環(huán)境干擾事件引起的“形變異常變化”＊

王 梅 季愛東 徐長鵬 王 鵬

（山東省地震局，濟(jì)南250014）

（作者電子信箱，王梅：wangmei8534＠sina.com）

地震預(yù)測是以地震監(jiān)測為基礎(chǔ)的技術(shù)，地震學(xué)、形變、電磁、地下流體等學(xué)科均可以觀測到有明確意義的地球物理現(xiàn)象，怎樣在這些觀測結(jié)果中識別出與地震相關(guān)的前兆信息則是地震預(yù)測需要做的基礎(chǔ)工作。目前的情況是，在日常分析及震情會商中雖然提出了大量的異常情況，但這些異常極少得到地震的“支持”。造成這種狀況的原因是復(fù)雜的，比如我們目前仍對地震孕育與發(fā)生的環(huán)境、條件及過程了解得很少，對地震孕育與發(fā)生過程中究竟會有什么樣的前兆異常信息不甚了解；尤其目前存在的觀測環(huán)境干擾增多以及觀測技術(shù)不完善等問題，對識別與提取地震前兆信息造成了更多的困惑。因此，如何在復(fù)雜的觀測背景及不完備的技術(shù)條件下識別干擾異常成為分析工作的首要環(huán)節(jié)。在山東省形變觀測及異常識別的實踐工作中，發(fā)現(xiàn)了一些有明確干擾因素的異常變化，如載荷變化、抽取地下水等。這些干擾發(fā)生的過程可以看作是不可多得的天然試驗樣本，為識別形變異常、了解不同干擾因素引起的應(yīng)變過程以及不同觀測儀器的應(yīng)變響應(yīng)特征提供了有益的認(rèn)識途徑。

1 臺站概況

泰安臺位于泰山南麓，地處魯中隆起，泰山山前第四紀(jì)活動斷裂北側(cè)，臺基為太古代花崗片麻巖，結(jié)晶基底，巖體完整致密均勻，波導(dǎo)性良好，測量信噪比高，可靠性好，為全國一類形變基準(zhǔn)臺。臺站洞室內(nèi)布設(shè)了數(shù)字化SS－Y 伸縮儀、DSQ 水管傾斜儀、SSQ 水平擺傾斜儀、VS 垂直擺傾斜儀及LaCoste－PET 型重力儀各一套。洞室外（距伸縮儀、水管儀約20m 處）還安裝了TJ體應(yīng)變儀及YRY－4壓容應(yīng)變儀（第4分量因故障停測）各一套。

煙臺地震臺地處丘陵緩坡園林區(qū)內(nèi)，距海約2km。臺基巖性為花崗巖，洞內(nèi)布設(shè)了數(shù)字化DSQ水管傾斜儀、SS－Y伸縮儀各一套。

2 異常變化概述

2.1 泰安臺壓容應(yīng)變儀、伸縮儀、水管傾斜儀觀測受抽水干擾情況

泰安分量應(yīng)變儀三個分量2009年7月27日后出現(xiàn)明顯的固體潮畸變，同一臺站伸縮儀及水管儀NS向也出現(xiàn)同步固體潮畸變（圖1），經(jīng)擬合處理后的同步畸變更加明顯（圖2）。

圖1 泰安臺形變觀測固體潮同步畸變曲線

圖2 泰安臺形變固體潮擬合曲線

固體潮觀測中易受降雨、氣壓變化影響，降雨一般表現(xiàn)為對趨勢變化的影響，而此次泰安分量應(yīng)變儀、伸縮儀的異常變化特征為短時的畸變過程，可以排除降雨影響的可能。氣壓對固體潮的影響為與氣壓同步的短時畸變，但上述各儀器的畸變不與氣壓變化同步，因此也不是氣壓影響的結(jié)果。在各項儀器出現(xiàn)固體潮畸變期間，臺站也未調(diào)試過儀器，未出現(xiàn)電源切換等情況，各儀器仍可觀測到固體潮，因此認(rèn)為儀器處于正常工作狀態(tài)。

