門源地震臺靜水位和形變異常核實實例與思考

汪發(fā)耀，楊積禮，楊開來，蘇寧，周海生

(青海省地震局，青海西寧 810001)

0 前 言

地震觀測臺站除了承擔維護觀測儀器正常運行，產(chǎn)出高質(zhì)量觀測資料的任務(wù)，還需要第一時間對觀測資料中出現(xiàn)的顯著數(shù)據(jù)變化進行分析，要及時排查干擾，確定數(shù)據(jù)變化的異常信息，以便預報部門及時做出應急措施。因此當觀測資料出現(xiàn)顯著變化時，異常核實工作就顯得尤為重要[1]，如何識別并排除各種干擾，提取出可信的異常變化，已經(jīng)成為目前觀測臺站工作的一個重要內(nèi)容，具備異常核實分析能力也是新形勢下對臺站觀測人員的一項新要求。如何立足臺站開展好異常核實工作也是當前需要思考的問題。

本文將以針對門源靜水位和形變儀器出現(xiàn)的顯著變化，開展的異常核實工作為例，詳細介紹我臺開展的異常核實工作內(nèi)容，為今后臺站技術(shù)人員開展異常核實提供借鑒。

1 臺站背景與基礎(chǔ)資料

1.1 臺站概況與構(gòu)造背景

門源地震臺(以下簡稱門源臺)地處達坂山斷裂北約15 km，祁連山斷裂南緣，臺基巖性為中厚層砂巖，覆蓋層及圍巖大于20 m。其中達坂山斷裂為不活動斷裂，祁連山斷裂帶為青海地區(qū)最主要的地震活動區(qū)域之一，門源臺距離祁連斷裂帶南側(cè)托萊山斷層約20 km[2]。該構(gòu)造帶是青藏高原的重要活動構(gòu)造帶，沿構(gòu)造帶歷史上發(fā)生過多次7～8級強震，1927年古浪8級大震震中距門源65 km。距離門源40 km處1986年和2016年先后發(fā)生了門源Ms6.5級地震和門源Ms6.4級地震。該區(qū)域也是中等地震頻發(fā)區(qū)域。

1.2 觀測系統(tǒng)概況

門源臺是一個綜合觀測臺站，臺站現(xiàn)有測震、流體和形變共計 11套儀器，其中測震儀器和強震儀各1套、形變觀測4套、流體觀測3套。另外還有氣象三要素(氣溫、氣壓和降雨量)的輔助觀測手段。

觀測資料質(zhì)量是地震臺站的立臺的之本，門源臺自建臺以來，臺站觀測資料質(zhì)量穩(wěn)定，近年來，門源臺始終把提高資料質(zhì)量作為各項工作的首要任務(wù)來抓。加強質(zhì)量監(jiān)控，提高監(jiān)測質(zhì)量，建立了相應的數(shù)字化質(zhì)量監(jiān)控管理辦法。多年來在省地震局的領(lǐng)導下，觀測資料質(zhì)量在評比中不斷獲得優(yōu)異的成績。門源臺地傾斜觀測資料在1986年門源6.5級地震和2016年門源6.4級地震震前均出現(xiàn)過顯著異常變化,表明門源傾斜對區(qū)域應力變化具有較好的反應[3-4]。

圖1 門源地震臺附近斷層與震中位置分布

2 異常調(diào)查實例分析

2.1 靜水位異常核實

門源臺靜水位儀架設(shè)在水溫井中，現(xiàn)為同井觀測。2019年3月21日架設(shè)水溫儀一套，因此靜水位受到干擾。2019年8月28日靜水位數(shù)采故障，8月29日更換數(shù)采后恢復正常工作。門源臺靜水位出現(xiàn)過兩次異常，分別為2018年7月8日出現(xiàn)的明顯水位下降和2019年9月24日開始的數(shù)據(jù)急劇上升(如圖2)，兩次異常變化出現(xiàn)后通過對觀測系統(tǒng)調(diào)查和環(huán)境干擾因素調(diào)查開展了異常核實工作。

圖2 門源地震臺靜水位觀測曲線

2.1.1 觀測系統(tǒng)調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場核實，近期門源臺SWY-Ⅱ型水位儀系統(tǒng)工作正常、供電系統(tǒng)穩(wěn)定；查閱相關(guān)工作日志、儀器檢查記錄顯示該臺站工作人員每日上午定時測量電瓶電壓和工作交流電壓，操作規(guī)范無異常。

