劉琦　李臘月　胡樂(lè)銀

摘要：為掌握北京及周邊地區(qū)跨斷層形變觀測(cè)場(chǎng)地目前的效能情況，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確研判該區(qū)域地震危險(xiǎn)性，降低未來(lái)地震可能造成的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，綜合考慮跨斷層場(chǎng)地監(jiān)測(cè)條件和地震預(yù)測(cè)效能兩方面設(shè)計(jì)了觀測(cè)站網(wǎng)評(píng)估方案，分別從場(chǎng)地監(jiān)測(cè)環(huán)境、監(jiān)測(cè)有效性、地下水位變化及地表沉降影響、場(chǎng)地預(yù)測(cè)配套性、最優(yōu)預(yù)測(cè)指標(biāo)效能和區(qū)域變形配套性等方面開(kāi)展研究，給出了北京及周邊地區(qū)跨斷層形變站網(wǎng)的綜合評(píng)估結(jié)果及后續(xù)站網(wǎng)優(yōu)化建議。結(jié)果表明：①目前北京及周邊地區(qū)的跨斷層場(chǎng)地對(duì)區(qū)域內(nèi)大多數(shù)主要斷層具有較好的監(jiān)測(cè)能力和地震預(yù)測(cè)效能，但八寶山—黃莊—高麗營(yíng)斷裂上多數(shù)觀測(cè)場(chǎng)地監(jiān)測(cè)條件相對(duì)較差，預(yù)測(cè)效能普遍偏低，建議選擇該斷裂的其它位置補(bǔ)充新建若干觀測(cè)場(chǎng)地。②除了斷裂構(gòu)造，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等也對(duì)觀測(cè)場(chǎng)地效能有重要影響，后續(xù)新場(chǎng)地選址時(shí)需要重點(diǎn)考慮這些因素。

關(guān)鍵詞：跨斷層觀測(cè)；地震預(yù)測(cè)效能；監(jiān)測(cè)條件；地下水位；構(gòu)造環(huán)境；北京

中圖分類號(hào)：P315.727文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2023）04-0491-12

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0055

0引言

北京是中國(guó)的政治、文化、國(guó)際交往和科技創(chuàng)新中心，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密，同時(shí)北京及周邊地區(qū)也是強(qiáng)震活動(dòng)較為頻繁的區(qū)域之一，歷史上曾發(fā)生過(guò)1679年三河—平谷8級(jí)地震及多次6級(jí)以上地震（蔣銘，馬宗晉，1985；張國(guó)民等，1988），特別是新中國(guó)成立以來(lái)該區(qū)域發(fā)生了1978年唐山7.8級(jí)和灤縣7.1級(jí)地震，造成了24萬(wàn)多人死亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，針對(duì)北京及周邊地區(qū)具備強(qiáng)震孕震能力的主要斷層，開(kāi)展有效地?cái)鄬舆\(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，捕捉地震孕育過(guò)程中可能的異?，F(xiàn)象，對(duì)準(zhǔn)確研判區(qū)域的地震危險(xiǎn)性具有重要意義，針對(duì)現(xiàn)有的斷層形變觀測(cè)開(kāi)展監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)效能評(píng)估是尤為重要的環(huán)節(jié)。

早在20世紀(jì)60年代前后，北京及周邊地區(qū)已開(kāi)始陸續(xù)布設(shè)跨斷層的形變觀測(cè)場(chǎng)地，經(jīng)過(guò)數(shù)十年不斷的發(fā)展，目前已經(jīng)有20多個(gè)場(chǎng)地，積累了數(shù)十年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)這些場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)環(huán)境以及實(shí)際的地震預(yù)測(cè)效能，前人已開(kāi)展了大量的研究（陸明勇等，2011，2013，2018），中國(guó)地震局也曾組織相關(guān)單位進(jìn)行評(píng)估分析和站網(wǎng)改造方案設(shè)計(jì)。由于觀測(cè)環(huán)境處于動(dòng)態(tài)變化之中，特別是隨著城市化發(fā)展的穩(wěn)步推進(jìn)，以往研究中沒(méi)有充分考慮的一些影響因素也變得突出，例如華北地區(qū)相對(duì)匱乏的水量補(bǔ)給和不斷提升的用水需求之間的矛盾劇增，造成了超量開(kāi)采地下水的問(wèn)題。受此影響，華北平原成為中國(guó)沉降速率和影響面積最大的地區(qū)，局部地區(qū)的累積沉降量甚至超過(guò)了3.4 m，北京地區(qū)的最大累積沉積量超過(guò)1.4 m（何慶成等，2006；楊艷，2015；郭海朋等，2017），因此在分析北京及周邊地區(qū)跨斷層觀測(cè)條件時(shí)，需要考慮這種地下水位變化及其引發(fā)的區(qū)域性沉降所帶來(lái)的影響。地下水儲(chǔ)量、水位變化等的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及區(qū)域水準(zhǔn)、GNSS、InSAR等觀測(cè)資料的積累為深入開(kāi)展相關(guān)影響的分析提供了重要基礎(chǔ)（梁芳等，2013；孫啟凱等，2017；Zhang et al，2019；史珉等，2021；Bai et al，2022；Li et al，2022）。

