海原小山四分量鉆孔應(yīng)變觀測資料分析

程鵬圖，楊 順，王晨曦，馬云舉

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

前兆觀測是地震監(jiān)測預(yù)報的主要手段之一，具有明確的物理含義以及預(yù)測機理，因此對前兆觀測出現(xiàn)的各種異常變化進行實地落實，是對這些異常變化進行分析判斷的主要依據(jù)。但在實際觀測中，觀測數(shù)據(jù)異常變化的判斷、核實具有較強的復(fù)雜性，多數(shù)異常變化不能做到準(zhǔn)確判斷[1]。

四分量鉆孔應(yīng)變儀觀測探頭一般安裝于鉆孔下數(shù)十米的基巖或土層中，觀測位移空間導(dǎo)數(shù)隨時間的變化，具有良好的高頻特性與高靈敏度的兼顧性，可以發(fā)現(xiàn)和掌握地應(yīng)變前兆的長中期—短期—臨震以及震后調(diào)整的時空分布與發(fā)展變化規(guī)律，構(gòu)成重要的地震前兆觀測手段[2-3]。汶川8.0級地震前，姑咱、格爾木等地震臺鉆孔應(yīng)變出現(xiàn)前兆異常[4]；烏恰7.4級、烏什6.4級、昆侖山8.1級、彝良5.7級等地震前，庫爾勒、烏什、高臺、攀枝花仁和臺、昭通等地震臺鉆孔應(yīng)變觀測到前兆異常[5-8]；永勝臺分量鉆孔應(yīng)變在幾次云南省4.4～5.5級地震發(fā)生前，均出現(xiàn)較為明顯的短期異常[9]。蔣靖祥、朱航等人依據(jù)鉆孔應(yīng)變臺站異常數(shù)據(jù)，對新疆和靜5.7級、巴楚北4.2級、云南鹽津5.1級等地震進行了較為準(zhǔn)確的震前預(yù)測，為今后應(yīng)用鉆孔應(yīng)變異常開展地震預(yù)測預(yù)報工作提供了重要的參考價值[10-12]。海原地震臺YRY-4型四分量鉆孔應(yīng)變觀測儀觀測數(shù)據(jù)連續(xù)，可靠性較高，具備開展相關(guān)地震研究的條件，且于漳縣岷縣6.6級、固原4.6級、中寧3.9級等震前出現(xiàn)明顯的異常反應(yīng)。本文通過對海原小山四分量鉆孔應(yīng)變觀測異常變化進行跟蹤落實，排查了可能影響數(shù)據(jù)異常的觀測系統(tǒng)、觀測環(huán)境等影響因素，結(jié)合前期積累的異常應(yīng)震實例及天水鉆孔應(yīng)變、武都兩水鉆孔傾斜同期出現(xiàn)的觀測異常變化，客觀分析了此次異常變化。合理、準(zhǔn)確的判別前兆觀測中的異常變化原因，是地震監(jiān)測預(yù)報工作的基本要求，也對防震減災(zāi)事業(yè)有著深遠的意義。

1 臺站構(gòu)造背景及基本情況概述

1.1 地質(zhì)構(gòu)造背景

海原地震臺鉆孔應(yīng)變觀測點位于海原縣小山村西南側(cè)南華山內(nèi)，地面距離1920年海原級地震主斷裂約450 m（圖1），地處青藏高原東北弧形構(gòu)造帶內(nèi)。海原斷裂帶展布于米家山北麓，哈思山南麓，黃家洼山南麓，西、南華山北麓和月亮山東麓，南華山及其以西，走向北西西，以東為北西走向，由11條不連續(xù)次級剪切斷層組成，各次級斷層均向所在山體傾斜，地貌上是一條醒目的山脈與盆地的界線[13]。

圖1 海原小山形變觀測點地理位置圖Fig.1 The Geographic location diagram of Xiaoshan deformation observatory in Haiyuan