2.1.2 環(huán)境干擾情況調(diào)查

(1)氣象因素調(diào)查

門源地區(qū)屬高原大陸性氣候，地處中緯度西風帶區(qū)，年平均降水520 mm，年蒸發(fā)量100 mm。從近四年門源臺降雨量分析，降雨季節(jié)都在6～9月，相比往年降雨量沒有明顯增加(如圖3)，因此本次異常與降雨無關(guān)。自2016年以來的氣壓、氣溫保持穩(wěn)定的動態(tài)變化，氣象三要素輔助觀測儀位于門源臺院內(nèi)辦公樓后空曠山地上，周圍無明顯干擾源，數(shù)據(jù)常年穩(wěn)定可靠。

圖3 門源地震臺氣象三要素觀測曲線

(2)周圍水庫水位變化情況調(diào)查

門源臺靜水位觀測井位于臺站內(nèi)。臺站以北為大通河流域，沿大通河流域10 km以內(nèi)有兩座水庫，分別為引大水庫和石頭峽水庫,對兩座水庫的基本情況進行了詳實的調(diào)查，結(jié)果如表1。

此外，考慮到水利工程建設(shè)具有技術(shù)復雜、施工難度大等問題，其自身的特殊性也直接影響項目設(shè)計、施工的順利進行及工期目標的如期實現(xiàn)。

表1 周邊水庫基本情況調(diào)查

據(jù)石頭峽水庫負責人介紹，石頭峽水庫庫容量較高，蓄水時間長，入庫量和水位信息發(fā)現(xiàn)水庫水位近期(6月以來)水位平穩(wěn)變化，無特殊變化情況。水庫工作人員均提到今年由于上游降水較少，導致入庫量底，與往年同期相比水庫蓄水量和水位均較低，泄流量也低于往年同期。水庫開始蓄水時間在2015年前，庫容無明顯異常。

引大水庫距離臺站距離約3.4 km，其總庫容較小，約為125萬m3，其壩頂海拔高度為2 962 m，低于門源臺流體觀測井(2 978 m)約16 m。通過查閱水庫汛情統(tǒng)計表及操作日志，發(fā)現(xiàn)蓄水起始時間為2019年7月11日，開始蓄水當日水位達到2 957 m，7月13日水位約為2 959.8 m。2019年10月27日與水庫管理員電話溝通，被告知水庫蓄水平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)有突出異常。

門源臺附近地區(qū)水系主要是大通河，為湟水河的一級支流，總長554 km，多年平均流量49.1 m3/s。臺站人員到周邊水文站調(diào)查，水位站負責人調(diào)取近期河水水位及流量，發(fā)現(xiàn)2019年近期河水水位和流量保持穩(wěn)定，沒有發(fā)現(xiàn)河水水位異常。

(3)周圍民用井水位變化情況調(diào)查

2019年10月20日對臺站周邊1 km內(nèi)的5個民用井(圖4)水位變化情況也進行了調(diào)查。結(jié)果顯示，門源臺向西兩口民用井深度約18 m，高程2 957 m左右，都為巖石中裂隙中滲出的水，水位分別上升約4 m和3 m左右。西面其他民用水井深度約11 m左右，基本都是土層中滲出的水，水位上升約4 m左右。南面的民用水井深度約10 m左右，基本都是土層中滲出的水，水位上升2 m左右。

圖4 門源地震臺周圍民用井庫分布

2.1.3 異常分析與性質(zhì)判定

經(jīng)核實臺站輔助觀測測項氣象三要素無明顯異常變化。此外，對周邊以及觀測室環(huán)境、地下及地表水開采和近期降水情況進行了調(diào)查，對儀器觀測系統(tǒng)進行了檢查。發(fā)現(xiàn)引大水庫2019年7月初開始的蓄水變化對本次異常有一定影響，但考慮到其蓄水起始時間距本次異常開始時間超過2個月，總庫容量較低，地理位置上低于門源靜水位觀測井約16 m，與觀測井最小直線距離約3.5 km，故判斷對本次異常影響程度較低。經(jīng)與預報中心專家溝通，2018年7月8日異常期間周邊未發(fā)生地震，認為此次門源靜水位異常為地震前兆異常的可能性較大。實際在2019年距離門源臺288 km，發(fā)生了甘肅夏河5.7級地震,分析認為此次異?？赡苁菍υ摰卣鸬姆从砙5]。

2.2 形變異常核實

圖5 門源地震臺水平擺/垂直擺傾斜儀觀測曲線

2.2.1觀測系統(tǒng)調(diào)查

按照臺站日常檢查供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)運行狀況的工作流程要求，逐一檢查了門源臺傾斜觀測山洞供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，顯示兩個系統(tǒng)運行都正常。