以往的地震異常判識(shí)和預(yù)測(cè)效能評(píng)估大多基于定性認(rèn)識(shí)，專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)果有重要影響。近幾年在中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司和地殼形變分析預(yù)報(bào)技術(shù)管理組的統(tǒng)一組織下，相關(guān)信息提取、異常確定、效能評(píng)估等的定量方法得到了長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2020），并且已經(jīng)開(kāi)始在業(yè)務(wù)中進(jìn)行推廣應(yīng)用，為開(kāi)展跨斷層場(chǎng)地的預(yù)測(cè)效能評(píng)估提供了重要可靠的方法基礎(chǔ)。

因此，本文在充分考慮前人已有研究基礎(chǔ)上，針對(duì)北京及周邊地區(qū)跨斷層形變觀測(cè)站網(wǎng)設(shè)計(jì)了評(píng)估方案，從跨斷層場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)條件以及地震預(yù)測(cè)效能兩方面開(kāi)展綜合評(píng)估，給出綜合評(píng)估結(jié)果，針對(duì)關(guān)鍵性的影響因素進(jìn)行了分析討論，提出了未來(lái)北京及周邊地區(qū)跨斷層形變站網(wǎng)的優(yōu)化建議。

北京及周邊地區(qū)的跨斷層形變測(cè)量始于20世紀(jì)60年代末，目前，共有跨斷層觀測(cè)場(chǎng)地27處，其中流動(dòng)場(chǎng)地25處、定點(diǎn)臺(tái)站2個(gè)，觀測(cè)場(chǎng)地遍及NW走向的南口—孫河斷裂、施莊斷裂、淶水—高碑店斷裂以及NE走向延礬盆地北緣斷裂、南口山前斷裂、紫荊關(guān)斷裂、黃莊—高麗營(yíng)斷裂、夏墊斷裂、唐山斷裂等多條主要活動(dòng)斷裂（圖1）。為給出當(dāng)前北京及周邊地區(qū)跨斷層場(chǎng)地監(jiān)測(cè)條件較為客觀的評(píng)估結(jié)果，本文將從場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)環(huán)境、監(jiān)測(cè)有效性、地下水位變化及地表沉降影響等幾個(gè)方面開(kāi)展評(píng)估分析。

1.1監(jiān)測(cè)環(huán)境評(píng)估

參考中國(guó)地震局相關(guān)單位前期工作基礎(chǔ)以及前人的研究成果，針對(duì)北京及周邊地區(qū)的跨斷層形變場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)環(huán)境開(kāi)展定性評(píng)估，主要考慮測(cè)樁類型、是否跨過(guò)目標(biāo)斷層、周圍是否存在顯著干擾等因素。場(chǎng)地監(jiān)測(cè)環(huán)境評(píng)估的具體準(zhǔn)則為：當(dāng)同時(shí)滿足測(cè)樁類型為基巖、觀測(cè)跨過(guò)目標(biāo)斷層、周邊無(wú)顯著干擾3個(gè)條件時(shí)，定為A類；當(dāng)上述條件同時(shí)滿足2個(gè)時(shí)，定為B類；當(dāng)上述條件只滿足一個(gè)或都不滿足時(shí)，定為C類，評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表1。由于不同研究所考慮的因素存在一定差異，并且近幾年部分場(chǎng)地經(jīng)過(guò)了升級(jí)改造，周邊環(huán)境也有一定變化，因此本文與前人的結(jié)果存在部分差異，但總體較為一致。北京及周邊地區(qū)跨斷層場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)環(huán)境整體較好，其中A類場(chǎng)地14處，B類場(chǎng)地8處，合計(jì)占總場(chǎng)地?cái)?shù)的81.5%。

