陸明勇 于海生 李志雄 李杰 王秀文李巖峰 寇建新 馮軍 張平法

1）中國地震應(yīng)急搜救中心，北京市石景山區(qū)玉泉西街1號 100049

2）山東地震局，濟南 250014

3）山西地震局，太原 030021

0 引言

華北地區(qū)是我國地震多發(fā)地區(qū)之一，歷來是防震減災(zāi)工作的重點地區(qū)，該地區(qū)自20世紀(jì)60年代末開始建立跨斷層流動形變監(jiān)測場地并進行地震活動監(jiān)測。該區(qū)在40多年的跨斷層流動形變監(jiān)測中，積累了一批連續(xù)可靠、高精度、具有較高價值的觀測資料，在地震預(yù)測研究、地質(zhì)探測、地球動力學(xué)等研究中發(fā)揮了積極作用（陸明勇等，2011a）①大地形變測量技術(shù)管理部，2007，全國跨斷層形變場地監(jiān)測場地及2006年度運行報告；與此同時，經(jīng)濟的快速發(fā)展致使監(jiān)測環(huán)境發(fā)生了很大變化，影響了監(jiān)測場地及監(jiān)測資料質(zhì)量，監(jiān)測場地數(shù)逐年減少（車兆宏，2003）；多年監(jiān)測效果表明，現(xiàn)有監(jiān)測場地并不都能較好地反映區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力-應(yīng)變場的變化（陸明勇等，2011b）②陸明勇等，2010，首都圈地區(qū)跨斷層流動形變監(jiān)測場地技術(shù)評價與觀測資料映震效能及監(jiān)測場地優(yōu)化研究。而近20年來，地球科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展特別是地質(zhì)填圖和地球物理探測等研究的進展，使我們對斷層活動性質(zhì)又有了新的認識（徐錫偉等，2002；趙國敏等，2006；鄧起東等，2007；張世民等，2008；陳宇坤等，2010；邵永新等，2010）。

因此，重新審視華北地區(qū)40多年來跨斷層流動形變監(jiān)測場地映震效能、選址優(yōu)劣，并由此制定出更能反映斷層活動或構(gòu)造應(yīng)力場變化的監(jiān)測場地布設(shè)結(jié)果，有利于最大限度捕獲到地震活動異常信息。監(jiān)測場地的布設(shè)優(yōu)化需基于跨斷層流動形變測量規(guī)范，統(tǒng)籌兼顧監(jiān)測控制能力和地質(zhì)構(gòu)造分布，并最大限度地滿足捕獲到地震活動異常信息的需求。筆者曾經(jīng)探討了小區(qū)域監(jiān)測場地的優(yōu)化布設(shè)問題（陸明勇等，2013），但地震活動特別是強震孕育、發(fā)展、發(fā)生等過程是大范圍地質(zhì)事件。而探討大范圍區(qū)域的華北地區(qū)跨斷層流動形變監(jiān)測場地優(yōu)化布設(shè)問題，可以提高其優(yōu)化布設(shè)方案的可控性、有效性、合理性等，并最終提高該區(qū)跨斷層流動形變監(jiān)測捕獲地震活動異常信息的能力。

1 斷裂上的監(jiān)測場地布設(shè)分析

1.1 各地質(zhì)時代斷裂上監(jiān)測場地布設(shè)概況

華北地區(qū)包括遼寧西南部、內(nèi)蒙古中南部、北京、天津、河北、山西、山東、河南、江蘇及安徽等地區(qū)，位于中國大陸的東部。在構(gòu)造上隸屬鄂爾多斯斷塊東緣、太行山、華北平原、河淮平原、陰山-燕山、膠遼、蘇滬-南黃海等多個斷塊，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、斷裂多，斷裂走向多為 NE、NNE、NW、NNW等方向（鄧起東等，2007；朱紅彬等，2010）（圖1）。華北陸地區(qū)域有 318條斷裂，其中全新世活動斷裂49條，晚更新世活動斷裂71條，第四紀(jì)活動斷裂170條，前第四紀(jì)活動斷裂28條；全新世活動斷裂主要分布在西北部的山西、河北及山東等地，晚更新世活動斷裂主要分布在山西、安徽等地，第四紀(jì)活動斷裂廣泛分布于全區(qū)，前第四紀(jì)活動斷裂主要分布于華北北部、河南、江蘇及山東等地（圖1、表1、表2）。華北地區(qū)的基巖斷裂主要分布在山西、河北等西北部地區(qū)，隱伏斷裂主要分布在東南部平原地區(qū)（圖1）。

