安徽省鉆孔應(yīng)變典型干擾與地震短臨異常特征分析

王燚坤，鄭海剛,2，李軍輝，汪小厲，鮑子文，洪德全，趙朋

(1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031； 2.蒙城國家地球物理野外站，安徽 蒙城 233527)

0 引 言

鉆孔體積應(yīng)變儀是用來觀測地殼變形的小空間尺度變化[1]，其儀器工作原理簡單，觀測精度達到10-9。由于體應(yīng)變儀探頭埋在地下幾十米深處，使用膨脹水泥使傳感器與基巖結(jié)合為一體[2]，一定程度上避免了人為活動和地表環(huán)境變化等干擾，在很大程度上減少了外部因素的影響，使其能夠記錄到應(yīng)變固體潮、震前短臨異常信息以及同震響應(yīng)等信息，為地震分析預(yù)報提供了研究基礎(chǔ)[3-5]。經(jīng)過多年的建設(shè)和改造，安徽省逐步形成了數(shù)字化體應(yīng)變監(jiān)測網(wǎng)。通過資料分析，發(fā)現(xiàn)影響觀測精度的各種因素中，氣象因素和地下水位變化是最主要的干擾源，各觀測點受干擾程度和曲線形態(tài)具有明顯的差異性。為了正確理解這些差異，本文總結(jié)分析了安徽省體應(yīng)變觀測中典型干擾的影響機理和變化特征，并給予一定物理意義的量化。同時嘗試使用調(diào)和分析方法對體應(yīng)變M2波潮汐因子進行異常提取，討論總結(jié)了安徽及鄰區(qū)4次M≥4.0地震前的短臨異常特征，以期為異常識別提供一定的參考依據(jù)。

1 安徽省數(shù)字化鉆孔體應(yīng)變觀測概況

安徽省鉆孔體應(yīng)變觀測點主要分布在郯廬斷裂帶中南段及皖中北地區(qū)，附近構(gòu)造復(fù)雜，利于捕獲地質(zhì)構(gòu)造變化產(chǎn)生的信號。目前安徽省鉆孔體應(yīng)變在網(wǎng)運行的有12 套儀器，均為TJ-Ⅱ型應(yīng)變儀，主測項為鉆孔體應(yīng)變，三個輔助測項分別為鉆孔氣壓、鉆孔水位和鉆孔溫度，各測點的儀器安裝時間和井孔條件概況見表1。除來安、鳳陽等個別地方臺儀器由于故障造成少量斷記外，其余儀器觀測資料連續(xù)率都在90%以上，大蜀山、肥東、黃山和嘉山地震臺4個測點為省局直屬管理，數(shù)據(jù)連續(xù)率都在95%以上。

不同地震臺站的體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)變化形態(tài)差異很大。嘉山、六安、全椒和五河地震臺體應(yīng)變長趨勢呈現(xiàn)壓性變化，儀器開閥頻繁，其日變化記錄固體潮汐顯著、相位清晰。黃山、大蜀山、滁州及肥東地震臺體應(yīng)變呈現(xiàn)較好的年變周期，與水位變化較為同步，日變化可以記錄到一定的固體潮汐變化。來安、蒙城、鳳陽及定遠(yuǎn)地震臺觀測噪聲很大，固體潮記錄不清晰，主要與儀器故障和市縣地震臺站管理維護不善有關(guān)。本文僅對儀器工作狀態(tài)正常的地震臺站資料進行分析。

