斷裂的當(dāng)今活動(dòng)性及其監(jiān)測(cè)新技術(shù)

車用太，陳其峰，馮恩國(guó)

(1.中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029；2.山東省地震局聊城地震水化試驗(yàn)站，山東 聊城 252000)

0 引言

地震科學(xué)的地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)是斷層的活動(dòng)性，無(wú)論是地震孕育、發(fā)生條件及機(jī)理研究，還是地震前兆的監(jiān)測(cè)與地震預(yù)測(cè)及震害防御與城鄉(xiāng)建設(shè)等都離不開對(duì)斷層活動(dòng)性的認(rèn)識(shí)。那么，斷層活動(dòng)性的概念是什么？從防震減災(zāi)的角度出發(fā)，斷層活動(dòng)性評(píng)價(jià)的要求是什么？什么叫斷層的當(dāng)今活動(dòng)性？如何去監(jiān)測(cè)斷層的當(dāng)今活動(dòng)性？文章將圍繞上述問(wèn)題展開討論。

1 活動(dòng)斷層及其當(dāng)今活動(dòng)性

斷層是指地殼中的一個(gè)破裂面，是破裂面兩側(cè)的巖體、巖層、巖塊發(fā)生了相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)形跡，也有學(xué)者稱斷裂。從地震地質(zhì)學(xué)角度來(lái)說(shuō)，主要研究的問(wèn)題之一是斷層的活動(dòng)性，即破裂面或斷層面兩側(cè)的巖體、巖層、巖塊沿著破裂面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的時(shí)間特征。從發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的時(shí)間來(lái)劃分，常分為老斷層與新斷層。前者指新生代之前(距今65 Ma前)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的斷層，后者指新生代(距今65 Ma后)以來(lái)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的斷層。新斷層又可細(xì)分為新生代早期的古近紀(jì)E(距今65～23.3 Ma間)、新近紀(jì)N(距今23.3～2.6 Ma間)錯(cuò)動(dòng)的新生代斷層與第四紀(jì)Q(距今2.6 Ma至現(xiàn)今)活動(dòng)的斷層。第四紀(jì)活動(dòng)斷層，還可分為早更新世Qp1(距今2.6～0.73 Ma間)、中更新世Qp2(距今0.73～0.13 Ma間)、晚更新世Qp3(距今0.13～0.01 Ma間)與全新世Qh(距今1萬(wàn)年至現(xiàn)今)活動(dòng)的斷層。廣義的活動(dòng)斷層一般指新生代以來(lái)活動(dòng)的斷層，狹義的活動(dòng)斷層一般指第四紀(jì)以來(lái)活動(dòng)的斷層[1]。

隨著地震地質(zhì)學(xué)測(cè)年技術(shù)的發(fā)展，近二三十年來(lái)我國(guó)把斷層活動(dòng)的時(shí)間判定精度提高到幾百至幾千年，如用C14測(cè)年法測(cè)得云南程海斷裂帶北段有過(guò)3次史前活動(dòng)時(shí)間，分別是距今9 230±170年、7 415～3 572年與3 752～2 085年[2]；又如山東郯廬斷裂帶中南段(沂沭帶)用C14測(cè)年法測(cè)得1668年郯城8.5級(jí)地震前曾有過(guò)3次構(gòu)造事件，分別是距今3 500 a、7 400 a與11 000 a[3]。

由此可見(jiàn)，雖然地震地質(zhì)學(xué)對(duì)斷層活動(dòng)時(shí)間研究較深入，取得了一些研究成果，但在時(shí)間尺度上，距地震監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)的實(shí)際需求仍相差甚遠(yuǎn)，距抗震設(shè)防的要求也存在一定差距。地質(zhì)學(xué)可給出的活動(dòng)性在時(shí)間尺度上多是幾千年尺度，在個(gè)別情況下，最短只可給出幾百年的尺度，這些結(jié)果與當(dāng)今人類對(duì)防震減災(zāi)的時(shí)間需求尺度還差兩三個(gè)量級(jí)。因此，需要提出與研究斷層的當(dāng)現(xiàn)今活動(dòng)性問(wèn)題并探索其監(jiān)測(cè)與研究的新途徑。

