北京及周邊地區跨斷層形變站網評估

劉琦　李臘月　胡樂銀

摘要：為掌握北京及周邊地區跨斷層形變觀測場地目前的效能情況，從而實現準確研判該區域地震危險性，降低未來地震可能造成的災害風險，綜合考慮跨斷層場地監測條件和地震預測效能兩方面設計了觀測站網評估方案，分別從場地監測環境、監測有效性、地下水位變化及地表沉降影響、場地預測配套性、最優預測指標效能和區域變形配套性等方面開展研究，給出了北京及周邊地區跨斷層形變站網的綜合評估結果及后續站網優化建議。結果表明：①目前北京及周邊地區的跨斷層場地對區域內大多數主要斷層具有較好的監測能力和地震預測效能，但八寶山—黃莊—高麗營斷裂上多數觀測場地監測條件相對較差，預測效能普遍偏低，建議選擇該斷裂的其它位置補充新建若干觀測場地。②除了斷裂構造，區域地質構造、水文地質條件等也對觀測場地效能有重要影響，后續新場地選址時需要重點考慮這些因素。

關鍵詞：跨斷層觀測；地震預測效能；監測條件；地下水位；構造環境；北京

中圖分類號：P315.727文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2023）04-0491-12

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0055

0引言

北京是中國的政治、文化、國際交往和科技創新中心，經濟發達、人口稠密，同時北京及周邊地區也是強震活動較為頻繁的區域之一，歷史上曾發生過1679年三河—平谷8級地震及多次6級以上地震（蔣銘，馬宗晉，1985；張國民等，1988），特別是新中國成立以來該區域發生了1978年唐山7.8級和灤縣7.1級地震，造成了24萬多人死亡和巨大經濟損失。因此，針對北京及周邊地區具備強震孕震能力的主要斷層，開展有效地斷層運動監測，捕捉地震孕育過程中可能的異?，F象，對準確研判區域的地震危險性具有重要意義，針對現有的斷層形變觀測開展監測、預測效能評估是尤為重要的環節。

早在20世紀60年代前后，北京及周邊地區已開始陸續布設跨斷層的形變觀測場地，經過數十年不斷的發展，目前已經有20多個場地，積累了數十年的觀測數據，針對這些場地的監測環境以及實際的地震預測效能，前人已開展了大量的研究（陸明勇等，2011，2013，2018），中國地震局也曾組織相關單位進行評估分析和站網改造方案設計。由于觀測環境處于動態變化之中，特別是隨著城市化發展的穩步推進，以往研究中沒有充分考慮的一些影響因素也變得突出，例如華北地區相對匱乏的水量補給和不斷提升的用水需求之間的矛盾劇增，造成了超量開采地下水的問題。受此影響，華北平原成為中國沉降速率和影響面積最大的地區，局部地區的累積沉降量甚至超過了3.4 m，北京地區的最大累積沉積量超過1.4 m（何慶成等，2006；楊艷，2015；郭海朋等，2017），因此在分析北京及周邊地區跨斷層觀測條件時，需要考慮這種地下水位變化及其引發的區域性沉降所帶來的影響。地下水儲量、水位變化等的動態監測以及區域水準、GNSS、InSAR等觀測資料的積累為深入開展相關影響的分析提供了重要基礎（梁芳等，2013；孫啟凱等，2017；Zhang et al，2019；史珉等，2021；Bai et al，2022；Li et al，2022）。

以往的地震異常判識和預測效能評估大多基于定性認識，專家經驗對結果有重要影響。近幾年在中國地震局監測預報司和地殼形變分析預報技術管理組的統一組織下，相關信息提取、異常確定、效能評估等的定量方法得到了長遠發展（中國地震局監測預報司，2020），并且已經開始在業務中進行推廣應用，為開展跨斷層場地的預測效能評估提供了重要可靠的方法基礎。

因此，本文在充分考慮前人已有研究基礎上，針對北京及周邊地區跨斷層形變觀測站網設計了評估方案，從跨斷層場地的監測條件以及地震預測效能兩方面開展綜合評估，給出綜合評估結果，針對關鍵性的影響因素進行了分析討論，提出了未來北京及周邊地區跨斷層形變站網的優化建議。