表1 安徽省鉆孔體應(yīng)變測點儀器及鉆孔概況

2 主要干擾分析

安徽鉆孔體應(yīng)變觀測主要受氣象和水位的影響顯著，本文對典型的干擾變化特征及影響機理進行分析研究。

2.1 氣壓影響

氣壓改變使地表負(fù)荷以及對井孔垂直附加應(yīng)力產(chǎn)生改變而影響體應(yīng)變觀測記錄[6]。氣壓影響系數(shù)與地震臺址巖石的彈性模量、泊松比有密切關(guān)系，氣壓在地殼內(nèi)不同深度影響不同，在地下100 m時氣壓影響最大[7]。安徽省的鉆孔體應(yīng)變井孔深度都在60～80 m，均在氣壓影響范圍之內(nèi)。大多數(shù)地震臺站體應(yīng)變都不同程度地受氣壓變化的影響，隨著季節(jié)不同波動的幅度也存在差別，且影響較大的時段基本上都在春、秋以及冬季。當(dāng)氣壓短期變化比較劇烈時，體應(yīng)變觀測值隨之大幅波動，使固體潮記錄曲線發(fā)生明顯畸變，長周期的氣壓緩變對于鉆孔體應(yīng)變觀測記錄的固體潮波形影響并不十分顯著，但會對各地震臺體應(yīng)變形態(tài)的趨勢走向變化產(chǎn)生影響，或加大零漂或改變漂移方向，有時可能會影響幾天的數(shù)據(jù)變化。本文選取了8個地震臺站在氣象、環(huán)境干擾較小的時段，以月為窗長計算體應(yīng)變與氣壓的相關(guān)系數(shù)。

從表2可以看出，大蜀山和肥東地震臺體應(yīng)變與氣壓相關(guān)性最好,相關(guān)系數(shù)分別達到0.715、-0.763。一般情況下，儀器探頭與鉆孔耦合不好會造成氣壓對體應(yīng)變干擾較大[8]，如果鉆孔有水且探頭附近存在裂隙、破碎帶,壓力負(fù)荷還能通過鉆孔進入破碎帶內(nèi)壁,將壓力傳導(dǎo)給四周的巖體。大蜀山地震臺巖性為紅砂巖，質(zhì)地偏軟,有少量裂隙,鉆孔周圍5 m內(nèi)有測震深井、砂層應(yīng)變和井下電磁波共3個井孔,施工過程導(dǎo)致巖層破裂，安裝時有坍塌現(xiàn)象。而肥東地震臺為風(fēng)化花崗巖，原巖結(jié)構(gòu)破壞，巖性較為破碎，儀器探頭所在巖層裂隙較為發(fā)育。因此，認(rèn)為大蜀山和肥東地震臺體應(yīng)變與氣壓相關(guān)性好的原因是儀器探頭與基巖耦合及套管四周與水泥固接不理想。

黃山、滁州和嘉山地震臺體應(yīng)變與氣壓存在明顯的相關(guān)性(表2)。其中黃山和滁州地震臺巖性記錄均表明有少量裂隙；嘉山地震臺為軟弱巖層凹凸棒石,探頭和巖層中間有約15 m的水泥砂漿，這種鉆孔條件會對觀測產(chǎn)生一定的影響。

六安、全椒及五河地震臺探頭所在巖層均致密完整、無明顯裂隙且儀器探頭與基巖耦合較好，從表2可看出這3個地震臺站體應(yīng)變與氣壓相關(guān)性較差。

上述結(jié)果表明在不同地質(zhì)條件和鉆孔特性制約因素下，體應(yīng)變對氣壓干擾響應(yīng)存在明顯差異。多數(shù)鉆孔臺站由于裂隙或破碎帶的存在，使氣壓對體應(yīng)變的干擾過程更加復(fù)雜。