海原斷裂帶活動特征表現(xiàn)為明顯的壓扭性，左旋跡象明顯，由于斷層活動強烈，斷層地表形跡清晰可見，跨斷層水系、溝谷左旋水平運動特征明顯。1920年海原大地震形變遺跡散布整個斷裂帶，如五橋溝—小山一帶見有水平扭動產(chǎn)生的鼓包和雁行形狀張裂凹坑和斷層陡坎等，五橋溝溝口跨斷層處的溝谷階地左旋分量較大，是斷裂帶多期活動的累積量。小山形變臺臨近海原活動斷裂帶，為1920年海原8.5級特大地震的極震區(qū)，對開展活動斷裂研究以及地震前兆觀測與地震機制研究有著極大的科研價值，在地震研究上有著深遠的科學(xué)前景[2]。

1.2 小山四分量鉆孔應(yīng)變基本情況概述

YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變儀為長圓筒徑向位移式儀器，在圓筒中布置安裝4個分量的徑向測微傳感器，每個受力元件依次相差45°，呈“米”字布設(shè)，通過儀器測量系統(tǒng)即可獲得平面內(nèi)4方向鉆孔孔壁徑向位移，從而求取地應(yīng)變量。正方向變化為張性應(yīng)變，負(fù)方向變化則為壓性應(yīng)變。該儀器具備自檢功能，可以用來評價觀測數(shù)據(jù)的可靠性。自檢是依據(jù)在理論條件下，相互垂直的兩分量應(yīng)變觀測之和相等，即自檢關(guān)系可表示為：

式中，S1、S2、S3、S4分別表示1-4路應(yīng)變觀測分量，1路+3路和2路+4路的結(jié)果越一致，就表示儀器探頭與圍巖耦合效果越好，記錄的資料越可靠[14]。

海原地震臺于2007年9月安裝架設(shè)YRY-4型四分量鉆孔應(yīng)變觀測儀，靈敏度高（應(yīng)變量級達10-10）。觀測井孔深60.37 m，水位距井口15 m，套管下到32 m深，探頭安裝在深36.5 m的完整段，基巖為奧陶紀(jì)灰?guī)r，分量元件方位（相對磁南北）：第1分量：E21°S；第2分量：E66°W；第3分量：S21°W；第4分量：S66°W （圖 2）。

圖2 海原臺YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變原件布設(shè)圖Fig.2 Layout plan of YRY-4 borehole strain component at Haiyuan Seismic Station

2 觀測資料異常變化

2018年7月12日，海原小山鉆孔應(yīng)變S2、S3分量出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，由上升轉(zhuǎn)為下降的壓性變化，下降幅度分別為1470×10-10量級，1290×10-10量級；S4分量出現(xiàn)快速上升變化上升幅度為762×10-10量級。從目前來看，異常變化體現(xiàn)出同步各向異性變化（圖3）。

圖3 海原小山鉆孔應(yīng)變分鐘值曲線Fig.3 The minute value curves of the Haiyuan Xiaoshan boredata strain

通過對以往觀測數(shù)據(jù)的分析可知，海原小山鉆孔應(yīng)變觀測曲線于2016年4月11日中寧3.9級地震及2013年7月22日漳岷6.6級地震前均出現(xiàn)明顯的異常變化（圖4、圖5）。具體表現(xiàn)為中寧3.9級地震震前10日S2、S3分量出現(xiàn)壓性下降變化，S4分量出現(xiàn)張性上升變化，S1分量無明顯變化；漳岷6.6級地震震前13日四分量均出現(xiàn)較為明顯的壓性下降變化。2018年7月12日海原小山鉆孔應(yīng)變出現(xiàn)的異常變化與上述兩次震前異常變化形態(tài)極為相似，因此應(yīng)對其進行詳細(xì)的現(xiàn)場落實及分析，從而判別其是否為震前異常。

圖4 海原小山鉆孔應(yīng)變觀測曲線（中寧MS3.9地震前）Fig.4 The observation curves of the Haiyuan Xiaoshan borehole strain data（before Zhongning MS3.9 earthquake）