華北地區(qū)74處監(jiān)測場地布設(shè)在該地區(qū)44條斷裂（斷層）上，占13.84%。監(jiān)測場地布設(shè)不同地質(zhì)時期活動斷裂（斷層）數(shù)及占總數(shù)比分別為：全新世11條，占22.45%；晚更新世13條，占18.31%；早第四紀(jì)16條，占 9.41%；前第四紀(jì) 4條，占 14.29%。這樣，華北地區(qū)全新世、晚更新世活動斷裂上布設(shè)了監(jiān)測場地的有24條斷裂，占該斷裂的20.00%。已有研究表明，第四紀(jì)以來活動過的斷層，特別是晚更新世中、晚期和全新世期間曾經(jīng)明顯活動的斷層，更容易發(fā)生地震（國家地震局，1991），而華北地區(qū)全新世、晚更新世活動斷裂上布設(shè)了監(jiān)測場地的有24條斷裂，僅占該時期斷裂的20.00%，因此就華北地區(qū)跨斷層流動形變監(jiān)測場地的布設(shè)狀況面言，其監(jiān)控效能很低（圖1）。

1.2 監(jiān)測場地布設(shè)區(qū)域

圖1 華北地區(qū)跨斷層流動形變監(jiān)測場地擬優(yōu)化布設(shè)及斷裂（斷層）分布③陳文彬，2014，華北地區(qū)斷裂分布圖

表1 監(jiān)測場地跨斷裂狀況統(tǒng)計

表2 擬優(yōu)化布設(shè)前后跨斷層流動形變監(jiān)測場地布設(shè)統(tǒng)計

華北地區(qū)共有74處跨斷層流動形變監(jiān)測場地（表1），主要分布在北京及其鄰區(qū)、山西斷裂帶、郯廬斷裂帶中偏南地區(qū)、遼西地區(qū)、安徽霍山地區(qū)及其附近以及華東的茅山東側(cè)斷裂帶上（圖1），其空間分布極其不均勻，存在很多監(jiān)測盲區(qū)（陸明勇等，2015）。如河南省除北部1個小區(qū)域有2處跨斷層監(jiān)測場地外，其余地區(qū)未設(shè)監(jiān)測場地。又如內(nèi)蒙古中南地區(qū)屬于華北地區(qū)范疇，處于晉冀蒙交界地區(qū)，晚更新世活動斷裂和全新世活動斷裂多，但未布設(shè)跨斷層流動形變監(jiān)測場地（圖1）。一些控制性大斷裂亦未布設(shè)監(jiān)測場地，如山西晉城-獲鹿斷裂（圖1）。該斷裂帶南起濟源北，向北經(jīng)晉城、高平、長治，到獲鹿，總長350km；該斷裂帶是山西隆起的一條重要構(gòu)造，其在高平以北為晚更新世活動斷裂，以南為早、中更新世斷裂。沿該斷裂帶中強地震較活躍，歷史上多次發(fā)生5級左右地震，現(xiàn)今小震亦時有發(fā)生（孫麗娜等，2009）④。以跨斷層測量相關(guān)規(guī)范中的要求來衡量（國家地震局，1991；中國地震局，2012），很多歷史上曾經(jīng)發(fā)生多次地震的晚更新世或全新世活動的斷裂上也未布設(shè)跨斷層監(jiān)測場地。如聊城-蘭考斷裂是一條晚更新世-全新世早期活動的斷裂，該斷裂是魯西隆起與內(nèi)黃凹陷的分界斷裂，西南起于蘭考縣，向北經(jīng)范縣、聊城至韓屯轉(zhuǎn)向北東，全長約360km，沿斷裂發(fā)生過多次中強地震，如1937年發(fā)生過菏澤7.0級地震④中國地震局地球物理勘探中心鄭州基礎(chǔ)工程勘察研究院等，2007，鄭州市城市快速軌道一號線工程場地地震安全性評價（圖1）。綜上可知，目前華北地區(qū)跨斷層流動形變監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)存在很多盲區(qū)，有待于進一步完善（陸明勇等，2015）。