表2 鉆孔體應(yīng)變與氣壓的相關(guān)分析結(jié)果

圖1 大蜀山、肥東、六安及嘉山地震臺鉆孔體應(yīng)變與氣壓分鐘值對比曲線

安徽省各地震臺體應(yīng)變受氣壓影響表現(xiàn)不同，選取大蜀山、肥東、嘉山和六安4個地震臺體應(yīng)變與氣壓的同期分鐘值進行曲線形態(tài)對比。由圖1可知，大蜀山和肥東地震臺體應(yīng)變受氣壓影響尤為顯著，在日變形態(tài)和趨勢變化上與氣壓變化同步性較好，在時間上體應(yīng)變滯后于氣壓變化；嘉山地震臺從固體潮記錄曲線上看出潮汐較為清晰，在氣壓驟變時，體應(yīng)變隨著氣壓的變化出現(xiàn)快速響應(yīng)變化，僅個別月份的體應(yīng)變趨勢性變化與氣壓變化較為同步；六安地震臺體應(yīng)變則基本不受氣壓影響?？傮w上肥東地震臺體應(yīng)變與氣壓表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)變化，而省內(nèi)其他地震臺體應(yīng)變除不相關(guān)之外均與氣壓呈正相關(guān)(表1)。由彈性力學(xué)可知，鉆孔在垂直方向受到大氣壓的直接作用，在水平方向上則受到側(cè)向圍壓的作用?？紤]到鋼筒、水泥層和鉆孔巖石的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以從理論上推導(dǎo)出大氣壓對體應(yīng)變的影響模型[9]：

ε=bΔPa

(1)

式中：ε為鉆孔體應(yīng)變；ΔPa為大氣壓增量；b為氣壓影響系數(shù)。式(1)表明體應(yīng)變在一般情況下隨氣壓增大而增大(探頭壓縮)，隨氣壓減小而減小(探頭膨脹)，即兩者呈正相關(guān)。這種干擾規(guī)律在大蜀山、黃山、嘉山及滁州等地震臺得到了驗證。為了嘗試解釋肥東地震臺與氣壓呈反相關(guān)變化這種現(xiàn)象，通過調(diào)研核實發(fā)現(xiàn)該臺體應(yīng)變在啟用備用傳感器觀測之前，體應(yīng)變與氣壓、水位也是呈現(xiàn)正相關(guān)，2016年7月因雷擊導(dǎo)致井下傳感器故障，在28日啟用了備用傳感器之后，與氣壓、水位變化開始呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，可能為探頭內(nèi)線路正負(fù)接反而導(dǎo)致記錄應(yīng)變狀態(tài)的改變。

2.2 降雨影響

降雨對體應(yīng)變的影響主要表現(xiàn)為兩種形式：一是降雨帶來的大地負(fù)載效應(yīng)導(dǎo)致地殼應(yīng)變變化，尤其是短時大雨會引起體應(yīng)變出現(xiàn)即時變化。二是雨水滲入巖體孔隙中導(dǎo)致孔隙壓力增加，水位上升，使巖體體應(yīng)變觀測值發(fā)生變化[10]。當(dāng)然，降雨只有積累到一定程度，才能引起固體潮發(fā)生畸變。由于降雨對體應(yīng)變的影響與降雨量、降雨過程以及持續(xù)時間等密切相關(guān)，水的滲透需要一定時間，孔隙水壓力的增加是逐漸進行的，因此體應(yīng)變對降雨影響的相應(yīng)存在滯后效應(yīng)。

安徽省體應(yīng)變地震臺中大蜀山、黃山和肥東地震臺受到降雨影響最為顯著，在降雨季節(jié)，體應(yīng)變會隨著降雨的持續(xù)，處于一直上升或下降變化。在時間上體應(yīng)變滯后于水位變化，在強降雨天氣各臺體應(yīng)變均能記錄到同步的即時效應(yīng)。各臺驅(qū)動降雨量存在差異，大蜀山的驅(qū)動降雨量為30 mm，黃山為50 mm，肥東為10 mm。表3統(tǒng)計了3個地震臺比較典型的降雨情況和干擾系數(shù)，從中可以看出肥東地震臺體應(yīng)變井孔水位對降雨的放大倍率最大，降雨干擾系數(shù)和降雨效率也較大；黃山地震臺體應(yīng)變在暴雨影響下井孔放大倍率和降雨干擾系數(shù)與大蜀山的中等降雨影響量級相當(dāng)。

