撫順地震臺(tái)洞體應(yīng)變異常變化綜合分析

孔祥瑞，翟麗娜，李夢(mèng)瑩

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0 引言

洞體應(yīng)變儀所觀測(cè)的是斷層兩點(diǎn)間水平變化量的精密測(cè)量?jī)x器，由于地殼變化與地震的關(guān)系極為相關(guān)，且多數(shù)地震前如海城地震、燈塔地震，洞體應(yīng)變都存在明顯的趨勢(shì)性異常變化，因此洞體應(yīng)變觀測(cè)為地震預(yù)報(bào)、分析地震孕育過(guò)程等相關(guān)領(lǐng)域提供了寶貴的研究資料[1-2]。

撫順地震臺(tái)SSY 銦瓦棒伸縮儀自2007 年觀測(cè)以來(lái)，該儀器一直保持著良好的運(yùn)行狀態(tài)，年變周期明顯，數(shù)據(jù)連續(xù)率高，并且在2013 年燈塔地震前，其EW 測(cè)項(xiàng)在2012 年出現(xiàn)明顯的張性變化，該異常變化持續(xù)約10 個(gè)月，燈塔5.1級(jí)地震發(fā)生后，該異常并未恢復(fù)，直到2014 年初該異常才恢復(fù)之前無(wú)異常的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)（圖1）。

圖1 撫順地震臺(tái)洞體應(yīng)變異常曲線圖Fig.1 Curves of the strain anomaly of Fushun Seismic Station

本次異常為洞體應(yīng)變觀測(cè)NE 分量，該分量自2016 年8 月出現(xiàn)壓性轉(zhuǎn)張性變化，而2017 年1 月開(kāi)始出現(xiàn)明顯的張性轉(zhuǎn)壓性變化且壓縮速率較快，至今已持續(xù)15 個(gè)月。與之前的速率存在較大差異性，該儀器EW 分量無(wú)明顯異常出現(xiàn)且年變形態(tài)較好。參考該儀器EW 分量曾在燈塔地震前存在明顯異常變化，因此對(duì)其變化成因分析也顯得尤為重要。

1 撫順臺(tái)區(qū)域構(gòu)造環(huán)境與觀測(cè)概況

撫順市地震臺(tái)坐落在撫順市區(qū)北部園林地帶，地處遼寧、吉林兩省交界的長(zhǎng)白山脈邊緣，東界施加溝菜窖，西界撫順師專，北界山脊，南臨高山路，南2 km 左右有渾河主干河流通過(guò)。位于渾河深大斷裂的南盤，新賓弧形構(gòu)造的東翼，屬鞍山群北大嶺亞組與毛燕亞組?；鶐r屬混合質(zhì)斜長(zhǎng)角閃巖、黑云片麻巖地區(qū)。具體座落北靠東西走向的山勢(shì)，南臨較為開(kāi)闊的山溝地帶。臺(tái)址附近多東西走向丘陵，植被為槐樹(shù)和落葉松混交林。氣候?qū)贉貛?，四季分明，春秋多風(fēng)、雷害，夏冬多降水，小氣候特點(diǎn)是輻射霧。洞室是由部隊(duì)的戰(zhàn)備山洞改建而成，洞室進(jìn)深61.46～174.32 m，覆蓋厚度33.6～49.5 m。植被是高棵喬木。洞室密封設(shè)施合理，溫度6.8℃，年變化量≤0.1 ℃（圖2，表1）。

