北京及周边地区跨断层形变站网评估.pdf

第 源远 卷 第 源 期圆园圆猿 年 员园 月地震研究允韵哉砸晕粤蕴 韵云 杂耘陨杂酝韵蕴韵郧陨悦粤蕴 砸耘杂耘粤砸悦匀灾燥造郾 源远袁 晕燥郾 源韵糟贼郾 袁 圆园圆猿鄢收稿日期院 圆园圆圆 原员员 原园圆郾基金项目院 国家重点研发计划课题 渊圆园员苑再云悦员缘园园缘园圆冤曰 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 渊圆园圆员陨耘云员圆园远冤援第一作者简介院 刘 琦 渊员怨愿缘 原 冤袁 副研究员袁 主要从事地壳形变与地球动力学等方面研究 郾 耘 原 皂葬蚤造院 造蚤怎择蚤岳 蚤藻枣郾 葬糟郾 糟灶郾淤华北强震跟踪工作组袁 形变分析预报技术管理组 郾 圆园员缘郾 首都圈跨断层流动基线尧 水准场地野外调研与优化改造建议报告 郾于中国地震局第一监测中心 郾 圆园员苑郾 华北地区跨断层场地监测效能评估与新建场地论证 郾刘琦袁李腊月袁胡乐银援 圆园圆猿援 北京及周边地区跨断层形变站网评估咱允暂援 地震研究袁源远渊源冤院源怨员 原 缘园圆袁凿燥蚤院员园援 圆园园员缘辕 躁援 糟灶噪蚤援陨杂杂晕员园园园 原园远远远援 圆园圆猿援 园园缘缘援蕴蚤怎 匝袁 蕴蚤 蕴 再袁 匀怎 蕴 再援 圆园圆猿援 耘增葬造怎葬贼蚤燥灶 燥枣 贼澡藻 糟则燥泽泽鄄枣葬怎造贼 燥遭泽藻则增葬贼蚤燥灶 灶藻贼憎燥则噪 蚤灶 月藻蚤躁蚤灶早 葬灶凿 蚤贼泽 葬凿躁葬糟藻灶贼 葬则藻葬泽咱允暂援 允燥怎则灶葬造 燥枣 杂藻蚤泽皂燥鄄造燥早蚤糟葬造 砸藻泽藻葬则糟澡袁源远渊源冤院源怨员 原缘园圆袁凿燥蚤院员园援 圆园园员缘辕 躁援 糟灶噪蚤援 陨杂杂晕员园园园 原园远远远援 圆园圆猿援 园园缘缘援北京及周边地区跨断层形变站网评估鄢刘 琦员袁 李腊月圆袁 胡乐银猿渊员郾 中国地震局地震预测研究所袁 北京 员园园园猿远曰 圆郾 中国地震局第一监测中心袁 天津 猿园园员愿园曰猿郾 北京市地震局袁 北京 员园园园愿园冤摘要院 为掌握北京及周边地区跨断层形变观测场地目前的效能情况袁 从而实现准确研判该区域地震危险性袁 降低未来地震可能造成的灾害风险袁 综合考虑跨断层场地监测条件和地震预测效能两方面设计了观测站网评估方案袁分别从场地监测环境尧 监测有效性尧 地下水位变化及地表沉降影响尧 场地预测配套性尧 最优预测指标效能和区域变形配套性等方面开展研究袁 给出了北京及周边地区跨断层形变站网的综合评估结果及后续站网优化建议遥 结果表明院 淤目前北京及周边地区的跨断层场地对区域内大多数主要断层具有较好的监测能力和地震预测效能袁 但八宝山黄庄高丽营断裂上多数观测场地监测条件相对较差袁 预测效能普遍偏低袁 建议选择该断裂的其它位置补充新建若干观测场地遥 于除了断裂构造袁 区域地质构造尧 水文地质条件等也对观测场地效能有重要影响袁 后续新场地选址时需要重点考虑这些因素遥关键词院 跨断层观测曰 地震预测效能曰 监测条件曰 地下水位曰 构造环境曰 北京中图分类号院 孕猿员缘郾 苑圆苑 文献标识码院 粤 文章编号院 员园园园 原园远远远渊圆园圆猿冤园源 原园源怨员 原员圆凿燥蚤院员园援 圆园园员缘辕 躁援 糟灶噪蚤援 陨杂杂晕员园园园 原园远远远援 圆园圆猿援 园园缘缘园 引言北京是中国的政治尧 文化尧 国际交往和科技创新中心袁 经济发达尧 人口稠密袁 同时北京及周边地区也是强震活动较为频繁的区域之一袁 历史上曾发生过 员远苑怨 年三河平谷 愿 级地震及多次 远级以上地震 渊蒋铭袁 马宗晋袁 员怨愿缘曰 张国民等袁员怨愿愿冤袁 特别是新中国成立以来该区域发生了 员怨苑愿年唐山 苑郾 愿 级和滦县 苑郾 员 级地震袁 造成了 圆源 万多人死亡和巨大经济损失遥 因此袁 针对北京及周边地区具备强震孕震能力的主要断层袁 开展有效地断层运动监测袁 捕捉地震孕育过程中可能的异常现象袁 对准确研判区域的地震危险性具有重要意义袁 针对现有的断层形变观测开展监测尧 预测效能评估是尤为重要的环节遥早在 圆园 世纪 远园 年代前后袁 北京及周边地区已开始陆续布设跨断层的形变观测场地袁 经过数十年不断的发展袁 目前已经有 圆园 多个场地袁 积累了数十年的观测数据袁 针对这些场地的监测环境以及实际的地震预测效能袁 前人已开展了大量的研究 渊陆明勇等袁 圆园员员袁 圆园员猿袁 圆园员愿冤袁 中国地震局也曾组织相关单位进行评估分析和站网改造方案设计淤于遥 由于观测环境处于动态变化之中袁 