斷裂的當今活動性及其監(jiān)測新技術

車用太，陳其峰，馮恩國

(1.中國地震局地質研究所，北京 100029；2.山東省地震局聊城地震水化試驗站，山東 聊城 252000)

0 引言

地震科學的地質學基礎是斷層的活動性，無論是地震孕育、發(fā)生條件及機理研究，還是地震前兆的監(jiān)測與地震預測及震害防御與城鄉(xiāng)建設等都離不開對斷層活動性的認識。那么，斷層活動性的概念是什么？從防震減災的角度出發(fā)，斷層活動性評價的要求是什么？什么叫斷層的當今活動性？如何去監(jiān)測斷層的當今活動性？文章將圍繞上述問題展開討論。

1 活動斷層及其當今活動性

斷層是指地殼中的一個破裂面，是破裂面兩側的巖體、巖層、巖塊發(fā)生了相對錯動的地質構造活動形跡，也有學者稱斷裂。從地震地質學角度來說，主要研究的問題之一是斷層的活動性，即破裂面或斷層面兩側的巖體、巖層、巖塊沿著破裂面發(fā)生錯動的時間特征。從發(fā)生錯動的時間來劃分，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)生錯動的斷層，后者指新生代(距今65 Ma后)以來發(fā)生錯動的斷層。新斷層又可細分為新生代早期的古近紀E(距今65～23.3 Ma間)、新近紀N(距今23.3～2.6 Ma間)錯動的新生代斷層與第四紀Q(距今2.6 Ma至現今)活動的斷層。第四紀活動斷層，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1萬年至現今)活動的斷層。廣義的活動斷層一般指新生代以來活動的斷層，狹義的活動斷層一般指第四紀以來活動的斷層[1]。

隨著地震地質學測年技術的發(fā)展，近二三十年來我國把斷層活動的時間判定精度提高到幾百至幾千年，如用C14測年法測得云南程海斷裂帶北段有過3次史前活動時間，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測年法測得1668年郯城8.5級地震前曾有過3次構造事件，分別是距今3 500 a、7 400 a與11 000 a[3]。

由此可見，雖然地震地質學對斷層活動時間研究較深入，取得了一些研究成果，但在時間尺度上，距地震監(jiān)測與預測的實際需求仍相差甚遠，距抗震設防的要求也存在一定差距。地質學可給出的活動性在時間尺度上多是幾千年尺度，在個別情況下，最短只可給出幾百年的尺度，這些結果與當今人類對防震減災的時間需求尺度還差兩三個量級。因此，需要提出與研究斷層的當現今活動性問題并探索其監(jiān)測與研究的新途徑。

斷層“當今”活動性的概念與地震地質學上慣用的“現今”活動性的概念不同。前者主要指基于現代地球物理與地球化學觀測得到的未來幾至幾十天和幾十天至幾個月時間尺度上表現出的斷層活動性，可直接為當今社會的防震減災與環(huán)境保護等現實需求服務。筆者認為，我國地震部門對斷層活動性的研究，應由地質學的現今活動性研究推進到地球物理與地球化學的當今活動性監(jiān)測與研究新階段。

2 斷層當今活動性監(jiān)測的新技術

斷層當今活動性監(jiān)測已應用于日常觀測研究中，國內外大多數地震前兆觀測實際上多是圍繞著斷層當

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)測預警技術可行性研究報告[R].同濟大學深部巖石力學與地下工程國家重點實驗室(北京)，2018.

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

2.1 跨斷層錨索牛頓力監(jiān)測新技術

錨索技術是由錨桿技術演變而來的,錨桿技術的初衷是在隧道、邊坡等巖體工程施工中用預應力鋼質桿件把不穩(wěn)定(施工時有可能發(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)點是柔韌性強，即使不穩(wěn)定巖塊(體)有所松動也不至于發(fā)生坍塌。

跨斷層錨索牛頓力監(jiān)測技術的核心是研發(fā)出適用于斷層活動性監(jiān)測的特殊材料的錨索。為此，中國礦業(yè)大學深部巖石力學與地下工程國家重點實驗室(北京)研發(fā)出一種負泊松比錨索(NPR, Negative Poisson Ratio Cable)，其特點是具有高恒阻力(850 KN)，大變形(最大變形量可達3 000～4 000 mm)時也可精確測量出斷層活動產生的力(牛頓力)。這種錨索構件的基本結構如圖1所示。