圖2 撫順地震臺(tái)地震地質(zhì)概況Fig.2 Geological survey of Fushun Seismic Station

臺(tái)站觀測(cè)山洞所在區(qū)域?qū)儆谶|寧東部丘陵地帶的一部分，是山區(qū)與平原的結(jié)合部，長(zhǎng)白山向西南延伸的吉林哈達(dá)嶺和龍崗山脈的低山、丘陵為全市的地形骨架，地勢(shì)東高西低。境內(nèi)三面環(huán)山，中部是渾河谷地。東部鋼山主峰海拔1346.7 m，為省內(nèi)最高峰，西部劉爾屯降至海拔57 m，為全市最低點(diǎn)。附近地形表現(xiàn)為：東有河流，南臨公路，北部是開(kāi)闊山溝，西連丘陵山脈。山體表面植被為高棵樹(shù)木。位于陰山東西復(fù)雜構(gòu)造帶東段與新華夏構(gòu)造體系第二巨型隆起帶的交接部位，南約4、5 km 處有渾河深大斷裂通過(guò)。洞室附近主要巖石分布是二長(zhǎng)混合巖、角閃斜長(zhǎng)混合巖、煌班巖脈。觀測(cè)洞室的垂直覆蓋厚度24 m，側(cè)覆蓋厚度18 m；常年溫度10.0℃左右，日變溫度≤0.03℃，年變溫度≤0.5 ℃，濕度為80%。其間鐵皮門3 道，塑鋼密封門6 道。儀器墩材質(zhì)為花崗巖，安放儀器缽體的主墩5 個(gè)，均設(shè)有防震槽。水管傾斜儀測(cè)線長(zhǎng)度：EW 向與NS 向均為30 m，方位：NS 向20°，EW 向110°。VS 垂直擺的方位：NS 向0°，EW 向90°（圖3）。

表1 傾斜觀測(cè)山洞情況表

圖3 撫順臺(tái)洞室平面圖Fig.3 Cavern floor plan of Fushun Seismic Station

2 異常概況

撫順地震臺(tái)SS-Y 型洞體應(yīng)變觀測(cè)NE 分量自2016 年8 月出現(xiàn)壓性轉(zhuǎn)張性變化，而2017年1 月開(kāi)始出現(xiàn)明顯的張性轉(zhuǎn)壓性變化且壓縮速率較快，至今已持續(xù)15 個(gè)月，與之前的速率存在較大差異性，該儀器EW 分量無(wú)明顯異常出現(xiàn)且年變形態(tài)較好。

該儀器受到的主要干擾源是春季的5 級(jí)以上大風(fēng)干擾，7 級(jí)以上遠(yuǎn)震的干擾和雷電引起的波動(dòng)干擾等，但此種干擾不會(huì)產(chǎn)生斷記。全年主要人為干擾是儀器調(diào)零、儀器維修、標(biāo)定系統(tǒng)維修等原因造成的，為了分析預(yù)報(bào)應(yīng)用，對(duì)人為嚴(yán)重干擾時(shí)段的觀測(cè)記錄做缺數(shù)處理（表2）。

表2 撫順地震臺(tái)形變山洞附近主要干擾源

3 異常分析與性質(zhì)判定

洞體應(yīng)變觀測(cè)的日常觀測(cè)資料中，除了記錄到了能夠反映地殼應(yīng)力應(yīng)變變化的正常動(dòng)態(tài)信息，同時(shí)也記錄了如降雨、雷電、地震等外界環(huán)境因素等干擾。這些干擾信息夾雜在觀測(cè)信號(hào)中，影響數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，使得震前的一些短臨趨勢(shì)不易識(shí)別，因此排除以上干擾尤為重要[3-4]。

3.1 儀器工作狀態(tài)分析

對(duì)撫順洞體應(yīng)變觀測(cè)儀器的觀測(cè)日志、工作報(bào)告和標(biāo)定記錄，儀器的主機(jī)、傳感器、通信系統(tǒng)、供電線路、避雷設(shè)施、前置放大器等進(jìn)行了檢查，信號(hào)電壓與工作電壓均正常，對(duì)SSY 型洞體應(yīng)變儀的日志記錄進(jìn)行檢查，符合日常工作要求，儀器洞室干燥（僅洞室頂端有水珠，洞室壁潮濕）無(wú)積水，洞室水管儀儀器工作正常；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查撫順臺(tái)形變洞室儀器供電系統(tǒng)正常，數(shù)據(jù)、主機(jī)外觀線路系統(tǒng)外觀工作正常；主機(jī)箱螺絲等無(wú)氧化銹蝕現(xiàn)象；常年維護(hù)、標(biāo)定等技術(shù)保障正常，儀器穩(wěn)定可靠。對(duì)該儀器觀測(cè)環(huán)境干擾情況調(diào)查，儀器工作環(huán)境良好，伸縮儀器墩材質(zhì)為花崗巖，儀器在基巖巖墩上，均設(shè)有防震槽，檢查儀器測(cè)墩穩(wěn)定，無(wú)開(kāi)裂等情況。

