華北地區(qū)地殼形變連續(xù)觀測靈敏臺站研究

馬棟 馬利軍 侯曉真 屈曼 高晨

摘要：依據(jù)《中國震例》和部分震例總結報告，統(tǒng)計1966—2018年華北地區(qū)50級以上地震的形變異常;結合形變臺站及測項與地震的對應率、異常信度，分析華北地區(qū)形變臺站及測項的靈敏度;再將研究區(qū)劃分為4個區(qū)域，分別統(tǒng)計測項靈敏度;最后分析靈敏臺站與所處構造位置關系。結果表明：太原臺、張家口臺、易縣臺等7個臺站相對靈敏，且主要分布在張渤地震帶西段和郯廬地震帶北段;水平擺在4個區(qū)域靈敏度較高，水管儀在山西地震帶靈敏度較高，體應變在張渤地震帶和郯廬地震帶南段靈敏度較高，伸縮儀在郯廬地震帶北段靈敏度較高;正斷性質(zhì)斷層上盤和逆斷性質(zhì)斷層下盤附近的臺站靈敏度相對較高。

關鍵詞：形變觀測;靈敏臺點;映震效能;華北地區(qū)

中圖分類號：P31578?? 文獻標識碼：?? 文章編號：1000-0666（2019）03-0405-06

0 引言

我國對地殼形變的研究始于1962年新豐江水庫61級地震（劉鼎文，1992），經(jīng)過多年的發(fā)展，已形成第三代地殼形變連續(xù)觀測（蔡惟鑫等，1997）。地殼形變連續(xù)觀測（以下簡稱形變觀測）主要包括地傾斜觀測和地應變觀測，觀測儀器包括水管傾斜儀、垂直擺傾斜儀、水平擺傾斜儀、伸縮儀、鉆孔體應變、分量應變等。開展形變觀測的主要目的是獲取與地震孕育和發(fā)生有關的震前異常信息，現(xiàn)有形變觀測臺站記錄的前兆異常信息差別明顯，部分臺站在震前的前兆反映較為靈敏，而有一些臺站在震前記錄的異常較少，甚至捕捉不到異常信息，這說明不同形變臺站在前兆反映的靈敏程度方面存在著差異。

在前兆觀測靈敏臺站方面，有較多的研究人員開展了相關工作：焦明若和張國民（1998）依據(jù)地震前兆復雜性成因機理，認為前兆觀測臺站的構造位置對前兆反映有一定影響，處于構造靈敏點上的臺站，前兆顯示能力可能會強些;車用太（1990）認為位于活動斷裂帶的前兆觀測點較位于非斷裂帶的映震能力強，尤其是斷裂的端點、拐點與交匯點附近的觀測點映震能力更強。相關巖石試驗也表明，斷層附近存在靈敏位置，馬瑾等（2007）通過巖石破裂實驗研究了雁列斷層失穩(wěn)錯動的熱場前兆模式的機制，并分析了顯著異常出現(xiàn)的條件及有利觀測部位。

以往關于前兆觀測靈敏臺站的研究主要集中在流體方面，如車用太（1990）研究了區(qū)域井網(wǎng)觀測井的水文地質(zhì)條件、井孔結構、觀測項目與方式等對地震前兆反映能力的影響，并結合水動力學模型試驗，提出了評定觀測井映震靈敏性條件的半定量化方法;張淑亮等（2011）對運城東郭流體觀測井的震兆特征及映震靈敏性開展了分析;李良和范垂宏（1997）、高小其等（2000）開展了流體觀測井的靈敏性研究。形變方面，劉琦等（2016）通過統(tǒng)計震例參考資料中出現(xiàn)過形變異常的臺站，分析了南北地震帶上形變靈敏臺站。但總的來說，在形變觀測方面開展靈敏臺點的研究還相對較少。本文基于1966—2018年華北地區(qū)的定點形變前兆異常震例，根據(jù)地震對應率、異常信度等因素，計算該區(qū)臺站及測項靈敏度，研究形變靈敏臺站與所處構造位置的關聯(lián)性。

1 資料選取

1966—2018年華北地區(qū)50級以上地震共34次（不包括強余震），震中分布及震源機制解見圖1。由于震中位于海域的地震有4次，無形變異常，不做研究，因此本文選取50級以上震例共30次。其中1966—2010年華北地區(qū)（33°～43°N，108°～125°E）50級以上地震的形變前兆異常，根據(jù)已出版的《中國震例》（張肇誠，1988，1990a，b，1999，2000;陳琪福，2002a，b，c，2008;蔣海昆，2014a，b）進行統(tǒng)計;2011—2018年華北地區(qū)共發(fā)生2次50級以上地震，分別為2013年1月23日遼寧燈塔51級、2013年4月22日內(nèi)蒙古科左旗53級地震，這2次地震的形變前兆異常根據(jù)震例總結統(tǒng)計。

按照形變前兆異常統(tǒng)計字段（表1），對華北地區(qū)定點形變異常進行了整理，共統(tǒng)計出143項形變異常，由于地應力觀測已經(jīng)停測，所以刪除地應力異常，刪除已經(jīng)停測臺站（蔚縣、大灰廠、輝縣、東三旗、淶水、香山等）的異常，最后共整理出27個異常臺站（圖1）的70項異常，這些異常共對應20次震例。

