我国跨断层形变观测始于20世纪60年代。在监测地震地球物理异常时，常用断层运动状态来分析区域应力变化，跨断层短水准观测映震效果较好，其异常往往表现在断层活动速率的大小和方向上（朱航等，2010）。断裂带气体异常也可用来反映地壳应力与应变特征（李静等，2018；张文亮等, 2023, 李营等，2009）。岩层因构造应力作用产生构造变形，沿着断裂以及伴生裂隙等地壳薄弱地带，地球深部气体逸散到大气中，可引起地表土壤层中气体组分含量异常（陶明信等，2005；刘兆飞等，2023）。跨断层形变观测数据除受到构造活动影响外，还受到包括地表层下沉、季节性变化、人为干扰等非构造活动因素的影响（楼关寿等，2010）。出现降雨或者积水时，地下水位以及断层两侧岩石类别差异会引起岩石饱和膨胀出现差别，地面沿测线出现相对下降或者抬升，降雨停止后，地下水位逐渐下降，这一过程可能会造成地面沉降，进而使得测量数据出现趋势转折（胡亚元，2020）。

西代村跨断层短水准测量场地于2000年开始观测，观测场地横跨汤西断裂（太行山东麓汤阴地堑西边界控制断裂），监测范围涉及太行山山前断裂带、山西断陷带，行政区划涉及河南北部、山西东南部、河北西南部以及晋冀豫三省交界地区。2023年8月，在短水准测量跟踪过程中，发现测线3—2段数值出现大幅度上升，单期数据变化幅度为2.12 mm。为判定此次西代村跨断层短水准测量数据大幅度突升是否为地震地球物理异常，通过观测仪器检查、测量环境观测及所在地区降雨量、地下水位变化统计，以及地震预测效能评估、场地土壤气Rn和H₂浓度测量，并结合场地周围环境模拟场地载荷变化等方法，进行异常的定量分析及性质判定。

西代村跨断层短水准测量场地位于汤西断裂（图 1），其测线（图 2）跨越该断裂主断面。

图 1(Fig.1)

图 1 西代村跨断层场地所在区域构造分布 Fig.1 Structural diagram of Xidaicun cross fault site

图 2(Fig.2)

图 2 西代村跨断层场测点分布 Fig.2 Distribution of measuring points of Xidaicun cross fault short levelling

汤西断裂为右旋正断层，是汤阴地堑西边界断裂，南起新乡，经太公泉、青羊口、庙口，过宜沟后，逐渐隐伏于汤阴以西丘陵中，走向NE30°，倾向E，倾角75°，全长90 km，是太行山区与南华北平原的主要分界线。该断裂在新乡卫辉市太公泉乡西代村以南十里河南岸可见露头。断裂两侧基岩落差大于1 000 m，与其东侧的汤东断裂构成汤阴地垫。其中：断裂西侧为上升盘，出露太古界到古生界地层，奥陶系直接出露，灰岩中有一张性断面；断裂东侧为下降盘，沉积有第三系砂质粘土、砾石，上覆第四系黄土。

汤西断裂沿线古近纪活动强烈，新近纪也有过强烈活动（刘保金等，2012）。该地区历史地震最高震级达6½。1970年以来，西代村场地附近（以113°59′E，35°28′N为圆心，半径200 km内）M_L 4.0及以上地震共计17次，其中区域最大地震为2002年河北内丘M_L 5.4地震，河南省内最大地震为2010年河南太康M_L 5.0地震。区域地震同时具有震中烈度大的特点。

汤西断裂西代村跨断层水准场地布设在第四纪以来活动断层上，水准测线跨越断层主断面，场地南部与0号基岩点相连接，测段布设4个基本点，1号、2号为基岩点，3号、4号点位为土层点（图 2），共分3个测段，其中3—2测段跨汤西断裂。该场地现使用DiNi12电子水准仪进行跨断层水准观测，LandTech M73E型数据采集器进行外业数据记录。采用往、返观测，上午往测，下午返测（由西向东为往测），以2个月为周期进行复测。

