基于跨斷層監(jiān)測資料的金州斷裂活動(dòng)性研究

孔祥瑞 翟麗娜 李夢瑩 孫慶山 焦明若 王喜龍

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號(hào)，110034

水準(zhǔn)測量作為傳統(tǒng)的大地測量方法，具有測量精度高、觀測周期跨度大等優(yōu)勢，是研究地殼垂直形變的重要手段之一[1]。水準(zhǔn)測量得到的時(shí)序變化能夠反映區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的時(shí)空特征，具有較好的中短期預(yù)報(bào)意義[2-4]。

金州斷裂作為遼南地區(qū)一條主要的活動(dòng)構(gòu)造斷裂，其地震危險(xiǎn)性一直備受關(guān)注。遼寧省金州地震臺(tái)自20世紀(jì)70年代起開展對金州斷裂及其周邊地震活動(dòng)的監(jiān)測工作，并為1975年海城地震的成功預(yù)報(bào)提供了重要的前兆依據(jù)[5]。同時(shí)，金州地震臺(tái)也是遼寧省跨斷層觀測手段最為豐富的臺(tái)站，是渤海海峽及鄰區(qū)重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的重點(diǎn)監(jiān)測臺(tái)站，對臺(tái)站資料進(jìn)行深入分析對重點(diǎn)防御區(qū)的長中短期預(yù)報(bào)工作十分必要。金州斷裂相關(guān)工作主要集中在2013年以前，隨著觀測數(shù)據(jù)的積累與觀測手段的豐富，以及該地區(qū)中小地震和周邊地區(qū)應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整，重新梳理和研究金州斷裂南段活動(dòng)特征對于分析該地區(qū)地震危險(xiǎn)性及對遼南地區(qū)未來地震趨勢的判定具有重要意義。

本文利用金州地震臺(tái)斷層蠕變觀測資料，計(jì)算斷層水平走滑量、水平張壓量和垂直變化量，提取斷層活動(dòng)三維信息，結(jié)合金州斷裂的水準(zhǔn)觀測資料，分析該斷層現(xiàn)今活動(dòng)特征，梳理并分析日本7級(jí)以上強(qiáng)震對金州斷裂活動(dòng)產(chǎn)生的影響，以期為遼寧南部地區(qū)地震趨勢判定提供定量的形變觀測依據(jù)。

1 場地資料概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 場地及觀測資料概況

金州地震臺(tái)位于金州區(qū)大黑山西側(cè)(圖1)，地勢較為平坦。金州斷裂南段穿過臺(tái)站附近，斷裂全長約200 km，走向NE15°～20°，傾向NW70°，傾角約50°。觀測場地選定的東西向測線橫跨金州斷裂，南北向測線平行于金州斷裂。距離臺(tái)站北200 m處有斷裂出露，上盤(西盤)巖性為震旦系甘井子組白云質(zhì)灰?guī)r，基巖完整；下盤(東盤)巖性為太古界鞍山群黑云斜長片麻巖，基巖完整，覆蓋層厚度2 m。

圖1 研究區(qū)跨斷層場地、斷裂與地震分布

本文金州地震臺(tái)斷層觀測數(shù)據(jù)主要包括水準(zhǔn)和三維斷層蠕變觀測資料，其中水準(zhǔn)觀測為金州室內(nèi)水準(zhǔn)、金州場地水準(zhǔn)和位于金州北部同樣跨金州斷裂的熊岳水準(zhǔn)，觀測儀器型號(hào)為DI004光學(xué)水準(zhǔn)儀，自觀測以來數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。根據(jù)往期觀測資料可知，金州水準(zhǔn)觀測每km往返中誤差均值為±0.16 mm；熊岳水準(zhǔn)場地觀測環(huán)境相對較差，每km往返中誤差均值為±0.63 mm，觀測結(jié)果均符合要求。斷層蠕變觀測系統(tǒng)由三部分組成，分別為2套DSG型水平變形測量儀，方位角分別為110°和140°，與斷層方向分別正交、斜交；1套DFG型垂直變形測量儀，方位角為110°，觀測精度為±0.005 mm。觀測結(jié)果與輔助觀測數(shù)據(jù)室溫并無良好相關(guān)性，且多年來觀測環(huán)境溫度無趨勢變化，由此可見，該系統(tǒng)能夠記錄到由溫度變化引起的地表熱形變及斷層水平活動(dòng)和垂直活動(dòng)信息[6]。2011年以來記錄數(shù)據(jù)平穩(wěn)，無明顯外界干擾，其中斷層蠕變觀測系統(tǒng)的垂直形變分量與金州室內(nèi)水準(zhǔn)處于同一觀測室內(nèi)，且測線互相平行，可進(jìn)行對比分析。

