乾陵地震臺洞體應(yīng)變NS分量趨勢變化分析

楊曉東 朱 琳 孫 昱 吳 明 何 楊 王衛(wèi)平

（中國西安710068陜西省地震局）

0 引言

洞體應(yīng)變觀測是我國地殼形變觀測的重要手段之一?；谠撌侄?，既可以觀測到形變固體潮，也可以通過提取非潮汐信號和識別暫態(tài)事件，捕捉地震孕育過程中地殼形變的微動態(tài)信息（張燕等，2022），長期觀測資料的研究結(jié)果可反映地表區(qū)域應(yīng)力的變化。近年來，諸多學(xué)者就降雨、洞室溫度、環(huán)境干擾等因素對洞體應(yīng)變觀測的影響進(jìn)行了分析，如：孫玉軍等（2008）就深部洞室溫度年度微小變化與地傾斜和地應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析；楊紅櫻等（2019）、呂琳等（2020）對不同降雨量對洞體應(yīng)變的影響進(jìn)行分析；楊小林等（2019，2020）基于地表溫度和紅外熱成像對乾陵地震臺洞體應(yīng)變與溫度的關(guān)系進(jìn)行定量分析。目前，對洞體應(yīng)變長趨勢轉(zhuǎn)折影響機(jī)制的研究文獻(xiàn)較少。

2020年1月—2022年3月，乾陵地震臺（下文簡稱乾陵臺）洞體應(yīng)變NS分量變化趨勢由拉張轉(zhuǎn)折為緩慢壓縮形態(tài)。本文從儀器工作狀態(tài)、GNSS資料、InSAR形變場進(jìn)行分析，結(jié)合同臺和周邊地震臺站洞體應(yīng)變觀測資料，分析探討引起數(shù)據(jù)變化的原因。

1 臺站概況

乾陵臺始建于1966年，屬國家形變Ⅰ類臺，臺基巖性為奧陶系石灰?guī)r。臺站位于渭河斷陷盆地中段與陜北黃土高原過渡地帶，地質(zhì)構(gòu)造位置處于渭河斷陷盆地中段與鄂爾多斯地臺南緣接觸帶，關(guān)山—口鎮(zhèn)斷裂以南，乾縣—富平斷裂以北（圖1）。

圖1 臺站及周邊斷裂分布Fig.1 Distribution of seismic stations and surrounding faults

該臺站地殼形變觀測山洞進(jìn)深103 m，基巖完整，覆蓋層厚度40 m以上，植被覆蓋良好，洞室溫度年溫差≤0.2 ℃，日溫差約0.015 ℃，地下水位＞100 m，“十五”期間架設(shè)VP型垂直擺傾斜儀、DSQ型水管傾斜儀、SS-Y型洞體應(yīng)變儀和TJ-II鉆孔體應(yīng)變儀等數(shù)字化形變觀測儀器及1套WWY-1型氣象輔助觀測儀進(jìn)行觀測（圖2），觀測環(huán)境較好，記錄數(shù)據(jù)固體潮清晰。

圖2 乾陵臺形變觀測儀器布設(shè)Fig.2 Layout of deformation observation instruments at Qianling Seismic Station

2 洞體應(yīng)變NS分量趨勢異常

2.1 洞體應(yīng)變觀測原理

洞體應(yīng)變儀用于精密測量地殼兩點(diǎn)間水平距離的相對變化，其工作原理是

式中：L為基線長；ΔL為變化量；ε為應(yīng)變量，即單位長度的相對變化量。當(dāng)固定墩與測量墩之間距離發(fā)生變化時(shí)，在特定環(huán)境下，視基線長度保持不變，可動鐵芯和線圈（差動變壓器）或探頭與極片（電渦流）之間的距離隨之變化，位移傳感器將此間距變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，通過靈敏度、格值等換算，便可計(jì)算出應(yīng)變量的變化（呂寵吾等，2009）。

2.2 NS分量趨勢變化

乾陵臺洞體應(yīng)變觀測始于1981年，觀測資料連續(xù)可靠，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，年變規(guī)律且明顯，每年3月20日（春分）數(shù)據(jù)曲線前后達(dá)到波谷。選取該臺2004—2022年洞體應(yīng)變NS分量進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2004—2014年，NS分量呈長趨勢壓縮形態(tài)，年變形態(tài)穩(wěn)定；2015年至2017年6月，數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)；2017年7月至2019年12月呈緩慢拉張趨勢，拉張轉(zhuǎn)折趨勢明顯；2020年1月至2022年3月，NS分量呈轉(zhuǎn)向緩慢壓縮形態(tài)，其中2020年、2021年年變峰值、谷值均低于2019年，見圖3。