斷層“當(dāng)今”活動(dòng)性的概念與地震地質(zhì)學(xué)上慣用的“現(xiàn)今”活動(dòng)性的概念不同。前者主要指基于現(xiàn)代地球物理與地球化學(xué)觀測(cè)得到的未來(lái)幾至幾十天和幾十天至幾個(gè)月時(shí)間尺度上表現(xiàn)出的斷層活動(dòng)性，可直接為當(dāng)今社會(huì)的防震減災(zāi)與環(huán)境保護(hù)等現(xiàn)實(shí)需求服務(wù)。筆者認(rèn)為，我國(guó)地震部門對(duì)斷層活動(dòng)性的研究，應(yīng)由地質(zhì)學(xué)的現(xiàn)今活動(dòng)性研究推進(jìn)到地球物理與地球化學(xué)的當(dāng)今活動(dòng)性監(jiān)測(cè)與研究新階段。

2 斷層當(dāng)今活動(dòng)性監(jiān)測(cè)的新技術(shù)

斷層當(dāng)今活動(dòng)性監(jiān)測(cè)已應(yīng)用于日常觀測(cè)研究中，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)地震前兆觀測(cè)實(shí)際上多是圍繞著斷層當(dāng)

① 陶志剛，唐穎哲，喬亞飛.程海斷裂跨斷層界面牛頓力綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)可行性研究報(bào)告[R].同濟(jì)大學(xué)深部巖石力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京)，2018.

今活動(dòng)性監(jiān)測(cè)為目的的，特別是跨斷層形變觀測(cè)，更是斷層當(dāng)今活動(dòng)性的直接觀測(cè)。此外，還有其他的現(xiàn)今活動(dòng)性監(jiān)測(cè)，如井水位、井泉水流量、溫度與化學(xué)組分觀測(cè)、地應(yīng)力、地傾斜、地電、地磁、GPS觀測(cè)等，特別是近幾年的GPS觀測(cè)。然而，上述種種觀測(cè)都是在地表或近地表進(jìn)行，得到的信息不同程度地受水文、氣象及人類活動(dòng)等眾多因素干擾，經(jīng)常為干擾的信息遠(yuǎn)大于斷層活動(dòng)的信息，因此，需探索受地表干擾少而弱的斷層當(dāng)今活動(dòng)性監(jiān)測(cè)的新技術(shù)。近幾年這方面興起的新技術(shù)具有代表性與可行性的是跨斷層錨索牛頓力監(jiān)測(cè)與斷層帶釋放氣體和熱觀測(cè)。

2.1 跨斷層錨索牛頓力監(jiān)測(cè)新技術(shù)

錨索技術(shù)是由錨桿技術(shù)演變而來(lái)的,錨桿技術(shù)的初衷是在隧道、邊坡等巖體工程施工中用預(yù)應(yīng)力鋼質(zhì)桿件把不穩(wěn)定(施工時(shí)有可能發(fā)生垮塌的)巖體(塊)固定在穩(wěn)定巖體(塊)上的工程措施。錨索與錨桿的功能是一樣的，但用的不是桿件，而是鋼絞線(錨索)。其優(yōu)點(diǎn)是柔韌性強(qiáng)，即使不穩(wěn)定巖塊(體)有所松動(dòng)也不至于發(fā)生坍塌。

跨斷層錨索牛頓力監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心是研發(fā)出適用于斷層活動(dòng)性監(jiān)測(cè)的特殊材料的錨索。為此，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖石力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京)研發(fā)出一種負(fù)泊松比錨索(NPR, Negative Poisson Ratio Cable)，其特點(diǎn)是具有高恒阻力(850 KN)，大變形(最大變形量可達(dá)3 000～4 000 mm)時(shí)也可精確測(cè)量出斷層活動(dòng)產(chǎn)生的力(牛頓力)。這種錨索構(gòu)件的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 NPR錨索構(gòu)件組成示意圖(據(jù)文獻(xiàn)[4]改繪)Fig.1 Schematic diagram of NPR anchor cable components

利用跨斷層錨索測(cè)牛頓力的基本原理如圖2所示，把錨索安放在揭穿活動(dòng)斷層的鉆孔內(nèi)，高恒阻力大變形的構(gòu)件下端固定在斷層下盤，讓鋼絞線跨過(guò)斷層界面在斷層上盤通過(guò)鉆孔引伸到孔外，在孔口連接力學(xué)傳感器。當(dāng)斷層活動(dòng)時(shí)，力學(xué)傳感器把活動(dòng)信息通過(guò)北斗(BD)衛(wèi)星通信網(wǎng)傳遞到數(shù)據(jù)接收與處理中心；數(shù)據(jù)中心把測(cè)得的錨索位移量通過(guò)NPR錨索的變形量與受力關(guān)系換算出斷層面上作用的力大小。

這項(xiàng)新技術(shù)得到國(guó)家科技部的支持和資助，由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖石力學(xué)與地下工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(北京)負(fù)責(zé)并開始試驗(yàn)研究，已在山東郯廬斷裂帶的安丘段建站開始觀測(cè)，2020年計(jì)劃在云南程海-濱川斷裂帶再建兩個(gè)試驗(yàn)觀測(cè)站①，然后逐步在新疆等地推廣應(yīng)用。

