門源6.9級地震前后高臺鉆孔傾斜異常特征分析

李娜，武善藝，雷正超，胡源

(1.甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省地震局張掖中心站，甘肅 張掖 734300)

0 引 言

2022年1月8日凌晨1點45分在青海門源 發(fā)生6.9級地震，該地震發(fā)生在祁連地震帶中東段，震中500 km范圍內(nèi)甘肅省內(nèi)形變僅高臺鉆孔傾斜南北分量震前出現(xiàn)短期異常變化，于2021年10月14日出現(xiàn)加速北傾異常。根據(jù)現(xiàn)場核實情況分析認為，存在一定的人為干擾，但通過人為干擾試驗對比，認為除人為干擾變幅外，還存在地殼應力改變導致的加速異常。門源6.9級地震后高臺鉆孔傾斜南北分量異常仍持續(xù)發(fā)展，同期祁連山西段出現(xiàn)新形變異常，門源6.9級地震后祁連地震帶西段德令哈市發(fā)生了5.8級和6.0級地震。高臺鉆孔傾斜加速北傾異常對祁連地震帶6級以上地震具有較好的指示意義。

1 高臺鉆孔傾斜資料及異常形態(tài)分析

1.1 高臺基礎資料介紹

高臺位于青藏高原北部邊緣，祁連山北緣斷裂帶中段，該地區(qū)為走向北西西向逆沖斷層，線狀褶皺非常發(fā)育，垂直差異運動強烈，是地應力易于積累的地區(qū)。高臺觀測站位于合黎山—龍首山褶皺帶南緣與走廊斷陷的分界處，河西系高臺—榆木山隆起與祁呂西褶皺外緣與古北西向構造斜撞復合部位。區(qū)域地質構造以合黎山—龍首山北西西向隆起帶為主，西起金塔，東至河西堡東，總體走向呈北50°-60°西，其間與高臺—榆木山構造帶斜接復合[1](圖1)。該觀測站建于河西走廊的大片花崗巖體出露的地震帶上，臺基巖性為海西期花崗巖。形變觀測項目包括四分量鉆孔應變和鉆孔傾斜兩種，其中鉆孔傾斜儀所在鉆孔深49.4 m，井孔直徑為∮130～134 mm裸孔，儀器型號為CZB-2A。傾斜探頭位于井下48.5 m處，井內(nèi)有水，水面到井口距離為6 m左右。該儀器于2006年8月架設，運行穩(wěn)定，資料連續(xù)可靠。由于工作年限過長，電子原件老化，數(shù)據(jù)漂移嚴重，觀測數(shù)據(jù)年變逐漸消失，2016年7月7日對探頭部分電子原件進行了更換維修，重新下井觀測至今。維修后儀器連續(xù)率、精度更優(yōu)于以前，年變更有規(guī)律可循。

圖1 高臺一般站地質構造分布

2021年3月19日高臺鉆孔傾斜由于舊數(shù)采出現(xiàn)了不可維修的故障，隨即更換備用數(shù)采，由于是新舊數(shù)采系統(tǒng)略有差別，經(jīng)過標定格值相差較大，當日沒有啟用新格值，仍沿用舊格值。觀測10天后，經(jīng)過對比，更換數(shù)采后觀測數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)趨勢性變化，數(shù)據(jù)曲線穩(wěn)定。3月29日再次經(jīng)過標定，前后標定格值符合規(guī)范，即日啟用新格值。由于新格值是舊格值的兩倍，故日變幅度發(fā)生變大現(xiàn)象，幅度是原來的兩倍。

自更換新數(shù)采以來，觀測數(shù)據(jù)每日均存在缺數(shù)現(xiàn)象，觀測精度有所下降(表1)，自2015年以來鉆孔傾斜觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率(表2)，2021年由于更換數(shù)采，連續(xù)率明顯下降。