2 靈敏度計算與分析

21 形變臺站靈敏度

形變臺站靈敏度是指臺站對周邊地區(qū)地震形變前兆異常反映的靈敏程度，臺站靈敏度SS計算公式為：

式中：TS為臺站映震范圍內(nèi)的地震數(shù)量，即自臺站觀測以來200，300，500 km范圍內(nèi)5～59級、6～69級、7級以上地震數(shù)量總和（去除余震、海域地震），距離、震級的統(tǒng)計范圍參照了《中國震例》（張肇誠，2000）中定點觀測臺網(wǎng)前兆觀測資料的統(tǒng)計范圍;CS為臺站對應地震次數(shù)，即根據(jù)異常統(tǒng)計表統(tǒng)計出臺站映震范圍內(nèi)震前有異常的地震次數(shù);RS為臺站異常信度，即按照Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類信度分別取10，08，06，把該臺站所有的異常信度取平均值。

自1966年以來，這2個構造區(qū)域5級以上地震相對比較活躍，臺站靈敏度計算結果與區(qū)域地震較多有一定的關系，但計算時主要考慮臺站的映震情況，即臺站映震范圍內(nèi)震前有異常的地震次數(shù)，如果臺站周邊地震較多，但震前異常較少，所計算出的臺站靈敏度也會偏低。22 測項靈敏度 測項靈敏度是指臺站的某一測項對周邊地區(qū)顯著地震震前異常反映的靈敏程度，測項靈敏度SL計算公式為：

式中：TL為測項映震范圍內(nèi)的地震數(shù)量，即自測項觀測以來200，300，500 km范圍內(nèi)5～59級、6～69級、7級以上地震數(shù)量總和（去除余震、海域地震），距離、震級的統(tǒng)計范圍參照了《中國震例》（張肇誠，2000）中定點觀測臺網(wǎng)前兆觀測資料的統(tǒng)計范圍;CL為測項對應地震次數(shù)，即根據(jù)異常統(tǒng)計表，統(tǒng)計出測項映震范圍內(nèi)震前有異常的地震次數(shù);RL為測項異常信度，即按照Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類信度分別取10，08，06，把該臺站測項的異常信度取平均值。

按照儀器類別取平均，得出伸縮儀、水管儀、水平擺、體應變的平均靈敏度分別為 025，028，037，034;從儀器的平均靈敏度分析，水平擺的靈敏度最高，其次是體應變，伸縮儀的靈敏度相對較低;根據(jù)《中國震例》統(tǒng)計出的華北地區(qū)形變異常，垂直擺無震例，因此垂直擺的靈敏度最低。

23 構造區(qū)域分析

根據(jù)臺站位置及華北地區(qū)構造，將研究區(qū)分為張渤地震帶、山西地震帶、郯廬地震帶北段、郯廬地震帶南段4個區(qū)域（圖1），分別計算各個區(qū)域內(nèi)的各類儀器的靈敏度（表4）。張渤地震帶臺站包括：寶昌臺、昌平臺、順義臺、赤城臺、懷來臺、張家口臺、易縣臺;山西地震帶臺站包括：離石臺、太原臺、陽原臺、呼和浩特臺;郯廬地震帶北段臺站包括：遼陽臺、沈陽臺、鐵嶺臺、營口臺、撫順臺、錦州臺、朝陽臺;郯廬地震帶南段臺站包括：泰安臺、連云港臺、徐州臺。

從表4可以看出，水平擺靈敏度在各個區(qū)域都較高，特別是在張渤地震帶和郯廬地震帶北段。這是因為水平擺具有測量精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等特點（王秀等，2016;李希亮等，2018），且對遠場地震具有較強的響應能力（郭國祥等，2013）。根據(jù)相關研究結果，在強震發(fā)生前的短臨階段水平擺觀測也往往有明顯的地殼形變反映（胡琦薇，1984），因此水平擺在各個區(qū)域靈敏度都較高。水管儀在山西帶靈敏度較高，在其他區(qū)域一般。這可能與山西地震帶的區(qū)域構造有關，山西地震帶的構造區(qū)內(nèi)以NE向斷裂且具有傾滑或走滑的運動方式為主（楊國華等，1999）。體應變在張渤地震帶和郯廬地震帶南段靈敏度較高，在其他區(qū)域為0;伸縮儀在郯廬地震帶北段靈敏度較高，在其他區(qū)域較差，這反映出在這2個區(qū)域應變類觀測靈敏度優(yōu)于傾斜類觀測靈敏度。

3 靈敏臺點與所處構造位置的關聯(lián)性

根據(jù)中國活動斷層（鄧啟東，2007）、《河北地震構造特征》（彭遠黔，孟立朋，2017）等資料，收集整理華北地區(qū)25個主要形變臺站所處附近斷層的構造特征，包括走向、傾向、傾角、斷層性質(zhì)、活動年代等。計算臺站距斷層的距離，根據(jù)斷層走向、傾向以及臺站與斷層的相對位置，統(tǒng)計臺站處于斷層的上盤或下盤。為了便于分析，斷層類型統(tǒng)計時，對于走滑兼正斷性質(zhì)的斷層按照正斷類型統(tǒng)計，走滑兼逆斷性質(zhì)的斷層按照逆斷類型統(tǒng)計。