1.2 數(shù)據(jù)處理

對斷層蠕變觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行提取是分析斷層活動(dòng)性的重要步驟[7-9]，本文利用三維斷層形變觀測得到的正交、斜交及垂直3個(gè)分量的觀測數(shù)據(jù)，通過方位角和斷層傾角計(jì)算提取斷層活動(dòng)的3個(gè)基本參數(shù)：水平走滑量、水平張壓量及垂直變化量。其中，水平走滑量計(jì)算公式為[10-12]:

(1)

式中，ΔL為基線水平向測值變化；ΔH為斷層垂直向測值變化；α為基線觀測方向與斷層走向的夾角，以斷層走向?yàn)槠鹚氵?，順時(shí)針至測線方向(0°<α<180°)；β為斷層傾角。當(dāng)Δd>0時(shí)，斷層為右旋；當(dāng)ΔH>0時(shí)，斷層上盤相對下盤上升，為逆斷層；當(dāng)ΔL>0時(shí)，斷層上盤相對下盤水平測線伸長。

2 金州斷裂南段現(xiàn)今活動(dòng)特征

2.1 斷層蠕變觀測與室內(nèi)水準(zhǔn)資料對比分析

2.1.1 斷層蠕變觀測數(shù)據(jù)處理及分析

利用本文數(shù)據(jù)處理方法，計(jì)算得到斷層水平走滑量、水平張壓量、垂直變化量的時(shí)間序列曲線(圖2)。水平走滑量時(shí)間序列(圖2(a))結(jié)果顯示，金州斷裂南段總體表現(xiàn)為右旋運(yùn)動(dòng)，其中2012～2014年表現(xiàn)為微左旋運(yùn)動(dòng)特征，平均走滑速率約為0.4 mm/a，活動(dòng)水平較低；2014年至今轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚\(yùn)動(dòng)，平均走滑速率約為1 mm/a，該結(jié)果與金州斷裂右旋活動(dòng)背景一致，但從活動(dòng)速率上看，目前處于較低的活動(dòng)水平。水平張壓量時(shí)間序列(圖2(b))結(jié)果顯示，金州斷裂南段總體表現(xiàn)為上盤相對下盤水平測線處于伸長狀態(tài)，表明水平方向受拉張力影響，其中2012～2014年該區(qū)域斷層受壓性影響，變化速率為-0.05 mm/a；2014～2019年斷層受張性影響，變化速率為0.24 mm/a；2020年至今受張性影響有所減弱，變化速率約為0.05 mm/a。垂直變化量時(shí)間序列(圖2(c))結(jié)果顯示，2012～2014年金州斷層垂直變化也處于較低水平，其最大累積變化量對應(yīng)的時(shí)間段為2014～2020年，斷層上盤相對下盤上升最大幅度為3 mm，但年均變化量僅為0.5 mm左右，運(yùn)動(dòng)水平較弱。

圖2 金州斷層水平走滑量、水平張壓量、垂直變化量曲線

由圖2中2012年以來斷層走滑量、張壓量以及垂直量的總體趨勢可知，從時(shí)間角度分析，斷層活動(dòng)三分量具有一定的同步性，2014年斷層由弱壓性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓘堖\(yùn)動(dòng)，斷層走滑和垂直方向的運(yùn)動(dòng)速率也出現(xiàn)相應(yīng)變化；從應(yīng)力變化角度分析，在拉張作用下斷層呈右旋運(yùn)動(dòng)，且上下盤高差呈增加趨勢，這與斷層右旋兼正斷的活動(dòng)背景一致。

2.1.2 室內(nèi)水準(zhǔn)資料分析

金州臺(tái)室內(nèi)水準(zhǔn)觀測資料時(shí)間長，與斷層蠕變觀測均跨金州斷裂，且與垂直測項(xiàng)安裝在同一觀測室內(nèi)，兩測線平行，對室內(nèi)水準(zhǔn)資料進(jìn)行分析一方面能夠從長時(shí)間尺度了解金州斷裂的活動(dòng)性質(zhì)，另一方面又能與斷層蠕變垂直方向進(jìn)行對比，分析兩者數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性(圖3)。

