷裂在區(qū)域上整體表現(xiàn)為壓扭性，但在局部表現(xiàn)為張性特征。唐山地區(qū)震源機制解研究結(jié)果表明，寧河地區(qū)應(yīng)力場表現(xiàn)出較大的拉張分量[6-7]。萬永革等[8]對唐山-寧河地區(qū)進行庫侖破裂應(yīng)力變化分析認(rèn)為，跨斷層監(jiān)測場位于庫侖應(yīng)力負(fù)值相對較高的地區(qū)，總體處于拉伸的應(yīng)力狀態(tài)[5]。寧河跨斷層場地的人工淺層地震研究結(jié)果表明[5]，桐城斷裂活動所受應(yīng)力處于拉張狀態(tài)。

從新生代沉積特征來看，桐城斷裂西北為滄縣隆起，東南為黃驊坳陷，研究區(qū)位于兩者交會部位，因此也位于新生代以來隆起與坳陷轉(zhuǎn)折變化區(qū)域[9]。該轉(zhuǎn)折帶在構(gòu)造上形成薄弱地區(qū)，可為唐山斷裂帶向西南繼續(xù)破裂或延伸提供有利條件[9]。

2 實驗材料和模型設(shè)計

2.1 實驗材料

物理模擬是根據(jù)相似原理，用物理材料構(gòu)建實體模型進行模擬[10]。松散石英砂的變形符合庫侖破壞準(zhǔn)則，已被證明是模擬上地殼或脆性材料構(gòu)造變形的理想材料[11-12]，因此選用其作為實驗材料來模擬上地殼破裂變形。

2.2 模型設(shè)計

研究采用的物理模擬方法為砂箱實驗。如圖2所示，砂箱4個邊界圍成矩形，包含一組相互平行的固定邊界，另一組邊界平行可移動并可加載速度，表示拉張的受力狀態(tài)。可移動邊界采用一組相對放置的聚苯塑料模塊模擬初始斷層，斷層面走向與可移動邊界平行。模型底部為橡膠皮，使拉張力在整個模型均勻傳遞。為使實驗現(xiàn)象更加明顯，采用不同顏色的石英砂作為標(biāo)志層，用以觀察地層剖面的變形情況。

斷層模塊厚度為h；斷層模型傾角為α；石英砂厚度為H；模塊水平距離為d；底部紅色橫線表示橡膠皮基底，藍(lán)色箭頭表示受力方式為拉張

本次實驗方法為相同條件下控制變量對比，實驗?zāi)康臑橛^察斷層活動后變形能否延伸至地表并且被觀測到。由于實驗對象為先存斷裂的運動，因此在實驗裝置中放置代表先存斷裂的模塊。對于同一隱伏斷層，在地質(zhì)條件相同的情況下，能否觀測到斷裂活動的地表變化與隱伏斷層的埋深有關(guān)。本實驗變化量為覆蓋層厚度，其他條件相同。在箱內(nèi)兩側(cè)相對放置傾角(α)均為40°的正斷層模塊。砂箱實驗砂層模型高度(H)為6.5 cm，左側(cè)斷層模塊厚度(h左)為3.5 cm，覆蓋層厚度為3 cm，右側(cè)斷層模塊厚度(h右)為2.5 cm，覆蓋層厚度為4 cm，兩斷層模塊相距(d)3.5 cm。為使兩側(cè)互不干擾，在左側(cè)和右側(cè)可移動邊界同時加載向外拉伸速度0.05 mm/s，兩側(cè)各拉伸3 cm。

3 實驗結(jié)果與分析

砂箱實驗初始狀態(tài)如圖3(a)所示。實驗開始后，對兩側(cè)同時加載0.05 mm/s的速度進行拉伸，模擬張性正斷層。最終，兩側(cè)分別拉伸3 cm，模型共計拉伸6 cm。選取模型中段剖面分析垂直方向斷裂發(fā)育和模型表面的形變情況。