表1 鉆孔傾斜調和分析以及觀測儀器精度變化

表2 高臺鉆孔傾斜連續(xù)率統(tǒng)計

1.2 門源6.9級地震前異常特征分析

高臺鉆孔傾斜南北分量于10月14日15時開始出現(xiàn)臺階變化，隨后數(shù)據(jù)一直處于加速北傾狀態(tài)(圖2)。由于2016年6月對探頭整體進行維修重新下井，2017年儀器處于待穩(wěn)定狀態(tài)，直到2019年起年變形態(tài)開始逐漸穩(wěn)定，呈現(xiàn)完整且有規(guī)律的年變形態(tài)。但自2017年以來，數(shù)據(jù)每年都呈現(xiàn)夏高冬低的年變形態(tài)，10月到達每年低值并開始轉折北傾，北傾持續(xù)時間為4～6個月。計算自2017年開始10月的轉折北傾速率，相比而言，除了2017年上升速率應與儀器處于穩(wěn)定狀態(tài)有關以外，2021年10月中旬以來的北傾速率為近幾年最快(表3)，僅3個月北傾斜率高達1.592 1，遠超2018年以來的北傾變化速率。

圖2 高臺鉆孔傾斜分鐘值趨勢變化(2021-10-12～2021-10-21)

表3 高臺鉆孔傾斜轉折北傾速率統(tǒng)計(2017～2022年)

利用一般多項式分段式曲線對南北分量觀測數(shù)據(jù)進行擬合去趨勢分析(圖3)，數(shù)據(jù)于2019年5～7月表現(xiàn)出超閾值現(xiàn)象，隨后在同年9月16日發(fā)生甘州5.0級地震；2020年3月表現(xiàn)超閾值，全年無地震對應，2021年10月出現(xiàn)超閾值，與北傾加速變化出現(xiàn)時間基本一致，只是隨后原始曲線中北傾變化持續(xù)，去趨勢后無超閾值現(xiàn)象，2022年1月8日發(fā)生門源6.9級地震，原始曲線表現(xiàn)為階降變化，同一時間去趨勢結果顯示超閾值變化。

1.3 異常核實情況

1.3.1 觀測儀器檢查

觀測儀器運行正常，市電電壓為219.8V，電壓穩(wěn)定數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)均工作正常，觀測條件符合《地震及前兆數(shù)字觀測技術規(guī)范》[2]，觀測儀器標定結果合格。由于新舊數(shù)采數(shù)據(jù)線連接端口不一致，因此舊數(shù)據(jù)線連接新數(shù)采存在端口不匹配易松動的問題，且在數(shù)據(jù)開始加速上升前一天對數(shù)據(jù)端插口進行插拔存在人為干擾，因此現(xiàn)場反復插拔對觀測數(shù)據(jù)做對比分析認為插拔造成小幅臺階變化但并不影響速率變化形態(tài)，因此認為高臺鉆孔傾斜南北分量加速北傾異常與插拔數(shù)據(jù)線無關。

圖3 高臺鉆孔傾斜南北分量去趨勢變化(2017-01-01～2022-01-09)

1.3.2 觀測井及觀測環(huán)境檢查

觀測井內(nèi)井壁完整，線路無損壞，僅在井外壁有一馬蜂窩空殼，已清理至井外。觀測環(huán)境正常無干擾，污水處理廠自2019年建成后一直工作至今，距臺站400 m處有一工作多年的采石場，不定期爆破會對鉆孔四分量造成臺階影響，但由于采石場存在多年，因此不能作為鉆孔傾斜南北分量加速北傾的干擾原因。