特别是随着城市化发展的稳步推进袁 以往研究中没有充分考虑的一些影响因素也变得突出袁 例如华北地区相对匮乏的水量补给和不断提升的用水需求之间的矛盾剧增袁 造成了超量开采地下水的问题遥地震研究源远 卷受此影响袁 华北平原成为中国沉降速率和影响面积最大的地区袁 局部地区的累积沉降量甚至超过了 猿郾 源 皂袁 北京地区的最大累积沉积量超过 员郾 源 皂渊何 庆 成 等袁 圆园园远曰 杨 艳袁 圆园员缘曰 郭 海 朋 等袁圆园员苑冤袁 因此在分析北京及周边地区跨断层观测条件时袁 需要考虑这种地下水位变化及其引发的区域性沉降所带来的影响遥 地下水储量尧 水位变化等的动态监测淤以及区域水准尧 郧晕杂杂尧 陨灶杂粤砸 等观测资料的积累为深入开展相关影响的分析提供了重要 基 础 渊 梁 芳 等袁 圆园员猿曰 孙 启 凯 等袁 圆园员苑曰在澡葬灶早 藻贼 葬造袁 圆园员怨曰 史 珉 等袁 圆园圆员曰 月葬蚤 藻贼 葬造袁圆园圆圆曰 蕴蚤 藻贼 葬造袁 圆园圆圆冤遥以往的地震异常判识和预测效能评估大多基于定性认识袁 专家经验对结果有重要影响遥 近几年在中国地震局监测预报司和地壳形变分析预报技术管理组的统一组织下袁 相关信息提取尧 异常确定尧 效能评估等的定量方法得到了长远发展渊中国地震局监测预报司袁 圆园圆园冤袁 并且已经开始在业务中进行推广应用于袁 为开展跨断层场地的预测效能评估提供了重要可靠的方法基础遥因此袁 本文在充分考虑前人已有研究基础上袁针对北京及周边地区跨断层形变观测站网设计了评估方案袁 从跨断层场地的监测条件以及地震预测效能两方面开展综合评估袁 给出综合评估结果袁针对关键性的影响因素进行了分析讨论袁 提出了未来北京及周边地区跨断层形变站网的优化建议遥员 监测条件评估北京及周边地区的跨断层形变测量始于 圆园 世纪 远园 年代末袁 目前袁 共有跨断层观测场地 圆苑 处袁其中流动场地 圆缘 处尧 定点台站 圆 个袁 观测场地遍及 晕宰 走向的南口孙河断裂尧 施庄断裂尧 涞水高碑店断裂以及 晕耘 走向延矾盆地北缘断裂尧 南口山前断裂尧 紫荆关断裂尧 黄庄高丽营断裂尧 夏垫断裂尧 唐山断裂等多条主要活动断裂 渊图 员冤遥为给出当前北京及周边地区跨断层场地监测条件较为客观的评估结果袁 本文将从场地的监测环境尧监测有效性尧 地下水位变化及地表沉降影响等几个方面开展评估分析遥图 员 北京及周边地区构造背景尧 酝逸远郾 园 历史地震及跨断层场地分布云蚤早郾 员 砸藻早蚤燥灶葬造 贼藻糟贼燥灶蚤糟 遭葬糟噪早则燥怎灶凿袁 酝逸远郾 园 澡蚤泽贼燥则蚤糟葬造 藻葬则贼澡择怎葬噪藻泽 葬灶凿 凿蚤泽贼则蚤遭怎贼蚤燥灶燥枣 贼澡藻 糟则燥泽泽鄄枣葬怎造贼 泽蚤贼藻泽 蚤灶 月藻蚤躁蚤灶早 葬灶凿 蚤贼泽 葬凿躁葬糟藻灶贼 葬则藻葬泽圆怨源淤于北京市水资源公报 郾 澡贼贼责院 辕 辕 泽憎躁郾 遭藻蚤躁蚤灶早郾 早燥增郾 糟灶辕 扎憎早噪辕 泽躁枣遭郾中国地震局地震预测研究所 郾 圆园圆园郾 关于印发 叶震情会商技术方法业务应用推荐清单 渊圆园圆园 年冤曳 的函 渊震预函也圆园圆园页 员源愿 号冤 郾第 源 期刘 琦等院 北京及周边地区跨断层形变站网评估员郾 员 监测环境评估参考中国地震局相关单位前期工作基础以及前人的研究成果袁 针对北京及周边地区的跨断层形变场地的监测环境开展定性评估袁 主要考虑测桩类型尧 是否跨过目标断层尧 周围是否存在显著干扰等因素遥 场地监测环境评估的具体准则为院当同时满足测桩类型为基岩尧 观测跨过目标断层尧周边无显著干扰 猿 个条件时袁 定为 粤 类曰 当上述条件同时满足 圆 个时袁 定为 月 类曰 当上述条件只满足一个或都不满足时袁 定为 悦 类袁 评估结果见表 员遥 由于不同研究所考虑的因素存在一定差异袁并且近几年部分场地经过了升级改造袁 周边环境也有一定变化袁 因此本文与前人的结果存在部分差异袁 但总体较为一致遥 北京及周边地区跨断层场地的监测环境整体较好袁 其中 粤 类场地 员源 处袁月 类场地 愿 处袁 合计占总场地数的 愿员郾 缘豫遥表 员 北京及周边地区跨断层场地监测环境定性评估栽葬遭郾 员 匝怎葬造蚤贼葬贼蚤增藻 葬泽泽藻泽泽皂藻灶贼 燥枣 贼澡藻 皂燥灶蚤贼燥则蚤灶早 藻灶增蚤则燥灶皂藻灶贼 燥枣 贼澡藻 糟则燥泽泽鄄枣葬怎造贼 燥遭泽藻则增葬贼蚤燥灶 泽蚤贼藻泽 蚤灶 月藻蚤躁蚤灶早 葬灶凿 蚤贼泽 葬凿躁葬糟藻灶贼 葬则藻葬泽序号监测场地测桩类型是否跨过断层是否存在显著干扰监测环境类型员北石城基岩是否粤圆密云基岩是是 