孫 軍，葛計劃，于 磊，周自強

(合肥形變臺，安徽 合肥 231607)

0 引言

跨斷層短水準測量，是在相距不遠的兩個測站上運用精密水準測量的方法來測定活動斷層兩盤的垂直運動，提供主要活動斷層和特定地區(qū)活動斷層垂直運動的變化信息，如確定斷層的運動方式、運動速率以及它們隨時間而演變的過程等［1］。

一般認為，地震的孕育、發(fā)生是區(qū)域應(yīng)力場增強引起形變的增大從而導致形變能的逐漸積累，最終突然釋放的過程［2］。跨斷層水準測量得到的數(shù)據(jù)包含著地震孕育過程中變化的各種形變信息，通過對這種信息的處理分析，可以總結(jié)得出斷層形變與地震的關(guān)系，判定地震危險區(qū)等，這為利用斷層形變資料進行地震預(yù)測成為可能［1］。而在跨斷層短水準測量中，水準線路的選擇就尤為重要，它直接關(guān)系到所觀測數(shù)據(jù)是否能真正反應(yīng)斷層的當前活動和隨時間的演變規(guī)律，進而通過資料對比判斷出斷層的活動異常來。本文主要通過對合肥臺現(xiàn)有的兩條水準線路觀測資料進行對比分析研究，進而選擇最優(yōu)的水準線路作為臺站日常水準觀測線路。

1 地質(zhì)概況與場地條件

圖1 合肥臺水準線路場地圖Fig.1 Distribution of the Leveling Lines in Hefei Seismic Station

合肥臺短水準測量線路(圖1)位于郯廬斷裂帶南段，該臺現(xiàn)有日常測量線路(B－A)跨郯廬主斷層，為東西向，全長約500 m，計14站，測線自西向東所經(jīng)地段依次為上白堊統(tǒng)張橋組磚紅色砂巖，燕山期花崗閃長巖、下元古界雙山組片麻巖和大理巖，其中測線東端標石(B點)周圍環(huán)境保護較好，測線西端標石(A點)附近從1996年開始由于大量開采紅砂形成大坑(紅砂開采已于2008年7月開始逐漸停止)，使測量場地荷載發(fā)生變化，并且由于風化和雨水沖刷，使大坑斷層面經(jīng)常成塊下滑，步步逼近A點標石，嚴重危及標石安全。但由于該測線處于斷層交匯，應(yīng)力集中的敏感地帶，且已經(jīng)積累了二十多年的觀測資料，測量資料表明它是能夠反映斷層活動，獲得地震前兆信息的有利部位。為了更好地發(fā)揮作用，2007年底，合肥臺對B－A水準測量線路進行了局部改造，在同在斷層的西側(cè)新建了一條測量支路(10－S)，新埋鋼管基巖標石S的設(shè)計和造埋嚴格按照大地形變測量規(guī)范來進行，所處基巖類型和A標石同屬紅砂巖，標石鋼管深入基巖內(nèi)10 m，保證標石上主標志能夠直接反映斷層的垂直運動變化。該支路和原有支路 B－10組成了一條新的跨郯廬水準線路 B－S，線路全長約 410 m，計12站。

2 資料整理與分析研究

從2008年1月開始，合肥臺對新建水準線路B－S進行了為期4年的試測，其中2008年和2011年，除了大風、雨雪等惡劣天氣無法觀測外，其余時間堅持每天往返測觀測，2009年和2010年采取每月抽樣觀測的方式。水準線路B-A目前作為日常觀測線路，堅持每天觀測記錄，數(shù)據(jù)作為省地震局和相關(guān)部門分析和判定地震趨勢的依據(jù)得到了廣泛運用。這兩條線路都采用相同水準儀器DINI12和配套標尺，下午同光段往、返測觀測。水準作業(yè)中，臺站觀測人員嚴格按照測量規(guī)范的要求，保證每次往返測不符值都在規(guī)定的限差范圍內(nèi)，確保了觀測資料的高質(zhì)量和可靠性。

2.1 觀測資料特征

2.1.1 B－A線路數(shù)據(jù)變化情況

由圖2，可知B-A數(shù)據(jù)整體日波動幅度不大，呈趨勢性下降，表現(xiàn)為 A點相對于B點西傾，這究竟是斷層活動增強的表現(xiàn)還是A點穩(wěn)定性受干擾因素的影響所致。為弄清原因，臺站于2010年9月，將日常線路BA和檢測線路DC(圖1)連接成閉合環(huán)線(C-A-B-D)進行了聯(lián)測并參照以往的觀測資料，結(jié)果見表1:

