易縣地震臺(tái)分量鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

龔燕民 張 娜

（中國(guó)河北 070000 河北省地震局保定中心臺(tái)）

0 引言

四分量鉆孔應(yīng)變儀是中國(guó)發(fā)明的高精度鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)儀器（邱澤華等，2015），提供地下真實(shí)的應(yīng)變變化信息。該儀器長(zhǎng)期連續(xù)工作，少有故障出現(xiàn)，可提供地下介質(zhì)長(zhǎng)周期變化信息，也能記錄快速應(yīng)變變化（池順良等，2019）。其具有1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)4 個(gè)元件，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，常把讀數(shù)變化按單號(hào)和雙號(hào)分為2 組，組內(nèi)二者變化量相加，得到2組面應(yīng)變；組內(nèi)二者變化量相減，得到2 組剪應(yīng)變（池順良，2019）。諸多學(xué)者對(duì)分量鉆孔應(yīng)變儀記錄的應(yīng)變變化進(jìn)行了分析與研究，其中：邱澤華等（2009）利用高通濾波，得出姑咱地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀觀(guān)測(cè)的脈沖異常變化與汶川地震有明顯的相關(guān)性；池順良等（2013）分析發(fā)現(xiàn)，姑咱地震臺(tái)（距蘆山地震震中70 km）YRY 四分量鉆孔應(yīng)變儀于2013 年4 月16 日—19 日記錄到8 次幅度達(dá)10 倍固體潮幅的張性應(yīng)變階躍，與蘆山地震在時(shí)間、空間上具有相關(guān)性；張嘉敏等（2020）利用潮汐因子內(nèi)精度、相對(duì)標(biāo)定自檢內(nèi)精度、面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)等指標(biāo)，綜合對(duì)比分析了天山中段8 個(gè)地震臺(tái)站分量式鉆孔應(yīng)變儀觀(guān)測(cè)資料質(zhì)量；侯躍偉等（2020）采用Venedikov 調(diào)和及相對(duì)標(biāo)定等方法，對(duì)江寧地震臺(tái)YRY-4 型四分量鉆孔應(yīng)變儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，基于年變幅度、連續(xù)率及穩(wěn)定性等的檢驗(yàn)，得出該臺(tái)鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)具有可靠性；杜品仁（1991）利用微氣壓計(jì)記錄，采用頻譜和調(diào)和2 種分析方法得出大氣潮譜的詳細(xì)結(jié)構(gòu)；李杰等（2013）對(duì)山東省鉆孔體應(yīng)變儀數(shù)字化觀(guān)測(cè)資料的干擾及突跳異常進(jìn)行了分析、討論；盧雙苓等（2016）對(duì)泰安地震臺(tái)不同類(lèi)型鉆孔應(yīng)變儀的產(chǎn)出資料進(jìn)行研究，分析分量應(yīng)變儀自檢可靠性及其與體應(yīng)變資料的相關(guān)性，以及在抽水干擾情況下的相關(guān)性。

針對(duì)四分量鉆孔應(yīng)變儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的研究，一般利用直觀(guān)固體潮形態(tài)進(jìn)行分析，部分文獻(xiàn)雖涉及面應(yīng)變，但對(duì)面應(yīng)變及剪應(yīng)變的綜合研究較少。鑒于此，文中基于四分量鉆孔應(yīng)變儀4 個(gè)元件的自洽方程，對(duì)易縣地震臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)易縣臺(tái)）鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)地震前的面應(yīng)變、剪應(yīng)變異常變化進(jìn)行反演，同時(shí)，利用剪應(yīng)變的變化，對(duì)造成觀(guān)測(cè)井環(huán)境影響的干擾源方位及地點(diǎn)進(jìn)行反演。

