海原小山鉆孔傾斜異常的落實與分析

程鵬圖，楊 順，王晨曦，馬云舉

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

前兆觀測是地震監(jiān)測預(yù)報的主要手段之一，具有明確的物理含義以及預(yù)測機理，因此對前兆觀測出現(xiàn)的各種異常變化進行實地落實，是對這些異常變化進行分析判斷的主要依據(jù)。但在實際觀測中，異常落實具有較強的復(fù)雜性，多數(shù)異常變化不能做到準(zhǔn)確判斷［1］。本文通過對海原小山形變觀測點鉆孔傾斜異常變化進行跟蹤落實，排查了可能影響數(shù)據(jù)異常的觀測系統(tǒng)、觀測環(huán)境等影響因素，結(jié)合前期積累的異常應(yīng)震實例，客觀分析了此次異常變化。

1 臺站地質(zhì)背景

海原地震臺小山形變觀測點位于海原縣海城鎮(zhèn)的小山自然村南西側(cè)，位于青藏高原東北弧形構(gòu)造帶、海原斷裂帶上，地面距離1920年海原81/2級地震主斷裂450 m左右（圖1）。海原斷裂帶展布于米家山北麓，哈思山南麓，黃家洼山南麓，西、南華山北麓和月亮山東麓，南華山及其以西，走向北西西，以東為北西走向，由11條不連續(xù)次級剪切斷層組成，各次級斷層均向所在山體傾斜，地貌上是一條醒目的山脈與盆地的界線。

圖1 海原小山形變觀測點地理位置圖Fig.1 The geographic location diagram of Haiyuan Xiaoshan deformation observatory

海原斷裂帶早期為逆沖活動，后期為左旋走滑活動，其活動方式的轉(zhuǎn)化發(fā)生于早更新世末至中更新世初。左旋走滑活動在大多數(shù)次級剪切斷層的接續(xù)部位形成了拉分型盆地，由斷裂兩側(cè)地址體所記錄的水平位移量達(dá)幾到幾十公里，穿過斷裂的各級別水系，均發(fā)生幅度不等的左旋位錯（圖2）。地貌、水系研究結(jié)果顯示，全新世以來斷裂帶的平均走滑速率為6～10mm/a。觀測點附近巖性大多數(shù)為灰黑色變質(zhì)灰?guī)r和泥石混合物，由于1920年海原大地震，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，巖層比較破碎。

圖2 海原斷裂帶西華山一帶地質(zhì)體左旋位移平面圖Fig.2 The left鄄hand displacement plan of the West Huashan area at the Haiyuan fault zone

2 異常概述

2017年7月27日，臺站值班人員發(fā)現(xiàn)海原鉆孔傾斜資料NS向加速下降，下降幅度102毫角秒，其中7月27日下降幅度65毫角秒，7月28日—8月2日處在低值，且出現(xiàn)新的穩(wěn)定點；EW向加速上升，上升幅度110毫角秒，其中7月27日上升幅度最大，達(dá)74毫角秒，7月28日—8月2日處在上升后穩(wěn)定期，且出現(xiàn)新的穩(wěn)定點（圖3）。8月2日，臺站組織技術(shù)人員赴海原小山形變觀測點進行鉆孔傾斜資料異常落實。

圖3 海原小山鉆孔傾斜分鐘值曲線（20170720—20170803）Fig.3 The minute value curve of the Haiyuan Xiaoshan borehole tilt anomaly

3 異常調(diào)查

2017年8月2日，海原地震臺組成異常核實小組，赴現(xiàn)場進行核實調(diào)查，并初步制定了異常核實工作方案：（1）對局部觀測環(huán)境進行調(diào)查；（2）對儀器工作電源進行檢查；（3） 儀器標(biāo)定記錄、日志記錄等信息的核實；（4）對異常信度進行分析。