北京及周邊地區的跨斷層形變測量始于20世紀60年代末，目前，共有跨斷層觀測場地27處，其中流動場地25處、定點臺站2個，觀測場地遍及NW走向的南口—孫河斷裂、施莊斷裂、淶水—高碑店斷裂以及NE走向延礬盆地北緣斷裂、南口山前斷裂、紫荊關斷裂、黃莊—高麗營斷裂、夏墊斷裂、唐山斷裂等多條主要活動斷裂（圖1）。為給出當前北京及周邊地區跨斷層場地監測條件較為客觀的評估結果，本文將從場地的監測環境、監測有效性、地下水位變化及地表沉降影響等幾個方面開展評估分析。

1.1監測環境評估

參考中國地震局相關單位前期工作基礎以及前人的研究成果，針對北京及周邊地區的跨斷層形變場地的監測環境開展定性評估，主要考慮測樁類型、是否跨過目標斷層、周圍是否存在顯著干擾等因素。場地監測環境評估的具體準則為：當同時滿足測樁類型為基巖、觀測跨過目標斷層、周邊無顯著干擾3個條件時，定為A類；當上述條件同時滿足2個時，定為B類；當上述條件只滿足一個或都不滿足時，定為C類，評估結果見表1。由于不同研究所考慮的因素存在一定差異，并且近幾年部分場地經過了升級改造，周邊環境也有一定變化，因此本文與前人的結果存在部分差異，但總體較為一致。北京及周邊地區跨斷層場地的監測環境整體較好，其中A類場地14處，B類場地8處，合計占總場地數的81.5%。

1.2監測有效性評估

跨斷層形變觀測的目的是監測斷層運動的動態演化，從而為地震預測提供可靠參考。因此，能否有效反映真實的斷層運動，是評估跨斷層場地監測條件的一項重要指標。針對跨斷層場地監測有效性的評估，一方面可以直接基于原始觀測曲線定性判斷斷層活動特征，另一方面可以基于幾何關系公式定量計算斷層活動參數，從而分析斷層活動特征（薄萬舉等，1998；李臘月等，2016）。為此，筆者設定了跨斷層場地監測有效性的評估準則：從長趨勢背景運動角度，若原始觀測曲線及計算的活動參數結果反映的斷層活動方式與地質學給出的斷層背景活動一致，則定為A類；若原始觀測曲線及計算的活動參數結果反映的斷層活動方式有小幅波動，但整體上與地質學給出的斷層背景活動一致，則定為B類；若原始觀測曲線及計算的活動參數結果反映的斷層活動方式不明確，或與地質學、其它手段給出的斷層背景活動不一致，則定為C類。

針對水準數據，選用起始年的觀測數據作為參考基準，利用每年某個月份的測值減去基準年對應月份的測值，計算每年在基準年基礎上的累積水準觀測變化量Δh，Δh>0表示正斷層活動，上盤下降；Δh<0表示逆斷層活動，上盤上升。經過該處理，基本可以消除季節變化等因素引起的年變影響，得到的斷層垂直升降累積量能相對客觀地描述斷層在觀測期內的活動狀態。

針對各跨斷層形變場地開展相關斷層活動參數計算，結合已有地質研究結果（高文學，馬瑾，1993；郝書儉，尤惠川，2001；徐錫偉等，2002；尤惠川等，2002；張世民等，2007；查明等，2011；楊海盟等，2014），依據上述準則進行跨斷層場地監測有效性的評估，具體評估結果見表2，其中A、B類場地共計14處，占總場地數的51.9%。密云、墻子路、八寶山、狼山、淶水、南孟、寧河、小寺沖等場地監測有效性相對較差，主要和場地監測環境相對較差、所處斷層活動性相對較弱等有關，導致觀測數據容易出現與地質運動背景不一致的情況。另外，古北口、鎮羅營、南口、百善、京西實驗場等場地所跨斷裂以走滑運動為主，但目前僅有水準觀測，無法有效監測斷層的主要運動方式。