1 臺(tái)站及儀器概況

易縣臺(tái)始建于20 世紀(jì)70 年代，建筑面積550 m2，臺(tái)基巖性為花崗基底巖與震旦系沉積巖，觀(guān)測(cè)山洞巖石構(gòu)造不均勻。臺(tái)站位于太行山隆起帶與華北平原拗陷區(qū)分界部位，太行山北段低山丘陵地區(qū)，周邊50 km 范圍內(nèi)分布著淶源盆地南緣斷裂、徐水南斷裂、沿河城—紫荊關(guān)斷裂徐水?dāng)嗔选⒈６ā仪f斷裂、東壘子—淶水?dāng)嗔训? 條斷裂，無(wú)全新世活動(dòng)斷裂（距今10 萬(wàn)年），其中沿河城—紫荊關(guān)斷裂距易縣臺(tái)最近，直線(xiàn)距離12.789 km。根據(jù)破壞性地震資料記載和區(qū)域性地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)記錄，在易縣臺(tái)20 km 范圍內(nèi)發(fā)生歷史強(qiáng)震1 次，為1138 年河北易縣51/2級(jí)地震，與臺(tái)站直線(xiàn)距離約12.56 km。易縣臺(tái)周邊斷裂構(gòu)造分布見(jiàn)圖1。

圖1 易縣臺(tái)周邊斷裂構(gòu)造分布Fig.1 Distribution of fracture structures around Yixian Seismic Station

2009 年8 月，易縣臺(tái)安裝YRY-4 型四分量鉆孔應(yīng)變儀，1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)元件依次按照磁北順時(shí)針50°、95°、140°、185°布設(shè)，即1 號(hào)元件呈N50°E，2 號(hào)元件近N95°E，3 號(hào)元件N140°E，4 號(hào)元件N5°E（圖2），即四分量分別呈NS、EW、NE、NW 側(cè)向。鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)井井孔距觀(guān)測(cè)室1.5 m，井深38 m，花崗巖，巖芯完整，水位距井口約5 m。2011 年12 月，鉆孔應(yīng)變儀正式運(yùn)行，應(yīng)變數(shù)據(jù)正常接入數(shù)據(jù)庫(kù)，觀(guān)測(cè)資料連續(xù)率基本達(dá)100%，產(chǎn)出數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，達(dá)到國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求。

圖2 分量鉆孔應(yīng)變儀元件布設(shè)Fig.2 The layout of components of the component borehole strainmeter

2 數(shù)據(jù)可靠性分析

2.1 調(diào)和分析

選取易縣臺(tái)2011 年12 月—2020 年7 月鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用Venedikov 調(diào)和分析方法，對(duì)鉆孔應(yīng)變儀記錄的面應(yīng)變固體潮整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析，計(jì)算4 個(gè)分量的潮汐因子（圖3），分析各分量數(shù)據(jù)潮汐因子變化，檢驗(yàn)鉆孔應(yīng)變儀運(yùn)行情況及觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。由圖3 可見(jiàn)：①自易縣臺(tái)四分量鉆孔應(yīng)變儀數(shù)據(jù)正式入庫(kù)以來(lái)，NS 分量數(shù)據(jù)潮汐因子均值在0.019 8 以上，EW 分量數(shù)據(jù)潮汐因子均值在0.358 7 以上，NE分量數(shù)據(jù)潮汐因子均值在0.031 9 以上，NW 分量數(shù)據(jù)潮汐因子均值在0.049 5 以上；②NS、NE、NW 分量觀(guān)測(cè)精度相對(duì)較高，EW 分量精度較低，主要是因?yàn)樵摲至渴墉h(huán)境影響（抽水干擾）較大，但觀(guān)測(cè)精度仍在正常范圍內(nèi)，未出現(xiàn)異常。

圖3 鉆孔應(yīng)變儀四分量潮汐因子變化Fig.3 Four-component tidal factor variations of the borehole strainmeter observations

綜合分析認(rèn)為，易縣臺(tái)四分量鉆孔應(yīng)變儀運(yùn)行正常，觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)清晰、可靠。

2.2 自洽檢驗(yàn)

