烏魯木齊形變站2020年4月27日觀測資料異常分析研究①

趙 磊， 李桂榮， 李 杰， 劉代芹， 方 偉， 陳述江， 丁 宇， 楊 磊， 李雨峰

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

2020年4月27日烏魯木齊形變站定點跨斷層水準場地NW水準觀測曲線出現(xiàn)明顯的上升變化，上升幅度為0.51 mm；EW水準觀測曲線出現(xiàn)下降變化，下降幅度為0.41 mm，變化明顯(圖1)，但近期場地環(huán)境正常，無明顯的環(huán)境干擾。通過對比復(fù)測，兩組觀測成果相似，又收集和整理了烏魯木齊形變站氣象三要素數(shù)據(jù)資料以及場地南側(cè)的水塔山綠化灌溉的信息，以此驗證出現(xiàn)的異常與氣象三要素和山體綠化灌溉的相關(guān)性，進一步分析烏魯木齊形變站NW測線和EW測線異常變化的原因。此次異?，F(xiàn)象自2020年4月27日開始至6月30日左右數(shù)據(jù)恢復(fù)至正常變化形態(tài)，持續(xù)時間60 d左右，由于7～9月烏魯木齊市新冠疫情影響，全市封閉管理，致使近50 d無法正常觀測，數(shù)據(jù)缺失，但從目前資料情況看，已恢復(fù)正常。

圖1 烏魯木齊形變站水準場地異常測線高差變化圖(a) NW向 (b) EW向 (c) NE向Fig.1 Elevation change chart of leveling site anomaly survey line in Urumqi Deformation Station

1 烏魯木齊形變站定點跨斷層水準場地背景資料概況

1.1 觀測場地地質(zhì)構(gòu)造情況

雅瑪里克山斷裂是博格達山古生代優(yōu)地槽褶皺山系與前山中、新生代坳陷的分界斷裂。其中，從水磨溝七一棉紡廠到雅瑪里克山北麓，長9 km 的斷層北盤地帶地形較平坦，已成為市區(qū)人口密集地帶。上盤為三疊紀砂巖，下盤為侏羅紀地層，斷層走向為N60°E，傾角南傾 70°～80°，深部變緩，斷裂涉及寬度在百余米至幾百米，個別地段可達幾千米，斷裂長度達150 km，其性質(zhì)是壓型逆斷層，斷裂從烏魯木齊市中部通過[1]。1965 年 11 月 13 日烏魯木齊東北MS6.6地震就發(fā)生在該斷裂帶上，其后又曾發(fā)生過多次中小地震，該斷裂垂直形變運動速率在0.1～1.0 mm/a，水平形變運動速率為10 mm/a[2]。

1.2 觀測場地概況

烏魯木齊形變站位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)，是國家二類臺站，坐落于水磨溝區(qū)水塔山北側(cè)，距最近的公路約650 m，東邊距水磨溝河約1 km，臺站周邊300 m范圍內(nèi)多為5層及5層以下的居民樓，無大型建筑和廠礦企業(yè)[3]。

觀測場地為三角形測線NEW，整個三角形構(gòu)成一個閉合環(huán)，環(huán)線周長307.6 m，共6站，采用固定式儀器墩。其N點位于F2斷層的北盤，W點、E點位于F2斷層的南盤，3個點均埋設(shè)在基巖上(圖2)。F2為雅瑪里克山斷裂，走向北東60°左右，傾向南，傾角為60°～70°，受地形條件的限制，測線未跨過整條斷裂帶，只跨了F2分支斷裂。N點埋深1.5 m，W點、E點埋深 3 m[4]。

圖2 區(qū)域活動構(gòu)造體系與烏魯木齊形變站位置及周邊環(huán)境示意圖Fig.2 Schematic diagram of regional active tectonic system and the location and surrounding environment of the deformation station in Urumqi