圖3 乾陵臺洞體應(yīng)變NS分量2004—2022年趨勢變化Fig.3 Trend change of NS component of cave strain at Qianling Seismic Station from 2004 to 2022

3 干擾排查與分析

乾陵臺2015—2022年洞體應(yīng)變觀測資料年變形態(tài)清晰，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，NS分量潮汐因子變化基本呈正常波動（李小芬等，2017），僅2020年12月受儀器檢修、標(biāo)定影響產(chǎn)生畸變（圖4）。通過查閱觀測日志和預(yù)處理日志，認(rèn)為人為干擾對洞體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)影響較小，觀測數(shù)據(jù)變化正常，潮汐因子結(jié)果符合觀測要求。

圖4 乾陵臺洞體應(yīng)變NS分量2015—2022年潮汐因子Fig.4 Tidal factor of NS component of cave strain at Qianling Seismic Station from 2015 to 2022

對乾陵臺洞體應(yīng)變供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、山洞洞室及儀器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)形變山洞供電系統(tǒng)正常，數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)工作正常，山洞洞室無明顯積水，山洞內(nèi)部儀器觀測環(huán)境良好，且洞體應(yīng)變儀器標(biāo)定穩(wěn)定，NS分量運(yùn)行正常。2020年3月和2021年7月，洞體應(yīng)變觀測系統(tǒng)傳感器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)曲線毛刺增多，排除故障后（傳感器經(jīng)更換或維修），觀測數(shù)據(jù)短期內(nèi)恢復(fù)正常變化。傳感器故障僅影響短期觀測曲線走勢，對長趨勢變化影響較小。

乾陵臺周邊2 km范圍內(nèi)近年無較大基建工程；受人員進(jìn)出觀測山洞影響，洞體應(yīng)變產(chǎn)生短時(shí)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，但對正常固體潮觀測影響較小，且同臺垂直擺、水管儀和體應(yīng)變無明顯趨勢轉(zhuǎn)折變化。

通過對乾陵臺溫度、氣壓、降雨量觀測資料的對比分析，認(rèn)為乾陵地區(qū)2016—2022年氣溫、氣壓變化正常，無極端惡劣天氣，與洞體應(yīng)變儀趨勢轉(zhuǎn)折變化無關(guān)。

經(jīng)以上梳理分析，排除人為干擾、觀測系統(tǒng)、觀測環(huán)境、氣象等因素對洞體應(yīng)變的影響。

4 異常性質(zhì)判定

2020年1月—2022年3月，乾陵臺洞體應(yīng)變NS分量變化由拉張趨勢轉(zhuǎn)折為緩慢壓縮形態(tài)，排除干擾后，選取乾陵臺附近GNSS數(shù)據(jù)、InSAR形變場及陜西省內(nèi)洞體應(yīng)變觀測資料和寧夏回族自治區(qū)涇源地震臺觀測資料進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為：利用GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列計(jì)算得到旬邑—涇陽—楊凌（SNXY—SNJY—SNYL）區(qū)域最大剪應(yīng)變率和面應(yīng)變率時(shí)間序列，發(fā)現(xiàn)在2020年前后出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)折變化，判斷乾陵臺附近地下介質(zhì)應(yīng)力在2020年后存在調(diào)整；乾陵臺附近InSAR形變場未發(fā)生較大范圍的地殼形變；乾陵、漢中、華陰、八渡地震臺洞體應(yīng)變均在2019—2020年出現(xiàn)不同程度的趨勢轉(zhuǎn)折；涇源臺洞體應(yīng)變同期出現(xiàn)異常趨勢變化。

4.1 乾陵臺附近GNSS數(shù)據(jù)分析

以GNSS為代表的空間對地觀測技術(shù)，為高精度、高密度的地殼運(yùn)動觀測研究提供了革命性的手段（屈曼等，2021）。為探究乾陵所在區(qū)域地殼形變的時(shí)間演化，根據(jù)站點(diǎn)分布（圖5），選取近EW向鳳翔—涇陽（SNFG—SNJY）和近NS向旬邑—楊凌（SNXY—SNYL）2條基線，參照已有方法（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2020）計(jì)算2012—2022年2條基線的時(shí)間序列，結(jié)果見圖6。