實驗結(jié)果如圖3(b)和3(c)所示，左側(cè)覆蓋層厚3 cm，靠近先存斷裂一側(cè)發(fā)育有3條正斷層，遠(yuǎn)離一側(cè)發(fā)育有2條正斷層；右側(cè)覆蓋層厚4 cm，靠近先存斷裂一側(cè)發(fā)育有3條正斷層，遠(yuǎn)離一側(cè)發(fā)育有3條正斷層。拉伸相同距離，覆蓋層厚則地表土層沉降更多，以補償剛性巖層的空間。斷層活動量相同時，覆蓋層厚，則地表形變表現(xiàn)更明顯；覆蓋層薄，則地表高差變化較平緩。

圖3 砂箱實驗

無論覆蓋層厚薄，均在地表出現(xiàn)“V型”形變，并且“V型”地形的兩側(cè)分別發(fā)育一組正斷層，組成2組產(chǎn)狀相對的正斷層帶。正斷層傾角淺部為高角度，深部傾角變緩。

4 討論與結(jié)論

4.1 隱伏斷層活動可延伸至地表使覆蓋層發(fā)生形變

在本次物理模擬實驗前，無法確定能否通過跨斷層監(jiān)測來分析隱伏斷層活動。通過該實驗，能夠證明隱伏斷層的活動對周圍地層形變的影響可延伸至地表覆蓋層。模擬實驗是通過相似比模型模擬斷層的活動情況，雖然實驗過程比實際運動情況更劇烈，但在實際觀測中，當(dāng)觀測精度高于誤差時，隱伏斷層運動在地表的變化仍可被觀測到。因此，通過對隱伏斷層地表固定觀測點的高差和距離變化進行觀察，能有效地獲得隱伏斷層的活動信息。

4.2 實驗剖面與物探剖面對比

全國跨斷層場地優(yōu)化改造項目對寧河跨斷層場地展開了人工地震淺層物探分析，已查明桐城斷裂在寧河跨斷層場地的地下發(fā)育形態(tài)及位置[13]。寧河跨斷層場地共布設(shè)2條平行的人工地震探測測線NH1和NH2(圖4(a))，NH1測線長約1.9 km，NH2測線長約1.4 km，2條測線間距800 m，均沿農(nóng)田道路布設(shè)，基本平行于跨斷層水準(zhǔn)測線，大致垂直于桐城斷裂。人工地震淺層物探結(jié)果顯示(圖4(b)、4(c))，斷裂帶在淺部呈花狀，并向下呈會聚趨勢，傾向SSW的一組斷裂應(yīng)為主斷裂，傾向NNE的一組斷裂應(yīng)為次級斷裂，次級斷裂斷點埋深最淺為70～80 m，最深為152～1 162 m[5]。

砂箱實驗結(jié)果中，右側(cè)覆蓋層厚的實驗結(jié)果與實際物探剖面結(jié)果吻合度較高，因此對右側(cè)實驗結(jié)果進行討論。通過對比發(fā)現(xiàn)，本次實驗?zāi)M出的斷層破裂情況與實際物探剖面(圖4(b)、4(c))中斷層分布和發(fā)育情況基本一致，實驗結(jié)果可信。兩者地表下的斷裂破裂情況一致，則實驗反映的地表形變結(jié)果可以類比實際隱伏斷層中地表的監(jiān)測結(jié)果。在實驗中，隱伏斷層運動會使模型表面產(chǎn)生高差和水平距離變化。因此，在自然環(huán)境中，隱伏斷層活動也會使地表產(chǎn)生相應(yīng)形變。上述分析表明，地表固定觀測點監(jiān)測隱伏斷層活動是可行的。