1.2監(jiān)測(cè)有效性評(píng)估

跨斷層形變觀測(cè)的目的是監(jiān)測(cè)斷層運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化，從而為地震預(yù)測(cè)提供可靠參考。因此，能否有效反映真實(shí)的斷層運(yùn)動(dòng)，是評(píng)估跨斷層場(chǎng)地監(jiān)測(cè)條件的一項(xiàng)重要指標(biāo)。針對(duì)跨斷層場(chǎng)地監(jiān)測(cè)有效性的評(píng)估，一方面可以直接基于原始觀測(cè)曲線定性判斷斷層活動(dòng)特征，另一方面可以基于幾何關(guān)系公式定量計(jì)算斷層活動(dòng)參數(shù)，從而分析斷層活動(dòng)特征（薄萬(wàn)舉等，1998；李臘月等，2016）。為此，筆者設(shè)定了跨斷層場(chǎng)地監(jiān)測(cè)有效性的評(píng)估準(zhǔn)則：從長(zhǎng)趨勢(shì)背景運(yùn)動(dòng)角度，若原始觀測(cè)曲線及計(jì)算的活動(dòng)參數(shù)結(jié)果反映的斷層活動(dòng)方式與地質(zhì)學(xué)給出的斷層背景活動(dòng)一致，則定為A類；若原始觀測(cè)曲線及計(jì)算的活動(dòng)參數(shù)結(jié)果反映的斷層活動(dòng)方式有小幅波動(dòng)，但整體上與地質(zhì)學(xué)給出的斷層背景活動(dòng)一致，則定為B類；若原始觀測(cè)曲線及計(jì)算的活動(dòng)參數(shù)結(jié)果反映的斷層活動(dòng)方式不明確，或與地質(zhì)學(xué)、其它手段給出的斷層背景活動(dòng)不一致，則定為C類。

針對(duì)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，選用起始年的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為參考基準(zhǔn)，利用每年某個(gè)月份的測(cè)值減去基準(zhǔn)年對(duì)應(yīng)月份的測(cè)值，計(jì)算每年在基準(zhǔn)年基礎(chǔ)上的累積水準(zhǔn)觀測(cè)變化量Δh，Δh>0表示正斷層活動(dòng)，上盤下降；Δh<0表示逆斷層活動(dòng)，上盤上升。經(jīng)過(guò)該處理，基本可以消除季節(jié)變化等因素引起的年變影響，得到的斷層垂直升降累積量能相對(duì)客觀地描述斷層在觀測(cè)期內(nèi)的活動(dòng)狀態(tài)。

針對(duì)各跨斷層形變場(chǎng)地開(kāi)展相關(guān)斷層活動(dòng)參數(shù)計(jì)算，結(jié)合已有地質(zhì)研究結(jié)果（高文學(xué)，馬瑾，1993；郝書儉，尤惠川，2001；徐錫偉等，2002；尤惠川等，2002；張世民等，2007；查明等，2011；楊海盟等，2014），依據(jù)上述準(zhǔn)則進(jìn)行跨斷層場(chǎng)地監(jiān)測(cè)有效性的評(píng)估，具體評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表2，其中A、B類場(chǎng)地共計(jì)14處，占總場(chǎng)地?cái)?shù)的51.9%。密云、墻子路、八寶山、狼山、淶水、南孟、寧河、小寺沖等場(chǎng)地監(jiān)測(cè)有效性相對(duì)較差，主要和場(chǎng)地監(jiān)測(cè)環(huán)境相對(duì)較差、所處斷層活動(dòng)性相對(duì)較弱等有關(guān)，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)與地質(zhì)運(yùn)動(dòng)背景不一致的情況。另外，古北口、鎮(zhèn)羅營(yíng)、南口、百善、京西實(shí)驗(yàn)場(chǎng)等場(chǎng)地所跨斷裂以走滑運(yùn)動(dòng)為主，但目前僅有水準(zhǔn)觀測(cè)，無(wú)法有效監(jiān)測(cè)斷層的主要運(yùn)動(dòng)方式。

1.3地下水位變化及地表沉降的影響評(píng)估

地下水位下降一方面可以造成區(qū)域局部發(fā)生顯著的地表沉降，進(jìn)而可能對(duì)周邊的觀測(cè)產(chǎn)生影響；另一方面，水位變化本身也可能對(duì)相關(guān)的觀測(cè)直接造成影響，因此在分析過(guò)程中筆者同時(shí)考慮了上述兩種影響過(guò)程。前人研究已經(jīng)給出了1959—2016年研究區(qū)的淺層地下水位累積變化分布結(jié)果（Pang et al，2020；竇甜甜等，2022），在此基礎(chǔ)上，筆者基于該區(qū)域覆蓋相對(duì)完整的InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果（史珉等，2021），同時(shí)提取了2016—2018年地表沉降速率相對(duì)較高（大于50 mm/a）的區(qū)域（圖2）。由于淺層地下水位變化結(jié)果是近60年的累積變化量，地表沉降速率僅為近幾年較短時(shí)間內(nèi)的結(jié)果，因此二者的高值區(qū)在細(xì)節(jié)上存在一定差異，但整體分布具有一致性，顯示了超量開(kāi)采地下水對(duì)區(qū)域地表快速沉降現(xiàn)象的控制作用?？傮w上來(lái)看，淺層地下水位下降和地表沉降最為突出的區(qū)域主要集中在研究區(qū)的中部及南部。