圖5 海原小山鉆孔應(yīng)變觀測曲線（漳岷MS6.6地震前）Fig.5 The observation curves of the Haiyuan Xiaoshan borehole strain data（before Zhangmin MS6.6 earthquake）

3 干擾因素調(diào)查及分析

干擾鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)變化的主要干擾因素有觀測系統(tǒng)故障、觀測環(huán)境變化和人為干擾等。準(zhǔn)確核查、分析干擾因素對觀測數(shù)據(jù)的影響，是對觀測資料分析應(yīng)用的基礎(chǔ)和必要過程。

3.1 觀測系統(tǒng)

現(xiàn)場核實中對海原小山鉆孔傾斜供電系統(tǒng)進行了檢查，結(jié)果顯示交流供電228 V，穩(wěn)壓電源供電42.1 V，電源供電正常；對觀測電源各接頭進行按壓，保證接頭接觸良好，數(shù)采記錄系統(tǒng)進行檢查，儀器工作正常，數(shù)采記錄顯示正常；查閱了觀測日志，觀測記錄系統(tǒng)正常。筆者對2018年1月1日—2018年7月20日鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進行儀器自檢，如圖6所示，面應(yīng)變比較一致，顯示觀測資料變化真實可靠，具有較好的一致性。從分析結(jié)果表明，該時段海原臺分量鉆孔應(yīng)變儀觀測資料可靠性較強。

圖6 2018年1—7月海原臺分量鉆孔應(yīng)變自檢曲線Fig.6 Self-test data curves of borehole strain at Haiyuan Seismic Station from January to July，2018

3.2 觀測環(huán)境

海原小山鉆孔應(yīng)變配備水位、氣壓輔助測項，繪制了2018年以來的水位、氣壓曲線（圖7），從圖上可見，水位、氣壓變化平穩(wěn)，與應(yīng)變7月12日以來出現(xiàn)的壓性變化、加速變化沒有對應(yīng)關(guān)系。

圖7 海原小山鉆孔水位、氣壓觀測曲線Fig.7 The curves of borehole water level and pressure at Haiyuan Seismic Station

同時，收集了海原小山周邊降雨資料，如圖8所示，2018年6月31日、7月8日、7月17日均出現(xiàn)降雨，6月31日降雨后海原小山鉆孔應(yīng)變觀測資料在7月1日有所下降，7月4日恢復(fù)；7月8日降雨后7月12日再次出現(xiàn)下降、加速變化，下降時間明顯滯后，持續(xù)到7月22日仍呈下降變化，并未恢復(fù)；7月17日降雨后未出現(xiàn)加速下降，維持12日以來的下降速率。從短期的變化來看，存在降雨干擾的嫌疑，但也不完全一致。從長期多年的資料變化來看，每年夏季海原均存在顯著降雨情況，但小山鉆孔應(yīng)變資料未出現(xiàn)對應(yīng)變化，綜合分析認(rèn)為，2018年7月12日海原小山鉆孔應(yīng)變出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向、加速變化并非完全由降雨引起，應(yīng)作為短期異常進行跟蹤。

圖8 海原小山周邊降雨資料Fig.8 The rainfall data around Haiyuan Xiaoshan

3.3 人為干擾

海原小山鉆孔應(yīng)變觀測點位于寧夏海原南華山自然保護區(qū)內(nèi)，附近人煙稀少，對測點周邊5km范圍進行普查，結(jié)果顯示測點周邊無大型的施工作業(yè)，無明顯人為干擾源存在。

4 資料變化原因分析

海原小山鉆孔應(yīng)變出現(xiàn)過多次類似的異常變化，其中最顯著的為漳縣-岷縣6.6級地震、中寧3.9級地震、固原4.6級地震前出現(xiàn)的變化，如圖4-5所示，2018年7月12日海原小山鉆孔應(yīng)變出現(xiàn)的異常變化與漳縣-岷縣6.6級地震、中寧4.4級地震前出現(xiàn)的變化具有類似的異常特征，主要體現(xiàn)為趨勢上升的背景下出現(xiàn)快速壓性變化。