1.3 監(jiān)測場地跨斷裂狀況

華北地區(qū)跨斷層流動形變監(jiān)測場地大部分始建于20世紀(jì)70、80年代，受當(dāng)時活動斷層研究水平以及勘探、技術(shù)方面的限制，一些監(jiān)測場地布設(shè)未能在完全查明斷層活動背景的情況下實施，特別是對那些在覆蓋層較厚的平原地帶布設(shè)的跨斷層流動形變監(jiān)測場地更是缺少專門研究，有些至今尚不能確定布測的監(jiān)測場地是否跨過斷層。如位于石家莊西北部的靈壽縣慈峪鎮(zhèn)境內(nèi)的河北盧家洼-慈峪跨斷層流動水準(zhǔn)監(jiān)測場地，地處平原地區(qū)，偶見基巖出露，測線沿S201省道布測。其中南面的盧家洼測點西臨S201省道，東距村民農(nóng)舍圍墻約0.5m，其南約1km處有基巖小丘，可見一斷裂，從地貌上看，北面的慈峪測點在斷裂一盤，南面的盧家洼測點在斷裂內(nèi)⑤。又如，北京南口水準(zhǔn)跨斷層監(jiān)測場地曾被認為跨越了南口-山前斷裂和南口-孫河斷裂，且所有測點均為基巖點；但最新的南口地區(qū)斷裂研究認為，南口-孫河斷裂距今6萬年以來的活動被南口-山前斷裂阻斷在南口，沿山溝向XN方向未見活動（張世民等，2008）；考察發(fā)現(xiàn)，南口跨斷層流動水準(zhǔn)監(jiān)測場地4號測點不在基巖上，而在沖積物形成的堆積物上且可能在斷裂帶內(nèi)，大量降雨后可造成與4號測點有關(guān)的測線出現(xiàn)大幅值突變；所以，該場地事實上并不存在跨南口-孫河斷裂的測線⑤陸明勇等，2015，華北地區(qū)跨斷層流動形變監(jiān)測場地與監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化研究（地震科技星火計劃項目（XH14057））。

由監(jiān)測場地跨斷裂狀況統(tǒng)計結(jié)果（表1）可見，華北地區(qū)現(xiàn)有74處監(jiān)測場地，除河北省地震局有1處監(jiān)測場地未完全跨斷裂外，其余監(jiān)測場地測線均不同程度跨越斷裂，占全部監(jiān)測場地的98.65%。

中國地震應(yīng)急搜救中心、山東省地震局、江蘇省地震局等跨斷層流動形變監(jiān)測場地共5處跨越了前第四紀(jì)活動斷裂，占全部監(jiān)測場地的6.76%。除山西省地震局所監(jiān)測的場地未跨越第四紀(jì)活動斷裂外，其余監(jiān)測單位的監(jiān)測場地均有跨越第四紀(jì)活動斷裂的場地，華北地區(qū)共28處監(jiān)測場地跨越第四紀(jì)活動斷裂，占比37.84%。晚更新世活動斷裂和全新世活動斷裂是活動年代較新的斷裂，是跨斷層流動形變監(jiān)測的目標(biāo)斷裂，除河北省地震局所轄的監(jiān)測場地全部未跨越晚更新世活動斷裂和全新世活動斷裂外，其他監(jiān)測單位的監(jiān)測場地均不同程度跨越晚更新世活動斷裂和全新世活動斷裂；其中有23處監(jiān)測場地跨晚更新世活動斷裂，占比31.08%，17處跨全新世活動斷裂，占比22.97%，二者合計共40處，占比54.05%。

華北地區(qū)跨斷層流動形變監(jiān)測場地所跨斷裂主要為NE、NW向斷裂，特別是NE向斷裂最多（表1、圖1）。除河南省地震局和中國地震應(yīng)急搜救中心所監(jiān)測的監(jiān)測場地周圍有未出露斷裂的監(jiān)測場地外，其余監(jiān)測單位均沒有未出露斷裂的監(jiān)測場地。未出露斷裂的監(jiān)測場地分布在覆蓋層厚的平原地區(qū)，其中地震應(yīng)急搜救中心有3處，河南省地震局有1處（表1）。