1.3地下水位變化及地表沉降的影響評估

地下水位下降一方面可以造成區域局部發生顯著的地表沉降，進而可能對周邊的觀測產生影響；另一方面，水位變化本身也可能對相關的觀測直接造成影響，因此在分析過程中筆者同時考慮了上述兩種影響過程。前人研究已經給出了1959—2016年研究區的淺層地下水位累積變化分布結果（Pang et al，2020；竇甜甜等，2022），在此基礎上，筆者基于該區域覆蓋相對完整的InSAR監測結果（史珉等，2021），同時提取了2016—2018年地表沉降速率相對較高（大于50 mm/a）的區域（圖2）。由于淺層地下水位變化結果是近60年的累積變化量，地表沉降速率僅為近幾年較短時間內的結果，因此二者的高值區在細節上存在一定差異，但整體分布具有一致性，顯示了超量開采地下水對區域地表快速沉降現象的控制作用?？傮w上來看，淺層地下水位下降和地表沉降最為突出的區域主要集中在研究區的中部及南部。

根據空間分布關系初步分析，密云、德勝口、南口、百善、八寶山、淶水、南孟、唐山等場地位于淺層地下水位累積下降最為顯著的區域附近，可能會受其影響，其中百善、南孟等場地還同時位于近幾年地表沉降較快的區域附近，受影響程度可能更加嚴重。在此基礎上，筆者進一步分析相關影響的時間過程，考慮到地表沉降產生和發展過程與地下水開采過程基本保持同步且略滯后（何慶成等，2006；楊艷等，2010，2013），因此可以利用地下水儲量時序變化來表示地下水位、地表沉降的變化過程，并通過與跨斷層觀測數據的對比來分析地下水位、地表沉降等因素對跨斷層場地的實際影響。在初步判定為受影響的場地中，密云、德勝口、南口、百善、八寶山、淶水、唐山等場地的觀測數據并未表現出與地下水儲量較為同步的變化過程，即未受其顯著控制（圖3a），僅南孟場地受影響較為嚴重（圖3b），這可能主要與場地局部地質環境特征以及測樁類型是否為基巖有關。進一步研究發現，除了南孟場地之外，京西實驗場、大灰廠、上萬、?？谟葓龅氐挠^測背景變化與水儲量的變化一致性也較好（圖3c）。上述場地周邊雖然沒有淺層地下水位顯著下降區和地表快速沉降區，但是明顯受到水儲量變化的直接影響，造成這種現象的可能原因在后文做進一步討論。綜合上述地下水位變化及地表沉降對跨斷層觀測的實際影響程度，將南孟、京西實驗場、大灰廠、上萬、?？谟?處場地定為C類，密云、德勝口、南口、百善、八寶山、淶水、唐山7處場地定為B類，其它15處場地定為A類，A類場地數占總場地數的55.6%。

2地震預測效能評估

2.1基于單測項單方法的預測效能定量評估

跨斷層觀測能否監測到可靠的地震前兆異常變化是場地評估中需要重點考慮的因素。歷史震例資料的統計結果顯示，一些跨斷層觀測在多次地震前都曾記錄到顯著的異常變化，并且異常主要以趨勢轉折、破年變、速率變化、超閾值變化等為主（曹建玲等，2016；陳長云等，2016；李瑞莎等，2016）。因此，針對單個場地的單個測項，分別利用趨勢轉折、破年變、速率、閾值等方法的不同算法（洪敏等，2019）進行相應特征信息的提取，并利用R值檢驗方法進行最優預測指標的自動確定以及預測效能的定量評估（中國地震局監測預報司，2020）。

R值檢驗是目前在地震預報領域應用最為廣泛的一種效能評估方法，綜合考慮了有震報準率、無震報準率、漏報率、虛報率等評估因素，通過不同因素的組合和折中給出相應的效能評估結果（國家地震局科技監測司，1990）。由于上述因素并非完全獨立，所以R值檢驗有多種等價的表達形式，常用的一種形式如下：R=有震報準率-預報占時率=

（報對的地震次數/應預報的地震總次數）-（預報占用時間/研究的總時間）（3）當指定了目標震級范圍、空間范圍及預報時窗后，通過調整不同的異常閾值就可以對應不同的有震報準率和預報占時率組合，進而獲得不同的R值，從中選擇R值最高所對應的異常閾值作為該指定預報規則下（特定的震級、空間、時間范圍）的相對最優閾值。綜合所有預報規則下的評估結果，就可以確定最優的異常閾值、相應的預報規則及預測效能。