自2000年观测以来，西代村场地每期变化量在0.2 mm上下，随季节变化略有不同，每年8月期变化量略高，数值在1 mm上下。2023年8月，在对西代村跨断层短水准测量跟踪过程中发现，测线3—2段测量数据出现大幅度上升，单期数据变化幅度为2.12 mm，而上期（2023年6月期）变化量仅为0.2 mm（图 3）。针对该变化，对所在地区降雨量、地下水位变化及跨断层土壤气Rn和H₂浓度测量数据进行分析，并采用模拟载荷变化等方法进行定量计算，以判断异常性质。

图 3(Fig.3)

图 3 西代村跨断层短水准3—2段测量曲线 Fig.3 Xidaicun cross fault short levelling section 3-2 measurement curve

依据DB/T 5—2015《地震水准测量规范》及《地壳形变学科观测资料质量评比办法（2015年修订）》，对DiNi12水准仪和铟瓦标尺进行检测，发现仪器设备运行正常，可见短水准测量数据异常变化非观测设备故障所致。

经实地勘察，西代村跨断层短水准2023年8月期次测量期间，场地附近无新增大型工矿和农业生产以及工程施工影响，不存在人为生产活动干扰现象。

据实地调查，西代村观测场地附近，十里河与测线3—2段近乎平行（图 2），河流常年断流，2023年8月受降雨影响，形成地表径流，且靠近测线处形成近1 m深积水；测线西南处常年存在大坑，于2023年4月略做填埋（图 4）。

图 4(Fig.4)

图 4 西代村场地西南大坑填埋 Fig.4 Pit landfill in the southwest of Xidaicun site

（1）积水荷载定量分析。据《卫辉市志》，卫辉市降水稀少，西代村跨断层场地旁的十里河常年断流。自2021年7月河南“7·20”特大暴雨以来，豫北地区屡受暴雨影响，当月降雨量约为往年同期的15倍，地下水位上升到7 m左右，上升幅度近30 m。2023年8月，与西代村跨断层场地3—2段测线基本平行的十里河（常年断流）形成地表径流，水深处近1 m，浅处10 cm左右，对跨断层短水准测量产生了较大影响。为此，采用模拟载荷变化量方法进行定量分析，以判断2023年8月短水准数据异常是否积水影响所致。

利用竖向集中力下的地基附加应力问题，采用布辛奈斯克解的不规则载荷模型（图 5），对场地积水载荷变化量进行模拟（图 6）。理论计算公式如下

图 5(Fig.5)

图 5 不规则载荷模型 Fig.5 Principle formula of irregular load model

图 6(Fig.6)

图 6 模拟载荷对跨断层短水准各测点影响 （左列图件表示最大影响，右列图件表示最小影响）(a)1号测点；(b)2号测点；(c)3号测点；(d)4号测点 Fig.6 Influence of simulated load on the short leveling measurement points across faults

经测量，十里河积水区面积约为71 510.60 m³，取水体比重为1 000 kg/m³。受水体影响，断层下盘（测点1、2所在盘）石灰岩弹性模量为（2.1—8.4）×10⁴ MPa，断层上盘（测点3、4所在盘）砂质黏土、砾石弹性模量为（3.3—7.0）×10⁴ MPa。

针对不同岩性对应的不同模量（E）对跨断层短水准测量各基点（1—4号）产生的垂向位移进行模拟计算（图 6），模拟结果见表 1。

表 1(Table 1

表 1 西代村跨断层短水准测量场地积水载荷变化量模拟Table 1 Simulation of changes in water load at the cross fault short leveling measurement site in Xidaicun 测量点位 E/MPa 垂向位移/mm 最小影响 最大影响 最小影响 最大影响 1 2.1×104 8.4×104 1.721 1 0.430 29 2 2.1×104 8.4×104 2.124 2 0.531 05 3 3.3×104 7.0×104 1.796 8 0.847 08 4 3.3×104 7.0×104 1.810 2 0.853 4

表 1 西代村跨断层短水准测量场地积水载荷变化量模拟 Table 1 Simulation of changes in water load at the cross fault short leveling measurement site in Xidaicun

积水对1—4号点位的垂直高度影响量分别为：1号点位为0.430 29—1.721 1 mm、2号点位为0.531 05—2.124 2 mm、3号点位为0.847 08—1.796 8 mm、4号点位为0.853 4—1.810 2 mm。则2—1号点的相对变化量最大约为1.693 91 mm，3—4号点的相对变化量约为0.963 12 mm，由此得到3—2段模拟载荷变化量最大约为0.73 mm，同期西代村短水准3—2段测量对应变化值为2.12 mm，二者数值相差约1.38 mm，积水影响变化量约占同期实测值的34%，表明积水确实对3—2段测线产生了较大影响，但其影响远无法覆盖本次西代村跨断层短水准实际测量的2.12 mm的变化量，存在区域应力变化的可能性，有地震地球物理异常的可能。