圖中紅點和數(shù)字代表跨斷層水準(zhǔn)監(jiān)測點位置

4.3 實驗結(jié)果與跨斷層觀測曲線對比

跨斷層場地布設(shè)如圖1(b)所示。桐城斷裂南側(cè)為上盤，北側(cè)為下盤。水準(zhǔn)測點由南向北(斷層上盤至下盤)依次布設(shè)BM1、BM5、BM2和BM4點，其中BM1和BM5測點位于斷層上盤，BM2和BM4測點位于斷層下盤?？鐢鄬铀疁?zhǔn)測線數(shù)據(jù)時間跨度為1982-08～2015-01，共332期；基線數(shù)據(jù)時間跨度為2008-05～2015-11，共34期，每期每個測段得到一個觀測值。為便于后續(xù)分析觀測曲線的物理意義，將跨斷層測段名稱統(tǒng)一命名為從上盤至下盤的觀測點點號(如果兩點位于同一盤，則按照從上盤到下盤的先后順序命名)，并定義該測段的觀測值為后一點相對前一點的高差。以跨斷層測段寧河12為例，其觀測值表示點BM2相對點BM1的高差，地質(zhì)意義則表示下盤相對上盤的高差?；€值表示兩點之間的距離，用于分析基線全程AD測段，簡稱寧河基線。將每期的觀測數(shù)值減去第1期觀測數(shù)值，繪制成圖5的跨斷層觀測曲線。橫坐標(biāo)為觀測時間，縱坐標(biāo)為位移量。觀測曲線數(shù)據(jù)平均斜率為k，當(dāng)k>0時，即觀測曲線縱坐標(biāo)位移量(Δh)左小右大，呈上升趨勢，表示下盤相對上盤高差(或距離)逐漸增大，兩點為拉張趨勢，地質(zhì)上通常表現(xiàn)為正斷層；當(dāng)k<0時，即觀測曲線縱坐標(biāo)位移量(Δh)左大右小，呈下降趨勢，表示下盤相對上盤高差(或距離)逐漸減小，兩點為擠壓趨勢，地質(zhì)上通常表現(xiàn)為逆斷層。

圖5 寧河場地水準(zhǔn)、基線觀測位移量圖

從圖5可以看出，寧河基線整體呈上升趨勢，隨時間推移位移量逐漸增大，即斷層兩盤觀測點之間的距離逐漸增大，表明監(jiān)測的斷層在趨勢上為拉張，斷層性質(zhì)為張性正斷層，與物探結(jié)果一致?？鐢鄬忧€寧河14(簡稱14)整體呈上升趨勢，曲線間隔的兩段均隨時間推移位移量逐漸增大，表示斷層為上盤下降、下盤上升的正斷層，與物探結(jié)果一致。但寧河12(簡稱12)整體呈下降趨勢，表示為上盤上升、下盤下降的逆斷層，這與基線和14觀測結(jié)果的正斷層性質(zhì)相反。寧河24(簡稱24)未跨斷層，整體表現(xiàn)為上升趨勢，與14觀測結(jié)果一致，表現(xiàn)為正斷層。以上觀測曲線相互矛盾的結(jié)果能否否定寧河場地的監(jiān)測效果？通過物探結(jié)果可知，寧河場地隱伏斷層在地下發(fā)育2組傾向相對的次級斷層帶，跨斷層監(jiān)測點布設(shè)在這些次級斷層上，下文將結(jié)合物探結(jié)果和點位布設(shè)位置進行分析。