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

利用跨斷層錨索測牛頓力的基本原理如圖2所示，把錨索安放在揭穿活動斷層的鉆孔內，高恒阻力大變形的構件下端固定在斷層下盤，讓鋼絞線跨過斷層界面在斷層上盤通過鉆孔引伸到孔外，在孔口連接力學傳感器。當斷層活動時，力學傳感器把活動信息通過北斗(BD)衛(wèi)星通信網傳遞到數據接收與處理中心；數據中心把測得的錨索位移量通過NPR錨索的變形量與受力關系換算出斷層面上作用的力大小。

這項新技術得到國家科技部的支持和資助，由中國礦業(yè)大學深部巖石力學與地下工程國家實驗室(北京)負責并開始試驗研究，已在山東郯廬斷裂帶的安丘段建站開始觀測，2020年計劃在云南程海-濱川斷裂帶再建兩個試驗觀測站①，然后逐步在新疆等地推廣應用。

圖2 跨斷層NPR錨索牛頓力測量系統(tǒng)示意圖(據文獻[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新技術

斷層帶是地殼深部與地表之間物質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造活動(主要是斷層當今活動)的信息。

2.2.1 斷層帶釋放氣體觀測新技術

斷層帶氣體觀測并不是新技術，早在八九十年代國內外開始關注[7-9,5,10-12]，但由于觀測技術一直處于模擬觀測(定期取樣后再送實驗室測試)階段，未能得到廣泛地應用與發(fā)展，直到某些氣體的現場連續(xù)觀測數字化觀測儀器研發(fā)成功，本世紀第二個十年才開始得到發(fā)展與推廣應用[13-14]，成為“新”的監(jiān)測斷層當今活動性的技術之一。

斷層帶釋放氣體與斷層活動性的關系主要包括兩方面，第一是斷層受到力的作用而變形。受到的力為壓應力時，由于斷層破碎帶孔隙率與透氣性變弱而減少斷層氣的釋放量；受到張應力作用時，由于斷層破碎帶孔隙率與透氣性變強而增高斷層氣的釋放量，其結果表現為斷層帶釋放的某些氣體濃度的異常變化；第二是斷層活動時，錯動帶內巖石發(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-巖相互作用而產生新的氣體，使其濃度升高。如花崗巖受到破裂或破碎時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，由于斷裂帶內發(fā)生的水-巖相互作用而釋放出大量H2等[14]。無論是哪一種原因，斷層活動會引起斷層帶釋放氣體的總量或某些組分的濃度變化。

此項新技術已在全國地震系統(tǒng)得到廣泛應用[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)已建立相關的觀測站一百多處，觀測以H2為主的斷層帶土壤氣，有些省、市、區(qū)還開展Rn、CO2等的土壤氣觀測及井(泉)水逸出氣觀測。雖然觀測時間不長，但已得到可喜的成果，尤其在一些中強以上地震前捕捉到與斷層活動有關的異常信息(見圖3)。

圖3 一些中強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

這種新技術的推廣應用已初具規(guī)模，但監(jiān)測效果不很理想，多數測點上并未觀測到異常。分析其主要原因，首先，由于觀測區(qū)內無地震活動或觀測點斷裂當今并不活動；其次，觀測點位的選址、觀測孔結構的設

計與施工、觀測儀器的某些性能及觀測方法等方面的技術還不夠完善?？傊?，筆者認為，盡管還需多方面改進與完善，但是監(jiān)測斷層當今活動性的新技術還是具有廣泛應用前景的。

2.2.2 斷層帶釋放熱觀測新技術

地熱觀測在我國已有三十多年的歷史，目前已建立起規(guī)模較大的地熱觀測網。但這個觀測網的基本問題是并非觀測純粹的地熱動態(tài)，而主要是井水溫動態(tài)觀測。雖然有一定的地熱觀測意義，但兩種物理量及其動態(tài)形成機制是不同的。嚴格來說，井水溫動態(tài)觀測不是地熱動態(tài)觀測，偶爾可觀測到與地熱活動有一定關聯的溫度動態(tài)。