圖2 跨斷層NPR錨索牛頓力測(cè)量系統(tǒng)示意圖(據(jù)文獻(xiàn)[4]改繪)Fig.2 Schematic diagram of Newton force measurement system for cross-fault NPR anchor

2.2 斷層帶釋放氣體與熱觀測(cè)新技術(shù)

斷層帶是地殼深部與地表之間物質(zhì)與能量交換的主要通道[5-6]，因此，斷層帶釋放的氣體與熱也必然攜帶有地殼深部構(gòu)造活動(dòng)(主要是斷層當(dāng)今活動(dòng))的信息。

2.2.1 斷層帶釋放氣體觀測(cè)新技術(shù)

斷層帶氣體觀測(cè)并不是新技術(shù)，早在八九十年代國(guó)內(nèi)外開始關(guān)注[7-9,5,10-12]，但由于觀測(cè)技術(shù)一直處于模擬觀測(cè)(定期取樣后再送實(shí)驗(yàn)室測(cè)試)階段，未能得到廣泛地應(yīng)用與發(fā)展，直到某些氣體的現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)數(shù)字化觀測(cè)儀器研發(fā)成功，本世紀(jì)第二個(gè)十年才開始得到發(fā)展與推廣應(yīng)用[13-14]，成為“新”的監(jiān)測(cè)斷層當(dāng)今活動(dòng)性的技術(shù)之一。

斷層帶釋放氣體與斷層活動(dòng)性的關(guān)系主要包括兩方面，第一是斷層受到力的作用而變形。受到的力為壓應(yīng)力時(shí)，由于斷層破碎帶孔隙率與透氣性變?nèi)醵鴾p少斷層氣的釋放量；受到張應(yīng)力作用時(shí)，由于斷層破碎帶孔隙率與透氣性變強(qiáng)而增高斷層氣的釋放量，其結(jié)果表現(xiàn)為斷層帶釋放的某些氣體濃度的異常變化；第二是斷層活動(dòng)時(shí)，錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)巖石發(fā)生破碎而釋放某些氣體或破碎巖石中的某些礦物與水發(fā)生水-巖相互作用而產(chǎn)生新的氣體，使其濃度升高。如花崗巖受到破裂或破碎時(shí)Rn的釋放量顯著升高[15]。又如含有硅酸鹽礦物的巖石受到破碎時(shí)，由于斷裂帶內(nèi)發(fā)生的水-巖相互作用而釋放出大量H2等[14]。無(wú)論是哪一種原因，斷層活動(dòng)會(huì)引起斷層帶釋放氣體的總量或某些組分的濃度變化。

此項(xiàng)新技術(shù)已在全國(guó)地震系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用[14]，北京、河北、山西、遼寧、黑龍江、吉林、山東、安徽、河南、四川、云南、新疆、陜西、寧夏等地區(qū)已建立相關(guān)的觀測(cè)站一百多處，觀測(cè)以H2為主的斷層帶土壤氣，有些省、市、區(qū)還開展Rn、CO2等的土壤氣觀測(cè)及井(泉)水逸出氣觀測(cè)。雖然觀測(cè)時(shí)間不長(zhǎng)，但已得到可喜的成果，尤其在一些中強(qiáng)以上地震前捕捉到與斷層活動(dòng)有關(guān)的異常信息(見(jiàn)圖3)。

圖3 一些中強(qiáng)地震前斷層帶釋放氣體H2的異常變化Fig.3 Anomalies of gas H2 released from fault zones before some moderately strong earthquakes

這種新技術(shù)的推廣應(yīng)用已初具規(guī)模，但監(jiān)測(cè)效果不很理想，多數(shù)測(cè)點(diǎn)上并未觀測(cè)到異常。分析其主要原因，首先，由于觀測(cè)區(qū)內(nèi)無(wú)地震活動(dòng)或觀測(cè)點(diǎn)斷裂當(dāng)今并不活動(dòng)；其次，觀測(cè)點(diǎn)位的選址、觀測(cè)孔結(jié)構(gòu)的設(shè)

計(jì)與施工、觀測(cè)儀器的某些性能及觀測(cè)方法等方面的技術(shù)還不夠完善。總之，筆者認(rèn)為，盡管還需多方面改進(jìn)與完善，但是監(jiān)測(cè)斷層當(dāng)今活動(dòng)性的新技術(shù)還是具有廣泛應(yīng)用前景的。

