跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測環(huán)境及監(jiān)測技術(shù)探討*

陸明勇 劉天海 黃寶森 李 民 寇建新 房宗緋 張金城 于海生

(中國地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049)

跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測環(huán)境及監(jiān)測技術(shù)探討*

陸明勇 劉天海 黃寶森 李 民 寇建新 房宗緋 張金城 于海生

(中國地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049)

對(duì)首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測環(huán)境的考察發(fā)現(xiàn)，某些監(jiān)測場地中(近20%)存在一定的非地震因素影響。為減少非地震因素的影響，跨斷層流動(dòng)形變水準(zhǔn)和基線應(yīng)該同樁觀測;測量儀器應(yīng)該由具有更高測量精度和穩(wěn)定性的DiNi電子水準(zhǔn)儀代替Ni002光學(xué)水準(zhǔn)儀，用Di2002甚至TC2003和TCA系列儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的24 m基線尺。

首都圈地區(qū);跨斷層;流動(dòng)形變;監(jiān)測環(huán)境;監(jiān)測技術(shù)

1 引言

首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變始建于為20世紀(jì)60年代，大部分建點(diǎn)觀測為20世紀(jì)70—80年代。首都圈地區(qū)不僅監(jiān)測場地多，監(jiān)測周期短而且觀測資料時(shí)間長，資料價(jià)值高，如：1976年唐山地震、1989年大同-陽高地震、1998年張北地震，震前均出現(xiàn)斷層明顯異常活動(dòng)變化［1-5］，且斷層的水平異常活動(dòng)較垂直異常活動(dòng)明顯［6］。

首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變共有監(jiān)測場地24處，其中13處為水準(zhǔn)監(jiān)測場地，10處為基線、水準(zhǔn)同樁監(jiān)測場地，1處為基線、水準(zhǔn)不同樁監(jiān)測場;19處的監(jiān)測樁為基巖端點(diǎn)，5處為土層端點(diǎn);21處監(jiān)測場地為每月監(jiān)測1次(基線監(jiān)測都為每月監(jiān)測1次)，3處為每2月監(jiān)測1次(2處為土層端點(diǎn));最早監(jiān)測始于1967年10月，最晚監(jiān)測為1993年1月。近年來，觀測環(huán)境發(fā)生了很大變化，干擾源顯著增多，監(jiān)測環(huán)境變化不僅使監(jiān)測場地大量減少［7］，首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場地在20世紀(jì)80年代末時(shí)最多達(dá)30多處、監(jiān)測項(xiàng)達(dá)100余項(xiàng)，目前只有24處、監(jiān)測65測項(xiàng)，而且也造成觀測數(shù)據(jù)可信度的降低。而在過去30～40年里，觀測儀器也發(fā)生了很大的變化，觀測儀器不斷更新;從最早的光學(xué)儀器、手工測量，到現(xiàn)在數(shù)字儀器、自動(dòng)觀測以及空間對(duì)地觀測。

為此，為了客觀真實(shí)地評(píng)價(jià)監(jiān)測環(huán)境狀況和監(jiān)測資料質(zhì)量的可靠性，我們對(duì)監(jiān)測場地進(jìn)行了實(shí)地考察并對(duì)考察結(jié)果進(jìn)行了分析;同時(shí)對(duì)目前地殼形變監(jiān)測儀器(技術(shù))以及跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測情況進(jìn)行了分析，并探討了跨斷層流動(dòng)形變測量技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2 跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場地監(jiān)測環(huán)境分析

首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場地可分為土層監(jiān)測場地與基巖監(jiān)測場地。土層監(jiān)測場地即監(jiān)測樁是埋設(shè)在土層里，一般分布在人口較多的平原地區(qū)，受非地震影響較多;基巖監(jiān)測場地為監(jiān)測樁埋設(shè)在基巖里，主要分布在人類活動(dòng)較少的山區(qū)。為此，可以根據(jù)監(jiān)測場地類型、監(jiān)測環(huán)境狀況等對(duì)首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場地進(jìn)行分類，即監(jiān)測場地為土層點(diǎn)、受干擾因素多的場地為C類;監(jiān)測場地為基巖點(diǎn)、受干擾因素較多或監(jiān)測場地為基巖點(diǎn)、受干擾因素較少的場地為B類;監(jiān)測場地是基巖點(diǎn)、受干擾因素少的場地為A類。