表1 合肥臺閉合環(huán)線測量歷史數(shù)據(jù)Table 1 The Measurement Data of Circular Lines in Hefei Seismic Station

測線A－C 05年的數(shù)值為 －7 289.34 mm，10年數(shù)值為－7 289.02 mm，其年變速率為0.064 mm/a;D－C 05年數(shù)據(jù)為 －6 327.30 mm，10年數(shù)值為－6 328.06 mm，其年變速率為0.152 mm/a;B－D 05年數(shù)值為 －15 873.41 mm，10年的數(shù)值為－15 873.80 mm，其年變速率為0.078/a;B－A 05年數(shù)值為 －14 911.37 mm，10年數(shù)值為－14 912.84 mm，其年變速率為:0.294 mm/a。

由此可知在同在斷層一側(cè)的測線(B－D、A－C)形變較小，可以認為是穩(wěn)定的;起始點在斷層兩側(cè)的測線(B－A、D－C)活動明顯比以往變大，說明斷層確實處于活動之中。A點變化主要還是受斷層活動增強的影響，干擾因素對A點變化貢獻不大，B－A水準數(shù)據(jù)能夠真實反映斷層的活動趨勢以及臺站所處區(qū)域地應(yīng)力場的變化。

文獻［3］總結(jié)了B－A水準數(shù)據(jù)變化趨勢與臺站周邊地震的關(guān)系，認為這種變化具有明顯的前兆意義，反映了所跨斷層應(yīng)力場處于變化過程，是可信的趨勢性異常。

2.1.2 B－S線路數(shù)據(jù)變化情況

圖2 B－A水準線路2008—2011年高差曲線圖Fig.2 Height Variation of Leveling Line B － A from 2008 to 2011

由B－S測線連續(xù)4年的觀測資料，可知相對于B－A測線其數(shù)值波動性較大，筆者經(jīng)過統(tǒng)計，扣除2009年1月—3月缺測(見圖3)，單日或幾日內(nèi)變化幅度達1 mm以上的時間段至少有5次，其中2009年11月中旬數(shù)值變化幅度為3.61 mm;2010年2月中旬幅度為1.05mm;2010年9月上旬幅度為1.12 mm;2011年6月18日一天數(shù)值變化幅度甚至有6.09 mm之多;2011年10月中旬幅度也達到了1.29 mm。

若除去這些數(shù)據(jù)突跳點，可以發(fā)現(xiàn)B－S測線數(shù)據(jù)變化趨勢與B－A基本一致，同樣表現(xiàn)為西端點(S點)相對于B點西傾，說明去除干擾因素的影響，B－S測線數(shù)據(jù)變化還是可以反映臺站所處區(qū)域應(yīng)力場變化的，B－S測線經(jīng)過恰當?shù)母脑焓强梢宰鳛槿粘Ｋ疁视^測線路的。

圖3 B－S水準線路 2008—2011年高差曲線圖Fig.3 Height Variation of Leveling Line B － S from 2008 to 2011

2.2 觀測資料精度對比

運用水準資料精度統(tǒng)計方法:

L為測線長度;n為統(tǒng)計日均值數(shù)據(jù)個數(shù);xi為日均值［4］。

M公里反映的是觀測值的離散程度，可以作為判斷線路趨勢變化和標石穩(wěn)定性的重要依據(jù)。獲得的2011年水準線路B－A和B－S測段中誤差精度如表2:

表2 2011水準數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計表Table 2 The Statistics of Measurement Data Accuracy in 2011

由表2發(fā)現(xiàn)，2011年1—4月，B－A和B－S線路觀測精度大致相同，5—8月B－S線路精度明顯要比B－A線路精度差，9—12月兩條線路的精度又趨于一致。說明在5—8月兩條水準線路由于某些干擾因素的影響，各自表現(xiàn)出不同的抗干擾能力，B－A線路的觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性大大優(yōu)于B－S線路。

2.3 資料變化原因分析

影響水準數(shù)據(jù)變化的原因很多，儀器、地下水、降雨、溫度等都可能對數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，一般來說鋼管基巖標是一種穩(wěn)定性較好的水準標石，如果標石埋設(shè)在完整的基巖內(nèi)，對于降低或排除地下水以及外界溫度變化，提高數(shù)據(jù)精度方面等具有良好的效果［5-6］。由于條件限制，臺站缺少地下水位觀測數(shù)據(jù)，但降水量和地下水位存在著一定的關(guān)系，一般降水量增大，地下水位上升，反之則下降，所以借助臺站現(xiàn)有的降水量資料分析了水準線路B－S和B－A受其影響的變化程度。通過研究發(fā)現(xiàn):