經(jīng)現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，7月27日后臺站圍墻外開挖了兩處民用水井（家庭生活用），兩井口在觀測儀器正南約100m，分別深約35m、41m，兩口井相距10m 左右，每天用水量約幾百升。經(jīng)過與用井居民的努力協(xié)商，請他們記錄了部分抽水時間。結(jié)果表明，固體潮畸變時間與抽水時間吻合，從而確認(rèn)幾套儀器的固體潮畸變是由兩口井抽水引起的。

泰安臺壓容應(yīng)變儀、伸縮儀、水管傾斜儀觀測受抽水影響的過程，持續(xù)時間一般較短（＜2小時），幅度不大（＜日波振幅一半，量級約10－8），而且不影響趨勢變化；伸縮儀畸變早于壓容應(yīng)變儀約2分鐘；伸縮儀及壓容儀NS 向均表現(xiàn)為張性變化，壓容儀EW 向表現(xiàn)為壓性變化，水管傾斜儀NS向表現(xiàn)為S傾。

出現(xiàn)這些變化的過程中，泰安臺體應(yīng)變儀及壓容應(yīng)變儀的輔助水位觀測未產(chǎn)生波動，分析認(rèn)為應(yīng)是抽水引起了井壁周圍孔隙壓迅速下降，周圍孔隙水往水井處運移，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)介質(zhì)的微變形，應(yīng)變信息迅速傳遞，被測量精度均達(dá)到10－9的形變感應(yīng)裝置記錄到。由于水井在儀器正南方向，因此NS向應(yīng)變儀均為張性變化，EW 向則表現(xiàn)為受擠壓的狀態(tài)，傾斜儀表現(xiàn)為S傾變化，EW 向沒有固體潮畸變發(fā)生。這種現(xiàn)象一方面說明泰安臺形變觀測有較高的靈敏度，能很好地反映臺站周圍各個方向微小的應(yīng)力波動情況，另一方面也說明多套形變觀測同步變化，特別是不同形變儀器同一方向的同步變化應(yīng)是判斷真實形變事件的必要條件。

2.2 泰安臺多項形變觀測受水庫放水干擾情況

2011年4月29日，泰安地震臺YRY－4壓容應(yīng)變儀、SS－Y 伸縮儀、DSQ 水管傾斜儀、SSQ－2石英擺傾斜儀、VS 垂直擺傾斜儀等多套形變儀器出現(xiàn)較同步的速率轉(zhuǎn)折（圖3）。各應(yīng)變儀速率加快的時間EW 向較NS向早約15分鐘。此外，體應(yīng)變儀輔助水位觀測約在8小時后出現(xiàn)觀測以來從未有過的大幅加速下降。同一臺站的重力儀、體應(yīng)變儀及3 套傾斜儀的EW 向沒有突出的同步加速變化。泰安臺形變各測項在5 月10日、5 月15 日又分別出現(xiàn)兩次加速上升變化，但與4月29日的變化相比，持續(xù)時間較短，變化量級較小。這3次異常變化的時間均出現(xiàn)在11：30左右。

圖3 泰安臺形變觀測曲線（2011－04－24－2011－05－20）

注意到在形變觀測速率發(fā)生變化滯后約8小時，體應(yīng)變儀輔助水位觀測才出現(xiàn)突降變化的情況，而且體應(yīng)變水位這種大幅度的變化（約12cm/d）觀測以來從未出現(xiàn)過，因此考慮是否在較遠(yuǎn)處存在大量抽水的情況。在隨后的調(diào)查走訪過程中了解到，由于2010年9月—2011年5月，連續(xù)8個月泰安地區(qū)幾乎沒有有效降水，處于極度干旱狀態(tài)?！拔逡弧惫?jié)前后恰為小麥需要澆水灌漿的時段，在距臺站東北方向（方位角約45°）約8km處的劉家莊水庫曾大量放水供農(nóng)田灌溉。