根據(jù)空間分布關(guān)系初步分析，密云、德勝口、南口、百善、八寶山、淶水、南孟、唐山等場(chǎng)地位于淺層地下水位累積下降最為顯著的區(qū)域附近，可能會(huì)受其影響，其中百善、南孟等場(chǎng)地還同時(shí)位于近幾年地表沉降較快的區(qū)域附近，受影響程度可能更加嚴(yán)重。在此基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)一步分析相關(guān)影響的時(shí)間過(guò)程，考慮到地表沉降產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程與地下水開(kāi)采過(guò)程基本保持同步且略滯后（何慶成等，2006；楊艷等，2010，2013），因此可以利用地下水儲(chǔ)量時(shí)序變化來(lái)表示地下水位、地表沉降的變化過(guò)程，并通過(guò)與跨斷層觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)分析地下水位、地表沉降等因素對(duì)跨斷層場(chǎng)地的實(shí)際影響。在初步判定為受影響的場(chǎng)地中，密云、德勝口、南口、百善、八寶山、淶水、唐山等場(chǎng)地的觀測(cè)數(shù)據(jù)并未表現(xiàn)出與地下水儲(chǔ)量較為同步的變化過(guò)程，即未受其顯著控制（圖3a），僅南孟場(chǎng)地受影響較為嚴(yán)重（圖3b），這可能主要與場(chǎng)地局部地質(zhì)環(huán)境特征以及測(cè)樁類型是否為基巖有關(guān)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，除了南孟場(chǎng)地之外，京西實(shí)驗(yàn)場(chǎng)、大灰廠、上萬(wàn)、?？谟葓?chǎng)地的觀測(cè)背景變化與水儲(chǔ)量的變化一致性也較好（圖3c）。上述場(chǎng)地周邊雖然沒(méi)有淺層地下水位顯著下降區(qū)和地表快速沉降區(qū)，但是明顯受到水儲(chǔ)量變化的直接影響，造成這種現(xiàn)象的可能原因在后文做進(jìn)一步討論。綜合上述地下水位變化及地表沉降對(duì)跨斷層觀測(cè)的實(shí)際影響程度，將南孟、京西實(shí)驗(yàn)場(chǎng)、大灰廠、上萬(wàn)、?？谟?處場(chǎng)地定為C類，密云、德勝口、南口、百善、八寶山、淶水、唐山7處場(chǎng)地定為B類，其它15處場(chǎng)地定為A類，A類場(chǎng)地?cái)?shù)占總場(chǎng)地?cái)?shù)的55.6%。

2地震預(yù)測(cè)效能評(píng)估

2.1基于單測(cè)項(xiàng)單方法的預(yù)測(cè)效能定量評(píng)估

跨斷層觀測(cè)能否監(jiān)測(cè)到可靠的地震前兆異常變化是場(chǎng)地評(píng)估中需要重點(diǎn)考慮的因素。歷史震例資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，一些跨斷層觀測(cè)在多次地震前都曾記錄到顯著的異常變化，并且異常主要以趨勢(shì)轉(zhuǎn)折、破年變、速率變化、超閾值變化等為主（曹建玲等，2016；陳長(zhǎng)云等，2016；李瑞莎等，2016）。因此，針對(duì)單個(gè)場(chǎng)地的單個(gè)測(cè)項(xiàng)，分別利用趨勢(shì)轉(zhuǎn)折、破年變、速率、閾值等方法的不同算法（洪敏等，2019）進(jìn)行相應(yīng)特征信息的提取，并利用R值檢驗(yàn)方法進(jìn)行最優(yōu)預(yù)測(cè)指標(biāo)的自動(dòng)確定以及預(yù)測(cè)效能的定量評(píng)估（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2020）。

R值檢驗(yàn)是目前在地震預(yù)報(bào)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一種效能評(píng)估方法，綜合考慮了有震報(bào)準(zhǔn)率、無(wú)震報(bào)準(zhǔn)率、漏報(bào)率、虛報(bào)率等評(píng)估因素，通過(guò)不同因素的組合和折中給出相應(yīng)的效能評(píng)估結(jié)果（國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司，1990）。由于上述因素并非完全獨(dú)立，所以R值檢驗(yàn)有多種等價(jià)的表達(dá)形式，常用的一種形式如下：R=有震報(bào)準(zhǔn)率-預(yù)報(bào)占時(shí)率=

（報(bào)對(duì)的地震次數(shù)/應(yīng)預(yù)報(bào)的地震總次數(shù)）-（預(yù)報(bào)占用時(shí)間/研究的總時(shí)間）（3）當(dāng)指定了目標(biāo)震級(jí)范圍、空間范圍及預(yù)報(bào)時(shí)窗后，通過(guò)調(diào)整不同的異常閾值就可以對(duì)應(yīng)不同的有震報(bào)準(zhǔn)率和預(yù)報(bào)占時(shí)率組合，進(jìn)而獲得不同的R值，從中選擇R值最高所對(duì)應(yīng)的異常閾值作為該指定預(yù)報(bào)規(guī)則下（特定的震級(jí)、空間、時(shí)間范圍）的相對(duì)最優(yōu)閾值。綜合所有預(yù)報(bào)規(guī)則下的評(píng)估結(jié)果，就可以確定最優(yōu)的異常閾值、相應(yīng)的預(yù)報(bào)規(guī)則及預(yù)測(cè)效能。