圖3 金州臺(tái)室內(nèi)水準(zhǔn)與周邊井水位對比

將圖3中2012～2021年室內(nèi)水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)曲線與圖2(c)中斷層形變垂直變化量曲線進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，年變周期幅值與斷層觀測尺度、儀器自身受溫度氣壓等環(huán)境因素影響有關(guān)，但趨勢變化特征基本一致，表明兩者均能真實(shí)反映斷層垂直方向的變化情況，從而驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖3中水位數(shù)據(jù)值采用人工測量方式，為觀測井口至水面的距離。對比金州臺(tái)室內(nèi)水準(zhǔn)高差曲線與水位曲線可以看出，其趨勢形態(tài)基本一致，即水位上升伴隨著水準(zhǔn)高差絕對值減小[13-14]。從水準(zhǔn)數(shù)據(jù)反映的斷層活動(dòng)來看，水準(zhǔn)曲線趨勢形態(tài)主要分為3個(gè)階段，即1995～2006年曲線緩慢上升，2005～2016年加速下降，2016年至今數(shù)據(jù)曲線恢復(fù)其緩慢上升狀態(tài)。根據(jù)圖2(b)張壓曲線中斷層活動(dòng)在2014年由弱壓性轉(zhuǎn)為張性可知，室內(nèi)水準(zhǔn)受張性影響，高差變化也呈增加趨勢，其相關(guān)性與斷層蠕變垂直分量一致。結(jié)合2011年日本9.1級(jí)地震發(fā)現(xiàn)，該水準(zhǔn)曲線的加速-轉(zhuǎn)折變化主要受日本地震影響，地震發(fā)生后曲線下降速率有所減緩，2016年后曲線恢復(fù)上升趨勢，并逐漸恢復(fù)至與2006年前曲線形態(tài)一致。

2.2 短水準(zhǔn)及長水準(zhǔn)資料對比分析

本文水準(zhǔn)資料選取金州臺(tái)場地水準(zhǔn)，結(jié)合位于金州地震臺(tái)北部同樣監(jiān)測金州斷裂的熊岳水準(zhǔn)場地進(jìn)行對比分析。首先分析該場地長期變化趨勢，然后結(jié)合日本7級(jí)以上強(qiáng)震發(fā)震時(shí)間與水準(zhǔn)變化進(jìn)行對比，分析周邊地區(qū)強(qiáng)震對金州斷裂活動(dòng)性的影響。

通過對1991～2020年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖4)，總體來看，斷層上、下盤高差曲線呈現(xiàn)減小趨勢，其中1991～2002年垂直運(yùn)動(dòng)速率為-0.04 mm/a；2003～2009年垂直運(yùn)動(dòng)速率明顯減小，出現(xiàn)閉鎖現(xiàn)象，該時(shí)段內(nèi)垂直運(yùn)動(dòng)速率僅為-0.013 mm/a；2011～2013年期間，該區(qū)域斷層活動(dòng)速率減小，且在2010年年變形態(tài)消失，2011-03-11日本9.1級(jí)地震對中國東北區(qū)域的郯廬斷裂帶北段產(chǎn)生明顯的拉張運(yùn)動(dòng)，并在應(yīng)力積累水平上具有緩解作用[15-18]。通過對金州水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，該地震對金州斷裂南段具有基本相同的影響，表現(xiàn)為應(yīng)力積累減緩，斷層垂直運(yùn)動(dòng)速率減小。2014～2018年該變化得以恢復(fù)，表明該地區(qū)垂直形變速率基本恢復(fù)至背景水平。2019年至今，該場地點(diǎn)位更換，且觀測周期發(fā)生改變，故不進(jìn)行深入分析。

圖4 金州場地跨斷層水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化

從地震時(shí)間序列與金州水準(zhǔn)時(shí)間序列對比來看，日本地震活躍會(huì)使金州斷裂活動(dòng)減弱，或出現(xiàn)小幅度的差異性調(diào)整活動(dòng)。根據(jù)日本3·11地震對東北地區(qū)應(yīng)力積累具有緩解作用這一觀點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，1995年和2003年日本地震活躍期間，金州斷層活動(dòng)與日本3·11地震震后形態(tài)類似，這表明日本7級(jí)以上強(qiáng)震會(huì)對金州斷裂所處區(qū)域產(chǎn)生一定應(yīng)力變化，進(jìn)而對斷層活動(dòng)產(chǎn)生一定影響。