2 異常可靠性檢驗

根據(jù)對高臺鉆孔傾斜異常形態(tài)現(xiàn)場核實情況，對該項資料變化受觀測系統(tǒng)、觀測環(huán)境、氣壓以及地下水位等因素影響進行全面檢查和分析：(1)儀器運行正常、交直流供電正常，儀器無漂移情況。(2)鉆孔井壁完整，不存在破碎滲水現(xiàn)象。(3)觀測環(huán)境內(nèi)不存在新的施工干擾，原有的干擾源僅有一個相距400 m 的采石場，近期無新的施工項目。(4)檢查工作日志，異常形態(tài)產(chǎn)生前有確定的人為活動干擾，重復人為操作后數(shù)據(jù)形態(tài)并未發(fā)生改變。(5)高臺一般觀測站氣象三要素變化平穩(wěn)無異常(圖4)，鉆孔傾斜全年呈現(xiàn)夏高冬低的變化形態(tài)，同溫度、降雨量呈正相關，同氣壓變化呈負相關，2021年降雨相比前兩年有所增加，其余無顯著異常變化，鉆孔傾斜南北分量加速北傾前無顯著大幅降雨。高臺靜水位觀測井與高臺鉆孔傾斜觀測井相距10 m，并不在同一觀測井內(nèi)。2017年以來觀測數(shù)據(jù)顯示，高臺靜水位和鉆孔傾斜南北分量整體呈現(xiàn)徑向變化，僅在2018年4～11月期間，南北向測道與靜水位呈同向變化，南北分量轉折南傾的同時，高臺水位呈現(xiàn)不同于以往上升變化的下降形態(tài)，這是由于在此期間觀測井南側1.5 km處修建攔水壩并開始蓄水所致[3]。2020年12月底由于高臺水位觀測儀器故障，完全換新觀測儀器后，觀測數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)不能完全銜接而產(chǎn)生階降，觀測形態(tài)仍與往年一致，水位高值、低值月份與往年相同，但相比往年夏季水位偏高，冬季水位偏低，即自更換水位觀測系統(tǒng)后，記錄到的水位整體變化速率加快，從而出現(xiàn)高、低值較往年偏高的現(xiàn)象，目前高臺水位并未出現(xiàn)與高臺鉆孔傾斜南北分量準同步異常變化(圖5)。因此認為人為干擾不是導致數(shù)據(jù)上升速率加快的主要原因，北傾變化較為可靠，可作為前兆異常。

圖4 高臺鉆孔傾斜和氣象三要素對比曲線

圖5 高臺鉆孔傾斜和高臺靜水位對比曲線

3 異常變化分析

3.1 門源6.9級地震前高臺鉆孔傾斜南北分量分析

3.1.1 速率法分析結果

由于高臺鉆孔傾斜觀測較早，2016年由于儀器故障老化嚴重，數(shù)據(jù)漂移過快，于當年7月更換鉆孔傾斜探頭的部分原件，然后重新下井進行觀測，更換探頭原件前后數(shù)據(jù)變化形態(tài)差異較大。采用速率分析指標法對高臺鉆孔傾斜南北分量自2019年以來的數(shù)據(jù)進行分析(圖6)，計算結果中三個異常點出現(xiàn)時間分別為2019年8月5日，2021年6月19日和8月23日，根據(jù)預測地震結果來看，2019年異常點對應了甘州5.0級地震，2021年兩個異常點應是對應了阿克塞5.5級地震，目前原始曲線上自10月15日出現(xiàn)的加速北傾異常并未計算出超閾值異常點，雖然通過R值檢驗，但利用速率分析法計算結果顯示門源6.9級地震前并未捕捉到超閾值異常點。

3.1.2 高臺單點GPS速率變化分析

對比高臺單點GPS速率變化情況，自2011年以來高臺單點南北向GPS觀測數(shù)據(jù)呈壓性形態(tài)(圖7左)，去除趨勢后整體變化趨勢平緩，速率無顯著異常變化，趨勢也未發(fā)生顯著轉折，年變形態(tài)完整，同樣呈現(xiàn)與鉆孔傾斜相同的“夏南傾冬北傾”變化(圖7右)，轉折北傾時間與鉆孔傾斜基本一致，為10月左右，由于GPS觀測數(shù)據(jù)相比定點更新滯后2個月，因此截至12月，高臺南北向GPS呈現(xiàn)北傾壓性變化，與鉆孔傾斜南北變化一致，但是就北傾速率而言，與往年GPS同期基本一致。