水準線路B－S受降水量影響變化較大，圖4中標出了B－S數(shù)值發(fā)生突跳時，降水量的分布情況，其中1處，2009年11月，降水量開始增大，B－S數(shù)值在經(jīng)歷了2個多月的下降趨勢后，數(shù)值從11月11日的－18 262.45 mm，上升到了11月20日 －18 258.84 mm，幅度為3.61 mm;2010年2月，在經(jīng)歷一個月無有效降水后，隨著降水量的增大，當月中旬B－S數(shù)值上升幅度達到1.05 mm;2010年9月連續(xù)數(shù)月降水當月上旬B－S數(shù)值上升幅度為1.12 mm;2010年11月至2012年5月連續(xù)6個多月無有效連續(xù)降水，B－S數(shù)值持續(xù)下降，隨著5月中旬、6月上旬降水量的持續(xù)加大，僅一天時間B－S數(shù)值就由6月17日的－18 264.26 mm急劇上升到18日的－18 258.17 mm單日形變量幅度有6.09 mm之多;2011年10月中旬受降水影響，B－S上升幅度也達到了1.29 mm。

由表3可知線路B－A數(shù)值受降水量變化的影響程度比B－S要小。

以上可知，S點標石容易受降水量變化影響，連續(xù)降水量減少，S點下降，連續(xù)降水量由連續(xù)減少到突然持續(xù)增大的過程中，S點上升的速率和幅度都比較明顯。由于降水量和地下水位存在著對應(yīng)關(guān)系，且S點處于低洼地段且埋設(shè)較淺只有10 m，可以認為 S點受地下水位的影響較大(推斷該標石可能未埋設(shè)在新鮮完整的基巖內(nèi)，基巖有可能已破碎或有外物進入標石底部)，A點埋設(shè)較深超過30 m，所處地勢較高，受降水量影響程度要小于S點。

表3 B－S數(shù)值突變時間段B－S與B－A數(shù)值變化量Table 3 Data Variation of Lines B－S and B－A When the Data of Line B－S Changes Suddenly

3 結(jié)束語

(1)跨斷層短水準測量是真實反映斷層活動規(guī)律的重要途徑，鋼管基巖標的合理選址和正確埋設(shè)是影響數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量的極為重要因素，它直接決定著整條水準線路資料的真實性和可靠性。

圖4 2009—2011年降水量變化圖Fig.4 Rainfall Variation from 2009 to 2011 in Hefei Seisimic Station

(2)S點標石受降水量的影響程度，表明該標石極易受外界環(huán)境因素的影響，推斷該標石可能未埋設(shè)在新鮮完整的基巖內(nèi)，基巖有可能已破碎或有外物進入標石底部。應(yīng)對S點重新改造或附近另外選址，建議增加標石埋設(shè)深度，至少應(yīng)超過30 m。改造后，應(yīng)繼續(xù)加強對B－S線路的觀測，分析其數(shù)據(jù)變化。

(3)應(yīng)增加輔助觀測資料的收集，可以在水準點附近增上水位觀測等手段，同時做好水準線路觀測環(huán)境的保護工作。

(4)目前，水準線路 B－S不能取代B－A成為臺站日常水準觀測線路，B－A線路數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較高，仍然是合肥臺最優(yōu)的一條跨斷層短水準觀測線路。

［1］ 中國地震局監(jiān)測預(yù)報司.地形變測量［M］.北京:地震出版社，2008.12.

［2］ 陳兵，江在森，胡斌.斷層形變趨勢變化研究——垂直形變趨勢累積DC值［J］.地震地磁觀測與研究，2000，21(1):50 －55.

［3］ 葛計劃，孫軍，陳勇，等.合肥臺短水準異常與周邊地震活動分析［J］.防災(zāi)科技學院報，2011，13(2):38－41.

［4］ 國家地震局科技監(jiān)測司.大地形變臺站測量規(guī)范——短水準測量［M］.北京:中國鐵道出版社，1990.

［5］ 李志平，周必才，葛計劃，等.合肥臺定點短水準測量場地改造［J］.華南地震，2009，29(3):134－137.

［6］ 盧良玉，徐心同，馬秉圭.金縣臺鋼管基巖標與土層標對比觀測結(jié)果分析［J］.東北地震研究，1987，3(2):24－28.