1.3 觀測場地歷史資料概況

形變站定點跨斷層水準場地于1981年開始觀測，1981年至2018年12月每天上午、下午各復(fù)測1次，近十幾年來全年度無缺測，缺測率R=0，成果連續(xù)率達到了100%。觀測資料質(zhì)量為優(yōu)級。另外還常年開展降水量、氣溫、地溫和氣壓4項輔助觀測項目。輔助觀測點均設(shè)在水準觀測場地范圍內(nèi)。為臺站短水準觀測資料在地震的分析、研究中提供了真實可靠的輔佐依據(jù)，2019年1月開始，觀測周期調(diào)整為1次/周。從觀測曲線可以看出年變形態(tài)明顯，較好的顯示出雅瑪里克山斷裂的垂直形變運動特征，通過計算1988年至2020年4月NE測線和NW測線以及EW測線趨勢累計率得到NE測線趨勢累計率為-0.074，NW測線趨勢累計率為-0.076，EW測線趨勢累計率為0.005，結(jié)果很好地反映了斷層的逆斷性質(zhì)，總的變化趨勢是逐年上升(圖3)。

圖3 烏魯木齊形變站1988-01-01～2020-04-29高差時間序列曲線圖(a) NE向 (b) EW向 (c) NW向Fig.3 Time series curves of height difference in Urumqi deformation station from 1988-01-01 to 2020-04-29

從1988年至今的時間序列圖可以看出，跨越斷層的NE、NW測線變化趨勢、變化幅度相對一致，顯示出斷層的運動狀態(tài)自1994～2000年有一定的上盤抬升現(xiàn)象，2000年至今趨勢變化不大。此次NW測線0.51 mm的抬升，從整體上看，并不突出，與2019年的變化幅度基本一致[5]。結(jié)合地震活動性綜合分析，2019年4～8月，NW測線出現(xiàn)快速上升變化之間、之后，均無MS≥5.0地震發(fā)生，僅在2019年7月22日20時32分在新疆和碩縣發(fā)生MS4.6地震，震源深度8 km，震中距129 km，距離較遠，回溯性檢驗，認為該現(xiàn)象并非前兆異常，2020年NW測線再次出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。

2 異常分析

2.1 觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查與環(huán)境

2.1.1 儀器工作狀態(tài)檢查與核對

烏魯木齊形變站定點跨斷層水準測量采用的儀器是德國蔡司廠生產(chǎn)的Ni002A型自動安平光學(xué)水準儀，采用的標尺是0.5 cm刻劃、3 m線條式銦鋼水準標尺?，F(xiàn)場檢查儀器、標尺及零部件、記錄設(shè)備等，均未發(fā)現(xiàn)異常，觀測設(shè)備工作狀態(tài)正常，核查工作認為，觀測設(shè)備檢查項目齊全，各項參數(shù)正常，滿足《跨斷層測量規(guī)范》要求[6]。且進行對比觀測的天寶DiNi03型電子水準儀為本年度進行跨斷層流動水準觀測所使用的儀器，該儀器于2020年3月由中國地震局第二監(jiān)測中心進行了儀器年檢，各項性能指標合格，因儀器故障引起水準觀測值出現(xiàn)大幅度加速上升、下降變化的可能性很小，故認為該變化非觀測設(shè)備故障因素所致。又因為對比觀測結(jié)果相似，亦可以確定與人為因素無關(guān)。

2.1.2 觀測場地環(huán)境及點位穩(wěn)定性

2020年4月29日現(xiàn)場勘查表明，點位未遭受任何破壞，點位附近無施工干擾，地貌環(huán)境如常。

N點位于斷層的北盤，W點、E點位于斷層的南盤，3個點均埋設(shè)在基巖上，為鋼筋混凝土標石，標志為金屬標志，標石埋深1.5～3.0 m。N點洞深約22 cm，直徑約12 cm，W點洞深約13 cm，直徑約15 cm，E點洞深約9 cm，直徑約25 cm[7]。從洞深和直徑可以看出，W點和E點的深度較淺，可能更容易受地表溫度的影響。

針對此次W點的突出變化，認為測點本身位于圍墻約5 m處，距離水磨溝公園水塔山最近，受到水塔山綠化灌溉及周邊地下水變化的影響最大。

2.1.3 氣象因素分析

溫度、氣壓和水位等氣象因素也可能對水準觀測造成影響。2016年至2020年4月同期觀測平均結(jié)果顯示，2020年降水為4年同期內(nèi)最少，而氣溫和地溫同期內(nèi)最高(圖4)。這也是2020年4月份水塔山綠化灌溉時間提前和用水量增加的原因。