渊附近有两口机井冤月猿古北口基岩是否粤源墙子路基岩是否粤缘张家台基岩是否粤远镇罗营基岩是是 渊宰员 点埋设在破碎尧 疏松的片麻岩中冤月苑张山营基岩是否粤愿德胜口基岩是否粤怨南口基岩是是 渊月酝源 测点被破坏袁 邻近蓄水渠冤月员园百善土层是是 渊位于公路旁袁 且受地下抽水影响严重冤悦员员燕家台基岩是是 渊晕尧 宰 端点位于破碎带上冤月员圆沿河城基岩是否粤员猿八宝山基岩是是 渊园林建设等环境影响较大袁 宰 端点无法观测冤月员源大灰厂基岩是是 渊场地周边陆续建有工棚和度假村冤月员缘上万土层是是 渊至少有 猿 个测墩埋设于人工采石挖土陡坎的边缘冤悦员远京西实验场基岩是否粤员苑小水峪基岩是否粤员愿土木基岩是是 渊位于庄稼地附近袁 易受人为干扰和破坏冤月员怨狼山土层不明确是 渊测量线路沿主干公路袁 受环境影响严重冤悦圆园施庄基岩是否粤圆员紫荆关基岩是否粤圆圆涞水基岩是否粤圆猿南孟土层不明确是 渊周边修路尧 建设导致多个点破坏冤悦圆源宁河土层不明确是 渊土层多为淤泥质袁 稳定性差冤悦圆缘小寺冲基岩是是 渊村民私自采石影响冤月圆远唐山基岩是否粤圆苑牛口峪基岩是否粤员郾 圆 监测有效性评估跨断层形变观测的目的是监测断层运动的动态演化袁 从而为地震预测提供可靠参考遥 因此袁能否有效反映真实的断层运动袁 是评估跨断层场地监测条件的一项重要指标遥 针对跨断层场地监测有效性的评估袁 一方面可以直接基于原始观测猿怨源地震研究源远 卷曲线定性判断断层活动特征袁 另一方面可以基于几何关系公式定量计算断层活动参数袁 从而分析断层 活 动 特 征 渊 薄 万 举 等袁 员怨怨愿曰 李 腊 月 等袁圆园员远冤遥 为此袁 笔者设定了跨断层场地监测有效性的评估准则院 从长趋势背景运动角度袁 若原始观测曲线及计算的活动参数结果反映的断层活动方式与地质学给出的断层背景活动一致袁 则定为 粤类曰 若原始观测曲线及计算的活动参数结果反映的断层活动方式有小幅波动袁 但整体上与地质学给出的断层背景活动一致袁 则定为 月 类曰 若原始观测曲线及计算的活动参数结果反映的断层活动方式不明确袁 或与地质学尧 其它手段给出的断层背景活动不一致袁 则定为 悦 类遥具体在计算断层活动参数时袁 根据测项的不同选用不同的数学模型遥 对于布设有 圆 条基线和水准的综合观测场地袁 断层活动的 猿 个分量计算公式为院凿 越驻杂员泽蚤灶琢圆原 驻杂圆泽蚤灶琢员糟燥泽琢员泽蚤灶琢圆原 泽蚤灶琢员糟燥泽琢圆遭 越驻杂员原 凿糟燥泽琢员泽蚤灶琢员糟 越员圆渊驻澡员垣 驻澡圆冤渊员冤式中院 凿 为断层两盘水平扭错量曰 遭 为水平张压活动量曰 糟 为垂直升降量曰 驻杂 为基线观测变化量渊以伸长为正冤曰 琢 是由断层走向逆时针转动至基线方向的角度曰 驻澡 为水准观测变化量 渊以上盘相对下盘下降为正冤遥 定义 噪 为断层 猿 个参数曲线的斜率袁 当 噪 跃 园 时表示右旋尧 张性尧 正断层活动袁若符号相反则表示断层活动性质相反遥对于仅布设 员 条基线和水准的场地袁 垂直升降量直接采用水准资料进行计算袁 水平扭错量计算公式为院凿 越驻杂糟燥泽琢原 驻澡贼葬灶琢贼葬灶茁渊圆冤式中院 茁 为断层倾角遥针对水准数据袁 选用起始年的观测数据作为参考基准袁 利用每年某个月份的测值减去基准年对应月份的测值袁 计算每年在基准年基础上的累积水准观测变化量 驻澡袁 驻澡 跃 园 表示正断层活动袁上盘下降曰 驻澡 约园 表示逆断层活动袁 上盘上升遥 经过该处理袁 基本可以消除季节变化等因素引起的年变影响袁 得到的断层垂直升降累积量能相对客观地描述断层在观测期内的活动状态遥针对各跨断层形变场地开展相关断层活动参数计算袁 结合已有地质研究结果 渊高文学袁 马瑾袁员怨怨猿曰 郝书俭袁 尤惠川袁 圆园园员曰 徐锡伟等袁 圆园园圆曰尤 惠 川 等袁 圆园园圆曰 张 世 民 等袁 圆园园苑曰 查 明 等袁圆园员员曰 杨海盟等袁 圆园员源冤袁 依据上述准则进行跨断层场地监测有效性的评估袁 具体评估结果见表 圆袁其中 粤尧 月 类场地 共计 员源 处袁 占总 场地数 的缘员郾 怨豫遥 密云尧 墙子路尧 八宝山尧 狼山尧 涞水尧 南孟尧 宁河尧 小寺冲等场地监测有效性相对较差袁主要和场地监测环境相对较差尧 所处断层活动性相对较弱等有关袁 导致观测数据容易出现与地质运动背景不一致的情况遥 另外袁 古北口尧 镇罗营尧南口尧 百善尧 京西实验场等场地所跨断裂以走滑运动为主袁 但目前仅有水准观测袁 