蘇愷之等（1997）提出，YRY-4 型分量鉆孔應(yīng)變儀四元件應(yīng)變觀(guān)測(cè)接近自洽的程度，決定著觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠程度。四元件方位是等間隔的，相鄰元件夾角為45°，即

滿(mǎn)足以下自洽關(guān)系

選取2015—2020 年易縣臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀產(chǎn)出的原始數(shù)據(jù)，計(jì)算面應(yīng)變（S1+S3）與（S2+S4），可見(jiàn)2 組面應(yīng)變觀(guān)測(cè)值變化形態(tài)基本一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.988 2（圖4），說(shuō)明該臺(tái)應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性較高。

圖4 易縣臺(tái)鉆孔應(yīng)變2015—2020 年自洽分析Fig.4 Self-consistent test analysis of borehole strainmeter at Yixian Seismic Station from 2015 to 2020

3 數(shù)據(jù)異常分析

選取易縣臺(tái)2018—2019 年四分量鉆孔應(yīng)變儀原始數(shù)據(jù)S1、S2、S3、S4，計(jì)算得到2 組面應(yīng)變（S1+S3）、（S2+S4）及2組剪應(yīng)變（S1-S3）、（S2-S4），利用2 組面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)，分析3 次ML≥4.0 地震前數(shù)據(jù)異常變化，并利用2 組剪應(yīng)變大小，計(jì)算異常主應(yīng)力方位角，進(jìn)而判斷干擾源方位。

3.1 地震異常分析

針對(duì)河北地區(qū)2018 年2 月12 日永清ML4.8 地震、2019 年12 月3 日懷安ML4.0 地震、12 月5 日豐南ML4.9 地震3 次地震，對(duì)易縣臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)映震異常進(jìn)行分析。

（1）2018 年2 月12 日永清ML4.8 地震。據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2018 年2 月12 日18 時(shí)31 分在河北廊坊市永清縣發(fā)生ML4.8 地震，震中位于易縣臺(tái)分量應(yīng)變觀(guān)測(cè)室正東86 km 處。選取2018 年2 月1 日—21 日易縣臺(tái)鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)，分析2 組面應(yīng)變及2 組剪應(yīng)變數(shù)據(jù)變化，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5 清晰可見(jiàn)，此次永清地震前，剪應(yīng)變變化幅度遠(yuǎn)大于面應(yīng)變；地震前幾天，面應(yīng)變、剪應(yīng)變出現(xiàn)震兆異常，特別是2 月2 日、4 日、8 日的剪應(yīng)變異常變化幅度較大，且因震中位于觀(guān)測(cè)室正東，故（S2-S4）異常幅度明顯比（S1-S3）大。

（2）2019 年12 月3 日懷安ML4.0 地震、12 月5 日豐南ML4.9 地震。據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2019 年12 月3 日11 時(shí)34 分，河北張家口市懷安縣發(fā)生ML4.0 地震，震源深度13 km，震中位于易縣臺(tái)分量應(yīng)變觀(guān)測(cè)室西北358 km 處；12 月5 日8 時(shí)2 分在河北唐山市豐南發(fā)生ML4.9 地震，震中位于分量應(yīng)變觀(guān)測(cè)室東偏南305 km 處。選取2019 年11 月25日—12 月15 日易縣臺(tái)鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)，分析2 組面應(yīng)變及2 組剪應(yīng)變數(shù)據(jù)變化，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6 清晰可見(jiàn)：①懷安地震、豐南地震前，剪應(yīng)變變化幅度遠(yuǎn)大于面應(yīng)變，特別是豐南地震前，剪應(yīng)變變化幅度約為面應(yīng)變的3 倍；②地震前幾天，面應(yīng)變、剪應(yīng)變均出現(xiàn)震兆異常，其中懷安地震剪應(yīng)變異常變化幅度于11 月28 日最大，達(dá)22.38×10-8；豐南地震剪應(yīng)變異常變化幅度于12 月4 日最大，達(dá)44.15×10-8。豐南地震剪應(yīng)變變化幅度較大，應(yīng)與地震前釋放應(yīng)力大小有關(guān)；③懷安地震震中位于觀(guān)測(cè)室西北，理論上（S1-S3）與（S2-S4）異常變化幅度應(yīng)一致，但實(shí)際上（S2-S4）曲線(xiàn)異常起伏變化幅度略大，這是因?yàn)?，基本同期發(fā)生的豐南地震，震中位于觀(guān)測(cè)室東偏南，而2 次地震發(fā)生時(shí)間較近，震兆異常疊加，導(dǎo)致（S2-S4）曲線(xiàn)異常起伏變化幅度明顯大于（S1-S3）。