選取了1970—2020年北京及周邊地區（38.5°～42°N，112°～119°E）5級以上地震用于效能檢驗，共計16次地震事件。首次為1976年4月6日內蒙古和林格爾6.2級地震，末次為2020年7月12日河北唐山5.1級地震，1976年7月28日河北唐山7.8級、灤縣7.1級以及震后短期內5級以上余震作為1次地震事件，1989年10月18—19日山西大同5級震群同樣作為1次地震事件。

R值同時考慮了有震報準率和預報占時率，表示扣除了隨機概率后的預報成功率，當R=0時表示預報沒有起作用。一般除了考慮R值大小外，還需要考慮其信度。同樣的R值，當其基于的地震次數不一樣時，信度也不一樣，因此需要考慮R0值，即保證97.5%的置信度的最低R值。當R≥R0時，可以認為這個R值至少有97.5%的置信度（國家地震局科技監測司，1990）。筆者依據通過效能及置信度檢驗（R>0且R≥R0）的測項-方法數來評估場地預測配套性，通過數越多表明預測配套性越好，越有利于在實際業務應用中綜合評估地震危險性：通過數≤4的場地定義其預測配套性為C類；5≤通過數≤10的場地定義為B類，通過數＞10的場地定義為A類。

眾多通過檢驗的測項-方法中最優預測指標的效能同樣具有重要的評估意義，這代表了“王牌”手段的預測能力：所有測項-方法均未通過檢驗，或最優測項-方法的R值通過檢驗，但R≤0.3的場地定義其最優預測指標效能為C類；最優測項-方法的R值通過檢驗，并且0.3＜R≤0.5的場地定義為B類；最優測項-方法的R值通過檢驗，并且R＞0.5的場地定義為A類。

表3給出了基于單測項單方法的場地預測效能評估結果，場地預測配套性A類有6處場地，B類5處，合計占總場地數40.7%；最優預測指標效能A類有8處場地，B類9處，合計占總場地數的63.0%，比預測配套性的比例更高，表明部分場地雖然異常配套性較差，但是具備一些“王牌”的預測手段，仍然可以在實際的預報業務中發揮重要作用。

2.2基于區域變形配套性的預測效能評估

在區域統一構造應力場作用下，關聯的斷層系統往往會出現協同性的運動，顯示出對區域應力場變化的敏感響應。通過監測關聯斷層系統整體的斷層運動變化，有助于了解區域大范圍、長時間的應力場調整過程，對于準確研判未來一段時期區域整體的強震趨勢具有重要意義。

跨斷層形變觀測在監測斷層運動方面一直發揮著重要作用，目前主要是基線和水準觀測兩類?；€觀測由于所跨斷層走向、基線方位、斷層運動方式等的不同，直接進行有物理含義的區域綜合難度較大，而水準觀測因為只反映斷層垂向上的運動變化，所以是進行區域綜合比較好的選擇。

北京及周邊地區跨斷層場地都具有水準觀測，為開展基于區域變形配套性的預測效能評估提供了基礎。筆者使用垂直形變速率合成方法進行計算（焦青，周俊萍，1998；蘇琴，2005；張晶等，2012），按照跨斷層場地的區域集中程度、地質背景以及構造相關性等，主要分成首都圈西北部、首都圈東北部、八寶山斷裂相關區域3個區域（圖2）開展計算分析。首都圈西北部包含狼山、施莊、土木、小水峪、沿河城、燕家臺、張山營等場地（小寺沖場地觀測時間較短，未參與合成計算）；首都圈東北部包含北石城、德勝口、古北口、密云、南口、墻子路、張家臺、鎮羅營等場地（百善場地數據質量較差，未參與合成計算）；八寶山斷裂相關區域包含八寶山、大灰廠、?？谟?、京西實驗場、上萬等場地，區域南部相對零散的場地未進行考慮。