无法有效监测断层的主要运动方式遥员郾 猿 地下水位变化及地表沉降的影响评估地下水位下降一方面可以造成区域局部发生显著的地表沉降袁 进而可能对周边的观测产生影响曰 另一方面袁 水位变化本身也可能对相关的观测直接造成影响袁 因此在分析过程中笔者同时考虑了上述两种影响过程遥 前人研究已经给出了员怨缘怨圆园员远 年研究区的浅层地下水位累积变化分布结果 渊孕葬灶早 藻贼 葬造袁 圆园圆园曰 窦甜甜等袁 圆园圆圆冤袁 在此基础上袁 笔者基于该区域覆盖相对完整的 陨灶杂粤砸监测结果 渊史珉等袁 圆园圆员冤袁 同时提取了 圆园员远圆园员愿 年地表沉降速率相对较高 渊大于 缘园 皂皂辕 葬冤的区域 渊图 圆冤遥 由于浅层地下水位变化结果是近远园 年的累积变化量袁 地表沉降速率仅为近几年较短时间内的结果袁 因此二者的高值区在细节上存在一定差异袁 但整体分布具有一致性袁 显示了超量开采地下水对区域地表快速沉降现象的控制作用遥 总体上来看袁 浅层地下水位下降和地表沉降最为突出的区域主要集中在研究区的中部及南部遥根据空间分布关系初步分析袁 密云尧 德胜口尧南口尧 百善尧 八宝山尧 涞水尧 南孟尧 唐山等场地位于浅层地下水位累积下降最为显著的区域附近袁可能会受其影响袁 其中百善尧 南孟等场地还同时位于近几年地表沉降较快的区域附近袁 受影响源怨源第 源 期刘 琦等院 北京及周边地区跨断层形变站网评估 表 圆 北京及周边地区跨断层场地监测有效性评估栽葬遭郾 圆 耘增葬造怎葬贼蚤燥灶 燥枣 贼澡藻 皂燥灶蚤贼燥则蚤灶早 藻枣枣藻糟贼蚤增藻灶藻泽泽 燥枣 贼澡藻 糟则燥泽泽鄄枣葬怎造贼 燥遭泽藻则增葬贼蚤燥灶 泽蚤贼藻泽 蚤灶 月藻蚤躁蚤灶早 葬灶凿 蚤贼泽 葬凿躁葬糟藻灶贼 葬则藻葬泽序号场地观测类型监测断层活动性质渊地质背景冤活动性质渊跨断层观测冤监测有效性员北石城水准北石城断裂正断正断粤圆密云水准二甲峪密云断裂弱活动逆断转正断悦猿古北口水准古北口断裂左旋走滑弱活动悦源墙子路基线尧 水准墙子路断裂左旋走滑弱活动悦缘张家台基线尧 水准程各庄断裂正走滑右旋正断粤远镇罗营水准程各庄断裂正走滑正断悦苑张山营基线尧 水准大西山断裂正断正断粤愿德胜口基线尧 水准南口山前断裂正断正断粤怨南口水准南口孙河断裂正走滑逆断转正断悦员园百善水准南口孙河断裂正走滑正断悦员员燕家台基线尧 水准沿河城断裂正断正断粤员圆沿河城水准沿河城断裂正断正断粤员猿八宝山基线尧 水准八宝山断裂逆断逆断转正断悦员源大灰厂基线尧 水准八宝山断裂逆断逆断粤员缘上万基线尧 水准黄庄高丽营断裂正走滑正断月员远京西实验场水准黄庄高丽营断裂正走滑逆断悦员苑小水峪基线尧 水准安营堡断裂正断右旋正断粤员愿土木水准孔涧大石河断裂正断正断粤员怨狼山水准延矾盆地北缘断裂正断逆断悦圆园施庄基线尧 水准施庄断裂正走滑左旋月圆员紫荆关水准紫荆关断裂正断正断粤圆圆涞水水准涞水高碑店断裂不详弱活动悦圆猿南孟水准牛驼镇凸起南断裂弱活动正断转逆断悦圆源宁河水准桐城断裂不详逆断悦圆缘小寺冲水准延矾盆地北缘断裂正断弱活动悦圆远唐山基线尧 水准唐山 缘 号断裂逆断逆断粤圆苑牛口峪水准八宝山断裂逆断逆断粤程度可能更加严重遥 在此基础上袁 笔者进一步分析相关影响的时间过程袁 考虑到地表沉降产生和发展过程与地下水开采过程基本保持同步且略滞后 渊何庆成等袁 圆园园远曰 杨艳等袁 圆园员园袁 圆园员猿冤袁因此可以利用地下水储量时序变化来表示地下水位尧 地表沉降的变化过程袁 并通过与跨断层观测数据的对比来分析地下水位尧 地表沉降等因素对跨断层场地的实际影响遥 在初步判定为受影响的场地中袁 密云尧 德胜口尧 南口尧 百善尧 八宝山尧涞水尧 唐山等场地的观测数据并未表现出与地下水储量较为同步的变化过程袁 即未受其显著控制渊图 猿葬冤袁 仅南孟场地受影响较为严重 渊图 猿遭冤袁这可能主要与场地局部地质环境特征以及测桩类型是否为基岩有关遥 进一步研究发现袁 除了南孟场地之外袁 京西实验场尧 大灰厂尧 上万尧 牛口峪等场地的观测背景变化与水储量的变化一致性也较好 渊图 猿糟冤遥 上述场地周边虽然没有浅层地下水位显著下降区和地表快速沉降区袁 但是明显受到水储量变化的直接影响袁 造成这种现象的可能原因在后文做进一步讨论遥 综合上述地下水位变化及地表沉降对跨断层观测的实际影响程度袁 将南孟尧 京西实验场尧 大灰厂尧 上万尧 牛口峪 缘 处场地定为 悦 类袁 密云尧 德胜口尧 南口尧 百善尧 八宝山尧 涞水尧 唐山 苑 处场地定为 月 