3.1 儀器工作狀態(tài)檢查

異常核實小組對海原小山鉆孔傾斜觀測系統(tǒng)進行了檢查，儀器觀測系統(tǒng)基本正常，主要落實情況如下：

（1） 供電電源檢查

異常核實小組對海原小山鉆孔傾斜供電系統(tǒng)進行了檢查。結(jié)果顯示交流供電224.2 V，穩(wěn)壓電源供電41.17 V，電源供電正常。對觀測電源各接頭進行按壓，保證接頭接觸良好。

（2）數(shù)采記錄系統(tǒng)檢查

異常核實小組人員對海原小山鉆孔傾斜儀器數(shù)采記錄系統(tǒng)進行檢查，發(fā)現(xiàn)NS向有所偏大，粗調(diào)后恢復(fù)。

（3） 標(biāo)定格值變化

海原小山鉆孔傾斜格值變化在2013年7月維修之前變化穩(wěn)定，2013年7月維修之后NS向存在規(guī)律的起伏變化，但總體穩(wěn)定，EW向變化穩(wěn)定。2016年6月、12月，2017年6月三次標(biāo)定結(jié)果變化穩(wěn)定。

（4） 日志檢查

查閱了儀器觀測日志，鉆孔傾斜日志記錄完整，記錄系統(tǒng)觀測正常。

3.2 觀測環(huán)境檢查

3.2.1 儀器所在基巖的巖性情況

海原小山鉆孔傾斜井深60.24 m，儀器探頭安裝在約51 m深處。探頭所處巖性為灰黑色灰?guī)r，巖性完整。

3.2.2 測點周邊的環(huán)境變化

海原小山鉆孔傾斜觀測點位于寧夏海原南華山自然保護區(qū)內(nèi)，高程2220 m，附近人煙稀少，對測點周邊5 km范圍進行普查，結(jié)果顯示測點周邊無大型的施工作業(yè)。

經(jīng)初步核實，認(rèn)為2017年7月27日起發(fā)生的海原小山鉆孔傾斜NS向加速下降異常、EW向加速上升異常與觀測系統(tǒng)、降雨、氣溫、氣壓等相關(guān)性不大；海原小山附近為山區(qū)，環(huán)境干擾較少，但周邊存在抽水井。異常核實小組赴海原縣自來水公司調(diào)查了附近機井抽水情況。海原小山周邊存在抽水機井，主要供縣城用水，其中南部區(qū)域機井距離小山觀測點平均4.7 km，中部區(qū)域機井距離小山觀測點平均5.5 km，北部區(qū)域機井距離小山觀測點6.4 km。小山觀測點鉆孔布置于山腰處，為基巖場區(qū)，因此異常組認(rèn)為抽水對小山形變的干擾較小，排除了機井抽水對形變異常的影響。為了進一步驗證這一推論是否成立，本文對抽水是否影響形變異常進行了以下深入分析：

（1） 從實際觀測可得，2017年7月27日起海原小山鉆孔傾斜EW向加速上升，上升幅度110 ms，其中7月27日上升幅度最大，達(dá)74 ms；7月28日—8月2日處在上升后穩(wěn)定期。且出現(xiàn)新的穩(wěn)定點；海原小山鉆孔傾斜NS向加速下降，下降幅度102 ms，其中7月27日下降幅度65 ms；7月28日—8月2日處在低值，且出現(xiàn)新的穩(wěn)定點。根據(jù)實地調(diào)查，海原小山周圍共有18口機井，距海原小山平均距離為5.5 km，抽水量為800 m3/d·口，18口機井每天抽水總量為18口×800 m3/d·口=1.44×103m3，根據(jù)二維載荷均勻分布模型［2］，在5km范圍內(nèi)，每天1.44×103m3抽水量產(chǎn)生的影響僅為0.008 ms，遠(yuǎn)小于此次異常的變化幅度，所以可以推定海原小山周圍的機井抽水量變化不會對海原小山鉆孔傾斜產(chǎn)生影響。