1.4 監(jiān)測場地類型

監(jiān)測場地類型指監(jiān)測內(nèi)容或為水準(zhǔn)或為基線。在華北地區(qū)74處監(jiān)測場地中，每個監(jiān)測場地都有水準(zhǔn)監(jiān)測，占比100%；有11處場地還進行了基線監(jiān)測，占比14.86%，皆布測在首都圈地區(qū)。華北地區(qū)地殼構(gòu)造活動水平方向運動速率大于垂直方向運動速率，而地震孕育、發(fā)生過程引起的構(gòu)造活動是三維構(gòu)造運動。因此，目前華北地區(qū)跨斷層流動形變監(jiān)測場地監(jiān)測內(nèi)容單一，無法有效完整地監(jiān)測到地震活動異常信息。

2 跨斷層流動形變監(jiān)測場地監(jiān)測效能概況

首先對華北地區(qū)現(xiàn)有74處監(jiān)測場地逐一進行考察，然后據(jù)考察結(jié)果及監(jiān)測資料、監(jiān)測場地與地震的映震關(guān)系，即監(jiān)測場地監(jiān)測資料異常變化與地震間的關(guān)系，分析了40多年來監(jiān)測場地監(jiān)測效能，且對監(jiān)測場地的監(jiān)測效能進行分級，即監(jiān)測場地監(jiān)測效能好為A級，較好為B級，不佳的為C級。

在華北地區(qū)8個跨斷層流動形變監(jiān)測單位中，有4個單位的監(jiān)測場地?zé)oA級（河南省地震局、遼寧省地震局、山東省地震局和河北省地震局），各監(jiān)測單位皆有C級。從整個華北地區(qū)來看，74處跨斷層流動形變監(jiān)測場地具有A、B、C級監(jiān)測效能的分別為15、46、13，其占比依次為20.27%、62.16%、17.57%（圖1）。進一步分析B級以上的監(jiān)測場地發(fā)現(xiàn)，除場地數(shù)最少的河南省地震局，其他7個監(jiān)測單位的B級以上的監(jiān)測場地占大多數(shù)，最多為山西省地震局（90.00%），最少為遼寧省地震局（66.67%），B級場地在整個華北地區(qū)占82.43%（圖1），表明該區(qū)整體監(jiān)測效能較好。

3 跨斷層流動形變監(jiān)測場地的擬優(yōu)化布設(shè)

3.1 擬優(yōu)化布設(shè)原則

依據(jù)《跨斷層測量規(guī)范》（國家地震局，1991）、《中華人民共和國地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)地震地殼形變觀測方法——跨斷層位移測量》（中國地震局，2012）、國外跨斷層測量布設(shè)方法以及監(jiān)測目標(biāo)和監(jiān)測場地監(jiān)測效能等，對現(xiàn)有跨斷層流動形變監(jiān)測場地擬采用以下原則進行優(yōu)化處理：

（1）未跨過斷層的監(jiān)測場地且觀測環(huán)境不好、受干擾因素多、映震效能不好的（即監(jiān)測效能不佳）可以考慮撤除或自然淘汰后，在其所監(jiān)視的斷裂上修復(fù)或異地改建，使其跨越斷層并提高監(jiān)測效能。

（2）跨過斷層的監(jiān)測場地，如果存在影響監(jiān)測的干擾因素，應(yīng)通過修復(fù)或異地改建，達到提高監(jiān)測效能的目的。

（3）現(xiàn)有場地如未布設(shè)基線測量，在條件許可時，應(yīng)布設(shè)基線測量且最好是水準(zhǔn)和基線同樁布測。

圖1給出了場地擬優(yōu)化布設(shè)及斷裂（斷層）分布。其擬優(yōu)化布設(shè)時在考慮了現(xiàn)有監(jiān)測場地的基礎(chǔ)上，基于監(jiān)測的可控性、均勻性以及活動斷裂容易發(fā)震狀況和斷裂規(guī)模等因素。因此，華北地區(qū)擬新增跨斷層流動形變監(jiān)測場地具體布設(shè)原則為：

（1）平原地區(qū)監(jiān)測場地擬布設(shè)場距應(yīng)大于山區(qū)，地震多發(fā)地區(qū)特別是強震多發(fā)地震地區(qū)擬布設(shè)場距小于地震活動較弱的地區(qū)，盡量選取遠離人員活動的基巖地區(qū)布設(shè)。