类袁 其它 员缘 处场地定为 粤 类袁 粤 类场地数占总场地数的 缘缘郾 远豫 遥缘怨源地震研究源远 卷图 圆 北京及周边地区浅层地下水位下降区与地表沉降速率高值区云蚤早郾 圆 阅则葬憎凿燥憎灶 葬则藻葬 燥枣 贼澡藻 泽澡葬造造燥憎 早则燥怎灶凿憎葬贼藻则 葬灶凿 澡蚤早澡鄄则葬贼藻 葬则藻葬泽燥枣 贼澡藻 泽怎则枣葬糟藻 泽怎遭泽蚤凿藻灶糟藻 蚤灶 月藻蚤躁蚤灶早 葬灶凿 蚤贼泽 葬凿躁葬糟藻灶贼 葬则藻葬泽图 猿 地下水储量变化对跨断层观测场地的影响云蚤早郾 猿 陨灶枣造怎藻灶糟藻 燥枣 贼澡藻 憎葬贼藻则鄄则藻泽藻则增藻 增葬则蚤葬贼蚤燥灶 燥灶 贼澡藻糟则燥泽泽鄄枣葬怎造贼鄄燥遭泽藻则增葬贼蚤燥灶 泽蚤贼藻泽圆 地震预测效能评估圆郾 员 基于单测项单方法的预测效能定量评估跨断层观测能否监测到可靠的地震前兆异常变化是场地评估中需要重点考虑的因素遥 历史震例资料的统计结果显示袁 一些跨断层观测在多次地震前都曾记录到显著的异常变化袁 并且异常主要以趋势转折尧 破年变尧 速率变化尧 超阈值变化等为主 渊曹建玲等袁 圆园员远曰 陈长云等袁 圆园员远曰 李瑞莎等袁 圆园员远冤遥 因此袁 针对单个场地的单个测项袁 分别利用趋势转折尧 破年变尧 速率尧 阈值等方法的不同算法 渊洪敏等袁 圆园员怨冤 进行相应特征信息的提取袁 并利用 砸 值检验方法进行最优预测指标的自动确定以及预测效能的定量评估 渊中国地震局监测预报司袁 圆园圆园冤遥砸 值检验是目前在地震预报领域应用最为广泛的一种效能评估方法袁 综合考虑了有震报准率尧无震报准率尧 漏报率尧 虚报率等评估因素袁 通过不同因素的组合和折中给出相应的效能评估结果渊国家地震局科技监测司袁 员怨怨园冤遥 由于上述因素并非完全独立袁 所以 砸 值检验有多种等价的表达形式袁 常用的一种形式如下院远怨源第 源 期刘 琦等院 北京及周边地区跨断层形变站网评估砸 越 有震报准率 原 预报占时率 越渊报对的地震次数辕 应预报的地震总次数冤 原 渊预报占用时间辕 研究的总时间冤渊猿冤当指定了目标震级范围尧 空间范围及预报时窗后袁 通过调整不同的异常阈值就可以对应不同的有震报准率和预报占时率组合袁 进而获得不同的 砸 值袁 从中选择 砸 值最高所对应的异常阈值作为该指定预报规则下 渊特定的震级尧 空间尧 时间范围冤 的相对最优阈值遥 综合所有预报规则下的评估结果袁 就可以确定最优的异常阈值尧 相应的预报规则及预测效能遥选取了员怨苑园圆园圆园 年北京及周边地区 渊猿愿郾缘毅 耀源圆毅晕袁 员员圆毅 耀员员怨毅耘冤 缘 级以上地震用于效能检验袁共计 员远 次地震事件遥 首次为 员怨苑远 年 源 月 远 日内蒙古和林格尔 远郾 圆 级地震袁 末次为 圆园圆园 年 苑 月 员圆 日河北唐山 缘郾 员 级地震袁 员怨苑远 年 苑 月 圆愿 日河北唐山苑郾 愿 级尧 滦县 苑郾 员 级以及震后短期内 缘 级以上余震作为员 次地震事件袁 员怨愿怨 年员园 月员愿员怨 日山西大同 缘 级震群同样作为 员 次地震事件遥砸 值同时考虑了有震报准率和预报占时率袁 表示扣除了随机概率后的预报成功率袁 当 砸 越园 时表示预报没有起作用遥 一般除了考虑 砸 值大小外袁还需要考虑其信度遥 同样的 砸 值袁 当其基于的地震次数不一样时袁 信度也不一样袁 因此需要考虑砸园值袁 即保证 怨苑郾 缘豫 的置信度的最低 砸 值遥 当 砸逸砸园时袁 可以认为这个 砸 值至少有 怨苑郾 缘豫 的置信度 渊国家地震局科技监测司袁 员怨怨园冤遥 笔者依据通过效能及置信度检验 渊砸 跃 园 且 砸逸砸园冤 的测项 原方法数来评估场地预测配套性袁 通过数越多表明预测配套性越好袁 越有利于在实际业务应用中综合评估地震危险性院 通过数臆源 的场地定义其预测配套性为 悦 类曰 缘臆通过数臆员园 的场地定义为 月类袁 通过数 跃员园 的场地定义为 粤 类遥众多通过检验的测项 原 方法中最优预测指标的效能同样具有重要的评估意义袁 这代表了 野王牌冶 手段的预测能力院 所有测项 原 方法均未通过检验袁 或最优测项 原 方法的 砸 值通过检验袁 但 砸臆园郾 猿 的场地定义其最优预测指标效能为 悦 类曰 最优测项 原 方法的 砸 值通过检验袁 并且 园郾 猿 约 砸臆园郾 缘的场地定义为 月 类曰 最优测项 原 方法的 砸 值通过检验袁 并且 砸 跃园郾 缘 的场地定义为 粤 类遥表 猿 给出了基于单测项单方法的场地预测效能评估结果袁 