鉆孔應(yīng)變的干擾源及其干擾機(jī)制的多方法分析

蘇維剛 馬茹瑩 馬 震 孫璽皓

1 中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，西寧市新寧路18號(hào)，810008 2 青海省地震局，西寧市興海路1號(hào)，810001

鉆孔應(yīng)變觀測作為一種連續(xù)監(jiān)測地殼形變的重要手段，對小空間尺度上微小而重要的構(gòu)造應(yīng)變捕捉有較好的效果，對認(rèn)識(shí)和探索地震孕育過程的動(dòng)力學(xué)過程具有重要意義[1-4]。由于其應(yīng)變靈敏度較高(分辨率達(dá)10-9～10-11)，河流、湖泊、倉庫和鐵路等所有與地面載荷變化有關(guān)的干擾源都容易對其觀測造成干擾[5-8]，同時(shí)氣象因素的變化、鉆孔地質(zhì)條件和格值的變化也會(huì)對鉆孔應(yīng)變觀測造成不同程度的影響[5，9-12]。

德令哈臺(tái)四分量鉆孔應(yīng)變儀架設(shè)于2006年，儀器自洽性較好，但受環(huán)境干擾影響嚴(yán)重。為分離干擾信息，本文使用多種方法研究臺(tái)站及周邊干擾源，并進(jìn)行地球化學(xué)特征、載荷及氣象因素等相關(guān)性分析，以期明確德令哈臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測的干擾源及干擾機(jī)制。

1 臺(tái)站及觀測系統(tǒng)概況

德令哈地震臺(tái)位于柴達(dá)木盆地北緣，區(qū)域大地構(gòu)造位置處于古亞洲構(gòu)造域與古特提斯-喜馬拉雅構(gòu)造域的交界處，自新生代以來，盆地演化主要受印度板塊與歐亞板塊的碰撞作用影響。盆地內(nèi)部發(fā)育一系列新生代高角度逆沖斷裂，新構(gòu)造活動(dòng)跡象十分明顯[13-14]，沿活動(dòng)斷裂帶發(fā)生過多次中強(qiáng)地震。德令哈地區(qū)屬荒漠半荒漠大陸氣候，年降雨量約100 mm。

德令哈臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測井位于德令哈地震臺(tái)院內(nèi)，鉆孔于2006-09建成，孔徑約132 mm，井深約43.5 m，井孔深度0.90 m以上為填土，以下為花崗巖。四分量鉆孔應(yīng)變儀器型號(hào)為YRY-4，探頭埋深約40 m，具有NS、EW、NE、NW等4個(gè)測向，各分量方位角見表1，數(shù)采采樣率為1 s。

表1 各分量方位角

2 研究方法

2.1 相關(guān)性分析

選取鉆孔應(yīng)變和氣象三要素2015～2019年的日值數(shù)據(jù)，其中降水量測項(xiàng)由于WYY-1型儀器數(shù)采死機(jī)導(dǎo)致數(shù)據(jù)多次斷跡，2017-11-15更換為RTP-Ⅱ型儀器，因此降水?dāng)?shù)據(jù)選取時(shí)間為2018～2019年。

通過SPASS軟件對不同尺度的觀測資料與溫度和氣壓進(jìn)行相關(guān)性分析，以氣象要素為變量x，觀測值為變量y，分別計(jì)算Pearson相關(guān)系數(shù)r和p值，結(jié)果見表2：

表2 鉆孔應(yīng)變與氣象三要素的相關(guān)關(guān)系

式中，r值在-1～+1之間，n為樣本量。

2.2 載荷分析

黑石山水庫及西海公園人工湖與鉆孔應(yīng)變的觀測距離均小于2 km(圖1)，根據(jù)環(huán)境水體干擾源面積與最小“安靜”距離的關(guān)系[6]，水庫及人工湖蓄放水可能會(huì)對應(yīng)變觀測造成干擾影響?，F(xiàn)有鉆孔應(yīng)變的荷載模型主要有地表集中荷載模型和三維有限線段荷載模型[15-16]，黑石山水庫呈長條形，人工湖呈圓形，水庫蓄水對鉆孔應(yīng)變觀測的干擾問題可近似使用三維集中載荷模型進(jìn)行分析：