2.2.2 環(huán)境干擾情況調(diào)查

(1)觀測洞室情況調(diào)查

門源臺形變觀測山洞建成于1982年，由于山洞內(nèi)濕度較大，2008年曾進行過一次改造。目前山洞內(nèi)架設(shè)有測震儀、水平擺傾斜儀和垂直擺傾斜儀各一套。觀測山洞進深24 m，覆蓋層及圍巖大于20 m，巖性為砂巖。洞室內(nèi)年溫度變化小于1 ℃，溫度日變化小于0.1 ℃。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，觀測洞室內(nèi)濕度很大，濕度情況與往年一致，異常變化出現(xiàn)期間無明顯變化。由于洞室內(nèi)濕度較大，山洞頂部存在滲水現(xiàn)象。2014年8月1日和9月13日兩次異常核實發(fā)現(xiàn)，都有大量降雨，造成山洞擺房屋頂?shù)嗡劣^測墩，滴水正好滴落在北南分量的擺體上。而2015年8月18日異常調(diào)查核實時，發(fā)現(xiàn)水平擺傾斜儀器觀測墩處也有少量積水。

(2)觀測點周圍環(huán)境調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，門源臺周圍環(huán)境近期無明顯變化。臺站內(nèi)有2008年建設(shè)的二層小樓一棟，臺站位于半山位置，東北側(cè)為山體，西南側(cè)為村莊。臺站方圓2 km范圍內(nèi)近期無大型施工、抽水等作業(yè)。臺站以西約350 m處有一磚廠，該磚廠每日抽取地下水工作，據(jù)調(diào)查該磚廠存在已有十余年，生產(chǎn)量及抽水量長期穩(wěn)定。

(3)氣象因素排查

分析門源臺溫度、氣壓和降水等氣象資料發(fā)現(xiàn)，近年門源臺附近溫度及降水情況與往年同期相當，無顯著變化。

2.2.3 異常分析與性質(zhì)判定

(1)2014年8月1日和9月13日兩次異常核實發(fā)現(xiàn)，門源水平擺傾斜儀器供電及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作正常，異常之前都有大量降雨，造成山洞擺房屋頂?shù)嗡劣^測墩，而且滴水正好滴落在北南分量的擺體上。因此判斷造成這次異常的主要干擾是雨水在巖石不規(guī)則的裂隙滲透，發(fā)生體積膨脹，再加上山洞存在漏水現(xiàn)象，連日降雨濕度較大，從而導致形變觀測值發(fā)生變化。

(2)2015年8月18日異常調(diào)查核實發(fā)現(xiàn)，門源水平擺傾斜儀器供電及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作正常，水平擺傾斜儀器觀測墩處有少量水(洞室內(nèi)滲水所致，該現(xiàn)象近幾年長期存在)，底腳螺絲完好。在門源水平擺傾斜與垂直擺傾斜觀測系統(tǒng)工作正常，無明顯干擾，且兩套傾斜觀測同時出現(xiàn)相同幅度的類似異常變化，分析認為觀測墩處有少量水不是造成此次變化的原因。分析認為本次異常變化可靠性較高。實際在2015年11月23日和2016年1月21日在距臺站106 km和30 km分別發(fā)生了祁連5.2級地震和門源6.4級地震。分析認為該異常是這兩次地震前的異常反應[4]。

3 認識與建議

(1)異常落實工作臺站中有絕對優(yōu)勢，臺站是一手觀測資料產(chǎn)出地，出現(xiàn)異?，F(xiàn)象可以第一時間抵達周邊，查找可能存在的干擾源，提高異常核實的實效性，可以提前為預報人員提供第一手異常核實資料。

(2)目前臺站人員異常核實能力較弱，特別在異常核實中對觀測資料異常識別能力較差、異常核實流程不熟悉、落實過程中對周邊環(huán)境的干擾因素考慮不全面、撰寫異常核實報告能力不足等，建議預報中心專家對臺站人員開展相應的異常核實技術(shù)指導，提高臺站人員的異常核實能力，提高異常核實工作的效率。

(3)臺站周邊的干擾識別是一個不斷探索和積累經(jīng)驗的過程。建議開展干擾源實驗，正確排除各種干擾獲得真實信息，對提取地震前兆信息至關(guān)重要。

(4)建議在流體異常核實時可以安排臺站人員進行水質(zhì)分析對比。

致謝：感謝監(jiān)測中心王培玲主任和預報中心馬茹瑩、劉磊的細心指導。