考察發(fā)現(xiàn)，影響斷層活動(dòng)信息真實(shí)的因素主要有：土層樁、人為因素、汽車活動(dòng)因素以及降雨、積水等因素。在跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場地考察過程中發(fā)現(xiàn)，一處場地可能存在多種影響因素。監(jiān)測場地非地震影響因素共23項(xiàng)，其中11處觀測場地存在人為因素影響、占整個(gè)24處觀測場地的45.83%;其次為土層樁觀測場地和汽車因素觀測場地均為5處、占20.83%;受降雨、積水等因素影響的場地有2處，占8.33%(表1)。對(duì)4種影響因素的進(jìn)一步分析顯示，在受影響的23項(xiàng)場地影響因素中，人為因素影響達(dá)11項(xiàng)、占47.83%;土層樁和汽車影響因素均為5項(xiàng)、占21.74%;降雨因素為2項(xiàng)、占8.7%。而對(duì)監(jiān)測場地進(jìn)行分類分析表明：A類觀測場地11處、占45.83%，B類觀測場地8處、占33.33%，C類觀測場地5處、占20.83%。因此，在分析的24處監(jiān)測場地中，監(jiān)測環(huán)境不太好的監(jiān)測場地(C類觀測場地)占20.83%，79.19%監(jiān)測場地(A類和B類觀測場地)的監(jiān)測環(huán)境還是比較好的。

表1 非地震因素影響場地分析表Tab.1 Analysis of the sites affected by non-seismic factors

3 跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測技術(shù)

3.1 跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測儀器(技術(shù))

跨斷層流動(dòng)形變測量分為水平(基線)和垂直(水準(zhǔn))。截至2009年底，全國共有20個(gè)省局及直屬單位進(jìn)行跨斷層形變場地監(jiān)測，共有261個(gè)監(jiān)測場地，其中水準(zhǔn)有238場地、基線有23場地①大地形變測量技術(shù)管理部.2009年度全國跨斷層形變場地監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行報(bào)告［R］.2010.。用于監(jiān)測垂直形變的水準(zhǔn)測量的觀測儀器為Ni002系列光學(xué)水準(zhǔn)儀、DiNi系列電子水準(zhǔn)儀;用于水平形變測量的測距(含基線測距)和基線分別采用傳統(tǒng)的24米基線尺、Di2002紅外測距儀、TC2003測量①。因此，各單位使用儀器不同，一方面老儀器老化現(xiàn)象十分嚴(yán)重、故障率逐年升高、耗材難以購置、儀器維修不便，儀器更新迫在眉睫①;另一方面各種新儀器(技術(shù))不斷出現(xiàn)，面臨儀器(技術(shù))選用的技術(shù)難題。在此，對(duì)目前跨斷層流動(dòng)形變測量工作中儀器使用以及一些監(jiān)測情況進(jìn)行分析并探討跨斷層流動(dòng)形變測量技術(shù)。

表2為形變監(jiān)測儀器(方法)技術(shù)特征統(tǒng)計(jì)表，從表2可以看出：雖然各種對(duì)地觀測技術(shù)日趨成熟，但要運(yùn)用于跨斷層流動(dòng)形變測量，特別是短距離跨斷層流動(dòng)形變測量還不太可行。如：GPS短距離觀測投入成本太大，不利于推廣應(yīng)用，并且受地形因素的影響;PS-InSAR技術(shù)信息目前還需要依賴國外提供的信息資料且間隔時(shí)間較長，不能快速靈活地獲得斷層活動(dòng)信息;衛(wèi)星激光測距(SLR)精度為亞厘米級(jí)，PS-InSAR技術(shù)精度變化范圍大，與不同數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)有關(guān)等。所以，在跨斷層流動(dòng)形變測量方面，無論從經(jīng)濟(jì)上投入、還是從儀器監(jiān)測精度和實(shí)際監(jiān)測精度符合規(guī)范精度以及儀器性能穩(wěn)定、精度可靠、使用方便性、測量速度等方面看，水準(zhǔn)測量用DiNi電子水準(zhǔn)儀代替Ni002光學(xué)水準(zhǔn)儀，基線測量用Di2002甚至TC2003和TCA系列儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的24m基線尺是最為可行的辦法。