3個區域的垂直形變速率合成結果表現出明顯差異，首都圈西北部的計算結果呈現2個顯著的活動時段（圖4a）：一是1970—1979年，在該時段末期發生了1976年唐山7.8級、灤縣7.1級地震及多次5級以上余震，該時段區域斷層系統整體相對活動反映了唐山、灤縣大地震前區域孕震應力環境變化以及后續的震后調整；二是1985—1999年，持續時間相對較長，期間區域內雖未發生大地震，但是中強地震持續活躍，發生了9次5級以上地震，主要集中在山西帶北段和張渤帶西段。之后區域斷層運動相對平穩，期間地震活動也相對平靜，僅發生1次2006年文安5.1級地震；隨后2011年日本9.0級地震對該區域產生了持續深遠的影響，期間區域內5級地震長時間平靜可能與日本地震震后引起的區域應力、斷層運動狀態的調整過程有關（張貝等，2015）；2020年唐山5.1級地震前后，區域斷層運動系統再次表現出一定的活躍跡象，可能指示了日本地震的影響正趨于結束。整體來看，該區域的斷層垂直形變速率合成結果對于區域應力狀態調整較為敏感，能夠相對準確地反映區域內地震活動趨勢，各觀測場地的變形配套性相對較好。

首都圈東北部的計算結果同樣呈現兩個顯著的活動時段（圖4b）：一是1976—1979年，主要反映了唐山、灤縣大地震后的調整過程，并且受震后影響的程度明顯高于首都圈西北部的結果，而對于震前應力環境的演化過程反而不是特別敏感；二是1985—1999年，顯示了與首都圈西北部類似的演化過程。之后該區域結果同樣顯示了相對平穩的運動狀態以及日本地震對于區域應力、斷層運動狀態的影響；該區域垂直形變速率合成結果在2021年下半年表現為高值變化，可能與2021年北京市出現的近幾十年內最強降雨這類罕見氣象條件有關，屬于干擾因素的影響。因此，對比首都圈西北部的結果發現，本區域結果對個別區域應力調整過程不敏感，并且易受干擾因素影響，表明該區域各場地的區域變形配套性略差。

與前兩個區域相比，八寶山斷裂相關區域的計算結果從1990年前后開始整體波動加劇，并未表現出與區域應力場調整以及周邊中強地震明顯的對應關系（圖4c）。從針對各場地受地下水位變化及地表沉降影響的分析結果可知，該區參與計算的多個場地受影響嚴重（圖2），計算結果的不穩定可能與地下水儲量快速變化，導致不同觀測場地出現相應的調整運動有關（圖3c）。另外，該區域結果同樣受到2021年極端天氣的影響，并且受影響程度比首都圈東北部的結果更嚴重。整體來看，八寶山斷裂相關區域的觀測場地其區域變形配套性所反映的效能最差。

在上述分析基礎上，筆者采用類似2.1節的方式進行區域垂直形變速率合成結果的預測效能定量評估（表4），定量評估結果與定性分析的認識一致。綜合上述結果，將首都圈西北部參與計算場地的區域變形配套性定為A類，首都圈東北部參與計算場地定為B類，八寶山斷裂相關區域參與計算場地以及未參與上述3個區域計算的其它場地均定為C類。A類場地7個、B類場地8個，合計占總場地數的55.6%。

3討論

圖5給出了綜合場地監測條件以及預測效能的北京及周邊地區跨斷層場地最終評估結果。該結果表現出幾個顯著特點：

（1）跨斷層場地的監測條件對于其地震預測效能具有較大影響，監測條件相對較差的場地其預測效能各項評估指標普遍偏低。

（2）區域地質構造環境的差異對場地監測條件有較大影響，進而影響其預測效能。整體來看，位于山地基巖區的場地觀測條件相對較好，預測效能普遍較高，位于平原區沉積層之上的場地則容易受各種干擾因素影響，導致監測條件較差，預測效能普遍偏低。

（3）區域局部的水文地質條件差異對其附近場地受地下水超采、強降雨等影響的顯著程度可能具有重要控制作用。實際觀測數據受地下水儲量變化顯著影響的京西實驗場、大灰廠、上萬、?？谟葓龅?，在空間上并未處于淺層地下水位下降和地表沉降最為突出的區域（圖2）?；趨^域水文地質研究結果分析（雷坤超等，2016；Lei et al，2021），造成這種現象的原因可能與上述場地位于單一砂礫含水層上方有關，這同時造成了上述場地對于強降雨影響也較為敏感。