選取了1970—2020年北京及周邊地區(qū)（38.5°～42°N，112°～119°E）5級(jí)以上地震用于效能檢驗(yàn)，共計(jì)16次地震事件。首次為1976年4月6日內(nèi)蒙古和林格爾6.2級(jí)地震，末次為2020年7月12日河北唐山5.1級(jí)地震，1976年7月28日河北唐山7.8級(jí)、灤縣7.1級(jí)以及震后短期內(nèi)5級(jí)以上余震作為1次地震事件，1989年10月18—19日山西大同5級(jí)震群同樣作為1次地震事件。

R值同時(shí)考慮了有震報(bào)準(zhǔn)率和預(yù)報(bào)占時(shí)率，表示扣除了隨機(jī)概率后的預(yù)報(bào)成功率，當(dāng)R=0時(shí)表示預(yù)報(bào)沒(méi)有起作用。一般除了考慮R值大小外，還需要考慮其信度。同樣的R值，當(dāng)其基于的地震次數(shù)不一樣時(shí)，信度也不一樣，因此需要考慮R0值，即保證97.5%的置信度的最低R值。當(dāng)R≥R0時(shí)，可以認(rèn)為這個(gè)R值至少有97.5%的置信度（國(guó)家地震局科技監(jiān)測(cè)司，1990）。筆者依據(jù)通過(guò)效能及置信度檢驗(yàn)（R>0且R≥R0）的測(cè)項(xiàng)-方法數(shù)來(lái)評(píng)估場(chǎng)地預(yù)測(cè)配套性，通過(guò)數(shù)越多表明預(yù)測(cè)配套性越好，越有利于在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中綜合評(píng)估地震危險(xiǎn)性：通過(guò)數(shù)≤4的場(chǎng)地定義其預(yù)測(cè)配套性為C類；5≤通過(guò)數(shù)≤10的場(chǎng)地定義為B類，通過(guò)數(shù)＞10的場(chǎng)地定義為A類。

眾多通過(guò)檢驗(yàn)的測(cè)項(xiàng)-方法中最優(yōu)預(yù)測(cè)指標(biāo)的效能同樣具有重要的評(píng)估意義，這代表了“王牌”手段的預(yù)測(cè)能力：所有測(cè)項(xiàng)-方法均未通過(guò)檢驗(yàn)，或最優(yōu)測(cè)項(xiàng)-方法的R值通過(guò)檢驗(yàn)，但R≤0.3的場(chǎng)地定義其最優(yōu)預(yù)測(cè)指標(biāo)效能為C類；最優(yōu)測(cè)項(xiàng)-方法的R值通過(guò)檢驗(yàn)，并且0.3＜R≤0.5的場(chǎng)地定義為B類；最優(yōu)測(cè)項(xiàng)-方法的R值通過(guò)檢驗(yàn)，并且R＞0.5的場(chǎng)地定義為A類。

表3給出了基于單測(cè)項(xiàng)單方法的場(chǎng)地預(yù)測(cè)效能評(píng)估結(jié)果，場(chǎng)地預(yù)測(cè)配套性A類有6處場(chǎng)地，B類5處，合計(jì)占總場(chǎng)地?cái)?shù)40.7%；最優(yōu)預(yù)測(cè)指標(biāo)效能A類有8處場(chǎng)地，B類9處，合計(jì)占總場(chǎng)地?cái)?shù)的63.0%，比預(yù)測(cè)配套性的比例更高，表明部分場(chǎng)地雖然異常配套性較差，但是具備一些“王牌”的預(yù)測(cè)手段，仍然可以在實(shí)際的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中發(fā)揮重要作用。

2.2基于區(qū)域變形配套性的預(yù)測(cè)效能評(píng)估

在區(qū)域統(tǒng)一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，關(guān)聯(lián)的斷層系統(tǒng)往往會(huì)出現(xiàn)協(xié)同性的運(yùn)動(dòng)，顯示出對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化的敏感響應(yīng)。通過(guò)監(jiān)測(cè)關(guān)聯(lián)斷層系統(tǒng)整體的斷層運(yùn)動(dòng)變化，有助于了解區(qū)域大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整過(guò)程，對(duì)于準(zhǔn)確研判未來(lái)一段時(shí)期區(qū)域整體的強(qiáng)震趨勢(shì)具有重要意義。