表2 形變監(jiān)測儀器(技術(shù))特征統(tǒng)計(jì)表［7－20］Tab.2 Statistics of the technical characteristics of instrument for deformation monitoring

3.2 監(jiān)測場地觀測技術(shù)

1)跨斷層流動(dòng)形變水準(zhǔn)和基線同樁觀測

要獲得三維的斷層活動(dòng)信息必須對(duì)斷層進(jìn)行同樁的垂直和水平觀測即水準(zhǔn)觀測和基線觀測。研究認(rèn)為，地殼水平運(yùn)動(dòng)量大于垂直運(yùn)動(dòng)量。過去測距儀測量精度低、穩(wěn)定性欠佳，加常數(shù)、乘常數(shù)測定精度不高;基線丈量效率低，對(duì)場地要求高等諸方面技術(shù)和設(shè)備的原因，跨斷層水平形變測量也基本被放棄或減少。而如今Di2002紅外測距儀、TC2003和TCA系列測距儀等具有體積小、易攜帶、耗電省、頻率穩(wěn)、觀測速度快、外界條件變化小、觀測值比較穩(wěn)定、觀測精度高等特點(diǎn)①，為水準(zhǔn)和基線同樁觀測提供了儀器(技術(shù))保障。

2)跨斷層流動(dòng)形變基線觀測樁改造

首都圈地區(qū)跨斷層流動(dòng)形變觀測樁基本分為兩種，一種為單純的水準(zhǔn)觀測樁，水泥澆鑄，埋設(shè)于地下，一般出露地表較少。另一種為水準(zhǔn)、基線同樁觀測，水準(zhǔn)標(biāo)志出露地表較少，但基線樁由水泥澆鑄、出露地表為1.2～2.5m高［20］，中間有突出的螺桿，以便固定測量儀器。

基線樁出露地表較多且基線柱中間含有金屬，容易被破壞;而基線樁可能并不垂直地面或中間突出螺桿不垂直地面，造成監(jiān)測儀器重量全部由固定螺栓和中間突出螺桿承擔(dān)，容易使固定螺栓和中間突出螺桿之間的螺紋破壞，使中間突出螺桿更加不垂直地面，容易造成監(jiān)測誤差增大，測量不合［20］。如2010年8月燕家臺(tái)斜交基線觀測時(shí)，儀器漂移不穩(wěn)、測量不合，更換儀器固定螺絲后變化4.38 mm;9月該固定螺絲螺紋仍不是很好，又更換固定螺絲，9月觀測恢復(fù)變化3.69 mm;在此過程中，其余測線變化較小，未見異常②陸明勇，燕家臺(tái)斜交基線觀測突變異常落實(shí)報(bào)告［R］.2010.。分析認(rèn)為：不合可能是多種因素引起誤差放大的結(jié)果，如固定螺栓和中間突出螺桿之間的螺紋不好造成儀器固定不穩(wěn)、觀測時(shí)儀器誤差和人為誤差等，而異常變化與更換固定螺絲有關(guān)②。

針對(duì)跨斷層基線樁存在的問題，提出將測量樁中間突出的固定測量儀器的金屬螺桿更換為埋設(shè)于測量樁中具有螺紋孔的且與測量樁一樣高的固定測量儀器的金屬盤。一方面可以使金屬裸露在外的空間減小，增加基線測量樁破壞難度、降低基線測量樁破壞幾率。另一方面減小了以前基線測量樁測量時(shí)測量儀器重量全由固定螺桿承擔(dān)，造成測量儀器調(diào)平、調(diào)穩(wěn)時(shí)間過長且容易使固定螺桿傾斜增加測量不合的概率，從而減小測量儀器安裝過程中出現(xiàn)漂移的幾率、減小測量不合的概率和幅度。但在具體操作和實(shí)施時(shí)，應(yīng)該是在過去基線測量樁破壞后無法繼續(xù)測量的情況下實(shí)施改造，這樣既可以進(jìn)行測量樁改造又可以最大限度的保證測量環(huán)境的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)的連續(xù)。