由于水庫突然放水，引起較明顯的地面卸載，水體卸載過程引起的應(yīng)力變化首先快速傳遞，引起泰安臺多套形變儀器轉(zhuǎn)折加速。但在應(yīng)力作用下的裂隙水的運移過程則滯后于應(yīng)力傳遞速度，造成應(yīng)變儀輔助水位滯后約8小時才出現(xiàn)下降變化。因此根據(jù)多部門、多點位現(xiàn)場調(diào)查情況，結(jié)合泰安臺形變觀測變化特點認(rèn)為，距泰安臺東北約8km的劉家莊水庫大量放水漫灌麥田，引起水庫負(fù)載突然下降，其后周圍水體迅速補充水庫庫容并引起周圍應(yīng)力變化，是導(dǎo)致泰安臺形變觀測速率突然加快并持續(xù)加速變化2～3天的主要原因。在這一異常發(fā)生過程中，泰安臺安裝的所有7套形變儀器中有5套儀器的8個分量出現(xiàn)了準(zhǔn)同步變化，體應(yīng)變儀及壓容應(yīng)變儀的輔助水位也出現(xiàn)不同程度的滯后變化，僅體應(yīng)變儀及重力儀沒有明顯變化。分量應(yīng)變儀各向變化幅度約為正常日變幅的28倍（量級約10－6），伸縮儀NS 向變化幅度約為正常日變幅的2～3 倍（量級約10－8），EW 約為正常日變幅的6～7 倍（量級約10－7），傾斜儀變化基本是正常日變幅度的2～3倍（約40 毫秒）。

2.3 煙臺臺伸縮儀、水管傾斜儀受載荷影響情況

煙臺水管傾斜儀正常情況下變化平穩(wěn)，年漂移量不超過100毫秒；EW 向觀測曲線受一定程度的降雨影響。SS－Y 伸縮儀正常情況下變化也比較平穩(wěn)，雨季均受降雨影響，年漂移量NS向不超過2×10－6，EW 向不超過4×10－5。

2002年5月中旬，煙臺形變觀測洞室所在山體北部山腰開始修建公路，公路為正東西走向，與儀器室水平方向相距約100m、垂直方向約相距30 m（公路路基高于儀器室）。公路為4 車道的主干道，寬約40 m。自公路開始修建后，土石開挖、運移規(guī)模很大，運出土石約20萬m3，地表環(huán)境變化顯著（見圖4），引起SS－Y 伸縮儀NS向觀測曲線2002年5月中旬至7月中旬的加速上升（張性變化），量級約為4.5×10－4，EW向則下降（壓性）約2.2×10－5；水管傾斜儀兩方向也出現(xiàn)同步加速下降變化（NS 向S傾約377 毫秒、EW 向W 傾約42 毫秒）（見圖5）。由于施工主體方向在儀器室北部，NS向變化較EW 向更為明顯。

圖4 煙臺臺形變儀器布設(shè)與公路修建情況示意圖（圖右上三角形部分為運出并運回的土方）

圖5 煙臺臺水管傾斜儀及伸縮儀日均值觀測曲線（2002－01－01—2002－12－30）

值得一提的是，11 月上旬道路修建工程開始回填土石，回填量約為10萬m3，而煙臺臺各形變儀器在11月10日開始出現(xiàn)與工程初期方向相反的同步趨勢變化，尤其以伸縮儀NS向最為明顯。這些情況與5～7月的變化互相印證，說明煙臺臺形變資料的變化主要與修路過程有關(guān)。

3 分析與討論

目前形變固體潮觀測儀器，諸如傾斜儀、應(yīng)變儀、重力儀等，均有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，有較寬的頻率范圍，可以監(jiān)測到高頻（如地震波）至零頻范圍內(nèi)的形變信息，量級最小可以觀測到10－9的變化。即在以固體潮為觀測本底的基礎(chǔ)上，無論是較長周期的構(gòu)造變形，還是較高頻的突發(fā)變形事件，均在形變固體潮儀器響應(yīng)范圍內(nèi)。泰安臺及煙臺觀測到的上述形變事件雖然都由干擾引起，但觀測結(jié)果可以說明以下問題：

（1）如果發(fā)生變形事件，同一臺站的多套形變固體儀器應(yīng)有較同步的變化。這種“同步異?！钡某霈F(xiàn)應(yīng)該成為判定異常發(fā)生的重要準(zhǔn)則。

（2）觀測到的異常量級可以小至固體潮日變范圍內(nèi)，最大可以引起趨勢上的不斷變化（煙臺臺伸縮儀達(dá)4.5×10－4量級），但不同類型儀器量級可能不一致。

