断裂的当今活动性及其监测新技术

车用太，陈其峰，冯恩国

(1.中国地震局地质研究所，北京 100029；2.山东省地震局聊城地震水化试验站，山东 聊城 252000)

0 引言

地震科学的地质学基础是断层的活动性，无论是地震孕育、发生条件及机理研究，还是地震前兆的监测与地震预测及震害防御与城乡建设等都离不开对断层活动性的认识。那么，断层活动性的概念是什么？从防震减灾的角度出发，断层活动性评价的要求是什么？什么叫断层的当今活动性？如何去监测断层的当今活动性？文章将围绕上述问题展开讨论。

1 活动断层及其当今活动性

断层是指地壳中的一个破裂面，是破裂面两侧的岩体、岩层、岩块发生了相对错动的地质构造活动形迹，也有学者称断裂。从地震地质学角度来说，主要研究的问题之一是断层的活动性，即破裂面或断层面两侧的岩体、岩层、岩块沿着破裂面发生错动的时间特征。从发生错动的时间来划分，常分为老断层与新断层。前者指新生代之前(距今65 Ma前)发生错动的断层，后者指新生代(距今65 Ma后)以来发生错动的断层。新断层又可细分为新生代早期的古近纪E(距今65～23.3 Ma间)、新近纪N(距今23.3～2.6 Ma间)错动的新生代断层与第四纪Q(距今2.6 Ma至现今)活动的断层。第四纪活动断层，还可分为早更新世Qp1(距今2.6～0.73 Ma间)、中更新世Qp2(距今0.73～0.13 Ma间)、晚更新世Qp3(距今0.13～0.01 Ma间)与全新世Qh(距今1万年至现今)活动的断层。广义的活动断层一般指新生代以来活动的断层，狭义的活动断层一般指第四纪以来活动的断层[1]。

随着地震地质学测年技术的发展，近二三十年来我国把断层活动的时间判定精度提高到几百至几千年，如用C14测年法测得云南程海断裂带北段有过3次史前活动时间，分别是距今9 230±170年、7 415～3 572年与3 752～2 085年[2]；又如山东郯庐断裂带中南段(沂沭带)用C14测年法测得1668年郯城8.5级地震前曾有过3次构造事件，分别是距今3 500 a、7 400 a与11 000 a[3]。

由此可见，虽然地震地质学对断层活动时间研究较深入，取得了一些研究成果，但在时间尺度上，距地震监测与预测的实际需求仍相差甚远，距抗震设防的要求也存在一定差距。地质学可给出的活动性在时间尺度上多是几千年尺度，在个别情况下，最短只可给出几百年的尺度，这些结果与当今人类对防震减灾的时间需求尺度还差两三个量级。因此，需要提出与研究断层的当现今活动性问题并探索其监测与研究的新途径。

断层“当今”活动性的概念与地震地质学上惯用的“现今”活动性的概念不同。前者主要指基于现代地球物理与地球化学观测得到的未来几至几十天和几十天至几个月时间尺度上表现出的断层活动性，可直接为当今社会的防震减灾与环境保护等现实需求服务。笔者认为，我国地震部门对断层活动性的研究，应由地质学的现今活动性研究推进到地球物理与地球化学的当今活动性监测与研究新阶段。

2 断层当今活动性监测的新技术

断层当今活动性监测已应用于日常观测研究中，国内外大多数地震前兆观测实际上多是围绕着断层当

① 陶志刚，唐颖哲，乔亚飞.程海断裂跨断层界面牛顿力综合监测预警技术可行性研究报告[R].同济大学深部岩石力学与地下工程国家重点实验室(北京)，2018.

今活动性监测为目的的，特别是跨断层形变观测，更是断层当今活动性的直接观测。此外，还有其他的现今活动性监测，如井水位、井泉水流量、温度与化学组分观测、地应力、地倾斜、地电、地磁、GPS观测等，特别是近几年的GPS观测。然而，上述种种观测都是在地表或近地表进行，得到的信息不同程度地受水文、气象及人类活动等众多因素干扰，经常为干扰的信息远大于断层活动的信息，因此，需探索受地表干扰少而弱的断层当今活动性监测的新技术。近几年这方面兴起的新技术具有代表性与可行性的是跨断层锚索牛顿力监测与断层带释放气体和热观测。

2.1 跨断层锚索牛顿力监测新技术

锚索技术是由锚杆技术演变而来的,锚杆技术的初衷是在隧道、边坡等岩体工程施工中用预应力钢质杆件把不稳定(施工时有可能发生垮塌的)岩体(块)固定在稳定岩体(块)上的工程措施。锚索与锚杆的功能是一样的，但用的不是杆件，而是钢绞线(锚索)。其优点是柔韧性强，即使不稳定岩块(体)有所松动也不至于发生坍塌。

