基于构造物理模拟实验的隐伏断层跨断层场地监测效果分析——以宁河场地为例

丁 宁 谢 瑜 陈长云 王生文 刘芳彤

1 中国地震局第一监测中心, 天津市耐火路7 号, 300180 2 中国地质调查局天津地质调查中心，天津市大直沽八号路4号，300170 3 辽宁省地震局丹东地震台，辽宁省丹东市天后宫街70号，118000

宁河跨断层场地位于天津市宁河区芦台农场二分厂，也称芦台跨断层场地。其中，水准跨断层场地于1970-07起测，至2005-05每月观测一期，后自2005-07至今，每2个月观测一期，单数月份观测；基线跨断层场地2008-05起测至今，每2个月观测一期，单数月份观测。

跨断层场地监测多用于出露地表的活动断层监测，隐伏断层监测场地较少。宁河场地监测中，桐城断裂为隐伏断层。笔者多次对宁河跨断层场地进行野外地质调查，由于隐伏断层的断层面在地表无出露，隐伏断层线(上覆为数10 m厚第四系松散堆积层)在地表的垂直投影位置并不一定对应断层活动或潜在破裂影响至地表的位置，因此调查后不能确定隐伏断层的跨断层场地是否能达到监测断层活动的效果。针对以上情况，本文设计构造物理模拟实验，以研究跨断层场地监测对隐伏断层断裂活动监测是否有效。

1 地质背景

宁河跨断层监测场地位于河北平原地震带内。河北平原地震带为华北第三、第四活动期强震活动主体地区之一，由唐山断裂、大城东断裂、新河断裂、邯郸断裂等组成，其沿袭部分早第三纪盆地的主断裂发展，明显活动始于晚第三纪，是一条形成于统一构造应力场下、呈北东向延伸、具有右旋走滑活动特征的新生断裂带[1-2]。

宁河跨断层监测场地的目标断裂为近E-W走向的桐城断裂。桐城断裂为隐伏断裂，位于宁河6.9级地震的极震区内，也是引起唐山7.8级地震的4条主要断裂(沧东断裂、唐山断裂、宁河-张家口断裂、宁河-昌黎断裂)的交会部位(图1)，属于唐山7.8级地震的震中区。

图1 宁河地区断层分布[5]

桐城断裂走向从西到东由NE向急转为EW向，并与大坨断裂、南涧沽断裂和岭头断裂组成帚状压扭性构造[3-4]。桐城断裂在平面上与重力密度带符合，展布较长(50 km)，落差大(50～380 m)，错断层位高(新近系400～1 000 m)，是构造单元沧县隆起与黄骅坳陷在其北部的分界线，为隆起与坳陷发展过程中形成的压性高角度(60°～70°)正断裂[3]。在宁河地区，桐城断裂呈近东西走向，倾向南，倾角60°，与区域构造走向一致。桐城断裂在区域上整体表现为压扭性，但在局部表现为张性特征。唐山地区震源机制解研究结果表明，宁河地区应力场表现出较大的拉张分量[6-7]。万永革等[8]对唐山-宁河地区进行库仑破裂应力变化分析认为，跨断层监测场位于库仑应力负值相对较高的地区，总体处于拉伸的应力状态[5]。宁河跨断层场地的人工浅层地震研究结果表明[5]，桐城断裂活动所受应力处于拉张状态。

从新生代沉积特征来看，桐城断裂西北为沧县隆起，东南为黄骅坳陷，研究区位于两者交会部位，因此也位于新生代以来隆起与坳陷转折变化区域[9]。该转折带在构造上形成薄弱地区，可为唐山断裂带向西南继续破裂或延伸提供有利条件[9]。

2 实验材料和模型设计

2.1 实验材料

物理模拟是根据相似原理，用物理材料构建实体模型进行模拟[10]。松散石英砂的变形符合库仑破坏准则，已被证明是模拟上地壳或脆性材料构造变形的理想材料[11-12]，因此选用其作为实验材料来模拟上地壳破裂变形。

2.2 模型设计

研究采用的物理模拟方法为砂箱实验。如图2所示，砂箱4个边界围成矩形，包含一组相互平行的固定边界，另一组边界平行可移动并可加载速度，表示拉张的受力状态。可移动边界采用一组相对放置的聚苯塑料模块模拟初始断层，断层面走向与可移动边界平行。模型底部为橡胶皮，使拉张力在整个模型均匀传递。为使实验现象更加明显，采用不同颜色的石英砂作为标志层，用以观察地层剖面的变形情况。

