2017年6月20日肅南地震臺洞體應(yīng)變NS分量轉(zhuǎn)折變化分析

孫點峰 秦滿忠 王亞紅 魏東星 王志棟 姚賽賽 席立峰

（中國蘭州 730000 甘肅省地震局）

0 引言

定點形變觀測作為地球物理觀測手段之一，具有明確的物理意義，在日常數(shù)據(jù)跟蹤、地震危險性判定及地震預(yù)報中發(fā)揮著重要作用。SS-Y 型洞體應(yīng)變儀（簡稱SS-Y 儀）是一種測量地殼巖體兩點間水平距離相對連續(xù)變化的精密儀器，可為地震孕育過程研究提供重要數(shù)據(jù)，同時可清晰記錄到固體潮變化。引起固體潮畸變的典型干擾因素有氣象因素、環(huán)境荷載變化以及人為干擾（薄萬舉等，2007）等。氣象因素包括氣溫、氣壓、降雨量等，環(huán)境荷載變化因素有水庫的沖沙與蓄水、土石開挖等，人為干擾主要有人員進(jìn)出觀測山洞、儀器標(biāo)定和維修等。

數(shù)據(jù)跟蹤分析在地震危險性判定及地震預(yù)報中發(fā)揮著重要作用，在跟蹤分析肅南地震臺2013—2017 年洞體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，2017 年6 月20 日起，肅南地震臺（下文簡稱肅南臺）洞體應(yīng)變NS 分量數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化，23 日到30 日轉(zhuǎn)折速率有所降低，之后數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)正常變化趨勢。通過對區(qū)域地震活動性、自然條件、測區(qū)環(huán)境變化、同測點其他測項數(shù)據(jù)變化等進(jìn)行分析，判斷該變化的可能原因，為形變監(jiān)測和干擾識別與排除提供參考。

1 臺站概況

肅南臺位于甘肅省肅南裕固族自治縣，海拔2300 m。臺站地處嘉峪關(guān)斷裂東段，周邊主要斷裂有嘉峪關(guān)斷裂、榆木山斷裂、昌馬—俄博斷裂，地質(zhì)構(gòu)造分布見圖1。肅南臺水管傾斜儀和洞體應(yīng)變儀架設(shè)在觀測山洞內(nèi)，山洞走向NWW，進(jìn)深170 m，覆蓋層厚達(dá)40 m，洞室年溫差0.2 ℃（雷登學(xué)等，2012）。臺站觀測條件優(yōu)良，觀測數(shù)據(jù)潮汐因子穩(wěn)定，內(nèi)精度高，能清晰記錄固體潮變化及同震效應(yīng)，多次在全國資料評比中取得名次。

圖1 肅南地震臺周邊地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geological structure map of Sunan Seismic Station

肅南臺所在的祁連山地震帶，地震活動自1927 年開始進(jìn)入強(qiáng)震活躍期，到1996 年底已發(fā)生5.7 級以上地震19 次，其中8 級特大地震1 次，7.0—7.5 級地震2 次（朱子政等，1997）。2000 年以來祁連山地震帶發(fā)生12 次5 級以上地震，包括2 次6 級以上地震，分別是2003 年10 月25 日甘肅山丹MS6.1 和2016 年1 月21 日青海門源MS6.4 地震。

2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)折變化

2017 年6 月，肅南臺洞體應(yīng)變NS 分量出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升變化，為判定該變化性質(zhì)，選取2013—2017 年同期（6 月1 日—6 月29 日）觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤對比分析，結(jié)果見圖2。

圖2 2013—2017 年肅南臺洞體應(yīng)變NS 分量觀測曲線對比Fig.2 Comparison of North-South component of cave strain observations at Sunan station from 2013 to 2017

由圖2 可見，與2013—2016 年同期數(shù)據(jù)曲線相比，2017 年洞體應(yīng)變NS 分量觀測曲線在6 月20 日開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，表現(xiàn)為拉伸狀態(tài)，此后變化出現(xiàn)3 個階段：①21 日—22 日，曲線轉(zhuǎn)折上升；②23 日—24 日，數(shù)據(jù)變化逐漸平緩；③25 日起，再次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升變化，但速率有所降低，之后逐漸恢復(fù)正常變化趨勢。

由具體數(shù)值可知，2017 年該臺洞體應(yīng)變NS 分量具有以下變化：20 日—23 日，日變幅為887.6×10-8；23 日—30 日，數(shù)據(jù)上升速率有所下降，日變幅為695.5×10-8。而2013—2016年同期日變幅分別為107.7×10-8、101.5×10-8、124.3×10-8、158.9×10-8?？梢?，2017 年數(shù)據(jù)日變幅較前4 年明顯增大。