（2）大坑填埋载荷模拟定量分析。为判断短水准测量异常是否受到填埋所致载荷变化所致，采用不规则载荷模型进行定量模拟。其中：填埋区面积约14 765.63 m³，填埋体比重取为1 900 kg/m³，汤西断裂上盘砂质黏土、砾石受填埋体影响的弹性模量为3.829×10⁴ MPa，填埋高度约为2 m，模拟计算填埋体对跨断层短水准各测量基点（1—4号）产生的垂向位移，结果见表 2，显示：对1号测点的垂直高度影响量约为1.301 1 mm，对2号测点的垂直高度影响量约为1.391 7 mm，2—1的相对变化量约为0.09 mm；对3号测点的垂直高度影响量约为0.489 3 mm，对4号测点的垂直高度影响量约为0.455 8 mm，3—4的相对变化量约为0.034 mm。由此得到大坑填埋对该测线3—2段的影响量约为0.025 mm，表明填埋体产生的载荷变化确实对该段测量产生了回升影响，但其影响量还不足以造成2.12 mm的上升，此次异常上升指向地震地球物理异常的可能性较大。

表 2(Table 2

表 2 西代村跨断层短水准测量场地填埋载荷变化量模拟Table 2 Simulation of landfill load variation at the cross fault short leveling measurement site in Xidaicun E/MPa 垂向位移/mm 1号点 2号点 3号点 4号点 3.829×104 1.301 1 1.391 7 0.489 3 0.455 8

表 2 西代村跨断层短水准测量场地填埋载荷变化量模拟 Table 2 Simulation of landfill load variation at the cross fault short leveling measurement site in Xidaicun

基于以上分析，排除各种干扰的可能性，判定2023年8月西代村跨断层短水准测量异常为地震地球物理异常的可能性较大。为此进行地震预测效能评估，并选取其他测项数据进行验证。

（1）地震预测效能评估。基于适用于豫北跨断层的预测指标评估体系方法，选取2000年以来西代村跨断层短水准测量数据，采用最小二乘法进行线性拟合，剔除剩余残差，对原始观测数据曲线进行去趋势处理，以特征强度（差分窗长= 2）为指标，计算短水准数据是否超出阈值，并进行R值检验。结果发现：西代村跨断层短水准3—2段测量曲线出现超阈值和趋势转折现象（图 7）；R = 0.38＞R₀ = 0.26（表 3），可见R＞R₀，表明通过R值检验，说明计算结果可靠，数据超出阈值，出现异常变化。

图 7(Fig.7)

图 7 西代村跨断层短水准测量预测效能评 Fig.7 Evaluation on prediction efficiency of Xidaicun cross fault short levelling

表 3(Table 3

表 3 西代村测段3—2跨断层短水准测量预报效能检验以及震例对应Table 3 Evaluation of prediction efficiency of Xidaicun cross fault short levelling 测段名称 异常类型 计算方法 预测时间 R R0 预测地震事件数 报准率 虚报率 短水准测量期次 总数 报准 虚报 西代村3—2 去趋势阈值 特征强度（差分窗长=2） 278天 0.38 0.26 17 11 6 64.7% 0 202308 报准震例 河南兰考ML 4.3、河南兰考县ML 4.8、河南武陟ML 4.1、河南范县ML 4.2、河南太康ML 5.0、河南范县ML 4.4、河南范县ML 4.2、河北赞皇ML 4.4、河北临漳ML 4.1、河北威县ML 4.1、河南鹤壁ML 4.0地震

表 3 西代村测段3—2跨断层短水准测量预报效能检验以及震例对应 Table 3 Evaluation of prediction efficiency of Xidaicun cross fault short levelling