（2） 海原小山周邊 18口井抽水量為800 m3/d·口，根據(jù)最小“安靜”距離理論的三維集中載荷模型，可以推算抽水量為800m3/d抽水井的最小“安靜”距離小于50 m，而抽水井距海原小山測點的距離最小為4.7 km，遠(yuǎn)大于抽水井的最小“安靜”距離，所以可以進一步推斷海原小山周圍的機井抽水量變化不會對海原小山鉆孔傾斜產(chǎn)生影響［3］。

4 異常變化分析與判斷

如圖4所示，海原小山鉆孔傾斜異常時段期間，鉆孔氣壓及水位并無明顯的異常變化與之相對應(yīng)，而在異常時段內(nèi)，27日至28日出現(xiàn)了連續(xù)降雨，但降雨量相對較少，因此同樣可排除降雨對鉆孔傾斜異常的影響。由于海原小山測點距抽水井距離較遠(yuǎn)、且抽水量相對較小，因此抽水對海原小山影響很小，可忽略不計，可以推斷海原小山鉆孔傾斜不存在明顯的環(huán)境干擾。對海原小山鉆孔傾斜進行潮汐分析和內(nèi)精度分析，自觀測以來，鉆孔傾斜潮汐因子和內(nèi)精度變化穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)真實可靠，曾連續(xù)在國家局資料評比中獲獎。

圖4 海原小山鉆孔傾斜與鉆孔氣壓、鉆孔水位、降雨的對比曲線Fig.4 A contrast curve between borehole tilt and drilling pressure，drilling water level，and rainfall of Haiyuan Xiaoshan

2017年7月27日起海原小山鉆孔傾斜出現(xiàn)異常，異常形態(tài)為NS向加速下降后恢復(fù)、EW向加速上升后恢復(fù)，期間伴有階躍式變化。類似于此的異常變化，自觀測以來有兩次加速下降、階躍式異常對應(yīng)地震，具體分析如下：

（1） 2016年3月31日，海原小山鉆孔傾斜NS向出現(xiàn)加速上升，上升幅度約31 ms，EW出現(xiàn)加速下降，下降幅度約43 ms（圖5），2016年4月11日發(fā)生寧夏中寧MS3.9級地震，震中距離82 km。

圖5 海原小山鉆孔傾斜分鐘值曲線（中寧MS3.9級地震前）Fig.5 The minute value curve of the Haiyuan Xiaoshan borehole tilt anomaly（Before Zhongning MS3.9）

（2） 2016年11月10日，海原鉆孔傾斜NS向出現(xiàn)加速上升，上升幅度約28 ms，EW向出現(xiàn)加速下降，下降幅度約36 ms（圖6），2016年11月13日發(fā)生寧夏海原MS2.3級地震，震中距離28 km。

圖6 海原小山鉆孔傾斜分鐘值曲線（海原MS2.3級地震前）Fig.6 The minute value curve of the Haiyuan Xiaoshan borehole tilt anomaly（Before Haiyuan MS2.3）

由于排除了觀測系統(tǒng)、觀測環(huán)境等干擾因素的影響，加之分析了兩次典型的異常應(yīng)震案例，分析認(rèn)為此次異常可能為震前異常。

5 結(jié)論

綜合分析認(rèn)為，海原小山鉆孔傾斜2017年7月27日出現(xiàn)的加速變化真實可靠，無觀測環(huán)境、氣象因素干擾，可作為短期異常進行跟蹤，需密切關(guān)注海原周邊震情發(fā)展，臺站工作人員需做好應(yīng)急準(zhǔn)備。

2016年以來，海原小山鉆孔傾斜出現(xiàn)3月31日、11月10日兩次明顯的加速下降變化，兩次變化之后分別發(fā)生了寧夏中寧Ms3.9級、寧夏海原MS2.3級地震，此次異常變化較前兩次略有不同，出現(xiàn)NS向加速下降—恢復(fù)、EW向加速上升—恢復(fù)的過程，期間伴有階躍式變化，總變化幅度較大，達(dá)215 ms，短臨形勢較前兩次嚴(yán)峻，需結(jié)合地球物理場、地球化學(xué)場等其他資料密切跟蹤、分析其變化機理。