將水準(zhǔn)監(jiān)測點點位平行投影至地震物探剖面對應(yīng)的地表位置(圖4(b)、4(c))?？梢钥闯觯瑢幒涌鐢鄬訄龅攸c位BM1和BM5位于斷層上盤, BM2和BM4位于斷層下盤，這與場地原始布設(shè)圖的布設(shè)方式一致。但最初布設(shè)點位時，桐城斷裂為隱伏斷層，次級斷層的分布情況很難探測，猜測建場時只考慮在斷層上盤和下盤布設(shè)監(jiān)測點，而未考慮到次級斷層?，F(xiàn)今投射到已探明的物探剖面后，點位分布更加明確。本次模擬實驗右側(cè)的實驗結(jié)果與實測地震反射剖面的斷裂分布形態(tài)相似度最高，因此選取右側(cè)實驗結(jié)果作為本次物理模擬實驗的模型進行分析。進一步將水準(zhǔn)監(jiān)測點投射至物理模型上(圖6)，形成寧河跨斷層場地水準(zhǔn)點位分布情況模式圖。通過對該模式圖進行討論，從測量學(xué)和地質(zhì)學(xué)2個方面給出14、12和24趨勢變化的合理解釋。

圖6 寧河跨斷層場地水準(zhǔn)點位分布情況模式圖

1)從測量學(xué)角度分析。砂箱實驗的剖面圖(圖3(a))表明，在斷裂活動發(fā)生之前，各觀測點的初始高程相同，各點之間高差為0。當(dāng)斷裂活動時，正斷層的上下盤發(fā)育次級斷層，在上下盤地表產(chǎn)生“V型”高程曲線(圖3(b))。因此，圖6中原本高程相同的4個水準(zhǔn)觀測點，現(xiàn)在分布在“V型”地表的兩側(cè)，出現(xiàn)高程差異?？鐢鄬颖O(jiān)測手段就是通過監(jiān)測地表觀測點的高程和距離變化，分析斷層的活動情況。為便于分析比較4個監(jiān)測點的相對位置關(guān)系，在圖6中作出3條水平的輔助線(藍(lán)色虛線)。模型中4個水準(zhǔn)監(jiān)測點的相對高程為：下盤BM4>上盤BM1>下盤BM2>上盤BM5。正斷層的定義為斷層上盤相對下盤沿斷層面向下滑動[14]，水準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果應(yīng)為下盤點高程>上盤點高程。然而模型的上盤BM1點高程>下盤BM2點高程，與正斷層定義矛盾，因此在該情況下，12就會產(chǎn)生逆斷層運動的假象。同理，下盤BM4點高程>下盤BM2點高程，雖然兩點位于斷層同一盤，但在斷層運動過程中地表產(chǎn)生高程差，因此在這種情況下24會產(chǎn)生正斷層運動的假象。

2)從地質(zhì)學(xué)角度分析。4個水準(zhǔn)監(jiān)測點分別布設(shè)在傾向相向的多個次級斷層上，傾向相同的次級斷層位于主斷層同一盤，所有斷層均為正斷層。雖然運動時間相同，但各點的垂向位移量不同，越靠近“V型”下部，位移量越大，這是次級斷層與主斷層斷塊同時運動的結(jié)果。BM1點雖然位于BM2點上盤，但同時也位于次級斷裂下盤，而BM2點位于次級斷層上盤，兩點在同為上盤的情況下不能直接確定相對位移關(guān)系，但BM2點垂直向下位移量更大。由于地表觀測不能識別出多條次級斷層，導(dǎo)致在地表觀測不同斷塊相對運動時，次級斷層與主斷層斷塊產(chǎn)生運動差，從而出現(xiàn)12為逆斷層運動的假象。BM2點和BM4點均位于主斷裂下盤，但BM4點位于次級斷裂上盤，因此更靠近“V型”下部的BM2點垂向位移量更大，所以24表現(xiàn)為正斷層運動是由于觀測到次級斷裂的正斷層活動。

前人研究表明，寧河場地對1976-07-28唐山MS7.8地震具有較好的映震效能[3,9]，這也印證跨斷層場地監(jiān)測隱伏斷層的方法具有可行性。但值得注意的是，在布設(shè)隱伏斷層的跨斷層場地時，應(yīng)確定隱伏斷層在覆蓋層之下的分布情況，從而明確監(jiān)測斷層活動的物理意義。

致謝：文中砂箱構(gòu)造物理模擬實驗在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造模擬實驗室完成，在此表示感謝。