以西代村跨断层场地为中心，统计周边200 km范围内1970年以来发生的地震事件，共得到17次震例，报准11次（2008年河南兰考M_L 4.3、2008年河南兰考M_L 4.8、2009年河南武陟M_L 4.1、2010年河南范县M_L 4.2、2010年河南太康M_L 5.0、2011年河南范县M_L 4.4、2015年河南范县M_L 4.2、2017年河北赞皇M_L 4.4、2019年河北临漳M_L 4.1、2022年河北威县M_L 4.1、2023年河南鹤壁M_L 4.0地震）、漏报6次，报准率约64.7%（表 3），表明地震报准率较高，数据超出阈值时可预报地震的可信度较高。2023年9月10日，河南鹤壁发生M_L 4.0地震，震中距8 km，验证了此次数据加速上升的异常可信程度。

（2）跨断层土壤气Rn和H₂测量。地震发生是地壳应力发生改变的过程，形成的破裂或破碎带有利于地壳内气体的释放，土壤气是一种有效的示踪剂，可用于研究危险地震发生前的过程（赵建明等，2018；赵影等，2023），更好地了解区域范围内地震成因过程（张文亮等，2023）。活动断裂带土壤气体（Rn等）的释放强度常与区域构造演化及地震活动密切相关（郭正府等，2017），且断裂带的活动性越强，其土壤气体释放强度越大（王江等，2017）。土壤气Rn浓度在震前和震后出现异常，表明对地震响应较好（刘兆飞等，2023）。断层带上的土壤气H₂浓度受构造作用、断层闭锁程度、滑动速率、裂隙发育程度、开启或闭合状态等因素影响较大（孙小龙等，2017）。土壤气H₂集中分布并释放于断裂带中，其震前异常表现出信噪比高、短临特性明确，异常幅度与震级、震中距等有一定关系。（王喜龙等，2017；杨江等，2019）断层带H₂观测有可能提高地震短临预测水平（车用太等，2015）。

2023年11月、12月，沿西代村测量场地布设跨断层Rn和H₂土壤气测线，测线总长360 m，以30 cm为间距，跨断层布设13个测点，分别采用灵敏度为50 cpm/（kBq·m^-3）的AlphaGUARDP2000测氡仪测定Rn浓度，用检出限5×10^-9 L的杭州超距ATG300H便捷式测氢仪测量H₂浓度（王明亮等，2020；胡宁等，2019），每个测点测量15 min，其中Rn测量5次、H₂测量15次，取各自最大值作为各测量点的Rn值、H₂值。

2023年8月跨断层短水准异常出现后，测量的2期Rn浓度变化与背景值相差不大，且在断层处（200—250 m）为高值点（图 8），说明测量数据可靠（断层处气体逸出值较测线其余点较高为正常）。与2023年6月、11月测量曲线进行对比，可见在间距250 m内，2023年12月的测量数据明显低于背景水平，说明受构造活动、降雨和积水影响造成断层上覆土壤发生组分变化，使Rn气逸出存在抑制变化。2023年11月、12月，H₂浓度变化显示，断层处为高值点，且整体高于往年背景值（图 9），说明H₂活动强烈，受到构造活动活跃或降雨、积水对断层上覆土壤产生的影响。

图 8(Fig.8)

图 8 西代村场地土壤Rn分布 Fig.8 Soil Rn distribution map of Xidaicun site

图 9(Fig.9)

图 9 西代村场地土壤H2分布 Fig.9 Soil H2 distribution map of Xidaicun site

对比发现，Rn、H₂浓度未出现同步高值异常，表明降雨和积水现象对西代村跨断层短水准测量存在一定影响。结合模拟载荷对跨断层短水准测量产生的结果无法覆盖本次异常上升量，不能判定本次短水准异常上升是仅受到环境变化干扰所致，强烈的气体逸出活动可能由构造活动造成。

2023年8月西代村跨断层短水准大幅度突升，为判定此次异常性质，进行干扰和异常判定。通过检查观测仪器运行状态，排除观测系统运行问题。为排除环境干扰，结合场地周围环境模拟场地载荷变化，进行定量分析，发现计算结果并不能完全覆盖此次短水准测量异常升高的变化量大小，排除环境干扰的可能。经地震预测效能评估，以及观测场地土壤气Rn和H₂浓度变化进行异常验证，综合判定短水准异常高值为地震地球物理异常，后在预测期内对应发生了2023年9月10日河南鹤壁M_L 4.0地震，再次验证了此次数据加速上升的异常可信程度。此次多方法综合定量分析为类似异常情况判定和震情跟踪研判提供了方法以及实例依据。