熊岳場地為2個(gè)月觀測一期的流動(dòng)場地，場地跨金州斷裂，其中1號(hào)和7號(hào)點(diǎn)位于斷裂上盤，19號(hào)和25號(hào)點(diǎn)位于斷裂下盤，1號(hào)、19號(hào)和25號(hào)點(diǎn)位于基巖，7號(hào)點(diǎn)位于土層。選取2001～2021年水準(zhǔn)1～25測段數(shù)據(jù)繪制時(shí)間序列曲線，與周邊及日本7級(jí)以上地震進(jìn)行對比，結(jié)果見圖5。

圖5 熊岳場地跨斷層水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化

從水準(zhǔn)1～25測段數(shù)據(jù)來看，2001～2021年曲線速率約為-0.09 mm/a，總體運(yùn)動(dòng)速率高于金州水準(zhǔn)。結(jié)合地質(zhì)資料可知，熊岳水準(zhǔn)監(jiān)測區(qū)域的斷層為正斷性質(zhì)，這與金州臺(tái)水準(zhǔn)所反映的斷層性質(zhì)一致。結(jié)合周邊地區(qū)M-T圖對比發(fā)現(xiàn)，周邊地震活動(dòng)對斷層運(yùn)動(dòng)影響較小，日本3·11地震發(fā)生后，其運(yùn)動(dòng)速率略微加快，但總體活動(dòng)水平較弱。

3 結(jié) 語

本文通過對金州斷裂多個(gè)水準(zhǔn)場地和斷層蠕變觀測資料進(jìn)行處理，參考金州斷裂地質(zhì)資料，分析該斷裂近場活動(dòng)特征，得到以下結(jié)論：

1)斷層蠕變觀測垂直分量測線與同臺(tái)站室內(nèi)水準(zhǔn)測量作為同觀測室、同方向且平行的兩套系統(tǒng)，其記錄的2012年以來斷層活動(dòng)信息總體趨勢形態(tài)和年變周期一致，表明觀測數(shù)據(jù)可靠，可反映斷層活動(dòng)信息，年變周期幅值差異與斷層觀測尺度、儀器自身受溫度氣壓等環(huán)境因素影響有關(guān)。

2)從金州斷裂跨斷層形變觀測長趨勢曲線來看，由于水準(zhǔn)場地觀測尺度和觀測環(huán)境不同，曲線形態(tài)和量值也存在差異，但總體表現(xiàn)為以張性正斷活動(dòng)為主，與背景資料具有很好的一致性，斷層地質(zhì)資料中右旋的運(yùn)動(dòng)特征也與斷層蠕變觀測的計(jì)算結(jié)果一致。

3)金州斷裂南段總體呈正斷活動(dòng)特征，平均速率約為0.05 mm/a；平行斷裂方向的滑動(dòng)速率為0.4 mm/a，雖保持右旋錯(cuò)動(dòng)，但活動(dòng)速率很小。從水準(zhǔn)數(shù)據(jù)來看，1991～2021年金州斷層運(yùn)動(dòng)速率約為-0.033 mm/a，屬于弱活動(dòng)水平；而熊岳場地水準(zhǔn)總體運(yùn)動(dòng)速率為-0.09 mm/a，由此可見金州斷裂南段活動(dòng)水平弱于北段，該觀點(diǎn)與區(qū)域地震活動(dòng)性基本一致。

4)日本3·11地震對金州斷裂不同測段水準(zhǔn)的影響存在差異，金州臺(tái)室內(nèi)水準(zhǔn)和場地短水準(zhǔn)時(shí)間序列曲線速率減小，而熊岳水準(zhǔn)曲線速率增大，表明受日本強(qiáng)地震影響該區(qū)域存在應(yīng)力變化且震后出現(xiàn)調(diào)整運(yùn)動(dòng)。從金州2套水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)來看，2015年后運(yùn)動(dòng)形態(tài)與長期背景水平基本一致，由此可見，日本3·11地震對該區(qū)域斷層活動(dòng)產(chǎn)生的影響逐漸恢復(fù)至其原有的運(yùn)動(dòng)特性。