圖4 2016年1月28日至2020年4月28日烏魯木齊同期溫度(a)、氣壓(b)、降水(c)、地溫(d)時間序列圖Fig.4 Time series diagram of Urumqi during the same period from January 28, 2016 to April 28, 2020

降水量的多少可能會影響到地下水的含量，進而可能對區(qū)域的應(yīng)力載荷產(chǎn)生影響，從這個角度來看，降水量的影響不能忽視，但是從烏魯木齊形變站資料變化情況來看，并未出現(xiàn)降水量增加導(dǎo)致資料大幅下降變化的先例，且降水量的變化是否會引起這么大的變化，仍然需要繼續(xù)深入研究，但是降水量的減少使附近水塔山的綠化灌溉用水量增加，地下水位發(fā)生變化，由此引起測點受到擾動是可能的。

溫度的增高對垂直向觀測的影響確實存在，但是從圖1中并未看到往年同期因為溫度快速增高導(dǎo)致觀測資料大幅上升變化的情況，前期分析認為2017年快速上升變化是由5月更換標尺，6月更換觀測員導(dǎo)致，而2019年4月的快速上升是因為觀測墩傾斜導(dǎo)致的資料不可靠造成的，與溫度的快速上升無關(guān)。

2.2 異常變化分析與性質(zhì)判定

跨斷層水準觀測的是斷層兩側(cè)水準端點標石之間垂直方向的相對變化，因此，標石如果不穩(wěn)，或受外界干擾會導(dǎo)致水準觀測結(jié)果出現(xiàn)顯著變化[8]。但是，近場短期內(nèi)沒有明顯的爆破、大型機械施工等干擾因素，各測段的觀測精度可靠，觀測結(jié)果無人為影響因素，但變化確實存在[9]。

(1) 對比觀測

針對這一異常變化情況，采用了Ni002A型光學(xué)水準儀和天寶DiNi03型電子水準儀同時進行對比復(fù)測，光學(xué)水準儀仍然由原觀測人員進行觀測記錄，電子水準儀由另一組人員觀測記錄，兩組人員均按照往測N-E-W-N共計6站；返測N-W-E-N共計6站的觀測順序，并且兩臺儀器設(shè)站位置相同，根據(jù)計算，觀測結(jié)果符合規(guī)范精度，觀測結(jié)果相近，NE測線、EW測線、WN測線兩臺儀器觀測結(jié)果如(表1)[10]。

表1 Ni002A光學(xué)水準儀與DiNi03電子水準儀同步對比觀測結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場對比復(fù)測結(jié)果，排除了光學(xué)水準儀人工錯誤讀數(shù)的因素。

(2) 應(yīng)用形變速率累加進行異常識別

運用“形變速率累加法”對原始數(shù)據(jù)做一階差分處理，以2倍標準差作為判斷依據(jù)，得到各測線的形變速率累加值，以及速率累加曲線，再結(jié)合研究區(qū)代表性以往震例(MS≥5.0)，進行異常分析判斷。該方法可以更加直觀和明顯的展現(xiàn)出連續(xù)異?！肮铝ⅰ钡狞c積分后的形變速率累加變化效果。

V=|hi-hi-1|(1≤i≤n) .

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，h為原始觀測數(shù)據(jù)的各期觀測值；(hi-hi-1)為相隔1個周期的一階差分值，可以消除原始觀測資料的趨勢變化；n為原始觀測總期數(shù)；σ為形變速率v的標準差；T為積分對象，即V≥2σ的形變速率保留，將V<2σ的形變速率設(shè)為0，Z為最后的累加形變速率，對T求累加計算。公式(3)為異常信息的識別方法：取2倍標準差作為判斷依據(jù)，若V在2倍標準差以內(nèi)，說明此階段斷層活動無顯著變化；反之，說明原始曲線存在異常。在對殘差累積上應(yīng)選取較為“連續(xù)”的異常點進行積分，得到形變累加速率，使速率異常更加突出，更易于識別[11-12]。