跨断层锚索牛顿力监测技术的核心是研发出适用于断层活动性监测的特殊材料的锚索。为此，中国矿业大学深部岩石力学与地下工程国家重点实验室(北京)研发出一种负泊松比锚索(NPR, Negative Poisson Ratio Cable)，其特点是具有高恒阻力(850 KN)，大变形(最大变形量可达3 000～4 000 mm)时也可精确测量出断层活动产生的力(牛顿力)。这种锚索构件的基本结构如图1所示。

图1 NPR锚索构件组成示意图(据文献[4]改绘)Fig.1 Schematic diagram of NPR anchor cable components

利用跨断层锚索测牛顿力的基本原理如图2所示，把锚索安放在揭穿活动断层的钻孔内，高恒阻力大变形的构件下端固定在断层下盘，让钢绞线跨过断层界面在断层上盘通过钻孔引伸到孔外，在孔口连接力学传感器。当断层活动时，力学传感器把活动信息通过北斗(BD)卫星通信网传递到数据接收与处理中心；数据中心把测得的锚索位移量通过NPR锚索的变形量与受力关系换算出断层面上作用的力大小。

这项新技术得到国家科技部的支持和资助，由中国矿业大学深部岩石力学与地下工程国家实验室(北京)负责并开始试验研究，已在山东郯庐断裂带的安丘段建站开始观测，2020年计划在云南程海-滨川断裂带再建两个试验观测站①，然后逐步在新疆等地推广应用。

图2 跨断层NPR锚索牛顿力测量系统示意图(据文献[4]改绘)Fig.2 Schematic diagram of Newton force measurement system for cross-fault NPR anchor

2.2 断层带释放气体与热观测新技术

断层带是地壳深部与地表之间物质与能量交换的主要通道[5-6]，因此，断层带释放的气体与热也必然携带有地壳深部构造活动(主要是断层当今活动)的信息。

2.2.1 断层带释放气体观测新技术

断层带气体观测并不是新技术，早在八九十年代国内外开始关注[7-9,5,10-12]，但由于观测技术一直处于模拟观测(定期取样后再送实验室测试)阶段，未能得到广泛地应用与发展，直到某些气体的现场连续观测数字化观测仪器研发成功，本世纪第二个十年才开始得到发展与推广应用[13-14]，成为“新”的监测断层当今活动性的技术之一。

断层带释放气体与断层活动性的关系主要包括两方面，第一是断层受到力的作用而变形。受到的力为压应力时，由于断层破碎带孔隙率与透气性变弱而减少断层气的释放量；受到张应力作用时，由于断层破碎带孔隙率与透气性变强而增高断层气的释放量，其结果表现为断层带释放的某些气体浓度的异常变化；第二是断层活动时，错动带内岩石发生破碎而释放某些气体或破碎岩石中的某些矿物与水发生水-岩相互作用而产生新的气体，使其浓度升高。如花岗岩受到破裂或破碎时Rn的释放量显著升高[15]。又如含有硅酸盐矿物的岩石受到破碎时，由于断裂带内发生的水-岩相互作用而释放出大量H2等[14]。无论是哪一种原因，断层活动会引起断层带释放气体的总量或某些组分的浓度变化。

此项新技术已在全国地震系统得到广泛应用[14]，北京、河北、山西、辽宁、黑龙江、吉林、山东、安徽、河南、四川、云南、新疆、陕西、宁夏等地区已建立相关的观测站一百多处，观测以H2为主的断层带土壤气，有些省、市、区还开展Rn、CO2等的土壤气观测及井(泉)水逸出气观测。虽然观测时间不长，但已得到可喜的成果，尤其在一些中强以上地震前捕捉到与断层活动有关的异常信息(见图3)。

图3 一些中强地震前断层带释放气体H2的异常变化Fig.3 Anomalies of gas H2 released from fault zones before some moderately strong earthquakes

这种新技术的推广应用已初具规模，但监测效果不很理想，多数测点上并未观测到异常。分析其主要原因，首先，由于观测区内无地震活动或观测点断裂当今并不活动；其次，观测点位的选址、观测孔结构的设

计与施工、观测仪器的某些性能及观测方法等方面的技术还不够完善。总之，笔者认为，尽管还需多方面改进与完善，但是监测断层当今活动性的新技术还是具有广泛应用前景的。

2.2.2 断层带释放热观测新技术

地热观测在我国已有三十多年的历史，目前已建立起规模较大的地热观测网。但这个观测网的基本问题是并非观测纯粹的地热动态，而主要是井水温动态观测。虽然有一定的地热观测意义，但两种物理量及其动态形成机制是不同的。严格来说，井水温动态观测不是地热动态观测，偶尔可观测到与地热活动有一定关联的温度动态。

目前，大多数观测井中水温传感器放置在观测含水层中或其之上的深度，在这种情况下，井水温动态观测主要记录到的是井-含水层间水流交替与井筒中水位升降引起的某一深度上的水温变化，其动态主要反映了地下水补给与排泄关系失衡引起的含水层中水量变化，或含水层受力状态的变化引起的孔隙压力的变化，大多与大地热流(地热)的变化不相关[16]。

