基于跨斷層資料的遼寧地區(qū)主要斷裂活動特征分析

孔祥瑞 楊牧萍 王喜龍 翟麗娜 楊曉東 劉健男 劉天龍

1 遼寧省地震局,沈陽市黃河北大街44號,110031

遼寧地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂分布廣泛,在太平洋板塊NWW向俯沖擠壓作用下,形成以郯廬斷裂帶為控制斷裂帶,兩側(cè)分布金州斷裂、渾河斷裂、鴨綠江斷裂、朝陽-北票斷裂、大凌河斷裂等多條斷裂的構(gòu)造格局[1-2]。從斷裂走向展布特征來看,可分為NE-NNE向、近EW向、NW向和近NS向活動斷裂,其中以NE向斷裂為主[3]。萬波等[4]研究認(rèn)為,目前遼寧地區(qū)活動性較強且具有一定規(guī)模的斷裂約42條,其中對地震活動有控制作用的斷裂包括金州斷裂、大凌河斷裂、渾河斷裂、朝陽-北票斷裂等多條斷裂。因此對遼寧地區(qū)主要斷裂進(jìn)行活動性研究,對該地區(qū)目前地震危險性評價以及未來地震趨勢判定具有重要意義。

遼寧地區(qū)跨斷層監(jiān)測工作始于20世紀(jì)70年代,以觀測斷層垂向活動性為主,短水準(zhǔn)觀測周期為1～5 d,長水準(zhǔn)觀測周期一般為1～2月,能夠完全跨越斷層破碎帶,在觀測近場活動特征方面具有一定優(yōu)勢。由于遼寧地區(qū)GPS觀測網(wǎng)密度小,無法準(zhǔn)確獲取斷層近場活動信息,因此,目前對斷裂活動性進(jìn)行分析仍以水準(zhǔn)資料為主。此外,遼寧地區(qū)斷層活動分析工作主要集中在2013年以前,分析工作以地震活動性和地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查為主,但隨著觀測資料的積累以及日本9.0級地震對我國東北、華北地區(qū)的影響,重新梳理和研究遼寧地區(qū)斷層活動,對評估目前地震危險性以及未來地震趨勢研判均具有一定意義。本文利用遼寧地區(qū)現(xiàn)有水準(zhǔn)資料,較為全面地分析遼寧省內(nèi)主要斷裂帶活動特征以及各斷裂活動的一致性與差異性,為遼寧及周邊地區(qū)地震預(yù)測提供依據(jù)。

1 遼寧地區(qū)跨斷層水準(zhǔn)場地概述

遼寧地區(qū)跨斷層水準(zhǔn)場地主要分布在郯廬斷裂帶兩側(cè),考慮到水準(zhǔn)數(shù)據(jù)資料的連續(xù)性以及場地改造等因素對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響,本文選取北票、車坊、金州、丹東和清原5個場地的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[5-6](表1、圖1)。目前,遼寧地區(qū)水準(zhǔn)觀測儀主要為DiNi03數(shù)字水準(zhǔn)儀,觀測周期為1 d至2月。從觀測精度來看,上述場地觀測結(jié)果每公里往返中誤差不超過±0.80 mm,觀測精度符合要求。本文將優(yōu)先選取符合測量標(biāo)準(zhǔn)的基巖點測段進(jìn)行分析,以提高分析結(jié)果的可靠性。

圖中1∶400萬斷裂信息引自文獻(xiàn)[7]圖1 遼寧地區(qū)ML≥5.0地震及水準(zhǔn)場地分布Fig.1 Distribution of ML≥5.0 earthquakes and leveling sites in Liaoning area

表1 遼寧地區(qū)水準(zhǔn)場地概況Tab.1 General information of leveling sites in Liaoning area

2 水準(zhǔn)數(shù)據(jù)資料分析

2.1 車坊水準(zhǔn):大凌河斷裂

車坊場地位于遼寧省錦州市義縣車坊鄉(xiāng)東溝口子村,跨大凌河斷裂。大凌河斷裂長約170 km,總體為NNE走向,傾向NW。車坊水準(zhǔn)測線全長1.02 km,共設(shè)20站,分3段測量。該場地3號點為基巖點,西端6、7號點為土層點。由于該場地6號點于2011-10遭破壞,現(xiàn)作為過渡點使用,因此2011-10之后對該場地的分析主要為3-7測段(圖2)。