通過對NW測線、EW測線和NE測線計算形變速率累加值，異常變化如圖所示(圖5)。

圖5 2019年1月至2020年4月各測線形變速率累加圖(a) NE向 (b) EW向 (c) NW向Fig.5 Accumulation diagram of variable rate in each measurement line from January 2019 to April 2020

從圖5中可以看到，通過計算各條曲線的形變速率累加值，NW測線和EW測線在4月27日均出現(xiàn)了一個較大幅度的階躍上升變化(虛線框標注的部分)，但是NE測線則沒有階躍出現(xiàn)，測線變化正常。

(3) 地震對應(yīng)情況

自2010年以來，場地周邊200 km范圍內(nèi)發(fā)生了MS≥5.0地震5次，其中MS≥6.0地震1次，最大地震是2016年12月8日的呼圖壁MS6.2地震[13](圖6)。

圖6 烏魯木齊200 km范圍內(nèi)MS≧5.0地震與測線時間序列對應(yīng)圖(2010～2020年)(a) NE向 (b) EW向 (c) NW向Fig.6 Corresponding diagram of MS≧5 earthquake and time series of the survey

由連續(xù)觀測數(shù)據(jù)資料構(gòu)成的短水準(北東向)年動態(tài)變化明顯，高值一般在每年的3～5月，低值在9～12月，形成比較清晰的一峰一谷的年變形態(tài)。距離烏魯木齊形變站200 km范圍內(nèi)發(fā)生的MS5.0～6.0地震基本都發(fā)生在水準曲線連續(xù)的加速或是尖點凹凸形突跳變化處，而此次變化呈現(xiàn)出的是非連續(xù)的單點突跳(圖6)。

通過對近10年以來的6次MS≥5.0 震例分析，從形變速率累加圖可以看出(圖7)，3次地震前，3條測線都會成組式的出現(xiàn)不同程度階躍式異常變化，而本次只有2條測線出現(xiàn)異常變化。此異常為孤立點且在很短的時間內(nèi)出現(xiàn)較大的異常幅度，這可能由各種擾動或其他原因造成，并不能夠反映斷層活動在某一時間段內(nèi)發(fā)生的相對持續(xù)的異常變化。

圖7 NE、EW、WN測線形變速率累加與地震對應(yīng)圖Fig.7 Accumulation of linear change rate measured by NE,EW,WN and the corresponding graph of the earthquake

(4) GNSS基線處理結(jié)果

為了加強烏魯木齊首府圈連續(xù)形變觀測，按照中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”)的建設(shè)標準，于2019年4月1日建設(shè)了烏魯木齊形變站連續(xù)GNSS觀測站，并于4月13日開始正式觀測。使用儀器是天寶NetR9接收機及扼流圈天線，并配備天線罩。通過對該連續(xù)GNSS觀測站的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，數(shù)據(jù)連續(xù)率100%，觀測有效率在90%以上，MP1，MP2均小于0.5 m，可用于地震監(jiān)測預(yù)報分析工作，但該站暫時未納入“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(圖2)。

2020年4月27日，烏魯木齊形變站跨斷層水準出現(xiàn)異常后，解算了距離形變站最近的3個連續(xù)GNSS基準站(紅山、南山天文臺、形變站)的數(shù)據(jù)，并計算了站點之間的基線變化情況(圖8)。

圖8 GNSS基線時間序列圖(a) 2019-04-13～2020-09-06 (b) 2020-01-01～2020-09-06Fig.8 GNSS baseline time series diagram

圖形顯示3條GNSS基線變化基本都在2倍標準差控制線內(nèi)，處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)。GNSS基線結(jié)果顯示形變站至紅山，形變站至南山天文臺1.5 a以來始終處于平穩(wěn)變化狀態(tài)，近期略有拉張變化，但變化持續(xù)時間不長，未能看到明顯的趨勢轉(zhuǎn)向變化跡象，從現(xiàn)有結(jié)果來看，斷層整體持續(xù)性運動相對穩(wěn)定，并未顯示出明顯的前兆異常[14]。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