圖1 德令哈采樣位置

式中，F(xiàn)為庫容重量，λ和G為拉梅常數(shù)，x為干擾源至鉆孔的直線距離，z為鉆孔深度。

2.3 地球化學(xué)分析

考慮汛期和非汛期水庫水量的變化可能會(huì)造成差異性影響，分別于2020-04和2020-07采集德令哈水溫井(距應(yīng)變井約5 m)、西海公園人工湖及黑石山水庫中的水樣進(jìn)行常量元素的測試分析，取樣量為0.1 L。常量元素送至中科院青海鹽湖研究所進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表3(單位mg/L)。同時(shí)于2020-07采集3端元的水樣進(jìn)行鐳同位素測試分析。

表3 不同水體的常量元素測試結(jié)果

現(xiàn)場采集50 L的水體樣品，利用錳纖維單柱富集法進(jìn)行鐳同位素富集[17]，裝填15 g錳纖維于富集柱，并在富集柱前面接入1 μm的過濾桶，富集時(shí)的水流速控制在450～550 ml/min左右，之后將錳纖維吹干至其含水率在1.5%以內(nèi)[18]，并通過四通道同步延時(shí)計(jì)數(shù)器RaDeCC進(jìn)行223Ra和224Ra的比活度測試，測試結(jié)果見表4(單位dpm/L)。

表4 不同水體的Ra活度

3 鉆孔應(yīng)變觀測影響因素分析

德令哈鉆孔應(yīng)變四分量資料連續(xù)性較好，從長趨勢變化來看，各個(gè)分量均存在不同幅度的趨勢轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折節(jié)點(diǎn)與省內(nèi)6級(jí)以上強(qiáng)震的發(fā)生存在一定的響應(yīng)關(guān)系(圖2)，表明德令哈鉆孔應(yīng)變儀可能位于構(gòu)造敏感位置。但由于該測項(xiàng)受干擾影響嚴(yán)重，各分量均存在顯著的張壓性起伏變化，需分析其干擾源及干擾機(jī)制，以有效提取異常信息。

圖2 德令哈鉆孔應(yīng)變?nèi)站禃r(shí)序曲線

3.1 氣象因素相關(guān)性分析

通過表2可以看出，德令哈鉆孔應(yīng)變主要受年際尺度的氣象因素(氣溫和氣壓)影響，并存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，氣溫和氣壓的變化具有穩(wěn)定的年變周期，因此選用MAPSIS軟件通過傅里葉滑動(dòng)去掉鉆孔應(yīng)變資料中的年周期干擾[19]，獲得的鉆孔應(yīng)變觀測曲線見圖3。

圖3 德令哈鉆孔應(yīng)變?nèi)ツ曛芷诤蟮娜站禃r(shí)序曲線

從圖3可以看出，去除年周期干擾影響之后，德令哈鉆孔應(yīng)變總體比較平穩(wěn)，但在年尺度內(nèi)仍然存在相對比較顯著的張壓性變化，且該變化不具有穩(wěn)定的周期性。因此，需進(jìn)一步考慮臺(tái)站周邊長期存在的環(huán)境干擾因素，如黑石山水庫和西海公園人工湖等。

3.2 水庫及人工湖蓄放水的加卸載作用

黑石山水庫每年4月汛期開始蓄放水，蓄水量變化較為顯著，11月初水庫庫容量最低且蓄水量較為穩(wěn)定。人工湖具體蓄放水時(shí)間不確定，根據(jù)現(xiàn)場異常核實(shí)調(diào)查，每年4月中旬左右蓄水，7月左右水量達(dá)到最大值，9月初水量開始減少。選取2015年德令哈臺(tái)鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)變化幅度較大的3個(gè)時(shí)段，計(jì)算水庫和人工湖蓄放水的載荷效應(yīng)，得到理論最大干擾值，并利用德令哈臺(tái)鉆孔應(yīng)變經(jīng)傅里葉滑動(dòng)去掉年周期干擾之后觀測數(shù)據(jù)計(jì)算出該時(shí)段的最大主應(yīng)變，詳細(xì)參數(shù)與計(jì)算結(jié)果分別見表5、6。

表5 載荷模型計(jì)算參數(shù)