圖6 懷安ML 4.0、豐南ML 4.9 地震前易縣臺(tái)鉆孔應(yīng)變異常（a）分量應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)面應(yīng)變曲線(xiàn)；（b）分量應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)剪應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.6 The anomaly of the borehole strainmeter observations at Yixian Seismic Station before the Huai’an ML 4.0 and Fengnan ML 4.9 earthquakes

通過(guò)對(duì)3 次ML≥4.0 地震鉆孔應(yīng)變異常分析，得出以下結(jié)果：①剪應(yīng)變異常變化幅度約為面應(yīng)變的3 倍；②剪應(yīng)變的測(cè)量數(shù)值與元件測(cè)向方位和主應(yīng)變方位之間的夾角密切相關(guān)。當(dāng)夾角較小時(shí)，所得剪應(yīng)變值較大（邱澤華，2017），主要與觀(guān)測(cè)儀器所受應(yīng)力方向有關(guān)。也就是，當(dāng)震中位于觀(guān)測(cè)井NS 向時(shí)，（S1-S3）偏大；當(dāng)震中位于觀(guān)測(cè)井EW 向時(shí),（S2-S4）偏大；當(dāng)震中位于觀(guān)測(cè)井SE、NW、NE 和SW 向時(shí)，（S1-S3）與（S2-S4）異常變化幅度基本一致；③對(duì)于ML≥4.0 地震，震前幾天面應(yīng)變、剪應(yīng)變均會(huì)出現(xiàn)異常變化。

3.2 環(huán)境干擾實(shí)例分析

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，易縣臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)室周?chē)嬖诘沫h(huán)境干擾源主要有采石場(chǎng)、土方荷載、抽水井等（圖7）。由歷年鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)資料可知，易縣臺(tái)伸縮儀受采石場(chǎng)和挖土活動(dòng)干擾較大，鉆孔應(yīng)變儀主要受抽水干擾。排查發(fā)現(xiàn)，觀(guān)測(cè)室周邊有3 口固定抽水井，其中：1#抽水井位于易縣臺(tái)以西0.5 km 處，2012 年1 月起每日6:30 抽水，時(shí)長(zhǎng)約3.5 h，抽水量約80 m3；2#井位于臺(tái)站院內(nèi)，屬生活用井，現(xiàn)基本停用；3#井位于臺(tái)站西北方向6 km 處，為五道河村、西陵村及鳳凰臺(tái)村生活用水井。

圖7 易縣臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)室周?chē)h(huán)境干擾源Fig.7 Environmental interference diagram of borehole strainmeter observation room at Yixian Seismic Station

3.2.1 應(yīng)變觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)變化及環(huán)境干擾判定。自2019 年10 月29 日起，易縣臺(tái)分量鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)持續(xù)15 天出現(xiàn)畸變，四分量均出現(xiàn)不同程度的變化，尤其是NE 分量（N140°E），曲線(xiàn)畸變明顯，出現(xiàn)多次壓縮—拉張鋸齒狀變化，見(jiàn)圖8，可見(jiàn)曲線(xiàn)呈快速壓縮、快速拉張、上彎型及下彎型變化，間有高頻突跳變化。根據(jù)該曲線(xiàn)變化特征，初步判定應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)受抽水干擾。