4 結(jié)語

1)影響首都圈地區(qū)跨斷層活動(dòng)信息真實(shí)觀測的因素主要有測樁為土層點(diǎn)、人為因素、汽車活動(dòng)以及降雨等因素。其中人為因素影響達(dá)11處觀測場地、占整個(gè)24處觀測場地的45.83%，其次為土層測樁和汽車因素，均為5處、占20.83%，降雨、積水等因素為2處、占8.33%。從24處跨斷層流動(dòng)形變監(jiān)測場地來非地震因素影響大小看，非地震因素影響較小的監(jiān)測場地有19處、占79.17%;非地震因素影響較大的監(jiān)測場地有5處、占20.83%。

2)在跨斷層流動(dòng)形變測量方面，無論從經(jīng)濟(jì)投入還是從儀器監(jiān)測精度和實(shí)際監(jiān)測精度符合規(guī)范精度以及儀器性能穩(wěn)定、精度可靠、使用方便、測量速度等方面看，目前各種對(duì)地觀測技術(shù)運(yùn)用于日常的跨斷層流動(dòng)形變測量特別是短距離的跨斷層流動(dòng)形變測量還不太可行。未來一段時(shí)間內(nèi)，水準(zhǔn)測量可以使用DiNi電子水準(zhǔn)儀代替Ni002光學(xué)水準(zhǔn)儀，基線可以使用Di2002甚至TC2003和TCA系列儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的24 m基線尺進(jìn)行基線形變監(jiān)測。

3)跨斷層測量應(yīng)該對(duì)斷層進(jìn)行同樁的垂直和水平的觀測，高效的Di2002紅外測距儀、TC2003和TCA系列測距儀等為廣泛開展斷層活動(dòng)水平測量提供了技術(shù)支持。水準(zhǔn)、基線同樁觀測的基線測量樁進(jìn)行技術(shù)改造，一方面可以使基線測量標(biāo)致、固定器材和測量儀器之間有效的平穩(wěn)的銜接，有效減小它們之間的摩擦損失;另一方面，可以減少基線監(jiān)測樁被破壞的概率。從而可以有效保證監(jiān)測儀器在測量過程中的穩(wěn)定，減小測量不合的概率和程度，增加獲取斷層活動(dòng)可靠信息的能力。

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DISCUSSION OF ENVIRONMENT AND MONITORING TECHNOLOGY FOR CROSS-FAULT MOBILE DEFORMATION MONITORING

Lu Mingyong，Liu Tianhai，Huang Baosen，Li Min，Kou Jianxin，F(xiàn)ang Zongfei，Zhang Jincheng and Yu Haisheng
(China Center for Earthquake Disaster Emergency and SAR，Beijing 100049)

On the basis of the study of cross-fault mobile deformation monitoring environment in the Capital Region of China，it is found that there are a few sites(near 20%)impacted by the non-seismic factors.So we suggest that the crustal deformation monitoring techniques(instruments)and the cross-fault deformation surveying line layout should be improved and the cross-fault flow deformation level ling survey and baseline level of observation should be at the same pile.The baseline survey pile of existing level and baseline measurements should be technologically transformed at the appropriate time，in the measurement instrumentation：DiNi electronic level should be used instead of Ni002 Optical Level，Di2002 even TC2003 and TCA series of instruments should be used instead of the 24m traditional foot baseline deformation monitoring.

Capital area of China;cross-fault;mobile deformation;monitoring environment;monitoring technology

1671-5942(2011)05-0141-05

2011-01-11

中國地震局地震行業(yè)專項(xiàng)(201008012);中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司項(xiàng)目

陸明勇，男，1965年生，研究員，主要研究方向?yàn)榈貧ば巫儭⒌叵铝黧w、地球動(dòng)力學(xué)與地震預(yù)測等.E-mail：lmy9988@163.com

P315.72+6

A