2.2.2 斷層帶釋放熱觀測(cè)新技術(shù)

地?zé)嵊^測(cè)在我國(guó)已有三十多年的歷史，目前已建立起規(guī)模較大的地?zé)嵊^測(cè)網(wǎng)。但這個(gè)觀測(cè)網(wǎng)的基本問(wèn)題是并非觀測(cè)純粹的地?zé)釀?dòng)態(tài)，而主要是井水溫動(dòng)態(tài)觀測(cè)。雖然有一定的地?zé)嵊^測(cè)意義，但兩種物理量及其動(dòng)態(tài)形成機(jī)制是不同的。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，井水溫動(dòng)態(tài)觀測(cè)不是地?zé)釀?dòng)態(tài)觀測(cè)，偶爾可觀測(cè)到與地?zé)峄顒?dòng)有一定關(guān)聯(lián)的溫度動(dòng)態(tài)。

目前，大多數(shù)觀測(cè)井中水溫傳感器放置在觀測(cè)含水層中或其之上的深度，在這種情況下，井水溫動(dòng)態(tài)觀測(cè)主要記錄到的是井-含水層間水流交替與井筒中水位升降引起的某一深度上的水溫變化，其動(dòng)態(tài)主要反映了地下水補(bǔ)給與排泄關(guān)系失衡引起的含水層中水量變化，或含水層受力狀態(tài)的變化引起的孔隙壓力的變化，大多與大地?zé)崃?地?zé)?的變化不相關(guān)[16]。

能夠真正反映地殼深部地?zé)釥顟B(tài)及其變化的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，無(wú)疑也應(yīng)通過(guò)斷層帶的熱觀測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。斷層帶是地殼深部熱上傳的主要通道，而且地殼深部熱動(dòng)態(tài)與斷層的當(dāng)今活動(dòng)密切相關(guān)。以世界著名的圣安德列斯斷層為例，該斷層可分為三段，各長(zhǎng)約500 km。當(dāng)今地震活動(dòng)主要出現(xiàn)在中段，大地?zé)崃鳒y(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)南、北兩段地?zé)嶂刀驾^低，而中段為當(dāng)今斷裂活動(dòng)性強(qiáng)的地段，上地?zé)嶂悼蛇_(dá)2 μcal/cm2.s，而且向兩側(cè)隨著與活動(dòng)斷裂距離增大逐漸變小到1 μcal/cm2.s左右(見(jiàn)圖4)[17]。如第55頁(yè)圖5所示，云南三江地區(qū)橫穿騰沖-下關(guān)-永仁的剖面上，數(shù)值模擬結(jié)果三條南北向斷裂帶(怒江斷裂、瀾滄江斷裂、哀牢山斷裂)上大地?zé)崃髦?4～5HFU)都明顯高于其他地區(qū)(1～2HFU)，高2～3倍[18]。

圖4 美國(guó)圣安德烈斯斷裂中段上的地?zé)岙惓17]Fig.4 Geothermal anomalies in the middle section of San Andreas fault in the United States

圖5 云南三江地區(qū)三條南北向深大斷裂帶上的地?zé)岙惓18]Fig.5 Geothermal anomalies on three north-south trending abyssal fault zones in sanjiang area,Yunnan province

斷層帶熱異常的另一個(gè)機(jī)制是斷層的錯(cuò)動(dòng)摩擦熱，已有一些學(xué)者研究了這種熱[17，19-20]，并給出斷層摩擦產(chǎn)生的熱(Q)計(jì)算式：

Q=τ·2V/2a或Q=γ·τ

，

(1)

式中：τ為斷層的摩擦阻力；2V為斷層面兩側(cè)巖體(層、塊)間的相對(duì)位移速度；2a為斷層帶的寬度；γ為斷層滑動(dòng)速率。按此式計(jì)算，當(dāng)斷層活動(dòng)速率為10 mm/a時(shí)，花崗巖地區(qū)地面下5 km深度產(chǎn)生的熱可達(dá)到6～7 mW/m2。斷層摩擦引起的溫度變化計(jì)算公式為：

(2)

式中：ρc為熱容量；其余與式(1)中符號(hào)的含義一致。此溫度可以達(dá)到很高。據(jù)臺(tái)灣集集1999年Ms7.6地震后斷層錯(cuò)動(dòng)帶上發(fā)現(xiàn)斷層錯(cuò)動(dòng)引起巖石可熔融，由此推斷摩擦產(chǎn)生的溫度高達(dá)800～1 000 ℃[21]；2011年3月日本東海Ms9.0地震兩年后，在發(fā)震斷裂測(cè)得的溫度較上下還高0.31 ℃[22]；2008年5月我國(guó)汶川Ms8.0地震發(fā)震斷裂上，震后一年半測(cè)得的溫度較上下高0.5 ℃[23]。