通過表6可見，3個(gè)時(shí)段中，模型計(jì)算值均為實(shí)測計(jì)算值的3倍左右，說明德令哈鉆孔應(yīng)變在觀測中確實(shí)受到周邊環(huán)境水體蓄放水的影響，且在5～9月受人工湖蓄放水和水庫蓄放水2個(gè)方面的載荷影響，9～12月主要受水庫蓄放水的影響。

表6 載荷模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測計(jì)算結(jié)果

3.3 德令哈臺(tái)及周邊水體地球化學(xué)特征分析

3.3.1 水體常量元素分析

由測試結(jié)果可以看出，雖然德令哈井、黑石山水庫和海西公園人工湖水樣礦化度有所區(qū)別，但2個(gè)時(shí)段的3組水樣在水-巖平衡圖(圖4)中均位于“未成熟水”區(qū)域，并集中分布在Mg端元附近，表明這些水體與周圍環(huán)境的水-巖反應(yīng)程度均較弱，循環(huán)深度較淺[20]。由此推斷，德令哈臺(tái)井水的補(bǔ)給來源主要為大氣降水和淺層的地下水，較少有深部來源的物質(zhì)。

圖4 德令哈井及周邊水樣水-巖平衡圖

圖5 不同水體的常量元素濃度特征對比

3.3.2 水體鐳同位素分析

鐳是一種天然放射性的同位素，自然水體中的鐳同位素(223Ra、224Ra、226Ra和228Ra)來源于不溶于水卻在沉積物和巖石中廣泛分布的釷的衰變。其中，223Ra和224Ra的半衰期分別為11.4 d和3.66 d，分別為研究10～50 d和1～10 d時(shí)間尺度的水體混合與循環(huán)的理想示蹤劑。地下水中的鐳同位素活度普遍較高，一般比地表水(河水、湖水、海水等)的活度高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[21-23]。

通過表4可以看出，井水中223Ra活度最高，為0.022 dpm/L，水庫次之，人工湖最低；而224Ra活度井水為1.7 dpm/L，水庫和人工湖的224Ra活度均低于檢測線。根據(jù)文獻(xiàn)[24]，河水平均Ra活度較低，大氣降水Ra活度低于檢測線，而水庫水源主要為河流和大氣降水，因此水庫223Ra活度低于河水平均Ra活度，而224Ra半衰期更短，自身Ra的衰變影響更大，導(dǎo)致224Ra活度低于檢測線；由于人工湖水源主要為水庫引水，水體沒有流動(dòng)性，無法及時(shí)更新，Ra活度衰變較為徹底，因此人工湖223Ra 和224Ra均低于檢測線。

采集德令哈水溫觀測井井水樣品時(shí)發(fā)現(xiàn)，水樣中有明顯腐爛氣味，一般認(rèn)為這種水樣流動(dòng)性差，Ra活度衰變會(huì)較為徹底，但其Ra活度與地下水平均活度相當(dāng)，且224Ra活度還高于地下水平均224Ra活度，因此認(rèn)為有其他高Ra活度的地下水體混入，從而導(dǎo)致井水Ra活度增大。

4 結(jié) 語

通過氣象因素相關(guān)性、載荷效應(yīng)和不同端元水體的地球化學(xué)特征分析對德令哈臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測資料的干擾來源和干擾機(jī)制進(jìn)行深入研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，德令哈臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測受多種干擾因素影響，在長時(shí)間尺度上存在穩(wěn)定、顯著的年周期性氣溫、氣壓干擾和不穩(wěn)定、細(xì)微的地下水滲漏擾動(dòng)；在短時(shí)間尺度內(nèi)受人工湖和水庫蓄放水的載荷干擾，時(shí)間為每年的4～11月。

隨著人類活動(dòng)的日益加劇，觀測環(huán)境受干擾影響的程度日趨嚴(yán)重，且干擾因素互相疊加出現(xiàn)，互相影響，給觀測資料的分析和異常核實(shí)工作造成很大的困難。在觀測資料的異常核實(shí)和異常提取過程中可應(yīng)用多種方法多方面探尋可能存在的干擾源和干擾機(jī)制，避免單一分析方法給研究結(jié)果帶來的不確定性和偏差。

致謝：感謝中國科學(xué)院青海鹽湖研究所孔凡翠博士在地球化學(xué)分析方面提供的幫助！