圖2 車坊跨斷層水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化曲線Fig.2 Variation of cross-fault leveling data in Chefang site

從車坊水準(zhǔn)3-7測段數(shù)據(jù)曲線可以看出,1999年岫巖5.4級地震發(fā)生前,大凌河斷裂垂向活動速率約為0.75 mm/a,累積變化量達(dá)3 mm。由于觀測數(shù)據(jù)起始時間為1995年,岫巖地震前該斷裂背景活動狀態(tài)無法判斷,但根據(jù)地震后該斷裂活動狀態(tài)可判斷岫巖地震后斷裂活動速率明顯減弱。1999～2011年高差平均變化幅度不超過0.5 mm,主要為季節(jié)性變化引起的單期數(shù)據(jù)變化。2011年該斷裂垂向活動速率加快,同年03-11發(fā)生日本9.0級地震,2011～2013年高差累積變化量接近2 mm;2013～2015年數(shù)據(jù)逐年恢復(fù),期間于2013-01-23發(fā)生燈塔5.1級地震,2019年至今數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)。

2.2 丹東水準(zhǔn):鴨綠江斷裂

丹東水準(zhǔn)場地位于遼寧省丹東市四道溝濱江村,跨鴨綠江斷裂。鴨綠江斷裂為郯廬斷裂帶東側(cè)次級斷裂,是遼寧東部地區(qū)規(guī)模較大的斷裂帶之一[8]。丹東水準(zhǔn)場地自2001年開始觀測,觀測周期為日觀測,2019年起改為5 d觀測。水準(zhǔn)觀測路線為“L”形路線,SN測線為跨斷層測線[9]。該場地3個端點均為基巖觀測點,由于觀測場地在2006年受建筑施工影響,測站由10個增加到12個,測線長度由355 m增加到440 m。由于建設(shè)施工需要對基巖觀測端點N進(jìn)行改造,此次改造使該點產(chǎn)生一定量沉降,為消除該影響,本文對SW測段進(jìn)行分析(圖3)。

圖3 丹東跨斷層水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化曲線Fig.3 Variation of cross-fault leveling data in Dandong site

從丹東水準(zhǔn)SW測段觀測數(shù)據(jù)可以看出,2006年建筑施工對觀測數(shù)據(jù)造成一定影響,表現(xiàn)為年變形態(tài)消失,其最大影響為0.4 mm,2010年后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。2010年該場地觀測儀器由Ni002A光學(xué)水準(zhǔn)儀更換為DiNi03數(shù)字水準(zhǔn)儀,該型號水準(zhǔn)儀采用光學(xué)自動讀數(shù),在一定程度上可消除人工讀數(shù)誤差,但DiNi03水準(zhǔn)儀i角限差為15″,大于Ni002A光學(xué)水準(zhǔn)儀,進(jìn)而導(dǎo)致觀測精度降低,使觀測數(shù)據(jù)存在一定的年周期變化[10]。

從斷裂活動變化來看,鴨綠江斷裂總體活動水平偏弱,2001～2022年斷層垂向累積變化量約為0.10 mm,平均活動速率約為0.05 mm/a,其中2001～2011年垂向累積變化量約為0.70 mm,平均活動速率約為0.07 mm/a,2012～2022年垂向累積變化量約為0.37 mm,平均活動速率約為0.04 mm/a,相比2001～2011年斷裂活動進(jìn)一步減弱。結(jié)合2011-03-11發(fā)生的日本9.0級地震,判斷此次地震對該區(qū)域斷裂應(yīng)力積累存在緩解作用,導(dǎo)致斷裂總體活動水平進(jìn)一步減弱。

2.3 清原水準(zhǔn):渾河斷裂

清原水準(zhǔn)場地位于遼寧省撫順市清原滿族自治縣。渾河斷裂帶西起沈陽西部平原,經(jīng)撫順市章黨鎮(zhèn)、紅透山鎮(zhèn),東至撫順清原滿族自治縣,全長約192 km,總體走向60°～70°[11-12]。清原水準(zhǔn)場地觀測儀器于2010年由Ni002A光學(xué)水準(zhǔn)儀更換為DiNi03數(shù)字水準(zhǔn)儀,2014年起該水準(zhǔn)場地由每日觀測改為每月觀測。從清原水準(zhǔn)B-A測段數(shù)據(jù)曲線可以看出,渾河斷裂總體活動水平較弱,1995～2010年斷層垂向累積變化量不超過0.5 mm,表明渾河斷裂垂向運動基本處于穩(wěn)定狀態(tài);2010～2022年,由于更換儀器導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)受溫度等季節(jié)性因素影響,存在明顯的年周期變化,但該階段渾河斷裂總體活動水平與2010年之前基本一致?？傮w來看,渾河斷裂垂向運動相對穩(wěn)定,長期處于較弱的活動狀態(tài)(圖4)。