断层模块厚度为h；断层模型倾角为α；石英砂厚度为H；模块水平距离为d；底部红色横线表示橡胶皮基底，蓝色箭头表示受力方式为拉张

本次实验方法为相同条件下控制变量对比，实验目的为观察断层活动后变形能否延伸至地表并且被观测到。由于实验对象为先存断裂的运动，因此在实验装置中放置代表先存断裂的模块。对于同一隐伏断层，在地质条件相同的情况下，能否观测到断裂活动的地表变化与隐伏断层的埋深有关。本实验变化量为覆盖层厚度，其他条件相同。在箱内两侧相对放置倾角(α)均为40°的正断层模块。砂箱实验砂层模型高度(H)为6.5 cm，左侧断层模块厚度(h左)为3.5 cm，覆盖层厚度为3 cm，右侧断层模块厚度(h右)为2.5 cm，覆盖层厚度为4 cm，两断层模块相距(d)3.5 cm。为使两侧互不干扰，在左侧和右侧可移动边界同时加载向外拉伸速度0.05 mm/s，两侧各拉伸3 cm。

3 实验结果与分析

砂箱实验初始状态如图3(a)所示。实验开始后，对两侧同时加载0.05 mm/s的速度进行拉伸，模拟张性正断层。最终，两侧分别拉伸3 cm，模型共计拉伸6 cm。选取模型中段剖面分析垂直方向断裂发育和模型表面的形变情况。

实验结果如图3(b)和3(c)所示，左侧覆盖层厚3 cm，靠近先存断裂一侧发育有3条正断层，远离一侧发育有2条正断层；右侧覆盖层厚4 cm，靠近先存断裂一侧发育有3条正断层，远离一侧发育有3条正断层。拉伸相同距离，覆盖层厚则地表土层沉降更多，以补偿刚性岩层的空间。断层活动量相同时，覆盖层厚，则地表形变表现更明显；覆盖层薄，则地表高差变化较平缓。

图3 砂箱实验

无论覆盖层厚薄，均在地表出现“V型”形变，并且“V型”地形的两侧分别发育一组正断层，组成2组产状相对的正断层带。正断层倾角浅部为高角度，深部倾角变缓。

4 讨论与结论

4.1 隐伏断层活动可延伸至地表使覆盖层发生形变

在本次物理模拟实验前，无法确定能否通过跨断层监测来分析隐伏断层活动。通过该实验，能够证明隐伏断层的活动对周围地层形变的影响可延伸至地表覆盖层。模拟实验是通过相似比模型模拟断层的活动情况，虽然实验过程比实际运动情况更剧烈，但在实际观测中，当观测精度高于误差时，隐伏断层运动在地表的变化仍可被观测到。因此，通过对隐伏断层地表固定观测点的高差和距离变化进行观察，能有效地获得隐伏断层的活动信息。

4.2 实验剖面与物探剖面对比

全国跨断层场地优化改造项目对宁河跨断层场地展开了人工地震浅层物探分析，已查明桐城断裂在宁河跨断层场地的地下发育形态及位置[13]。宁河跨断层场地共布设2条平行的人工地震探测测线NH1和NH2(图4(a))，NH1测线长约1.9 km，NH2测线长约1.4 km，2条测线间距800 m，均沿农田道路布设，基本平行于跨断层水准测线，大致垂直于桐城断裂。人工地震浅层物探结果显示(图4(b)、4(c))，断裂带在浅部呈花状，并向下呈会聚趋势，倾向SSW的一组断裂应为主断裂，倾向NNE的一组断裂应为次级断裂，次级断裂断点埋深最浅为70～80 m，最深为152～1 162 m[5]。

砂箱实验结果中，右侧覆盖层厚的实验结果与实际物探剖面结果吻合度较高，因此对右侧实验结果进行讨论。通过对比发现，本次实验模拟出的断层破裂情况与实际物探剖面(图4(b)、4(c))中断层分布和发育情况基本一致，实验结果可信。两者地表下的断裂破裂情况一致，则实验反映的地表形变结果可以类比实际隐伏断层中地表的监测结果。在实验中，隐伏断层运动会使模型表面产生高差和水平距离变化。因此，在自然环境中，隐伏断层活动也会使地表产生相应形变。上述分析表明，地表固定观测点监测隐伏断层活动是可行的。

图中红点和数字代表跨断层水准监测点位置

4.3 实验结果与跨断层观测曲线对比

跨断层场地布设如图1(b)所示。桐城断裂南侧为上盘，北侧为下盘。水准测点由南向北(断层上盘至下盘)依次布设BM1、BM5、BM2和BM4点，其中BM1和BM5测点位于断层上盘，BM2和BM4测点位于断层下盘。跨断层水准测线数据时间跨度为1982-08～2015-01，共332期；基线数据时间跨度为2008-05～2015-11，共34期，每期每个测段得到一个观测值。为便于后续分析观测曲线的物理意义，将跨断层测段名称统一命名为从上盘至下盘的观测点点号(如果两点位于同一盘，则按照从上盘到下盘的先后顺序命名)，并定义该测段的观测值为后一点相对前一点的高差。以跨断层测段宁河12为例，其观测值表示点BM2相对点BM1的高差，地质意义则表示下盘相对上盘的高差。基线值表示两点之间的距离，用于分析基线全程AD测段，简称宁河基线。将每期的观测数值减去第1期观测数值，绘制成图5的跨断层观测曲线。横坐标为观测时间，纵坐标为位移量。观测曲线数据平均斜率为k，当k>0时，即观测曲线纵坐标位移量(Δh)左小右大，呈上升趋势，表示下盘相对上盘高差(或距离)逐渐增大，两点为拉张趋势，地质上通常表现为正断层；当k<0时，即观测曲线纵坐标位移量(Δh)左大右小，呈下降趋势，表示下盘相对上盘高差(或距离)逐渐减小，两点为挤压趋势，地质上通常表现为逆断层。