以靈敏度SS>05的臺站作為靈敏臺站，由圖1和表2可知，位于斷層上盤的靈敏臺站有5個（赤城臺、遼陽臺、太原臺、徐州臺、易縣臺），這5個臺站附近的斷層都是以正斷和正走滑為主;位于斷層下盤的靈敏臺站有2個（營口臺、張家口臺），這2個臺站附近的斷層都是逆斷和逆走滑為主（表5）。分析認為，對于處于正斷性質(zhì)斷層附近的臺站，如果建在斷層上盤，臺站靈敏度相對較高;對于處于逆斷性質(zhì)斷層附近的臺站，如果建在斷層下盤，臺站的靈敏度相對較高。從華北地區(qū)形變臺站靈敏度與臺站距斷層的距離分析，未發(fā)現(xiàn)臺站靈敏度與距斷層的距離具有較好的相關關系（圖2）。

從地震前兆成因機理方面分析，前兆觀測存在構造靈敏點（焦明若，張國民，1998）;根據(jù)相互作用斷層失穩(wěn)的模擬計算結果（李炳乾，1990），斷層失穩(wěn)前，在不同區(qū)域有不同的前兆變化，而同一區(qū)域對不同斷層失穩(wěn)的前兆響應也不相同，有些區(qū)域為“前兆靈敏點”;相關巖石試驗表明，雁列斷層存在失穩(wěn)前兆的最佳觀測部位（馬瑾等，2007）。模擬計算、巖石試驗以及實際震例統(tǒng)計資料都表明，形變觀測存在靈敏觀測位置，因此在形變臺站的選址方面應充分考慮選取靈敏觀測位置，以獲取更為有效的前兆信息，為震情研判提供更為可靠的依據(jù)。

4 結論及討論

41 結論

本文通過計算分析華北地區(qū)形變臺站及測項靈敏度，并結合臺站與斷層的位置關系，得出以下結論：

（1）臺站靈敏度計算綜合考慮了臺站映震范圍內(nèi)的地震數(shù)量、臺站對應地震次數(shù)以及臺站的異常信度。統(tǒng)計分析表明，華北地區(qū)形變靈敏臺站主要分布在張渤地震帶西段和郯廬地震帶北段。

（2）測項與臺站靈敏度計算方法相同。從測項靈敏度計算結果來看，靈敏度較高（>05）的測項均為地傾斜測項，并且除了太原臺水管儀，其余都是水平擺測項。從儀器的平均靈敏度來分析，水平擺的靈敏度最高，其次是體應變，伸縮儀的靈敏度相對較低。

（3）華北地區(qū)各構造區(qū)域的測項靈敏度有明顯的差異，因此在儀器布設方面有必要優(yōu)先布設在該區(qū)域靈敏度較高的儀器測項。

（4）通過統(tǒng)計分析華北地區(qū)形變臺站靈敏度以及臺站與斷層相對位置關系，對于處于正斷性質(zhì)斷層附近的臺站，位于斷層上盤的臺站靈敏度相對較高;對于處于逆斷性質(zhì)斷層附近的臺站，位于斷層下盤的臺站靈敏度相對較高。本文得出的臺站靈敏度與斷層位置關系為統(tǒng)計結果，具體的研究還需進一步深入開展數(shù)值模擬、巖石實驗等工作。

42 討論

華北地區(qū)地應力觀測震例比較豐富，但根據(jù)相關文獻，電感式地應力的傳感器存在較為明顯的弱點，并且在觀測中遇到了標定、接觸、干擾、密封等問題（邱澤華，2017），現(xiàn)在已無地應力觀測（電感法地應力），因此再進行地應力觀測的統(tǒng)計意義不大;部分臺站（大興、東三旗、淶水、香山等）停測，這些臺站雖有一些震例，但由于后續(xù)無資料，所以無法進行映震效能統(tǒng)計分析。除去停測的臺站、測項，華北地區(qū)形變異常只有70項，異常數(shù)量偏少，這與1998年張北62級地震后華北長期6級地震平靜、2006年文安51級地震后華北長期5級地震平靜有一定的關系。

相關巖石試驗表明，斷層錯動失穩(wěn)前在雁列巖橋區(qū)往往觀測到裂紋擴展引起的聲發(fā)射和應變變化以及在斷層段觀測到預滑;巖橋區(qū)及與之鄰近的斷層段是斷層失穩(wěn)前兆的最佳觀測部位（馬瑾等，2007）;因此后續(xù)工作可以考慮對雁列斷層附近的形變靈敏臺站位置開展深入研究。形變臺站的規(guī)劃、選址應充分考慮區(qū)域構造、斷層活動因素，并結合數(shù)值模擬、巖石試驗等，選取靈敏位置開展形變觀測，以獲得更為有效的前兆信息。

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