3 數(shù)據(jù)變化分析

地殼形變、構(gòu)造活動和干擾因素等均對形變觀測產(chǎn)生影響。而地殼形變、構(gòu)造活動產(chǎn)生的地球物理異常一般與多種干擾共存。干擾因素包括儀器、環(huán)境和人為干擾等，其中儀器干擾有電源影響、儀器漂移等，環(huán)境干擾有降水、氣壓變化、施工爆破等，人為干擾有儀器標(biāo)定、維修及其他人類活動等。從區(qū)域地震活動性、氣象因素、臺站觀測環(huán)境等方面，分析2017 年6 月肅南臺洞體應(yīng)變NS 分量數(shù)據(jù)變化，以正確識別地球物理異常和環(huán)境干擾，為地震短臨預(yù)報服務(wù)。

3.1 區(qū)域地震活動性

收集整理祁連山地震帶（36°—41°N，96°—103°E）區(qū)域內(nèi)2012—2018年發(fā)生的地震，進(jìn)行震級統(tǒng)計（圖3），發(fā)現(xiàn)肅南臺周邊近期未發(fā)生5 級以上地震，表明該區(qū)近幾年地震活動性不高，且肅南臺周邊2017 年地震活動較少。最近發(fā)生的幾次地震分別是2015 年11月23 日祁連MS5.3、2016 年1 月21 日門源MS6.4 及2017 年5 月20 日民樂ML3.0 地震，均未對肅南臺洞體應(yīng)變產(chǎn)生影響。由此判定，2017 年6 月該臺洞體應(yīng)變NS 分量數(shù)據(jù)變化非地震異常。

圖3 2012—2018 年地震活動性Fig.3 The seismic activity from 2012 to 2018

3.2 氣象因素

對于一個應(yīng)力狀態(tài)尚未達(dá)到破壞或滑動水平的巖體（斷層）而言，水的進(jìn)入會使其更接近破壞或滑動狀態(tài)。水與巖土介質(zhì)之間發(fā)生物理和化學(xué)的復(fù)合作用，其規(guī)律包括膨脹性、沖蝕效應(yīng)、長期滲壓水作用的演變趨勢和穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性（黃建國等，2002）。

一般，降雨對地形變觀測的主要影響是改變地表載荷，并會即時體現(xiàn)在觀測數(shù)據(jù)曲線上?？紤]到降雨對洞體應(yīng)變觀測的影響，對比分析2017年6月1日—26日肅南臺降雨量（因肅南臺雨量器損壞，降雨量數(shù)據(jù)來自肅南氣象站記錄，詳見表1）變化與洞體應(yīng)變NS 分量曲線之間的相關(guān)性，并將溫度、氣壓作為參考，計算得出洞體應(yīng)變NS 分量與溫度、氣壓、降雨量的相關(guān)系數(shù)分別為0.384、0.225、-0.208，對比觀測曲線見圖4，可見氣象因素對NS 分量無直接影響，但不排除間接影響。

表1 肅南2017 年6 月降雨量Table1 Sunan rainfall in June 2017

圖4 2017 年6 月1 日—26 日肅南臺洞體應(yīng)變NS 分量、溫度、氣壓、降雨量日均值變化曲線Fig.4 Variation curves of north-south component cave strain,temperature,air pressure,and daily mean rainfall at Sunan Seismic Station from June 1 to 26,2017

降雨對地殼形變的影響可以分為3 個過程：①降雨的荷載作用；②降雨下滲斷層面改變其間作用力，表現(xiàn)為空隙壓力增大，斷層面剪切強(qiáng)度減小或者斷層面間的摩擦力減小。還有學(xué)者認(rèn)為，水對巖石的物理、化學(xué)作用改變了斷層面間的作用力；③降雨引起地下含水層上升而導(dǎo)致應(yīng)力調(diào)整，進(jìn)而引起地殼形變（趙小茂等，2009）。據(jù)此判斷，此次肅南臺洞體應(yīng)變NS 分量出現(xiàn)轉(zhuǎn)折可能與降雨存在間接關(guān)系。結(jié)合2013—2019 年肅南降雨數(shù)據(jù)，分析該臺洞體應(yīng)變NS 分量與降雨量的相關(guān)性，見圖5，可見二者在較長時間尺度上的相關(guān)系數(shù)為-0.004 2，相關(guān)性較小，進(jìn)一步表明降雨對洞體應(yīng)變觀測的直接影響較小。

圖5 2013—2019 年肅南地震臺洞體應(yīng)變NS 分量和降雨量日均值變化曲線Fig.5 Variation curves of north-south component of cave strain observation and daily mean rainfall at Sunan Seismic Station from 2013 to 2019

3.3 觀測系統(tǒng)排查

對肅南臺供電系統(tǒng)、洞體應(yīng)變觀測系統(tǒng)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)儀器工作狀態(tài)正常，觀測數(shù)據(jù)曲線日變明顯（圖6），表明該臺洞體應(yīng)變儀未發(fā)生故障，觀測記錄數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。