跨斷層形變觀測(cè)在監(jiān)測(cè)斷層運(yùn)動(dòng)方面一直發(fā)揮著重要作用，目前主要是基線和水準(zhǔn)觀測(cè)兩類?；€觀測(cè)由于所跨斷層走向、基線方位、斷層運(yùn)動(dòng)方式等的不同，直接進(jìn)行有物理含義的區(qū)域綜合難度較大，而水準(zhǔn)觀測(cè)因?yàn)橹环从硵鄬哟瓜蛏系倪\(yùn)動(dòng)變化，所以是進(jìn)行區(qū)域綜合比較好的選擇。

北京及周邊地區(qū)跨斷層場(chǎng)地都具有水準(zhǔn)觀測(cè)，為開(kāi)展基于區(qū)域變形配套性的預(yù)測(cè)效能評(píng)估提供了基礎(chǔ)。筆者使用垂直形變速率合成方法進(jìn)行計(jì)算（焦青，周俊萍，1998；蘇琴，2005；張晶等，2012），按照跨斷層場(chǎng)地的區(qū)域集中程度、地質(zhì)背景以及構(gòu)造相關(guān)性等，主要分成首都圈西北部、首都圈東北部、八寶山斷裂相關(guān)區(qū)域3個(gè)區(qū)域（圖2）開(kāi)展計(jì)算分析。首都圈西北部包含狼山、施莊、土木、小水峪、沿河城、燕家臺(tái)、張山營(yíng)等場(chǎng)地（小寺沖場(chǎng)地觀測(cè)時(shí)間較短，未參與合成計(jì)算）；首都圈東北部包含北石城、德勝口、古北口、密云、南口、墻子路、張家臺(tái)、鎮(zhèn)羅營(yíng)等場(chǎng)地（百善場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量較差，未參與合成計(jì)算）；八寶山斷裂相關(guān)區(qū)域包含八寶山、大灰廠、牛口峪、京西實(shí)驗(yàn)場(chǎng)、上萬(wàn)等場(chǎng)地，區(qū)域南部相對(duì)零散的場(chǎng)地未進(jìn)行考慮。

3個(gè)區(qū)域的垂直形變速率合成結(jié)果表現(xiàn)出明顯差異，首都圈西北部的計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)2個(gè)顯著的活動(dòng)時(shí)段（圖4a）：一是1970—1979年，在該時(shí)段末期發(fā)生了1976年唐山7.8級(jí)、灤縣7.1級(jí)地震及多次5級(jí)以上余震，該時(shí)段區(qū)域斷層系統(tǒng)整體相對(duì)活動(dòng)反映了唐山、灤縣大地震前區(qū)域孕震應(yīng)力環(huán)境變化以及后續(xù)的震后調(diào)整；二是1985—1999年，持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，期間區(qū)域內(nèi)雖未發(fā)生大地震，但是中強(qiáng)地震持續(xù)活躍，發(fā)生了9次5級(jí)以上地震，主要集中在山西帶北段和張渤帶西段。之后區(qū)域斷層運(yùn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，期間地震活動(dòng)也相對(duì)平靜，僅發(fā)生1次2006年文安5.1級(jí)地震；隨后2011年日本9.0級(jí)地震對(duì)該區(qū)域產(chǎn)生了持續(xù)深遠(yuǎn)的影響，期間區(qū)域內(nèi)5級(jí)地震長(zhǎng)時(shí)間平靜可能與日本地震震后引起的區(qū)域應(yīng)力、斷層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的調(diào)整過(guò)程有關(guān)（張貝等，2015）；2020年唐山5.1級(jí)地震前后，區(qū)域斷層運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)再次表現(xiàn)出一定的活躍跡象，可能指示了日本地震的影響正趨于結(jié)束。整體來(lái)看，該區(qū)域的斷層垂直形變速率合成結(jié)果對(duì)于區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整較為敏感，能夠相對(duì)準(zhǔn)確地反映區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)趨勢(shì)，各觀測(cè)場(chǎng)地的變形配套性相對(duì)較好。

首都圈東北部的計(jì)算結(jié)果同樣呈現(xiàn)兩個(gè)顯著的活動(dòng)時(shí)段（圖4b）：一是1976—1979年，主要反映了唐山、灤縣大地震后的調(diào)整過(guò)程，并且受震后影響的程度明顯高于首都圈西北部的結(jié)果，而對(duì)于震前應(yīng)力環(huán)境的演化過(guò)程反而不是特別敏感；二是1985—1999年，顯示了與首都圈西北部類似的演化過(guò)程。之后該區(qū)域結(jié)果同樣顯示了相對(duì)平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及日本地震對(duì)于區(qū)域應(yīng)力、斷層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響；該區(qū)域垂直形變速率合成結(jié)果在2021年下半年表現(xiàn)為高值變化，可能與2021年北京市出現(xiàn)的近幾十年內(nèi)最強(qiáng)降雨這類罕見(jiàn)氣象條件有關(guān)，屬于干擾因素的影響。因此，對(duì)比首都圈西北部的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本區(qū)域結(jié)果對(duì)個(gè)別區(qū)域應(yīng)力調(diào)整過(guò)程不敏感，并且易受干擾因素影響，表明該區(qū)域各場(chǎng)地的區(qū)域變形配套性略差。