海原小山鉆孔應(yīng)變?yōu)閷幭哪喜康貐^(qū)唯一鉆孔應(yīng)變前兆觀測手段。根據(jù)西北協(xié)作區(qū)短臨異常核實工作，其中多項形變異常變化確定為前兆異常進行跟蹤。主要測向為武都兩水鉆孔傾斜、天水鉆孔應(yīng)變、海原小山鉆孔應(yīng)變。綜合分析來看，這些異常在時間上存在從南到北遞進的現(xiàn)象。具體分析如下：

4.1 武都兩水鉆孔傾斜

武都兩水鉆孔傾斜EW向2018年6月6日出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)折，由上升轉(zhuǎn)為下降，經(jīng)過異常核實，認(rèn)定該變化為前兆異常（甘肅省地震局提供）。

圖9 武都兩水鉆孔傾斜EW向分鐘值曲線Fig.9 The EW-directional minute curve of borehole in Wudu and Liangshui

4.2 天水鉆孔應(yīng)變

天水鉆孔應(yīng)變從2018年7月1日開始加速下降，該變化與2017年8月8日九寨溝7.0級地震前相類似。經(jīng)過異常核實，認(rèn)定該變化為前兆異常（甘肅省地震局提供）。

圖10 天水鉆孔應(yīng)變分鐘值曲線Fig.10 The minute curve of borehole strain in Tianshui

4.3 海原鉆孔應(yīng)變

2018年7月12日，海原小山鉆孔應(yīng)變第二、第三分量出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，由上升轉(zhuǎn)為下降的壓性變化，第四分量出現(xiàn)快速上升變化。經(jīng)過異常核實，認(rèn)定該變化為前兆異常（圖3）。

從上述分析可以看出，武都兩水鉆孔傾斜異常起始時間2018年6月6日，天水鉆孔應(yīng)變異常起始時間2018年7月1日，海原鉆孔應(yīng)變異常起始時間2018年7月12日，從異常起始時間看，異常存在從南到北的遞進現(xiàn)象。統(tǒng)計三個測點異常持續(xù)時間與距離之間的關(guān)系，結(jié)果兩水距離海原350km，天水距離海原220 km，異常持續(xù)時間武都兩水鉆孔傾斜46天，天水鉆孔應(yīng)變22天，海原鉆孔應(yīng)變10天。從測點距離變化到異常持續(xù)時間的發(fā)展，遞推現(xiàn)象顯著。同時，寧蒙交界左旗石英擺、銀川小口子水氡2018年6月以來也存在一定程度的轉(zhuǎn)折，綜合來看，區(qū)域內(nèi)前兆觀測存在一種從遠到近向海原收縮的現(xiàn)象。

因此，在排除了所有干擾因素之外，初步分析認(rèn)為，海原小山鉆孔應(yīng)變2018年7月12日出現(xiàn)的趨勢轉(zhuǎn)折、加速上升應(yīng)為前兆異常。

5 結(jié)語

通過詳細(xì)的現(xiàn)場核實工作及后續(xù)分析初步認(rèn)為，海原小山鉆孔應(yīng)變2018年7月12日出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)折、加速變化以來，觀測點周邊環(huán)境無明顯變化和人為干擾影響，儀器工作正常，無明顯氣壓、水位等氣象因素變化。在排除了所有干擾因素之外，初步分析認(rèn)為，海原小山鉆孔應(yīng)變2018年7月12日出現(xiàn)的趨勢轉(zhuǎn)折、加速上升應(yīng)為前兆異常。

2016年以來，海原小山鉆孔應(yīng)變出現(xiàn)多次短期變化，與寧夏及周邊4級地震相對應(yīng)，分析認(rèn)為海原小山觀測資料對周邊地震反映敏感。因此，應(yīng)加強觀測資料分析處理工作，進一步加強預(yù)測指標(biāo)的分析研究、應(yīng)用，將海原小山觀測資料作為重點前兆進行跟蹤分析。