（2）水準(zhǔn)和基線同樁布測。

（3）第四紀(jì)以來活動的斷層特別是晚更新世中、晚期和全新世期間曾經(jīng)明顯活動的斷裂上應(yīng)盡可能布設(shè)跨斷層流動形變監(jiān)測場地，斷裂較長的可增加監(jiān)測場地數(shù)目。

（4）晚更新世中、晚期和全新世期間曾經(jīng)明顯活動的歷史斷裂數(shù)量多、規(guī)模小且現(xiàn)有監(jiān)測場地布距較小的，可以不增設(shè)監(jiān)測場地。

（5）控制性的早第四紀(jì)活動斷裂可以適當(dāng)布設(shè)跨斷層流動形變監(jiān)測場地。

（6）前第四紀(jì)活動斷裂上不布設(shè)跨斷層流動形變監(jiān)測場地。

3.2 擬優(yōu)化布設(shè)結(jié)果

擬優(yōu)化新增設(shè)跨斷層流動形變監(jiān)測場地88處，其中跨全新世（Q4）活動斷裂的監(jiān)測場地34處，占擬新增監(jiān)測場地的38.64%，全部分布在華北地區(qū)的中北部（圖1）；跨晚更新世（Q3）場地25處，占比28.41%，較均勻分布在每個地區(qū)；跨第四紀(jì)（Q1－2）場地29處，占比32.95%，主要分布在華北地區(qū)的南部（18處），占該區(qū)域擬新增布設(shè)跨斷層流動形變監(jiān)測場地（24處）的75%?？傮w來看，擬新增布設(shè)跨斷層流動形變監(jiān)測場地大部分位于跨全新世活動斷裂和跨晚更新世活動斷裂（共計59處，占擬新增監(jiān)測場地的67.05%）（圖1、表2）。

華北地區(qū)跨斷層流動形變監(jiān)測場地擬優(yōu)化布設(shè)后，將在125條斷裂上布設(shè)跨斷層監(jiān)測場地，占該區(qū)總斷裂的39.31%。其中37條全新世活動斷裂上擬布設(shè)監(jiān)測場地，占同年代活動斷裂的75.51%；43條晚更新世活動斷裂上擬布設(shè)監(jiān)測場地，占同年代活動斷裂的60.56%；41條早第四紀(jì)活動斷裂上擬布設(shè)監(jiān)測場地，占同年代斷裂的24.12%；前第四紀(jì)活動斷裂上的監(jiān)測場地數(shù)擬不變（表2）。因此，監(jiān)測場地擬優(yōu)化布設(shè)后，不僅規(guī)模較大的斷裂上布設(shè)了監(jiān)測場地，而且大幅度地提高了易發(fā)地震的晚更新世中、晚期和全新世期間曾經(jīng)明顯活動斷裂的監(jiān)控比例（80條斷裂，占其總斷裂的66.67%），消除了華北地區(qū)跨斷層流動形變網(wǎng)監(jiān)測盲區(qū)，提高了該區(qū)跨斷層流動形變網(wǎng)監(jiān)測能力（圖1、表2）。

4 結(jié)語

本文基于華北地區(qū)跨斷層流動形變監(jiān)測場地布測現(xiàn)狀及監(jiān)測效能，對其優(yōu)化布設(shè)進行了討論并擬定了布設(shè)原則，繼而給出了擬優(yōu)化布設(shè)結(jié)果。華北地區(qū)跨斷層流動形變擬優(yōu)化布設(shè)將使該區(qū)容易發(fā)震的晚更新世中、晚期和全新世期間曾經(jīng)明顯活動的斷裂（120條）中，除去某些數(shù)目多、規(guī)模小的斷裂外（如山西和河北地區(qū)），皆布設(shè)有跨斷層監(jiān)測場地。擬優(yōu)化后華北地區(qū)318條斷裂中的125條斷裂上擬布設(shè)有跨斷層監(jiān)測場地，占斷裂總數(shù)的39.31%（擬優(yōu)化前為13.84%）。跨斷層流動形變場地擬優(yōu)化布設(shè)適當(dāng)增加了對東南部地區(qū)規(guī)模較大的隱伏斷裂監(jiān)控，消除了華北地區(qū)跨斷層流動形變網(wǎng)監(jiān)測地震活動盲區(qū)，提高了該區(qū)跨斷層流動形變網(wǎng)監(jiān)測地震活動能力。