與前兩個(gè)區(qū)域相比，八寶山斷裂相關(guān)區(qū)域的計(jì)算結(jié)果從1990年前后開(kāi)始整體波動(dòng)加劇，并未表現(xiàn)出與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整以及周邊中強(qiáng)地震明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖4c）。從針對(duì)各場(chǎng)地受地下水位變化及地表沉降影響的分析結(jié)果可知，該區(qū)參與計(jì)算的多個(gè)場(chǎng)地受影響嚴(yán)重（圖2），計(jì)算結(jié)果的不穩(wěn)定可能與地下水儲(chǔ)量快速變化，導(dǎo)致不同觀測(cè)場(chǎng)地出現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)整運(yùn)動(dòng)有關(guān)（圖3c）。另外，該區(qū)域結(jié)果同樣受到2021年極端天氣的影響，并且受影響程度比首都圈東北部的結(jié)果更嚴(yán)重。整體來(lái)看，八寶山斷裂相關(guān)區(qū)域的觀測(cè)場(chǎng)地其區(qū)域變形配套性所反映的效能最差。

在上述分析基礎(chǔ)上，筆者采用類似2.1節(jié)的方式進(jìn)行區(qū)域垂直形變速率合成結(jié)果的預(yù)測(cè)效能定量評(píng)估（表4），定量評(píng)估結(jié)果與定性分析的認(rèn)識(shí)一致。綜合上述結(jié)果，將首都圈西北部參與計(jì)算場(chǎng)地的區(qū)域變形配套性定為A類，首都圈東北部參與計(jì)算場(chǎng)地定為B類，八寶山斷裂相關(guān)區(qū)域參與計(jì)算場(chǎng)地以及未參與上述3個(gè)區(qū)域計(jì)算的其它場(chǎng)地均定為C類。A類場(chǎng)地7個(gè)、B類場(chǎng)地8個(gè)，合計(jì)占總場(chǎng)地?cái)?shù)的55.6%。

3討論

圖5給出了綜合場(chǎng)地監(jiān)測(cè)條件以及預(yù)測(cè)效能的北京及周邊地區(qū)跨斷層場(chǎng)地最終評(píng)估結(jié)果。該結(jié)果表現(xiàn)出幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

（1）跨斷層場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)條件對(duì)于其地震預(yù)測(cè)效能具有較大影響，監(jiān)測(cè)條件相對(duì)較差的場(chǎng)地其預(yù)測(cè)效能各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)普遍偏低。

（2）區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的差異對(duì)場(chǎng)地監(jiān)測(cè)條件有較大影響，進(jìn)而影響其預(yù)測(cè)效能。整體來(lái)看，位于山地基巖區(qū)的場(chǎng)地觀測(cè)條件相對(duì)較好，預(yù)測(cè)效能普遍較高，位于平原區(qū)沉積層之上的場(chǎng)地則容易受各種干擾因素影響，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)條件較差，預(yù)測(cè)效能普遍偏低。

（3）區(qū)域局部的水文地質(zhì)條件差異對(duì)其附近場(chǎng)地受地下水超采、強(qiáng)降雨等影響的顯著程度可能具有重要控制作用。實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)受地下水儲(chǔ)量變化顯著影響的京西實(shí)驗(yàn)場(chǎng)、大灰廠、上萬(wàn)、?？谟葓?chǎng)地，在空間上并未處于淺層地下水位下降和地表沉降最為突出的區(qū)域（圖2）。基于區(qū)域水文地質(zhì)研究結(jié)果分析（雷坤超等，2016；Lei et al，2021），造成這種現(xiàn)象的原因可能與上述場(chǎng)地位于單一砂礫含水層上方有關(guān)，這同時(shí)造成了上述場(chǎng)地對(duì)于強(qiáng)降雨影響也較為敏感。

前人研究已經(jīng)揭示了不同觀測(cè)臺(tái)站或場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)能力及其對(duì)地震前兆異常的敏感程度存在顯著差異，臺(tái)站或場(chǎng)地所處的斷裂構(gòu)造位置可能起到主要作用，特別是在斷裂端點(diǎn)、拐點(diǎn)與交匯點(diǎn)等構(gòu)造復(fù)雜、應(yīng)力較易集中的區(qū)域，觀測(cè)臺(tái)站較為敏感（車用太，1990；焦明若，張國(guó)民，1998；劉琦等，2016），而且不同運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的斷層優(yōu)勢(shì)的敏感觀測(cè)區(qū)域可能也不同（馬棟等，2019），這些認(rèn)識(shí)也得到了巖石破裂實(shí)驗(yàn)等的支持（馬瑾等，2007）。本文的研究進(jìn)一步顯示了區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等對(duì)觀測(cè)臺(tái)站或場(chǎng)地的監(jiān)測(cè)能力及預(yù)測(cè)效能等的影響，因此在后續(xù)針對(duì)北京及周邊地區(qū)觀測(cè)站網(wǎng)布局的優(yōu)化改造中，除了考慮斷裂構(gòu)造等因素，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等同樣需要重點(diǎn)考慮。