圖5 乾陵臺附近GNSS觀測點(diǎn)位分布Fig.5 Location of GNSS observation points near Qianling Seismic station

圖6 鳳翔—涇陽、旬邑—楊凌基線坐標(biāo)時(shí)間序列Fig.6 Time series of Fengxiang-Jingyang and Xunyi-Yangling base lines

由圖6可見：2012—2022年，鳳翔—涇陽的基線時(shí)間序列處于持續(xù)壓縮形態(tài)，旬邑—楊凌的基線時(shí)間序列變化相對平穩(wěn)，表明研究區(qū)近EW向的地表相對距離在2012—2022年持續(xù)壓縮，與乾陵臺洞體應(yīng)變趨勢轉(zhuǎn)折關(guān)系不明顯。

參照已有方法（中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2020），計(jì)算旬邑—涇陽—楊凌（SNXY—SNJY—SNYL）的應(yīng)變率時(shí)間序列（圖7），結(jié)果顯示：EW向線應(yīng)變2012—2020年呈緩慢壓縮形態(tài)，2020—2022年呈緩慢擴(kuò)張形態(tài)，NS向線應(yīng)變2012—2022年呈緩慢擴(kuò)張形態(tài)；最大剪應(yīng)變2012—2020年持續(xù)擴(kuò)張，2020—2022年變化基本平穩(wěn)；面應(yīng)變2012—2020年變化平穩(wěn)，2020—2022年轉(zhuǎn)為擴(kuò)張形態(tài)。旬邑—涇陽—楊凌所圍地區(qū)的最大剪應(yīng)變率和面應(yīng)變率在2020年前后均出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)折變化，判斷乾陵臺附近區(qū)域在2020年后存在應(yīng)力調(diào)整。

圖7 旬邑—涇陽—楊凌區(qū)域的應(yīng)變率時(shí)間序列Fig.7 Time series of strain rate in the Xunyi-Jingyang-Yangling region

4.2 乾陵及附近地區(qū)InSAR形變場

為了識別并監(jiān)測乾陵臺及周邊地區(qū)可能存在的大范圍構(gòu)造變形信息，使用2015—2021年歐洲航天局哨兵1號SAR衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，獲取研究區(qū)域平均形變速率結(jié)果，見圖8，圖中紅色、黃色表示下沉或遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向，藍(lán)色、紫色表示上升或靠近衛(wèi)星方向。結(jié)果顯示：研究區(qū)域不存在與斷層比較吻合的較大范圍的變形信號，即區(qū)域內(nèi)斷層兩側(cè)形變差異不明顯，如口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂、扶風(fēng)—三原斷裂。但區(qū)域內(nèi)存在多處局部形變，例如三原縣和涇陽縣交界處、西安南郊、彬長煤礦存在明顯的、量級較大的下沉，可能由地下水抽取、煤礦開采等引發(fā)。也存在局部隆升形變，如扶風(fēng)縣、西安市西郊，可能由地下水抽取緩慢、地表形變回彈所致。分析認(rèn)為，乾陵臺附近未發(fā)生較大范圍的地殼形變，與該臺洞體應(yīng)變NS分量的趨勢轉(zhuǎn)折變化關(guān)系不明顯。

圖8 乾陵臺及周邊地區(qū)InSAR形變速率分布Fig.8 Distribution of InSAR deformation rate of Qianling Seismic Station and surrounding areas

4.3 陜西省洞體應(yīng)變觀測資料對比

選取陜西省內(nèi)漢中臺、華陰臺、八渡臺、寶雞上王臺洞體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖9。

圖9 陜西省部分地震臺2014—2022年洞體應(yīng)變趨勢變化Fig.9 Trend changes of cave strain at some seismic stations in Shaanxi Province from 2014 to 2022