分析認(rèn)為，各地震臺受降雨影響程度可能和井孔條件、儀器安裝情況及降雨效率有關(guān)。肥東地震臺的驅(qū)動降雨量很小，受降雨影響的即時變化尤為顯著，如2018年7月4日14時至17時累計降雨量為3.14 cm，引起肥東地震臺體應(yīng)變觀測值出現(xiàn)大幅突降(圖2)，這一變化大約滯后水位變化1 h。體應(yīng)變和地下水位觀測值的變化分別為25.8×10-8和32.4 cm，其降雨干擾系數(shù)為8.22×10-8/cm，井孔放大倍率為10.32。盡管肥東體應(yīng)變和水位對降雨的響應(yīng)時間很短(約 2 h)，但降雨效率很高(約4.11×10-8/cm)，與文獻[10]中山東煙臺體應(yīng)變所得量級相近，其井孔放大倍數(shù)也正好與煙臺計算的量級 (平均為 12.9)基本相近，說明受降雨的影響程度很大。肥東地震臺鉆孔揭露巖層主要為花崗巖,其中35～70 m為全風(fēng)化花崗巖,原巖結(jié)構(gòu)破壞,風(fēng)化裂隙較發(fā)育,而該臺又處于郯廬斷裂帶及池河—西山驛斷裂帶上,巖體較為破碎,降雨后匯集的水容易沿破碎帶滲到鉆孔中,導(dǎo)致體應(yīng)變觀測值發(fā)生變化，而這種鉆孔條件對干擾具有放大作用，導(dǎo)致驅(qū)動降雨量非常小。

表3 各地震臺降雨情況及井孔放大倍率、 降雨干擾系數(shù)和降雨效率

圖2 肥東地震臺2018年7月3～5日體應(yīng)變(a)、鉆孔水位(b)、降雨量(c)分鐘值對比曲線

2.3 水位影響

井水位變化的本質(zhì)是含水層或破碎帶中孔隙水壓力的變化，在孔隙水壓力發(fā)生變化時，自然會帶來體應(yīng)變觀測值的改變[11]，井區(qū)周邊降雨、抽水或干旱等因素的影響都有可能使巖體含水層中孔隙水的飽和程度發(fā)生變化，改變孔隙水壓力的大小[7]。安徽省體應(yīng)變測項受到水位干擾，主要為自然井水位變化對體應(yīng)變測值產(chǎn)生影響。本文選取了8個地震臺其他因素影響較小的時段，計算體應(yīng)變與水位的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果顯示大蜀山、肥東、滁州和黃山地震臺體應(yīng)變與水位存在顯著相關(guān)(表4),均達到0.9以上。

由圖3可知，肥東和滁州地震臺體應(yīng)變受水位影響顯著，其突升、突降與水位變化在時間上完全同步。其中，滁州體應(yīng)變與水位形態(tài)呈高度相似；肥東體應(yīng)變則與水位呈“鏡像”形態(tài)。2016年7月28日啟用備用探頭之前肥東臺體應(yīng)變與水位呈現(xiàn)正相關(guān)變化，是探頭線路正負(fù)接反導(dǎo)致了這種反相關(guān)變化。2018年3次強降水導(dǎo)致肥東地震臺水位出現(xiàn)突升，體應(yīng)變測值也隨之出現(xiàn)下降臺階，這種即時影響是由于大量降雨和水位突變共同引起孔隙水壓力變化導(dǎo)致的結(jié)果，主要原因為探頭上方有破碎帶或裂隙。肥東地震臺巖體較為破碎,降雨后匯集的水容易沿破碎帶滲到鉆孔內(nèi)壁，而滁州地震臺巖性存在裂隙，地下水流通性較好，導(dǎo)致肥東和滁州地震臺鉆孔內(nèi)靜水位變化受地層和地面水流動干擾嚴(yán)重。