無(wú)論把斷層帶看作是熱通道還是熱源，當(dāng)斷層活動(dòng)時(shí)會(huì)引起地?zé)崤c地溫異常都是毋庸置疑的。因此，觀測(cè)斷層帶上熱或地溫動(dòng)態(tài)有可能監(jiān)測(cè)到斷層的當(dāng)今活動(dòng)并獲取地震前兆異常信息。根據(jù)陳順云等[24]的研究成果，2013年4月17日四川蘆山Ms7.0地震前幾天，布設(shè)在距震中約90～100 km外的鮮水河斷裂帶與雅拉河斷裂帶上的兩個(gè)基巖地溫觀測(cè)點(diǎn)，記錄到地溫的突降異常，降幅約0.002 ℃，比正常日變幅度大5～6倍。這樣的異常變化，無(wú)疑是一個(gè)強(qiáng)震孕育與發(fā)生之前，震中區(qū)及其外圍區(qū)域斷裂活動(dòng)引起的。

基于上述分析與實(shí)際觀測(cè)到的現(xiàn)象，筆者主張把斷層帶釋放熱(以大地?zé)崃饔^測(cè)為主，但也可包括地溫與水溫)觀測(cè)列為斷層當(dāng)今活動(dòng)性監(jiān)測(cè)的新技術(shù)加以研究與發(fā)展，還主張把斷層帶釋放氣體與釋放熱動(dòng)態(tài)綜合觀測(cè)，作為地震地下流體學(xué)科發(fā)展的新增長(zhǎng)點(diǎn)與推進(jìn)地震短臨預(yù)測(cè)科學(xué)難關(guān)的新突破口。

3 結(jié)論與討論

從防震減災(zāi)的時(shí)間尺度需求出發(fā)，斷層活動(dòng)性或活斷層研究的重點(diǎn)應(yīng)放在斷層的當(dāng)今活動(dòng)性監(jiān)測(cè)與研究上。斷層當(dāng)今活動(dòng)性監(jiān)測(cè)的技術(shù)已有較多，但以傳統(tǒng)的各類前兆觀測(cè)為代表的斷層活動(dòng)性監(jiān)測(cè)多受地表氣象、水文與人類活動(dòng)的影響，觀測(cè)到的信息中干擾信息大于斷層活動(dòng)信息；新興的GPS觀測(cè)則以監(jiān)測(cè)區(qū)域尺度上的構(gòu)造塊體活動(dòng)為目的，難以把握某一條斷裂某一段的當(dāng)今時(shí)間尺度內(nèi)的活動(dòng)狀態(tài)，因此，有必要發(fā)展新的觀測(cè)技術(shù)。

我國(guó)正在興起的三種斷層當(dāng)今活動(dòng)性監(jiān)測(cè)新技術(shù)值得關(guān)注。無(wú)論是跨斷層錨索牛頓力監(jiān)測(cè)還是斷層帶釋放氣體與釋放熱監(jiān)測(cè)，與已有的監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，其突出的優(yōu)點(diǎn)是觀測(cè)深度大，主要監(jiān)測(cè)來(lái)自深部(幾百～幾千米)的活動(dòng)信息，受地表氣象、水文、人類活動(dòng)的干擾較少，值得研究與推廣應(yīng)用。

當(dāng)然，任何新技術(shù)剛出現(xiàn)時(shí)總會(huì)是不完善的，需要做大量的試驗(yàn)觀測(cè)，積累一定時(shí)間長(zhǎng)度的觀測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析觀測(cè)到的動(dòng)態(tài)中可能存在的影響因素及其特征，排除干擾信息，才可獲取“純”的斷層當(dāng)今活動(dòng)信息。筆者相信，這類新技術(shù)的推廣與應(yīng)用，一定能有效地縮短斷層當(dāng)今活動(dòng)性監(jiān)測(cè)的時(shí)間尺度，提升地震前兆監(jiān)測(cè)與地震預(yù)測(cè)的水平與能力，有效推進(jìn)防震減災(zāi)事業(yè)；同時(shí)也對(duì)某些地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和防治，對(duì)環(huán)境保護(hù)等也有積極的意義。

在文章編寫工作中，得到中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)陶志剛教授、北京輝煌共贏科技有限公司李啟輝經(jīng)理、中國(guó)地震局地質(zhì)研究所順民、陳有順與魚金子研究員、楊竹轉(zhuǎn)博士及中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所賈鴻飛副研究員的大力支持與協(xié)助，在此深表謝意！