圖4 清原跨斷層水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化曲線Fig.4 Variation of cross-fault leveling data in Qingyuan site

2.4 北票水準(zhǔn):朝陽-北票斷裂

北票水準(zhǔn)場地位于遼寧省北票市涼水河鄉(xiāng)黃花營子村,測線總長0.66 km,共設(shè)18個測站,其中1號點為基巖點,其他點均為土層點。北票場地跨朝陽-北票斷裂,該斷裂全長約200 km,總體走向NE,傾向以NW為主[13]。從水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)來看,根據(jù)斷層垂向活動速率可將朝陽-北票斷裂活動分為5個階段(圖5)。1995～2002年該斷裂呈弱壓性變化,垂向活動速率約為-0.86 mm/a;2003～2006年曲線呈轉(zhuǎn)折加速形態(tài),活動速率為-1.91 mm/a,期間發(fā)生巴林左旗5.9級地震和東烏珠穆沁旗5.9級地震;2007～2010年該斷裂活動速率為-1.18 mm/a;2011年日本9.0級地震發(fā)生后,該水準(zhǔn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)向的異常變化,2011～2014年斷裂活動速率為2.48 mm/a,表明此次日本地震對朝陽-北票斷裂產(chǎn)生一定影響,出現(xiàn)差異性運動,在此期間遼寧西部地區(qū)發(fā)生科爾沁5.3級地震,該異常變化持續(xù)至2015年;2015～2022年該斷裂垂向活動速率約為-0.7 mm/a,與1995～2002年活動速率接近,表明日本地震對朝陽-北票斷裂的影響基本結(jié)束,該斷裂目前的活動水平接近于相對穩(wěn)定的背景活動水平。

圖5 北票跨斷層水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化曲線Fig.5 Variation of cross-fault leveling data in Beipiao site

2.5 金州水準(zhǔn):金州斷裂

金州水準(zhǔn)場地位于遼寧省金州地震臺形變觀測室內(nèi)。金州斷裂為遼南地區(qū)主要活動構(gòu)造斷裂,全長約200 km,走向NE,傾向NW,總體表現(xiàn)為正斷性質(zhì)[14-15]。金州斷裂為遼寧重點監(jiān)測斷裂之一,本文選取金州室內(nèi)水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù),對金州斷裂活動性進(jìn)行分析(圖6)。

圖6 金州跨斷層水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化曲線Fig.6 Variation of cross-fault leveling data in Jinzhou site

根據(jù)金州水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化曲線可將該斷裂活動分為4個階段,1995～2005年數(shù)據(jù)曲線緩慢上升,垂直分量運動速率約為0.02 mm/a;2006～2011年數(shù)據(jù)曲線呈下降趨勢,運動速率約為-0.06 mm/a,日本9.0級地震發(fā)生后其活動速率有所減緩;2012～2017年運動速率約為-0.03 mm/a;2018～2022年運動速率約為0.015 mm/a,基本與1995～2005年斷裂活動速率一致。從觀測曲線和2011年日本9.0級地震發(fā)震時間可以判斷,金州斷裂在日本地震發(fā)生后,由于應(yīng)力場發(fā)生變化,其斷裂活動特征也發(fā)生一定改變,該影響在2017年后有所減弱,目前該斷裂垂向運動特征基本與2005年之前運動特征一致。

2.6 討 論

從現(xiàn)今遼寧地區(qū)主要斷裂的運動變化量和活動速率來看,各斷裂運動特征并不突出。從斷裂空間分布角度來看,遼寧北部地區(qū)的渾河斷裂、鴨綠江斷裂活動相對穩(wěn)定,自水準(zhǔn)觀測有記錄以來基本保持其原有的活動特征;而遼南地區(qū)的金州斷裂以及遼西地區(qū)的朝陽-北票斷裂、大凌河斷裂活動相對較為明顯,水準(zhǔn)資料顯示遼南及遼西地區(qū)的斷層活動存在自身差異性運動。