3.2 周邊環(huán)境干擾

臺(tái)站周邊主要環(huán)境干擾為撫順發(fā)電廠和馬路，2005 年5 月8 日撫順市發(fā)電廠兩臺(tái)300MW三期熱電工程開(kāi)始建設(shè)，建設(shè)工程于2008 年9月建設(shè)完成，新廠廠址距離撫順臺(tái)站正南200 m，整個(gè)建設(shè)過(guò)程和工廠正式運(yùn)營(yíng)期間對(duì)撫順地震臺(tái)觀測(cè)山洞內(nèi)SS-Y 型洞體應(yīng)變儀和DSQ 型水管傾斜儀產(chǎn)生一定程度影響。而山洞正南50 m公路為山洞建洞以來(lái)一直存在的，所以對(duì)山洞內(nèi)儀器影響為背景影響，分析與此次異常的產(chǎn)生無(wú)明顯相關(guān)性。

3.3 干擾因素分析

洞體應(yīng)變主要受降雨干擾影響較大，強(qiáng)降雨對(duì)撫順地震臺(tái)洞體應(yīng)變的影響，主要表現(xiàn)為曲線的毛刺和固體潮畸變，都為短時(shí)干擾情況出現(xiàn)。以2016 年7 月25 日強(qiáng)降雨為例，由于受到強(qiáng)降雨影響，洞體應(yīng)變觀測(cè)三個(gè)分量均受到不同程度影響，具體表現(xiàn)為年變不清晰，短期加速，但影響時(shí)間較短，一般為降雨結(jié)束后的1 天，數(shù)據(jù)恢復(fù)原有趨勢(shì)且不會(huì)改變曲線長(zhǎng)期趨勢(shì)。

由此可推斷撫順地震臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)受降雨影響較為明顯，由于撫順臺(tái)無(wú)氣象觀測(cè)三要素，我們?nèi)犴樐仙匠堑卣鹋_(tái)降雨觀測(cè)資料情況對(duì)撫順地震臺(tái)洞體應(yīng)變NE 分量進(jìn)行對(duì)比分析。選取2007 年以來(lái)降雨數(shù)據(jù)并與該儀器進(jìn)行對(duì)比，據(jù)臺(tái)站收集資料，每年5—6 月為降雨旺季，其中EW 分量受降雨影響明顯，表現(xiàn)為毛刺，但并不會(huì)影響其總體形態(tài)，NS 分量和NE分量受降雨影響不明顯，且2017 年1 月并無(wú)大規(guī)模降雨和降雪，因此可排除氣象干擾因素（圖4）。

圖4 撫順地震臺(tái)洞體應(yīng)變與降雨情況對(duì)比Fig.4 Comparison of cavern strain and rainfall of Fushun Seismic Station

3.4 同山洞水管儀器對(duì)比分析

撫順?biāo)軆A斜儀與洞體應(yīng)變儀為同期儀器，水管儀觀測(cè)自2007 年正式運(yùn)行以來(lái)觀測(cè)穩(wěn)定，并且洞體應(yīng)變儀與水管傾斜儀各端點(diǎn)儀器位于同一觀測(cè)墩上。當(dāng)斷層運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)儀器兩端所記錄信息均應(yīng)出現(xiàn)異常變化，但本次異常出現(xiàn)的異常變化只有洞體應(yīng)變儀記錄到。從水管儀觀測(cè)曲線形態(tài)看，水管傾斜并未出現(xiàn)明顯同步異常，根據(jù)震例的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，異常發(fā)展具有準(zhǔn)同步性，因此該儀器短期變化作為地震前兆異常的可能性不大（圖5）。

圖5 撫順臺(tái)同墩儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.5 Comparison of observation data of the instruments set on the same base in Fushun Seismic Station

3.5 數(shù)字濾波處理和周期分析

利用數(shù)字濾波對(duì)洞體應(yīng)變觀測(cè)NE 分量處理分析，提取長(zhǎng)趨勢(shì)周期和年變周期變化，采用平滑濾波和周期分析提取趨勢(shì)項(xiàng)和周期項(xiàng)，分析洞體應(yīng)變的趨勢(shì)和周期變化異常特征，為異常核實(shí)分析提供參考。

采用三點(diǎn)線性平滑濾波的數(shù)學(xué)模型如下：

應(yīng)用平滑濾波方法提取趨勢(shì)項(xiàng)和周期項(xiàng)分析異常趨勢(shì)變化特征和年變周期變化特征，該儀器在2017 年4 月份后年變均出現(xiàn)年變幅度增大變化（圖6）。