场地预测配套性 粤 类有远 处场地袁 月 类缘 处袁 合计占总场地数 源园郾 苑豫曰 最优预测指标效能粤 类有 愿 处场地袁 月 类 怨 处袁 合计占总场地数的远猿郾 园豫袁 比预测配套性的比例更高袁 表明部分场地虽然异常配套性较差袁 但是具备一些 野王牌冶 的预测手段袁 仍然可以在实际的预报业务中发挥重要作用遥圆郾 圆 基于区域变形配套性的预测效能评估在区域统一构造应力场作用下袁 关联的断层系统往往会出现协同性的运动袁 显示出对区域应力场变化的敏感响应遥 通过监测关联断层系统整体的断层运动变化袁 有助于了解区域大范围尧 长时间的应力场调整过程袁 对于准确研判未来一段时期区域整体的强震趋势具有重要意义遥跨断层形变观测在监测断层运动方面一直发挥着重要作用袁 目前主要是基线和水准观测两类遥基线观测由于所跨断层走向尧 基线方位尧 断层运动方式等的不同袁 直接进行有物理含义的区域综合难度较大袁 而水准观测因为只反映断层垂向上的运动变化袁 所以是进行区域综合比较好的选择遥北京及周边地区跨断层场地都具有水准观测袁为开展基于区域变形配套性的预测效能评估提供了基础遥 笔者使用垂直形变速率合成方法进行计算 渊焦青袁 周俊萍袁 员怨怨愿曰 苏琴袁 圆园园缘曰 张晶等袁圆园员圆冤袁 按照跨断层场地的区域集中程度尧 地质背景以及构造相关性等袁 主要分成首都圈西北部尧首都圈东北部尧 八宝山断裂相关区域 猿 个区域渊图 圆冤 开展计算分析遥 首都圈西北部包含狼山尧施庄尧 土木尧 小水峪尧 沿河城尧 燕家台尧 张山营等场地 渊小寺冲场地观测时间较短袁 未参与合成计算冤曰 首都圈东北部包含北石城尧 德胜口尧 古北口尧 密云尧 南口尧 墙子路尧 张家台尧 镇罗营等场地 渊百善场地数据质量较差袁 未参与合成计算冤曰八宝山断裂相关区域包含八宝山尧 大灰厂尧 牛口峪尧 京西实验场尧 上万等场地袁 区域南部相对零散的场地未进行考虑遥猿 个区域的垂直形变速率合成结果表现出明显差异袁 首都圈西北部的计算结果呈现 圆 个显著的活动时段 渊图 源葬冤院 一是 员怨苑园员怨苑怨 年袁 在该时段末期发生了 员怨苑远 年唐山 苑郾 愿 级尧 滦县 苑郾 员 级地震及多次 缘 级以上余震袁 该时段区域断层系统整体相对活动反映了唐山尧 滦县大地震前区域孕震应力苑怨源地震研究源远 卷 表 猿 基于单测项单方法的北京及周边地区场地预测效能评估结果栽葬遭郾 猿 耘增葬造怎葬贼蚤燥灶 燥枣 枣燥则藻糟葬泽贼蚤灶早 藻枣枣藻糟贼蚤增藻灶藻泽泽 燥枣 贼澡藻 糟则燥泽泽鄄枣葬怎造贼 泽蚤贼藻泽 遭葬泽藻凿 燥灶 贼澡藻 泽蚤灶早造藻 燥遭泽藻则增葬贼蚤燥灶 蚤贼藻皂燥则 皂藻贼澡燥凿 蚤灶 月藻蚤躁蚤灶早 葬灶凿 蚤贼泽 葬凿躁葬糟藻灶贼 葬则藻葬泽序号场地通过检验的测项 原 方法数最优测项辕 方法最优 砸 值对应 砸园值场地预测配套性最优预测指标效能员北石城园悦悦圆密云猿水准 源 原猿 渊噪冤 辕 速率类园郾 源源园郾 猿源悦月猿古北口愿水准 晕 原 杂 渊噪冤 辕 速率类园郾 源怨园郾 猿苑月月源墙子路猿圆水准 渊载杂冤 耘晕 原 宰杂 渊噪冤 辕 阈值类园郾 源怨园郾 圆圆粤月缘张家台圆愿水准 渊载杂冤 晕 原 杂 渊噪冤 辕 速率类园郾 远员园郾 圆圆粤粤远镇罗营圆水准 耘 原 宰辕 阈值类园郾 缘园园郾 猿苑悦月苑张山营苑基线 渊允冤 耘 原 宰 渊噪冤 辕 速率类园郾 远源园郾 圆愿月粤愿德胜口员猿水准 渊载杂冤 耘 原 宰 渊噪冤 辕 速率类园郾 远园园郾 源园粤粤怨南口园悦悦员园百善园悦悦员员燕家台圆怨水准 杂 原 宰员 渊噪冤 辕 速率类园郾 远员园郾 圆圆粤粤员圆沿河城远水准 圆 原员 渊噪冤 辕 阈值类园郾 缘圆园郾 猿苑月粤员猿八宝山猿基线 渊允冤 杂 原 晕 渊噪冤 辕 速率类园郾 源圆园郾 圆愿悦月员源大灰厂员基线 渊悦允冤 耘 原 晕 渊噪冤 辕 破年变园郾 圆苑园郾 圆苑悦悦员缘上万圆基线 渊悦允冤 耘 原 宰 渊噪冤 辕 速率类园郾 源猿园郾 猿源悦月员远京西实验场园悦悦员苑小水峪员缘基线 渊载允冤 耘员 原 宰员 渊噪冤 辕 速率类园郾 源猿园郾 圆缘粤月员愿土木圆水准 缘 原员 渊噪冤 辕 阈值类园郾 缘圆园郾 猿源悦粤员怨狼山园悦悦圆园施庄缘基线 渊允冤 耘 原 宰 渊噪冤 辕 速率类园郾 缘园园郾 圆圆月月圆员紫荆关员远水准 圆 原员 渊噪冤 辕 阈值类园郾 缘怨园郾 猿源粤粤圆圆涞水园悦悦圆猿南孟园悦悦圆源宁河源水准 员 原圆 