（3）引起干擾的點位可能達(dá)數(shù)千米以外。

（4）干擾既可以是短周期變化（瞬時抽水）引起，也可以是長周期變化引起（土石逐漸積累）。

（5）分量式應(yīng)變儀可能存在井孔放大效應(yīng)，對異常反映最有效（各方向均有變化、變化量級大），其次是伸縮應(yīng)變儀。

4 思考與建議

形變固體潮觀測在地震預(yù)測中的作用及有效性已在多年的預(yù)報實踐中得到證明，但由于震源及地震過程本身的不可見性，以及大地震事件數(shù)量的有限性，使得我們目前對地震前兆的認(rèn)識還很膚淺。而在一些背景噪音比較低、觀測項目比較齊備的臺站，對干擾引起的形變信息的分析，可以成為我們認(rèn)識地球物理過程發(fā)生、傳遞及表現(xiàn)的一個重要切入點。在有條件的臺站，應(yīng)盡可能多地布設(shè)不同類型的儀器，為地震預(yù)測實踐工作提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

山東泰安臺、煙臺臺都是形變觀測綜合臺站，為形變觀測的同步對比分析提供了有利條件。從上述幾次干擾過程可以看到，無論是規(guī)模比較大的干擾（煙臺載荷變化），還是規(guī)模比較小的干擾（泰安民用井抽水），無論是遠(yuǎn)距離（8km 外）還是近距離（幾十米）的干擾，如果事件的發(fā)生引起了地殼應(yīng)力狀態(tài)的改變，而且異常信息頻率在形變儀器響應(yīng)范圍內(nèi)，則應(yīng)力變化引起的異常信息均能被大部分形變儀器，特別是分量應(yīng)變儀及伸縮儀觀測到。體應(yīng)變儀在泰安臺的幾次干擾異常發(fā)生過程中基本沒有同步變化，這與體應(yīng)變觀測原理有關(guān)。體應(yīng)變儀觀測到的實際是水平面應(yīng)變及垂直方向應(yīng)變的和，因此無法反映鉆孔徑向分量應(yīng)變變化情況，這也應(yīng)該是今后體應(yīng)變布設(shè)和體應(yīng)變異常認(rèn)識、判定中需要考慮的問題。泰安臺LaCoste－PET型重力儀在這幾次事件發(fā)生過程中也沒有同步異常出現(xiàn)，但其日常觀測運行平穩(wěn)，固體潮清晰，尤其對地殼高頻信息反映靈敏。分析認(rèn)為，可能一方面與異常信號頻譜特征有關(guān)，另一方面可能說明重力儀對地表小規(guī)模物質(zhì)運移并不“敏感”。

通過幾十年預(yù)測實踐經(jīng)驗的積累，尤其對大量存在的虛報事件的回顧、反思，在現(xiàn)有科學(xué)基礎(chǔ)上，我們對待觀測資料的變化，仍需秉持客觀、科學(xué)、謹(jǐn)慎認(rèn)真的態(tài)度。對觀測中的突發(fā)情況應(yīng)首先盡力從干擾因素方面尋找答案［1－2］，而不是形成過分追求異常數(shù)量的氛圍。在異常識別、判定過程中，“同步異?！钡默F(xiàn)象應(yīng)該成為確認(rèn)異常的一個重要準(zhǔn)則；對解釋不清的問題，應(yīng)杜絕“找不到干擾就是地震前兆”的做法，或者簡單以“可能表征了地殼應(yīng)力場的變化”等無法驗證的語言進(jìn)行交待［3］，否則難以提升地震預(yù)測的科學(xué)水平。

［1］車用太，劉成龍.汶川地震后關(guān)于地震預(yù)測問題的再思考.國際地震動態(tài)，2008（10）：1－6

［2］車用太，魚金子，劉成龍，等.判別地下水異常的干擾性與前兆性的原則及其應(yīng)用實例.地震學(xué)報，2011，33（6）：800－808

［3］蔣海昆.重視預(yù)報過程反思提高地震預(yù)測水平.國際地震動態(tài)，2005（5）：151－153