圖8 易縣臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀NE 分量異常抽水干擾曲線(xiàn)Fig.8 Interference curve of pumping of the NE component of borehole strainmeter observation at Yixian Seismic Station

經(jīng)宏觀(guān)調(diào)查，認(rèn)為易縣臺(tái)分量鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)固體潮畸變與臺(tái)站周邊抽水井抽水有關(guān)，干擾源應(yīng)位于觀(guān)測(cè)室西北或東南方向。結(jié)合圖7 所示觀(guān)測(cè)室周邊干擾源分布，判定3#抽水井應(yīng)為干擾源。因環(huán)境干擾因素較多，為進(jìn)一步確定干擾源方位，可根據(jù)邱澤華（2017）提出的主應(yīng)力方向估計(jì)理論，求解主應(yīng)力方向。

3.2.2 干擾源方位確定。據(jù)式（1）推解剪應(yīng)變S13、S24及主應(yīng)變Sa，有

繼而推算鉆孔應(yīng)變異常方向應(yīng)力方位φ，有

式中，θ1為元件1 的方位角，在易縣臺(tái)，θ1=50°（圖2）。

利用式（3），計(jì)算得到易縣臺(tái)2019 年10月29 日后鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)剪應(yīng)變變化幅度：S13=5.414×10-8，S24=3.264×10-8，代入式（4），得到φ=80.96°。據(jù)邱澤華（2017）提出的主應(yīng)力方向估計(jì)理論可知，當(dāng)S13＜0、S24＜0 時(shí)，主應(yīng)力朝向西北，從而推算可得，干擾源在觀(guān)測(cè)室NW80.96°方位。據(jù)調(diào)查，鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)室西北主要分布自來(lái)水公司所屬抽水井和蓄水池，方位NW46.5°，與理論值偏差34.46°（圖9）。方位偏差產(chǎn)生的主要原因是，用于計(jì)算的異常數(shù)據(jù)時(shí)間是一個(gè)時(shí)序，而非異常出現(xiàn)的具體時(shí)段，且受地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響，地下應(yīng)力實(shí)際傳播過(guò)程復(fù)雜，并非完全遵循線(xiàn)性傳播關(guān)系。

圖9 易縣臺(tái)鉆孔應(yīng)變NW 分量異常主應(yīng)力方向示意Fig.9 Diagram of principal stress direction of the NW component of borehole strainmeter at Yixian Seismic Station

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)易縣臺(tái)四分量鉆孔應(yīng)變儀觀(guān)測(cè)記錄面應(yīng)變、剪應(yīng)變的分析，可以得出以下結(jié)論：①對(duì)于該臺(tái)鉆孔應(yīng)變震前觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，面應(yīng)變、剪應(yīng)變同時(shí)出現(xiàn)異常變化；②相對(duì)面應(yīng)變而言，剪應(yīng)變異常變化幅度較大，且幅度大小與震中相對(duì)觀(guān)測(cè)井的位置有關(guān)；③利用固體潮畸變時(shí)段剪應(yīng)變主方向，推算可得干擾源在鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)室NW80.96°方位，應(yīng)為自來(lái)水公司所屬抽水井和蓄水池。

文中未考慮地下介質(zhì)的不均勻性，所得易縣臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)干擾源方位與實(shí)際位置存在一定偏差，且抽水干擾所致應(yīng)力大小的變化不能確認(rèn)，只有探究該臺(tái)鉆井及抽水井周邊區(qū)域的水文地質(zhì)環(huán)境，了解地下水的補(bǔ)給情況，繪制地下水流向圖，才能準(zhǔn)確判定造成鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)固體潮曲線(xiàn)畸變的抽水井的距離和深度。

本文撰寫(xiě)得到山東省泰安基準(zhǔn)臺(tái)盧雙苓高級(jí)工程師的支持和幫助，在此表示感謝。