渊噪冤 辕 速率类园郾 员怨园郾 员远悦悦圆缘小寺冲园悦悦圆远唐山怨基线 猿 原源 渊噪冤 辕 速率类园郾 源缘园郾 圆愿月月圆苑牛口峪员水准 耘 原 宰辕 破年变园郾 苑源园郾 猿苑悦粤环境变化以及后续的震后调整曰 二是 员怨愿缘员怨怨怨年袁 持续时间相对较长袁 期间区域内虽未发生大地震袁 但是中强地震持续活跃袁 发生了 怨 次 缘 级以上地震袁 主要集中在山西带北段和张渤带西段遥之后区域断层运动相对平稳袁 期间地震活动也相对平静袁 仅发生 员 次 圆园园远 年文安 缘郾 员 级地震曰 随后 圆园员员 年日本 怨郾 园 级地震对该区域产生了持续深远的影响袁 期间区域内 缘 级地震长时间平静可能与日本地震震后引起的区域应力尧 断层运动状态的调整过程有关 渊张贝等袁 圆园员缘冤曰 圆园圆园 年唐山 缘郾 员级地震前后袁 区域断层运动系统再次表现出一定的活跃迹象袁 可能指示了日本地震的影响正趋于结束遥 整体来看袁 该区域的断层垂直形变速率合成结果对于区域应力状态调整较为敏感袁 能够相对准确地反映区域内地震活动趋势袁 各观测场地的变形配套性相对较好遥首都圈东北部的计算结果同样呈现两个显著的活动时段 渊图 源遭冤院 一是 员怨苑远员怨苑怨 年袁 主要反映了唐山尧 滦县大地震后的调整过程袁 并且受震后影响的程度明显高于首都圈西北部的结果袁 而对于震前应力环境的演化过程反而不是特别敏感曰 二是 员怨愿缘员怨怨怨 年袁 显示了与首都圈西北部类似的演化过程遥 之后该区域结果同样显示了相对平稳的运动状态以及日本地震对于区域愿怨源第 源 期刘 琦等院 北京及周边地区跨断层形变站网评估应力尧 断层运动状态的影响曰 该区域垂直形变速率合成结果在 圆园圆员 年下半年表现为高值变化袁可能与 圆园圆员 年北京市出现的近几十年内最强降雨这类罕见气象条件有关袁 属于干扰因素的影响遥 因此袁 对比首都圈西北部的结果发现袁 本区域结果对个别区域应力调整过程不敏感袁 并且易受干扰因素影响袁 表明该区域各场地的区域变形配套性略差遥与前两个区域相比袁 八宝山断裂相关区域的计算结果从 员怨怨园 年前后开始整体波动加剧袁 并未表现出与区域应力场调整以及周边中强地震明显的对应关系 渊图 源糟冤遥 从针对各场地受地下水位变化及地表沉降影响的分析结果可知袁 该区参与计算的多个场地受影响严重 渊图 圆冤袁 计算结果的 图 源 首都圈西北部 渊葬冤尧 东北部 渊遭冤 和八宝山断裂相关区域 渊糟冤 垂直形变速率合成结果云蚤早郾 源 杂赠灶贼澡藻贼蚤糟 则藻泽怎造贼泽 燥枣 贼澡藻 增藻则贼蚤糟葬造 凿藻枣燥则皂葬贼蚤燥灶则葬贼藻 蚤灶 贼澡藻 灶燥则贼澡憎藻泽贼 渊葬冤袁 灶燥则贼澡藻葬泽贼 渊遭冤袁 葬灶凿月葬遭葬燥泽澡葬灶 枣葬怎造贼 渊糟冤 燥枣 月藻蚤躁蚤灶早 糟葬责蚤贼葬造 糟蚤则糟造藻不稳定可能与地下水储量快速变化袁 导致不同观测场地出现相应的调整运动有关 渊图 猿糟冤遥 另外袁该区域结果同样受到 圆园圆员 年极端天气的影响袁 并且受影响程度比首都圈东北部的结果更严重遥 整体来看袁 八宝山断裂相关区域的观测场地其区域变形配套性所反映的效能最差遥在上述分析基础上袁 笔者采用类似 圆郾 员 节的方式进行区域垂直形变速率合成结果的预测效能定量评估 渊表 源冤袁 定量评估结果与定性分析的认识一致遥 综合上述结果袁 将首都圈西北部参与计算场地的区域变形配套性定为 粤 类袁 首都圈东北部参与计算场地定为 月 类袁 八宝山断裂相关区域参与计算场地以及未参与上述 猿 个区域计算的其它场地均定为 悦 类遥 粤 类场地 苑 个尧 月 类场地 愿 个袁 合计占总场地数的 缘缘郾 远豫遥表 源 基于区域变形配套性的预测效能定量评估栽葬遭郾 源 匝怎葬灶贼蚤贼葬贼蚤增藻 藻增葬造怎葬贼蚤燥灶 燥枣 贼澡藻 枣燥则藻糟葬泽贼蚤灶早 藻枣枣藻糟贼蚤增藻灶藻泽泽遭葬泽藻凿 燥灶 则藻早蚤燥灶葬造 凿藻枣燥则皂葬贼蚤燥灶 糟燥皂责葬贼蚤遭蚤造蚤贼赠序号分区通过检验的方法数最优方法最优砸 值对应砸园值员首都圈西北部猿速率类园郾 缘怨园郾 圆愿圆首都圈东北部源速率类园郾 源愿园郾 圆愿猿八宝山断裂相关区域园猿 讨论图 缘 给出了综合场地监测条件以及预测效能的北京及周边地区跨断层场地最终评估结果遥 该结果表现出几个显著特点院渊员冤 跨断层场地的监测条件对于其地震预测效能具有较大影响袁 监测条件相对较差的场地其预测效能各项评估指标普遍偏低遥渊圆冤 区域地质构造环境的差异对场地监测条件有较大影响袁 