前人研究已經揭示了不同觀測臺站或場地的監測能力及其對地震前兆異常的敏感程度存在顯著差異，臺站或場地所處的斷裂構造位置可能起到主要作用，特別是在斷裂端點、拐點與交匯點等構造復雜、應力較易集中的區域，觀測臺站較為敏感（車用太，1990；焦明若，張國民，1998；劉琦等，2016），而且不同運動性質的斷層優勢的敏感觀測區域可能也不同（馬棟等，2019），這些認識也得到了巖石破裂實驗等的支持（馬瑾等，2007）。本文的研究進一步顯示了區域地質構造、水文地質條件等對觀測臺站或場地的監測能力及預測效能等的影響，因此在后續針對北京及周邊地區觀測站網布局的優化改造中，除了考慮斷裂構造等因素，區域地質構造、水文地質條件等同樣需要重點考慮。

4結論

本文針對北京及周邊地區的跨斷層觀測場地嘗試綜合考慮監測條件、預測效能進行評估，分別從監測環境、監測有效性、地下水位變化/地表沉降影響以及場地預測配套性、最優預測指標效能、區域變形配套性等方面開展了詳細的研究和分析討論?；诰C合評估結果，主要獲得以下結論：

（1）北京及周邊地區的跨斷層場地布設對區域內大多數主要斷層具有較好的監測能力，并有較好的地震預測效能。

（2）八寶山—黃莊—高麗營斷裂多數場地（例如八寶山、京西實驗場、大灰廠、上萬、?？谟龋┠壳氨O測條件相對較差，預測效能普遍偏低，建議針對該斷裂選擇其它合適的斷層段位置補充新建若干跨斷層觀測場地。

（3）基于評估結果，建議停測百善、南孟、寧河、淶水、京西實驗場、大灰廠等預測效能較低且監測條件一般的場地。

（4）考慮所跨斷層的主要運動方式，建議古北口、鎮羅營、南口等場地增加基線觀測，以有效監測所跨斷層的斷層運動。

（5）后續若要補充新建跨斷層形變觀測場地，在場地選址時除了考慮所跨斷裂基本活動特性之外，還需考慮區域地質構造、水文地質條件等因素。

感謝北京市地震局劉桂萍研究員、中國地震局地震預測研究所孫漢榮研究員、薛兵研究員、云南省地震局洪敏正高級工程師、山西省地震局劉瑞春高級工程師、河北省地震局馬棟高級工程師、中國地震局第一監測中心陳長云高級工程師、中國地震局第二監測中心李瑞莎高級工程師在本項工作開展及文章撰寫過程中給予的意見建議。

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Evaluation of the Cross－fault Observation Network

in Beijing and Its Adjacent Areas

LIU Qi LI Layue HU Leyin

（1.Institute of Earthquake Forecasting，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China）

（2.The First Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Tianjin 300180，China）

（3.Beijing Earthquake Agency，Beijing 100080，China）

Abstract

Beijing and its adjacent areas are characterized by developed economy，dense population and frequent historical strong earthquakes.In order to accurately study and judge the seismic risk in Beijing and its adjacent areas and reduce the disaster risk that may be caused by earthquakes，it is necessary to first understand the effectiveness of the current observational sites in this region.For this reason，this paper comprehensively considers the monitoring conditions and the effectiveness of earthquake forecasting of the cross－fault sites to design the evaluation scheme of the observational network.This paper studies the monitoring environment，the monitoring effectiveness，the effect of the groundwater level change and the surface subsidence，the matching of forecasting，the effectiveness of the optimal forecasting index and the matching of regional deformation.This paper proposes the comprehensive evaluation results and suggestions for the optimization of the observational network.The distribution of the current cross－fault sites in Beijing and its adjacent areas have good monitoring capacity for most of the major faults in the region and have good earthquake forecasting efficiency.However，the monitoring conditions of most observational sites on the Babaoshan－Huangzhuang－Gaoliying fault are relatively poor，and their forecasting efficiency is generally low.It is advisable to select other locations on the fault to supplement the observational sites.In addition to the fault structure，regional geological settings and hydrogeological conditions have an important impact on the effectiveness of the observational site，and need to be taken into account when selecting new sites.

Keywords：cross－fault observation；earthquake forecasting effectiveness；monitoring conditions；groundwater；tectonic conditions；Beijing