能够真正反映地壳深部地热状态及其变化的动态观测，无疑也应通过断层带的热观测来实现。断层带是地壳深部热上传的主要通道，而且地壳深部热动态与断层的当今活动密切相关。以世界著名的圣安德列斯断层为例，该断层可分为三段，各长约500 km。当今地震活动主要出现在中段，大地热流测量结果发现南、北两段地热值都较低，而中段为当今断裂活动性强的地段，上地热值可达2 μcal/cm2.s，而且向两侧随着与活动断裂距离增大逐渐变小到1 μcal/cm2.s左右(见图4)[17]。如第55页图5所示，云南三江地区横穿腾冲-下关-永仁的剖面上，数值模拟结果三条南北向断裂带(怒江断裂、澜沧江断裂、哀牢山断裂)上大地热流值(4～5HFU)都明显高于其他地区(1～2HFU)，高2～3倍[18]。

图4 美国圣安德烈斯断裂中段上的地热异常[17]Fig.4 Geothermal anomalies in the middle section of San Andreas fault in the United States

图5 云南三江地区三条南北向深大断裂带上的地热异常[18]Fig.5 Geothermal anomalies on three north-south trending abyssal fault zones in sanjiang area,Yunnan province

断层带热异常的另一个机制是断层的错动摩擦热，已有一些学者研究了这种热[17，19-20]，并给出断层摩擦产生的热(Q)计算式：

Q=τ·2V/2a或Q=γ·τ

，

(1)

式中：τ为断层的摩擦阻力；2V为断层面两侧岩体(层、块)间的相对位移速度；2a为断层带的宽度；γ为断层滑动速率。按此式计算，当断层活动速率为10 mm/a时，花岗岩地区地面下5 km深度产生的热可达到6～7 mW/m2。断层摩擦引起的温度变化计算公式为：

(2)

式中：ρc为热容量；其余与式(1)中符号的含义一致。此温度可以达到很高。据台湾集集1999年Ms7.6地震后断层错动带上发现断层错动引起岩石可熔融，由此推断摩擦产生的温度高达800～1 000 ℃[21]；2011年3月日本东海Ms9.0地震两年后，在发震断裂测得的温度较上下还高0.31 ℃[22]；2008年5月我国汶川Ms8.0地震发震断裂上，震后一年半测得的温度较上下高0.5 ℃[23]。

无论把断层带看作是热通道还是热源，当断层活动时会引起地热与地温异常都是毋庸置疑的。因此，观测断层带上热或地温动态有可能监测到断层的当今活动并获取地震前兆异常信息。根据陈顺云等[24]的研究成果，2013年4月17日四川芦山Ms7.0地震前几天，布设在距震中约90～100 km外的鲜水河断裂带与雅拉河断裂带上的两个基岩地温观测点，记录到地温的突降异常，降幅约0.002 ℃，比正常日变幅度大5～6倍。这样的异常变化，无疑是一个强震孕育与发生之前，震中区及其外围区域断裂活动引起的。

基于上述分析与实际观测到的现象，笔者主张把断层带释放热(以大地热流观测为主，但也可包括地温与水温)观测列为断层当今活动性监测的新技术加以研究与发展，还主张把断层带释放气体与释放热动态综合观测，作为地震地下流体学科发展的新增长点与推进地震短临预测科学难关的新突破口。

3 结论与讨论

从防震减灾的时间尺度需求出发，断层活动性或活断层研究的重点应放在断层的当今活动性监测与研究上。断层当今活动性监测的技术已有较多，但以传统的各类前兆观测为代表的断层活动性监测多受地表气象、水文与人类活动的影响，观测到的信息中干扰信息大于断层活动信息；新兴的GPS观测则以监测区域尺度上的构造块体活动为目的，难以把握某一条断裂某一段的当今时间尺度内的活动状态，因此，有必要发展新的观测技术。

我国正在兴起的三种断层当今活动性监测新技术值得关注。无论是跨断层锚索牛顿力监测还是断层带释放气体与释放热监测，与已有的监测技术相比，其突出的优点是观测深度大，主要监测来自深部(几百～几千米)的活动信息，受地表气象、水文、人类活动的干扰较少，值得研究与推广应用。

当然，任何新技术刚出现时总会是不完善的，需要做大量的试验观测，积累一定时间长度的观测数据，系统分析观测到的动态中可能存在的影响因素及其特征，排除干扰信息，才可获取“纯”的断层当今活动信息。笔者相信，这类新技术的推广与应用，一定能有效地缩短断层当今活动性监测的时间尺度，提升地震前兆监测与地震预测的水平与能力，有效推进防震减灾事业；同时也对某些地质灾害的监测和防治，对环境保护等也有积极的意义。

在文章编写工作中，得到中国矿业大学(北京)陶志刚教授、北京辉煌共赢科技有限公司李启辉经理、中国地震局地质研究所顺民、陈有顺与鱼金子研究员、杨竹转博士及中国地震局地壳应力研究所贾鸿飞副研究员的大力支持与协助，在此深表谢意！