從時間尺度來看,清原水準(zhǔn)數(shù)據(jù)顯示渾河斷裂長期處于穩(wěn)定狀態(tài);車坊水準(zhǔn)數(shù)據(jù)顯示大凌河斷裂在2011年存在高值異常變化,同年發(fā)生日本9.0級地震,2015年水準(zhǔn)數(shù)據(jù)恢復(fù)其原有狀態(tài);同期丹東水準(zhǔn)數(shù)據(jù)顯示鴨綠江斷裂活動速率在2011年由0.07 mm/a減弱到0.04 mm/a。此外,金州斷裂和朝陽-北票斷裂在2011年也出現(xiàn)一定的差異性變化,由此可判斷此次日本地震對上述斷裂的活動性均存在一定影響。

從斷裂活動特征來看,金州斷裂和朝陽-北票斷裂受日本地震影響均產(chǎn)生同步響應(yīng)。其中金州水準(zhǔn)資料垂向活動速率在2006年由0.02 mm/a變?yōu)?0.06 mm/a,2011年日本9.0級地震發(fā)生后,該斷裂垂向運動有所減弱,活動速率約為-0.03 mm/a,2018年該斷裂活動特征與2005年之前運動特征一致;朝陽-北票斷裂也存在類似變化,在2002年垂向活動速率由-0.86 mm/a變?yōu)?1.91 mm/a,斷層活動速率明顯加快,期間遼西及遼蒙交界地區(qū)發(fā)生3次5級以上地震,表明朝陽-北票斷裂斷層活動的差異性變化與周邊地區(qū)發(fā)生5級以上地震危險性存在一定聯(lián)系。截至目前,朝陽-北票斷裂活動速率與1995～2002年活動速率接近,由此可判斷當(dāng)前斷層活動與背景活動水平一致。根據(jù)日本地震前后金州和北票水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化情況可判斷,遼寧地區(qū)應(yīng)力場變化會對金州斷裂和朝陽-北票斷裂斷層活動產(chǎn)生一定影響,而其他斷裂活動特征并未出現(xiàn)明顯變化,由此也可判斷金州斷裂和朝陽-北票斷裂更易受應(yīng)力變化的影響而產(chǎn)生差異運動。

3 結(jié) 語

本文通過對遼寧金州、車坊、北票、丹東以及清原水準(zhǔn)場地資料進(jìn)行處理分析,結(jié)合遼寧地區(qū)地質(zhì)資料,對各主要斷裂活動特征進(jìn)行研究,得到以下結(jié)論:

1)各觀測場地受自身觀測條件影響觀測精度存在差異,土層觀測點受季節(jié)因素影響較大;遼寧水準(zhǔn)觀測部分觀測站由Ni002A光學(xué)水準(zhǔn)儀更換為DiNi03數(shù)字水準(zhǔn)儀,更換后受溫度等因素影響,存在一定的周期性年變特征。

2)鴨綠江斷裂、渾河斷裂斷層活動相比于金州斷裂、朝陽-北票斷裂以及大凌河斷裂相對穩(wěn)定,總體活動速率平穩(wěn);金州斷裂和朝陽-北票斷裂活動性存在自身差異變化,且變化時間存在一定同步性,其中朝陽-北票斷裂差異性異常變化與遼西及遼蒙交界地區(qū)5級以上地震的對應(yīng)性較好。

3)根據(jù)日本地震對遼寧地區(qū)主要斷裂的響應(yīng)程度分析可知,遼寧地區(qū)應(yīng)力改變對金州斷裂和朝陽-北票斷裂活動性均產(chǎn)生一定影響,且時間上存在同步性;而其他各斷裂活動特征并未出現(xiàn)明顯改變,由此可判斷金州斷裂和朝陽-北票斷裂相比于其他斷裂更易受應(yīng)力場改變的影響,從而產(chǎn)生差異性活動。

4)日本3·11地震對金州斷裂和朝陽-北票斷裂影響較為明顯,表明日本地震對遼西和遼南地區(qū)影響較大,震后存在應(yīng)力調(diào)整運動。2015年后金州斷裂和朝陽-北票斷裂活動特征與其長期背景水平一致,表明日本地震對遼寧地區(qū)的影響逐漸減弱,區(qū)域內(nèi)斷裂活動逐漸恢復(fù)其原有的運動特征。