圖6 2017 年6 月20 日—22 日洞體應(yīng)變?nèi)兆兦€Fig.6 Daily cave strain curve from June 20 to 22,2017

3.4 臺站觀測環(huán)境分析

（1）雨水滲漏點排查。對肅南臺洞體應(yīng)變觀測山洞進(jìn)行實地查看，發(fā)現(xiàn)山洞一側(cè)有直徑約2 m、進(jìn)深約10 m 的涵洞，朝向觀測山洞，涵洞上方雨水沖刷痕跡明顯，涵洞內(nèi)砂巖潮濕，有雨水流入痕跡，山洞內(nèi)部因雨水大量滲漏而積水（圖7），此滲漏點與洞體應(yīng)變NS分量距離約1 m，與EW 分量距離約10 m（間距遠(yuǎn)，積水未對該分量產(chǎn)生影響）。對該滲漏點采取封堵措施，由圖5 可知，此后肅南臺NS 分量未再出現(xiàn)此轉(zhuǎn)折變化。

（2）施工場地排查。對測區(qū)外部環(huán)境開展調(diào)研工作，發(fā)現(xiàn)2017 年3 月中旬，位于肅南臺西南方向約300 m 處的肅南縣紅灣寺小學(xué)教學(xué)樓建設(shè)施工，場地見圖7(d)所示。對比觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該項目施工以來，肅南臺洞體應(yīng)變NS分量在對應(yīng)時段未發(fā)生變化，結(jié)果見圖8。據(jù)熊先保等（2000）、李祖寧等（2007）、鄭海剛等（2017）、閆偉等（2015）關(guān)于載荷對形變監(jiān)測影響的研究，與觀測點測項在震前出現(xiàn)的異常量相比，載荷變化可忽略不計。因此，紅灣寺小學(xué)施工不足以引起肅南臺洞體應(yīng)變NS 分量2017 年6 月20 日的數(shù)據(jù)變化。

圖7 測區(qū)周圍考察照片（a）山洞走向示意；（b）山洞外側(cè)涵洞；（c）山洞內(nèi)壁滲水；（d）測點前紅灣寺小學(xué)現(xiàn)場施工Fig.7 Investigation photos around the survey area

圖8 2017 年3 月1 日—4 月30 日洞體應(yīng)變觀測曲線Fig.8 The curve of cave body strain from March 1 to April 30,2017

3.5 其他測項數(shù)據(jù)分析

地球物理異常不可能僅出現(xiàn)在某一測點某一測項。運用附近區(qū)域內(nèi)多點觀測資料，可以有效識別地球物理異常和環(huán)境干擾。地球物理場區(qū)域形變測量資料所反映的震前異常往往是大面積的（路珍等，2016）。將變化分量與同槽觀測的水管傾斜NS 分量進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)水管傾斜觀測數(shù)據(jù)未發(fā)生異常變化，見圖9。同時，與高臺臺重力、鉆孔傾斜、鉆孔應(yīng)變和嘉峪關(guān)臺洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行同期對比，發(fā)現(xiàn)周邊觀測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)相同變化，見圖10。

圖9 同槽不同測項觀測數(shù)據(jù)對比Fig.9 Comparison of observation data of different measurement items in the same trough

圖10 區(qū)域內(nèi)其他形變測項觀測數(shù)據(jù)對比Fig.10 Comparison with other deformation observation data

4 結(jié)論

定點形變觀測是地球物理場觀測的重要手段，正確識別地震異常和干擾對于監(jiān)測預(yù)報具有重要意義。地震地球物理異常與干擾往往難以區(qū)分，需要從多角度出發(fā)全面分析。對于在跟蹤分析工作中發(fā)現(xiàn)的2017 年6 月甘肅肅南臺洞體應(yīng)變NS 分量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)折變化，通過分析區(qū)域地震活動性、氣象資料及調(diào)查觀測環(huán)境、對比不同測項數(shù)據(jù)等，排除施工影響和震后恢復(fù)的可能性。結(jié)合2013—2019 年當(dāng)?shù)亟涤陻?shù)據(jù)，與肅南臺洞體應(yīng)變NS 分量進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)一般降雨對其直接影響較小，只有因大量降雨而導(dǎo)致觀測山洞嚴(yán)重滲水，引起測區(qū)巖土力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，才會出現(xiàn)相關(guān)變化。對滲漏點采取封堵措施，而且2018—2019 年肅南未出現(xiàn)大量降雨，此后洞體應(yīng)變NS 分量曲線未出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化，表明滲漏點封堵措施有效降低了降雨對肅南臺洞體應(yīng)變NS 分量觀測的影響，減少了可能引起數(shù)據(jù)變化的干擾原因，從而為地震監(jiān)測預(yù)報提供更加準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。