圖6 高臺鉆孔傾斜南北分量速率分析結果

圖7 高臺單點GPS觀測南北向變化

3.2 高臺觀測站歷史震例同震變化分析

高臺鉆孔傾斜觀測站附近自資料變化于2017年開始平穩(wěn)以來，甘肅省及附近區(qū)域發(fā)生中強地震共6次，包括2019年9月16日甘州5.0級地震(震中距101.37 km)，夏河5.7級地震(震中距542.37 km)，2021年5月22日瑪多7.4級(震中距551.23 km)、6月16日茫崖5.8級(震中距538.48 km)、8月26日阿克塞5.5級(震中距376.03 km)、12月19日茫崖5.3級(震中距611.82 km)以及2022年1月8日青海門源6.9級地震(震中距221.51 km)。除夏河5.7級、茫崖5.3級地震外，其余中強地震前鉆孔傾斜均記錄到同震變化，表現(xiàn)以單點突跳、高頻振蕩以及階變?yōu)橹?表4)。

根據(jù)表4可知，距離觀測站300 km范圍內(nèi)的地震更容易導致資料產(chǎn)生臺階變化，記錄到最遠的同震響應地震為瑪多7.4級；5個具有同震響應的地震中，4個發(fā)生在祁連山地震帶，與觀測站構造相關，距離較遠的瑪多7.4級地震屬于左旋走滑，發(fā)生在青藏高原中北部的巴顏喀拉塊體，歐亞參考框架下，巴顏喀拉地塊東向運動明顯快于北側的柴達木地塊[4]，因此對相鄰的柴達木地塊北部有一定的應力擠壓作用；對于兩次茫崖5.8級、5.3級地震而言，二者均發(fā)生在柴達木盆地北緣斷裂帶——柴達木盆地斷陷區(qū)與北部祁連山斷裂帶的重要分界線，但是茫崖5.8級地震距離更近、震級更高，因此震前記錄到同震單點突跳，而茫崖5.3級地震相距較遠，震級偏小，無顯著同震形態(tài)出現(xiàn)。

表4 高臺鉆孔傾斜的同震響應特征匯總

3.3 高臺鉆孔傾斜異常與門源6.9級地震的關系

在甘州5.0級地震前高臺鉆孔傾斜并未表現(xiàn)出顯著短期異常變化，但是在門源6.9級地震前，高臺鉆孔傾斜南北分量出現(xiàn)顯著的加速北傾異常，震后如圖8所示，同震階變后，加速形態(tài)仍在持續(xù)，且階變前后速率并未改變。就觀測站位置而言，與門源6.9級地震相距221.51 km，均位于祁連山地震帶中部，且形成階降，此次加速北傾與門源6.9級地震具有一定的相關性。

圖8 門源6.9級地震后高臺鉆孔傾斜變化

牛安福[5]在統(tǒng)計地傾斜變化與地震關系時提出，地傾斜突變是指異常變形幅度和持續(xù)加速變化時間不同于正常變化過程。6.5級以下中強地震200 km范圍內(nèi)會有突變的傾斜異常點，7級以上地震的突變地傾斜異常點的震中距則可達上千公里；地傾斜突變異常持續(xù)時間越長，變幅越大，震級越大。據(jù)此，對門源地震前高臺鉆孔傾斜南北分量的加速北傾異常(2021-10-15～2022-01-08)進行對應分析：

(1)異常變化與震中距。根據(jù)表4中震例統(tǒng)計情況可知，200 km范圍內(nèi)僅有一次甘州5.0級地震，對高臺鉆孔傾斜南北分量進行速率分析(圖9)，甘州5.0級地震前存在速率超限異常(以相對速率的1.5倍均方差為限)；門源6.9級地震震中距地傾斜突變點221.51 km，雖然超出200 km，但是震級較大且未達到7級以上，因此門源6.9級地震與高臺鉆孔傾斜南北分量北傾加速異常具有一定的相關性。

(2)異常持續(xù)時間與震級。從速率超限持續(xù)時間來看，門源6.9級地震前超限時間(90天)比甘州5.0級地震前超限時間(6天)長，根據(jù)牛安福[4]采用最小二乘擬合得到的持續(xù)時間與震級統(tǒng)計關系(M=1.36lgT+3.786)得到的預測震級分別為4.84級和6.44級，擬合平均誤差0.35級，因此2019年速率超限異常預測震級為5.19級，2021年10月以來的速率超限異常預測震級為6.79級，與甘州5.0級地震和門源6.9級地震震級接近；只是門源6.9級地震前速率超限最大幅度(0.003 19)較甘州5.0級地震前速率超限最大幅度(0.005 67)小，這與震中距越近，幅度越大相符。