（1）洞體應(yīng)變NS分量：漢中臺、八渡臺在2017—2022年呈拉張趨勢變化，而上王臺、華陰臺呈壓縮趨勢。其中乾陵臺與八渡臺2015—2019年年變形態(tài)類似，均由平穩(wěn)變化轉(zhuǎn)為拉張形態(tài)，不同的是，2020—2021年八渡臺加速拉張，而乾陵臺轉(zhuǎn)為緩慢壓縮形態(tài)；華陰臺2016—2017年呈加速壓縮形態(tài)，2018—2020年由壓縮轉(zhuǎn)為緩慢拉張形態(tài)，2021—2022年又轉(zhuǎn)為壓縮形態(tài)，2018—2022年變化趨勢與乾陵臺較為相似；漢中臺2019年中呈破年變加速拉張形態(tài)。

（2）洞體應(yīng)變EW分量：乾陵臺、漢中臺呈拉張趨勢，華陰臺呈先拉張后壓縮趨勢，八渡臺、上王臺呈壓縮趨勢。其中漢中臺2019年中呈破年變加速拉張形態(tài)；華陰臺2014—2019年呈拉張形態(tài)，2020—2022年轉(zhuǎn)為壓縮形態(tài)；八渡臺2014—2019年呈壓縮形態(tài)，2020—2022轉(zhuǎn)折為緩慢拉張形態(tài)。

通過對陜西省部分地震臺站洞體應(yīng)變觀測資料進(jìn)行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)乾陵臺、漢中臺、華陰臺、八渡臺均在2019—2020年出現(xiàn)不同程度的趨勢轉(zhuǎn)折，認(rèn)為該區(qū)域可能存在一定應(yīng)力調(diào)整，乾陵臺洞體應(yīng)變NS分量的趨勢轉(zhuǎn)折變化可能與此相關(guān)。

4.4 涇源臺洞體應(yīng)變資料對比

為判斷乾陵臺洞體應(yīng)變NS分量趨勢轉(zhuǎn)折變化性質(zhì)，選擇同處鄂爾多斯塊體周緣的寧夏回族自治區(qū)涇源臺洞體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)該臺洞體應(yīng)變NS分量存在長趨勢轉(zhuǎn)折變化，結(jié)果見圖10。

圖10 涇源臺洞體應(yīng)變趨勢變化Fig.10 Trend change of cave strain at Jingyuan Seismic Station

由圖10可見，涇源臺洞體應(yīng)變NS分量2018年6月至2022年3月呈加速拉張的轉(zhuǎn)折形態(tài)；EW分量在2017年6月長趨勢轉(zhuǎn)折明顯，并于2021年1月轉(zhuǎn)為緩慢壓縮形態(tài)。由洞體應(yīng)變趨勢變化形態(tài)可知，2個(gè)地震臺洞體應(yīng)變異常起始時(shí)間基本同步，且變化均與構(gòu)造相關(guān)，進(jìn)一步判斷乾陵臺洞體應(yīng)變NS分量的趨勢轉(zhuǎn)折變化應(yīng)與地下介質(zhì)應(yīng)力調(diào)整有一定相關(guān)性。

4 討論與結(jié)論

在排除洞體應(yīng)變儀觀測系統(tǒng)、人為干擾、觀測環(huán)境和氣象因素干擾后，對乾陵臺附近GNSS、InSAR資料及其他臺站洞體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)綜合分析，得出以下結(jié)論：

（1）GNSS資料顯示，乾陵附近地區(qū)的最大剪應(yīng)變率和面應(yīng)變率在2020年前后均出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)折變化，判斷該區(qū)域應(yīng)力在2020年開始存在變化，考慮該區(qū)域可能存在一定的應(yīng)力調(diào)整。

（2）乾陵及附近地區(qū)InSAR形變場未發(fā)生較大范圍的地殼形變。

（3）陜西省部分地震臺站及相鄰的寧夏回族自治區(qū)涇源臺洞體應(yīng)變同期數(shù)據(jù)，均存在年變趨勢轉(zhuǎn)折特征。

洞體應(yīng)變長趨勢轉(zhuǎn)折變化具有復(fù)雜性和不確定性，乾陵臺洞體應(yīng)變的趨勢轉(zhuǎn)折變化與該區(qū)域地下應(yīng)力調(diào)整的對應(yīng)關(guān)系，有待進(jìn)一步深入研究。建議密切關(guān)注陜西省及鄰區(qū)洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)的趨勢轉(zhuǎn)折變化，跟蹤分析乾陵臺附近GNSS數(shù)據(jù)的變化。

陜西省地震局蘇利娜高級工程師提供乾陵臺周邊GNSS觀測資料，在此表示誠摯的謝意。