大蜀山和黃山地震臺體應(yīng)變與水位也存在著較好的正相關(guān)變化(圖3),年變高值一般出現(xiàn)在強降雨時段，降雨補給使水位升高致使體應(yīng)變出現(xiàn)變化，體應(yīng)變上升或下降變化趨勢基本與水位一致，但體應(yīng)變在變化時間上明顯滯后于水位，這可能與所處的地理位置和井孔條件有關(guān)，大蜀山、黃山地震臺處于山區(qū)環(huán)境，巖性偏軟、透水性好，所處地區(qū)裂隙發(fā)育，體應(yīng)變受降雨和水位影響明顯。

嘉山、全椒、六安、五河地震臺體應(yīng)變與地下水位無顯著相關(guān)性(表4)，其中全椒、六安、五河地震臺巖心均完整、無明顯裂隙，水分滲透較慢，受降雨、水位影響較小。嘉山地震臺儀器探頭底部并非直接接觸原有巖孔，為了避開軟弱巖層，采用水泥砂漿回填了15 m至堅硬的巖層，屬于無水鉆孔，從觀測情況看，基本不受強降雨、水位影響，表明水位對體應(yīng)變的影響主要和井孔地質(zhì)條件、儀器安裝等因素密切相關(guān)。

表4 鉆孔體應(yīng)變與水位的相關(guān)分析結(jié)果

圖3 滁州、肥東、大蜀山和黃山地震臺體應(yīng)變與水位日均值對比曲線

3 異常變化特征

固體潮是在日、月引潮力的作用下，固體地球產(chǎn)生的周期性的彈性變形，其理論值可以利用地球潮汐準(zhǔn)確計算出來。潮汐因子即固體潮觀測振幅和理論振幅的比值，可以反映地球內(nèi)部物質(zhì)的彈性性質(zhì)和密度分布變化，震前潮汐因子往往偏離正常軌跡[6]。潮汐因子分析方法的物理意義清晰，異常容易識別，是當(dāng)前地震預(yù)報形變領(lǐng)域的重要方法[12]。本文采用維尼迪科夫調(diào)和分析方法，以5日為窗長的小時值數(shù)據(jù)進行M2波潮汐因子計算，以超過2倍標(biāo)準(zhǔn)差為異常判定原則，根據(jù)鉆孔應(yīng)變的有效映震范圍，分析地震與潮汐因子異常變化的對應(yīng)關(guān)系。

嘉山地震臺體應(yīng)變潮汐因子觀測精度較高，在一定的幅度內(nèi)持續(xù)波動(圖4)。2011年1月初該地震臺潮汐因子數(shù)值突然快速上升，超過原有波動幅度范圍，2011年1月19日安徽安慶發(fā)生M4.8級地震(震中距約256 km)，震后潮汐因子數(shù)值快速下降，下降過程中突跳明顯，本次異常持續(xù)時間較短，異常形態(tài)表現(xiàn)為“上升—恢復(fù)”。2012年4～6月該臺潮汐因子突跳頻繁且幅度增大，分別于4、5月出現(xiàn)超過2倍標(biāo)準(zhǔn)差，異常結(jié)束后于2012年7月20日發(fā)生江蘇高郵M4.9級地震(震中距約123 km)。嘉山地震臺不受鉆孔水位影響，這期間無其他干擾因素，認(rèn)為此異常信度較高。