圖6 撫順SSY 型洞體應(yīng)變NE 測(cè)項(xiàng)數(shù)字濾波和周期分析Fig.6 Digital filtering and periodic analysis of the NE component of Fushun SSY type cavern strain meter

應(yīng)用平滑濾波方法提取趨勢(shì)項(xiàng)和周期項(xiàng)分析異常趨勢(shì)變化特征和年變周期變化特征，結(jié)果顯示：洞體應(yīng)變EW 測(cè)項(xiàng)具有很好的年周期變化，在燈塔地震前，其年變化幅度有所減小，結(jié)果在2013 年發(fā)生燈塔5.1 級(jí)地震；2017 年出現(xiàn)加速和轉(zhuǎn)向異常，通過(guò)該方法發(fā)現(xiàn)，其年變幅度有所增大。分析結(jié)果表明，目前的異常變化與2013 年燈塔地震前異常形態(tài)有所差別，其在快速壓性變化的同時(shí)，年變幅度有所增大[5-6]。

3.6 NE 方向理論計(jì)算與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

由于撫順地震臺(tái)洞體應(yīng)變的三個(gè)分量觀測(cè)無(wú)單端數(shù)據(jù)，所以對(duì)于該儀器僅NE 方向第三分量出現(xiàn)的異常（NS 分量和EW 分量無(wú)同步異常變化），我們采用矢量分析，將NS 和EW 分量進(jìn)行矢量分析，矢量加和，計(jì)算出第三分量理論數(shù)值（圖7）。

圖7 理論第三分量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析圖Fig.7 Comparison of the calculated and measured values of the third component of the theory

由于該臺(tái)洞體應(yīng)變儀的NS 分量?jī)x器發(fā)生故障，于2013 年8 月6 日進(jìn)行更換，數(shù)據(jù)重新正式接入時(shí)間為2014 年12 月10 日，所以NS分量數(shù)據(jù)有14 個(gè)月的缺失。為了更清晰的把NE 分量理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相關(guān)性進(jìn)行分析，將數(shù)據(jù)分為兩個(gè)時(shí)間段：2007—2012 年，2012—2013 年，2015 年至今3 個(gè)階段。從NE分量2007—2012 年理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比分析可知：2011 年以前，NE 分量理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值相關(guān)性較好，均呈現(xiàn)為小幅壓性變化，但由于NS 分量?jī)x器頻繁發(fā)生故障，所以2011年，理論和計(jì)算值有較大差異。總體來(lái)說(shuō)，由NS 和EW 分量觀測(cè)值進(jìn)行擬合后的NE 理論曲線與NE 分量實(shí)測(cè)曲線一致性較好，說(shuō)明撫順臺(tái)SS-Y 型儀器較為穩(wěn)定；從NE 分量2012—2013 年，由于燈塔地震前EW 測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)明顯張性變化，而NE 測(cè)項(xiàng)并未記錄到該變化，理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比分析可知：該儀器的第三分量NE 測(cè)項(xiàng)映震效果不如EW 測(cè)項(xiàng)；而2015年至今，NE 分量理論計(jì)算曲線和實(shí)測(cè)曲線大體趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)壓性變化，進(jìn)一步說(shuō)明該儀器工作狀態(tài)較好，從而說(shuō)明NE 分量發(fā)生大幅壓縮現(xiàn)象真實(shí)可靠，從矢量加和計(jì)算來(lái)排除儀器故障導(dǎo)致的異常現(xiàn)象。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)撫順地震臺(tái)SSY 型洞體應(yīng)變NE 分量的詳細(xì)分析，觀測(cè)系統(tǒng)的檢查情況、測(cè)區(qū)觀測(cè)環(huán)境調(diào)查情況、輔助資料等的資料異常變化，并結(jié)合建立的濾波和周期數(shù)學(xué)模型進(jìn)行科學(xué)合理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觯J(rèn)為其近期的壓性加速表明該地區(qū)存在壓性變化，但根據(jù)與其他測(cè)項(xiàng)及其他觀測(cè)儀器對(duì)比分析認(rèn)為，其加速變化受儀器本身性能影響可信度并不高。