4結(jié)論

本文針對(duì)北京及周邊地區(qū)的跨斷層觀測(cè)場(chǎng)地嘗試綜合考慮監(jiān)測(cè)條件、預(yù)測(cè)效能進(jìn)行評(píng)估，分別從監(jiān)測(cè)環(huán)境、監(jiān)測(cè)有效性、地下水位變化/地表沉降影響以及場(chǎng)地預(yù)測(cè)配套性、最優(yōu)預(yù)測(cè)指標(biāo)效能、區(qū)域變形配套性等方面開(kāi)展了詳細(xì)的研究和分析討論?；诰C合評(píng)估結(jié)果，主要獲得以下結(jié)論：

（1）北京及周邊地區(qū)的跨斷層場(chǎng)地布設(shè)對(duì)區(qū)域內(nèi)大多數(shù)主要斷層具有較好的監(jiān)測(cè)能力，并有較好的地震預(yù)測(cè)效能。

（2）八寶山—黃莊—高麗營(yíng)斷裂多數(shù)場(chǎng)地（例如八寶山、京西實(shí)驗(yàn)場(chǎng)、大灰廠、上萬(wàn)、?？谟龋┠壳氨O(jiān)測(cè)條件相對(duì)較差，預(yù)測(cè)效能普遍偏低，建議針對(duì)該斷裂選擇其它合適的斷層段位置補(bǔ)充新建若干跨斷層觀測(cè)場(chǎng)地。

（3）基于評(píng)估結(jié)果，建議停測(cè)百善、南孟、寧河、淶水、京西實(shí)驗(yàn)場(chǎng)、大灰廠等預(yù)測(cè)效能較低且監(jiān)測(cè)條件一般的場(chǎng)地。

（4）考慮所跨斷層的主要運(yùn)動(dòng)方式，建議古北口、鎮(zhèn)羅營(yíng)、南口等場(chǎng)地增加基線觀測(cè)，以有效監(jiān)測(cè)所跨斷層的斷層運(yùn)動(dòng)。

（5）后續(xù)若要補(bǔ)充新建跨斷層形變觀測(cè)場(chǎng)地，在場(chǎng)地選址時(shí)除了考慮所跨斷裂基本活動(dòng)特性之外，還需考慮區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等因素。

感謝北京市地震局劉桂萍研究員、中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所孫漢榮研究員、薛兵研究員、云南省地震局洪敏正高級(jí)工程師、山西省地震局劉瑞春高級(jí)工程師、河北省地震局馬棟高級(jí)工程師、中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心陳長(zhǎng)云高級(jí)工程師、中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心李瑞莎高級(jí)工程師在本項(xiàng)工作開(kāi)展及文章撰寫過(guò)程中給予的意見(jiàn)建議。

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Evaluation of the Cross－fault Observation Network

in Beijing and Its Adjacent Areas

LIU Qi LI Layue HU Leyin

（1.Institute of Earthquake Forecasting，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China）

（2.The First Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Tianjin 300180，China）

（3.Beijing Earthquake Agency，Beijing 100080，China）

Abstract

Beijing and its adjacent areas are characterized by developed economy，dense population and frequent historical strong earthquakes.In order to accurately study and judge the seismic risk in Beijing and its adjacent areas and reduce the disaster risk that may be caused by earthquakes，it is necessary to first understand the effectiveness of the current observational sites in this region.For this reason，this paper comprehensively considers the monitoring conditions and the effectiveness of earthquake forecasting of the cross－fault sites to design the evaluation scheme of the observational network.This paper studies the monitoring environment，the monitoring effectiveness，the effect of the groundwater level change and the surface subsidence，the matching of forecasting，the effectiveness of the optimal forecasting index and the matching of regional deformation.This paper proposes the comprehensive evaluation results and suggestions for the optimization of the observational network.The distribution of the current cross－fault sites in Beijing and its adjacent areas have good monitoring capacity for most of the major faults in the region and have good earthquake forecasting efficiency.However，the monitoring conditions of most observational sites on the Babaoshan－Huangzhuang－Gaoliying fault are relatively poor，and their forecasting efficiency is generally low.It is advisable to select other locations on the fault to supplement the observational sites.In addition to the fault structure，regional geological settings and hydrogeological conditions have an important impact on the effectiveness of the observational site，and need to be taken into account when selecting new sites.

Keywords：cross－fault observation；earthquake forecasting effectiveness；monitoring conditions；groundwater；tectonic conditions；Beijing