进而影响其预测效能遥 整体来看袁位于山地基岩区的场地观测条件相对较好袁 预测效能普遍较高袁 位于平原区沉积层之上的场地则容易受各种干扰因素影响袁 导致监测条件较差袁预测效能普遍偏低遥渊猿冤 区域局部的水文地质条件差异对其附近场地受地下水超采尧 强降雨等影响的显著程度可能具有重要控制作用遥 实际观测数据受地下水储怨怨源地震研究源远 卷量变化显著影响的京西实验场尧 大灰厂尧 上万尧牛口峪等场地袁 在空间上并未处于浅层地下水位下降和地表沉降最为突出的区域 渊图 圆冤遥 基于区域水文地质研究结果分析 渊雷坤超等袁 圆园员远曰 蕴藻蚤藻贼 葬造袁 圆园圆员冤袁 造成这种现象的原因可能与上述场地位于单一砂砾含水层上方有关袁 这同时造成了上述场地对于强降雨影响也较为敏感遥前人研究已经揭示了不同观测台站或场地的监测能力及其对地震前兆异常的敏感程度存在显著差异袁 台站或场地所处的断裂构造位置可能起到主要作用袁 特别是在断裂端点尧 拐点与交汇点等构造复杂尧 应力较易集中的区域袁 观测台站较为敏感 渊车用太袁 员怨怨园曰 焦明若袁 张国民袁 员怨怨愿曰刘琦等袁 圆园员远冤袁 而且不同运动性质的断层优势的敏感观测区域可能也不同 渊马栋等袁 圆园员怨冤袁 这些认识也得到了岩石破裂实验等的支持 渊马瑾等袁圆园园苑冤遥 本文的研究进一步显示了区域地质构造尧水文地质条件等对观测台站或场地的监测能力及预测效能等的影响袁 因此在后续针对北京及周边地区观测站网布局的优化改造中袁 除了考虑断裂构造等因素袁 区域地质构造尧 水文地质条件等同样需要重点考虑遥图 缘 北京及周边地区跨断层场地综合评估结果云蚤早郾 缘 砸藻泽怎造贼泽 枣则燥皂 贼澡藻 糟燥皂责则藻澡藻灶泽蚤增藻 葬泽泽藻泽泽皂藻灶贼 燥枣 贼澡藻 糟则燥泽泽鄄枣葬怎造贼 泽蚤贼藻泽 蚤灶 月藻蚤躁蚤灶早 葬灶凿 蚤贼泽 葬凿躁葬糟藻灶贼 葬则藻葬泽源 结论本文针对北京及周边地区的跨断层观测场地尝试综合考虑监测条件尧 预测效能进行评估袁 分别从监测环境尧 监测有效性尧 地下水位变化辕 地表沉降影响以及场地预测配套性尧 最优预测指标效能尧 区域变形配套性等方面开展了详细的研究和分析讨论遥 基于综合评估结果袁 主要获得以下结论院渊员冤 北京及周边地区的跨断层场地布设对区域内大多数主要断层具有较好的监测能力袁 并有较好的地震预测效能遥渊圆冤 八宝山黄庄高丽营断裂多数场地渊例如八宝山尧 京西实验场尧 大灰厂尧 上万尧 牛口峪等冤 目前监测条件相对较差袁 预测效能普遍偏低袁 建议针对该断裂选择其它合适的断层段位置补充新建若干跨断层观测场地遥渊猿冤 基于评估结果袁 建议停测百善尧 南孟尧宁河尧 涞水尧 京西实验场尧 大灰厂等预测效能较低且监测条件一般的场地遥渊源冤 考虑所跨断层的主要运动方式袁 建议古北口尧 镇罗营尧 南口等场地增加基线观测袁 以有效监测所跨断层的断层运动遥渊缘冤 后续若要补充新建跨断层形变观测场地袁在场地选址时除了考虑所跨断裂基本活动特性之园园缘第 源 期刘 琦等院 北京及周边地区跨断层形变站网评估外袁 还需考虑区域地质构造尧 水文地质条件等因素遥感谢北京市地震局刘桂萍研究员尧 中国地震局地震预测研究所孙汉荣研究员尧 薛兵研究员尧云南省地震局洪敏正高级工程师尧 山西省地震局刘瑞春高级工程师尧 河北省地震局马栋高级工程师尧 中国地震局第一监测中心陈长云高级工程师尧中国地震局第二监测中心李瑞莎高级工程师在本项工作开展及文章撰写过程中给予的意见建议遥参考文献院薄万举袁谢觉民袁郭良迁 郾 员怨怨愿郾 八宝山断裂带形变分析与探讨咱允暂援地震袁员愿渊员冤院远猿 原远愿郾曹建玲袁贾晓东袁李腊月袁等 郾 圆园员远郾 华北地区跨断层前兆异常特征综述咱允暂援 地震袁猿远渊源冤院远员 原苑缘郾车用太郾 员怨怨园郾 地下水动态观测井映震灵敏条件研究咱允暂援 中国地震袁远渊源冤院远怨 原苑缘郾陈长云袁郑智江袁李腊月袁等 郾 圆园员远郾 南北地震带中南段典型强震震前跨断层形变特征分析咱允暂援 地震袁猿远渊源冤院源苑 原远园郾窦甜甜袁程惠红袁周元泽袁等 郾 圆园圆圆郾 华北平原地下水开采对区域地震活动性的影响咱允暂援 地球物理学报袁远缘渊愿冤院圆怨猿员 原圆怨源源郾高文学袁马瑾 郾 员怨怨猿郾 首都圈地震地质环境与地震灾害咱酝暂援 北京院地震出版社 郾郭海朋袁白晋斌袁张有全袁等 郾 圆园员苑郾 华北平原典型地段地面沉降演化特征与机理研究咱允暂援 中国地质袁源源渊远冤院员员员缘 原员员圆