由于NW測線和NE測線均跨越了斷層，EW測線位于斷層南側(cè)，按照斷層活動規(guī)律，如果斷層有異常活動，NW測線和NE測線應(yīng)該會同時出現(xiàn)異常變化，而EW測線應(yīng)該變化不大，因為W點和E點都處在同一個塊體上，但是從異常出現(xiàn)的測線來看，NW測線和EW測線變化幅度較大，而NE測線變化僅在正常范圍內(nèi)波動，所以初步判斷可能是W點受到了干擾，造成點位變化，需要對干擾源進行調(diào)查尋找。

通過調(diào)查水塔山綠化灌溉的情況得知，水塔山綠化用水為片區(qū)輪澆，漫灌模式，與形變站相鄰地段往年開春后第一次用水一般在5月20日左右。因今年旱情影響，2020年第一次用水為4月20日，往年澆水間隔15 d，今年間隔時間為10 d，用水量全山為2 500 m3，與形變站相關(guān)地帶大約為500～600 m3。

地下水抽取點在水磨溝公園，距地面30 m，為24 h不間斷式抽水，每小時抽水60 m3，向山上畜水池供水，此外污水處理廠每天向山上供綠化用水1 000 m3。

水塔山基巖為片巖，風化比較嚴重，上覆沉積層厚薄不一，部分片區(qū)采用人工填土造林，(形變站水準點N處沉積層為2.4 m)因綠化用水，2020年出現(xiàn)水塔山西段北坡相鄰單位被水淹情況。

雅瑪里克斷裂北盤(下盤)地形相對低平，沿斷裂是一條地下水溢水帶?，F(xiàn)在的南湖廣場曾是一片淺沼濕地 ，但這片濕沼地并無地表徑流補給，水源主要來自雅瑪里克斷裂帶儲水構(gòu)造的溢水供給。沿斷裂帶有線狀排列的泉水及溫泉出露，水磨溝溫泉是斷裂帶上發(fā)育的斷層泉[15]。說明該地區(qū)地下水比較豐富，從圖6可以看出曲線的高值一般都出現(xiàn)在3～5月份，此時正值烏魯木齊地區(qū)氣溫回升，冰雪開始消融，且水塔山又提前開始綠化灌溉，對地下水進行了補充，導(dǎo)致巖體含水量增大，巖體膨脹，從而引起W測點上升。從測線變化情況看，NW測線相對高差變大，EW測項相對高差減小，隨著時間推移，氣溫升高，蒸發(fā)量加大，巖體含水量減小至正常狀態(tài)，W點位移變化恢復(fù)(圖1)。

地下水位的動態(tài)變化會造成所在區(qū)域局部地表形變[16]，前人研究證明，地下水位變化可導(dǎo)致跨斷層垂直形變出現(xiàn)顯著的變化。由于多數(shù)跨斷層形變場地斷層兩側(cè)巖性不同，標石類型和深度不同等，當?shù)叵滤怀霈F(xiàn)明顯的變化時，兩標石可能受地下水位的影響程度不一樣出現(xiàn)先后膨脹，或膨脹收縮程度不一樣，導(dǎo)致觀測高差變化較大[17]。

3.2 結(jié)論

綜上所述，對烏魯木齊形變站水準場地，地質(zhì)條件、儀器狀態(tài)、人為影響、氣象影響等可能導(dǎo)致測值變化的因素進行了核實、調(diào)查和分析后得出結(jié)論如下：

(1) 通過現(xiàn)場工作檢查和兩套儀器對比觀測，顯示觀測系統(tǒng)穩(wěn)定，測量人員操作規(guī)范，無人為干擾因素和氣象因素存在。

(2) 形變站-紅山、形變站-南山天文臺GNSS基線變化平穩(wěn)，斷層整體持續(xù)性運動相對穩(wěn)定。

(3) 烏魯木齊形變站水準測線觀測曲線2020年4月27日出現(xiàn)大幅度的變化，是由于地下水的變化和山體綠化灌溉，使得W點下的巖石含水量激增，巖石膨脹，點位出現(xiàn)了上升位移所致。

(4) 地下水位的急劇變化是定點形變觀測受到干擾的主要原因之一[18]。