圖9 高臺鉆孔傾斜南北分量相對速率分析

3.4 門源6.9級地震后高臺鉆孔傾斜加速形態(tài)分析

門源地震后高臺鉆孔傾斜南北分量加速形態(tài)并未發(fā)生改變，由于同震導致階降，但是同震變化前后南北分量加速北傾速率一致并未發(fā)生變化。門源6.9級地震前半個月，祁連山地震帶西段出現(xiàn)新的形變異?！参鞔怪睌[傾斜南北分量自2021年12月16日出現(xiàn)加速北傾形態(tài)，與高臺鉆孔傾斜南北分量異常形態(tài)相似，異常分量方向相同，說明臺站附近區(qū)域的地殼應力有明顯改變。門源6.9級地震后安西再次出現(xiàn)新的異?！参鞫大w應變南北分量自2022 年1月9日出現(xiàn)轉折壓性破年變變化，說明該區(qū)域南北向擠壓應力增強，地震緊迫性同樣增強。

1月23日德令哈5.8級地震發(fā)生在高臺鉆孔傾斜南北分量與安西垂直擺南北分量同步加速北傾過程中，此時安西洞體應變南北分量轉折壓性破年變變化，而德令哈5.8級地震同門源6.9級地震均屬于走滑型地震，因此門源地震后高臺鉆孔傾斜仍然保持與門源地震前形態(tài)一致；3月初高臺鉆孔傾斜南北分量與安西垂直擺南北分量北傾速率同步減緩轉平，隨后發(fā)生3月17日肅南5.1級和3月26日德令哈6.0級地震，此時安西洞體應變南北分量恢復緩慢拉張形態(tài)；4月15日德令哈5.4級地震前高臺鉆孔傾斜南北分量和安西垂直擺南北分量出現(xiàn)轉折南傾(由于放大盒故障導致數(shù)據(jù)形態(tài)壓縮呈平直狀態(tài)，實際分鐘值呈南傾形態(tài))，且安西洞體應變在恢復拉張后再次出現(xiàn)轉折壓性變化[6]。德令哈震群前祁連山中西段形變異常形態(tài)如圖10所示。

圖10 祁連山中西段形變同步異常特征曲線

4 結 論

根據(jù)對高臺鉆孔傾斜在門源6.9級地震前后出現(xiàn)的加速北傾異常進行分析，得出以下結論：

(1)自異常出現(xiàn)以來，經(jīng)過近一個月的資料跟蹤以及現(xiàn)場核實認為，自更換數(shù)采以后，觀測數(shù)據(jù)格值變大，觀測精度顯著降低，觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率下降。針對此次加速北傾變化，認為干擾因素發(fā)生時間與異常變化時間高度同步，經(jīng)過現(xiàn)場重復插拔以及以往插拔重啟操作前后數(shù)據(jù)形態(tài)對比，基本排除人為導致數(shù)據(jù)形態(tài)加速北傾異常的可能。

(2)根據(jù)以往研究得到的地傾斜突變異常與地震關系分析認為，門源6.9級地震與此次高臺鉆孔傾斜南北分量出現(xiàn)的加速北傾異常有關。利用地傾斜突變異常幅度、持續(xù)時間與震級之間的統(tǒng)計關系，計算得出的預測震級與門源6.9級地震基本相符。

(3)由于震后加速異常并未結束，速率分析結果也仍存在超限異常，且臺站附近300 km內(nèi)震例多以5級左右地震為主，因此加速北傾異常對高臺觀測站半年內(nèi)附近300 km內(nèi)的5級左右地震仍然具有一定的指示意義。同時祁連山西段的安西觀測站自12月起出現(xiàn)與高臺鉆孔傾斜南北分量的同步異常變化，且于不同變化過程對應了德令哈震群中的不同類型地震，說明高臺鉆孔傾斜南北分量在門源6.9級地震前后的加速異常雖然速率相同，但是異常指示意義發(fā)生了改變，而表現(xiàn)相同的異常形態(tài)可能與地震類型相同有關。