图5 宁河场地水准、基线观测位移量图

从图5可以看出，宁河基线整体呈上升趋势，随时间推移位移量逐渐增大，即断层两盘观测点之间的距离逐渐增大，表明监测的断层在趋势上为拉张，断层性质为张性正断层，与物探结果一致。跨断层曲线宁河14(简称14)整体呈上升趋势，曲线间隔的两段均随时间推移位移量逐渐增大，表示断层为上盘下降、下盘上升的正断层，与物探结果一致。但宁河12(简称12)整体呈下降趋势，表示为上盘上升、下盘下降的逆断层，这与基线和14观测结果的正断层性质相反。宁河24(简称24)未跨断层，整体表现为上升趋势，与14观测结果一致，表现为正断层。以上观测曲线相互矛盾的结果能否否定宁河场地的监测效果？通过物探结果可知，宁河场地隐伏断层在地下发育2组倾向相对的次级断层带，跨断层监测点布设在这些次级断层上，下文将结合物探结果和点位布设位置进行分析。

将水准监测点点位平行投影至地震物探剖面对应的地表位置(图4(b)、4(c))。可以看出，宁河跨断层场地点位BM1和BM5位于断层上盘, BM2和BM4位于断层下盘，这与场地原始布设图的布设方式一致。但最初布设点位时，桐城断裂为隐伏断层，次级断层的分布情况很难探测，猜测建场时只考虑在断层上盘和下盘布设监测点，而未考虑到次级断层。现今投射到已探明的物探剖面后，点位分布更加明确。本次模拟实验右侧的实验结果与实测地震反射剖面的断裂分布形态相似度最高，因此选取右侧实验结果作为本次物理模拟实验的模型进行分析。进一步将水准监测点投射至物理模型上(图6)，形成宁河跨断层场地水准点位分布情况模式图。通过对该模式图进行讨论，从测量学和地质学2个方面给出14、12和24趋势变化的合理解释。

图6 宁河跨断层场地水准点位分布情况模式图

1)从测量学角度分析。砂箱实验的剖面图(图3(a))表明，在断裂活动发生之前，各观测点的初始高程相同，各点之间高差为0。当断裂活动时，正断层的上下盘发育次级断层，在上下盘地表产生“V型”高程曲线(图3(b))。因此，图6中原本高程相同的4个水准观测点，现在分布在“V型”地表的两侧，出现高程差异。跨断层监测手段就是通过监测地表观测点的高程和距离变化，分析断层的活动情况。为便于分析比较4个监测点的相对位置关系，在图6中作出3条水平的辅助线(蓝色虚线)。模型中4个水准监测点的相对高程为：下盘BM4>上盘BM1>下盘BM2>上盘BM5。正断层的定义为断层上盘相对下盘沿断层面向下滑动[14]，水准监测结果应为下盘点高程>上盘点高程。然而模型的上盘BM1点高程>下盘BM2点高程，与正断层定义矛盾，因此在该情况下，12就会产生逆断层运动的假象。同理，下盘BM4点高程>下盘BM2点高程，虽然两点位于断层同一盘，但在断层运动过程中地表产生高程差，因此在这种情况下24会产生正断层运动的假象。

2)从地质学角度分析。4个水准监测点分别布设在倾向相向的多个次级断层上，倾向相同的次级断层位于主断层同一盘，所有断层均为正断层。虽然运动时间相同，但各点的垂向位移量不同，越靠近“V型”下部，位移量越大，这是次级断层与主断层断块同时运动的结果。BM1点虽然位于BM2点上盘，但同时也位于次级断裂下盘，而BM2点位于次级断层上盘，两点在同为上盘的情况下不能直接确定相对位移关系，但BM2点垂直向下位移量更大。由于地表观测不能识别出多条次级断层，导致在地表观测不同断块相对运动时，次级断层与主断层断块产生运动差，从而出现12为逆断层运动的假象。BM2点和BM4点均位于主断裂下盘，但BM4点位于次级断裂上盘，因此更靠近“V型”下部的BM2点垂向位移量更大，所以24表现为正断层运动是由于观测到次级断裂的正断层活动。

前人研究表明，宁河场地对1976-07-28唐山MS7.8地震具有较好的映震效能[3,9]，这也印证跨断层场地监测隐伏断层的方法具有可行性。但值得注意的是，在布设隐伏断层的跨断层场地时，应确定隐伏断层在覆盖层之下的分布情况，从而明确监测断层活动的物理意义。

致谢：文中砂箱构造物理模拟实验在中国地质大学(武汉)构造模拟实验室完成，在此表示感谢。