圖4 嘉山地震臺2010年1月～2013年12月體應(yīng)變M2波潮汐因子

圖5 六安地震臺2012年9月～2015年12月體應(yīng)變M2波潮汐因子

2014年4月20日安徽霍山發(fā)生M4.3級地震，震中距離六安地震臺僅有50.8 km。六安地震臺在2013年5～6月、9～10月M2波潮汐因子超過2倍均方差(圖5)。經(jīng)調(diào)研，2013年1月～2014年1月期間儀器故障頻繁，導(dǎo)致缺測、錯誤數(shù)據(jù)較多，剔除相對誤差≥0.05的潮汐因子的數(shù)據(jù)后影響了異常信息的判斷。2014年2月起潮汐因子開始正常波動，在4月20日霍山地震前未超過2倍均方差，震后潮汐因子頻繁突跳，于5月超出正常范圍。分析認(rèn)為上述變化可能為同震反應(yīng)，但由于儀器故障較多，異常變化是否與霍山地震有關(guān)，還需要進一步驗證。2015年3月14日安徽阜陽發(fā)生M4.3級地震，震中距離六安地震臺為148.4 km，震前一個月該臺潮汐因子數(shù)據(jù)出現(xiàn)快速上升，超過正常波動幅度范圍，震后潮汐因子恢復(fù)至正常變化。這期間儀器工作穩(wěn)定，氣象因素?zé)o明顯變化。

4 結(jié) 論

(1)本文對安徽省工作狀態(tài)正常的8套TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變觀測儀的觀測資料進行分析研究，討論總結(jié)了體應(yīng)變受氣壓、降雨和水位影響的變化特征。結(jié)果表明，氣壓短期波動變化會引起體應(yīng)變固體潮發(fā)生畸變，兩者在時間上往往表現(xiàn)為基本同步或滯后變化；長周期的氣壓緩變會對鉆孔體應(yīng)變形態(tài)的趨勢變化產(chǎn)生影響，有時可能會影響幾天的數(shù)據(jù)變化。大蜀山和肥東地震臺體應(yīng)變與氣壓的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)在0.7以上，黃山、滁州和嘉山地震臺次之，六安、全椒及五河地震臺與氣壓相關(guān)性較差。

大蜀山、肥東、黃山及滁州地震臺受水位影響明顯，這4個臺站所處巖體較為破碎、透水性好，強降雨天氣時體應(yīng)變均能記錄到同步的即時效應(yīng)，而降雨補給又使得水位升高引起體應(yīng)變出現(xiàn)變化，其體應(yīng)變與水位變化較為同步，以月為窗長計算相關(guān)系數(shù)均達到0.9以上。嘉山、全椒、六安和五河地震臺體應(yīng)變與地下水位無顯著的相關(guān)性。安徽各地震臺體應(yīng)變觀測受氣壓、降雨和水位的影響程度及曲線形態(tài)明顯存在差異性，這主要與鉆孔條件、地質(zhì)構(gòu)造、儀器安裝質(zhì)量等因素密切相關(guān)，有裂隙、破碎帶的鉆孔觀測受干擾影響相對較大，比如肥東地震臺巖心裂隙較發(fā)育,而且位于郯廬斷裂帶及池河—西山驛斷裂帶上,巖體較為破碎,這種鉆孔條件對干擾具有放大作用，受氣象和水位影響十分典型。

(2)通過調(diào)和分析方法提取體應(yīng)變M2波潮汐因子指標(biāo)，討論了4次M≥4.0級地震前的短臨異常變化特征。安徽及鄰區(qū)地震活動水平偏低，且皖南地區(qū)體應(yīng)變臺站偏少，在體應(yīng)變預(yù)測效能范圍之內(nèi)僅有嘉山和六安地震臺在震前出現(xiàn)異常變化。嘉山潮汐因子在安慶M4.8、阜陽M4.3級震前有顯著的短臨異常，異常形態(tài)為“上升—恢復(fù)”和頻繁突跳變化，異常持續(xù)時間在1～3個月，地震發(fā)生在潮汐因子異常恢復(fù)過程中。六安地震臺在阜陽M4.3級地震前也出現(xiàn)了“上升—恢復(fù)”形態(tài)，霍山M4.3級地震前六安地震臺儀器有故障現(xiàn)象，異常信度相對降低，但有明顯的同震反應(yīng)。