目前，大多數觀測井中水溫傳感器放置在觀測含水層中或其之上的深度，在這種情況下，井水溫動態(tài)觀測主要記錄到的是井-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，其動態(tài)主要反映了地下水補給與排泄關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，大多與大地熱流(地熱)的變化不相關[16]。

能夠真正反映地殼深部地熱狀態(tài)及其變化的動態(tài)觀測，無疑也應通過斷層帶的熱觀測來實現。斷層帶是地殼深部熱上傳的主要通道，而且地殼深部熱動態(tài)與斷層的當今活動密切相關。以世界著名的圣安德列斯斷層為例，該斷層可分為三段，各長約500 km。當今地震活動主要出現在中段，大地熱流測量結果發(fā)現南、北兩段地熱值都較低，而中段為當今斷裂活動性強的地段，上地熱值可達2 μcal/cm2.s，而且向兩側隨著與活動斷裂距離增大逐漸變小到1 μcal/cm2.s左右(見圖4)[17]。如第55頁圖5所示，云南三江地區(qū)橫穿騰沖-下關-永仁的剖面上，數值模擬結果三條南北向斷裂帶(怒江斷裂、瀾滄江斷裂、哀牢山斷裂)上大地熱流值(4～5HFU)都明顯高于其他地區(qū)(1～2HFU)，高2～3倍[18]。

圖4 美國圣安德烈斯斷裂中段上的地熱異常[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熱異常[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機制是斷層的錯動摩擦熱，已有一些學者研究了這種熱[17，19-20]，并給出斷層摩擦產生的熱(Q)計算式：

Q=τ·2V/2a或Q=γ·τ

，

(1)

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

(2)

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

無論把斷層帶看作是熱通道還是熱源，當斷層活動時會引起地熱與地溫異常都是毋庸置疑的。因此，觀測斷層帶上熱或地溫動態(tài)有可能監(jiān)測到斷層的當今活動并獲取地震前兆異常信息。根據陳順云等[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基巖地溫觀測點，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，無疑是一個強震孕育與發(fā)生之前，震中區(qū)及其外圍區(qū)域斷裂活動引起的。

基于上述分析與實際觀測到的現象，筆者主張把斷層帶釋放熱(以大地熱流觀測為主，但也可包括地溫與水溫)觀測列為斷層當今活動性監(jiān)測的新技術加以研究與發(fā)展，還主張把斷層帶釋放氣體與釋放熱動態(tài)綜合觀測，作為地震地下流體學科發(fā)展的新增長點與推進地震短臨預測科學難關的新突破口。

3 結論與討論

從防震減災的時間尺度需求出發(fā)，斷層活動性或活斷層研究的重點應放在斷層的當今活動性監(jiān)測與研究上。斷層當今活動性監(jiān)測的技術已有較多，但以傳統(tǒng)的各類前兆觀測為代表的斷層活動性監(jiān)測多受地表氣象、水文與人類活動的影響，觀測到的信息中干擾信息大于斷層活動信息；新興的GPS觀測則以監(jiān)測區(qū)域尺度上的構造塊體活動為目的，難以把握某一條斷裂某一段的當今時間尺度內的活動狀態(tài)，因此，有必要發(fā)展新的觀測技術。

我國正在興起的三種斷層當今活動性監(jiān)測新技術值得關注。無論是跨斷層錨索牛頓力監(jiān)測還是斷層帶釋放氣體與釋放熱監(jiān)測，與已有的監(jiān)測技術相比，其突出的優(yōu)點是觀測深度大，主要監(jiān)測來自深部(幾百～幾千米)的活動信息，受地表氣象、水文、人類活動的干擾較少，值得研究與推廣應用。

當然，任何新技術剛出現時總會是不完善的，需要做大量的試驗觀測，積累一定時間長度的觀測數據，系統(tǒng)分析觀測到的動態(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”的斷層當今活動信息。筆者相信，這類新技術的推廣與應用，一定能有效地縮短斷層當今活動性監(jiān)測的時間尺度，提升地震前兆監(jiān)測與地震預測的水平與能力，有效推進防震減災事業(yè)；同時也對某些地質災害的監(jiān)測和防治，對環(huán)境保護等也有積極的意義。

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