德令哈臺豎直擺鉆孔傾斜儀觀測資料分析

許正霖，文勇，孟鑫，張敏，張文濤，楊浩

(青海省地震局 ,青海 西寧 810001)

0 引 言

大量的震例研究與巖石破裂試驗(yàn)表明，孕育地震所引起的地形變一般量級較小，且隨著震中距的增大快速衰減，只有高精度、高穩(wěn)定性的觀測儀器，才能觀測到來自地球內(nèi)部的地震形變信息。我國的地傾斜觀測經(jīng)歷了金屬擺傾斜儀(現(xiàn)已停產(chǎn))、石英擺傾斜儀、水管傾斜儀三個(gè)階段，觀測精度和穩(wěn)定性逐步提高[1]。CZB-1型豎直擺鉆孔傾斜儀是河南省地震局研制生產(chǎn)的高精度井下傾斜儀器，它的工作原理是利用一個(gè)鉛錘擺來測定地面傾斜變化[2]。該儀器防水性能好，可在40～80 m深水下長期工作，能夠清晰地記錄到固體潮日變形態(tài)；分析精度與石英傾斜儀相當(dāng),可用于固體潮水平分量的觀測。

德令哈地震臺CZB-1型豎直擺鉆孔傾斜儀安裝運(yùn)行于2006年，目前儀器運(yùn)行穩(wěn)定數(shù)據(jù)保存完整，同時(shí)儀器對于近震遠(yuǎn)震的記錄正常，通過對豎直擺鉆孔傾斜儀兩個(gè)分量同時(shí)出現(xiàn)的異常變化進(jìn)行分析，可以研究歸納其對于不同干擾的變化形態(tài)和不同地震的震前異常，同震響應(yīng)和震后變化等規(guī)律。

1 臺站概況

德令哈地震臺位于青藏高原柴達(dá)木盆地北部邊緣，該地區(qū)為走向北西西向逆沖斷層，線壯褶皺非常發(fā)育，垂直差異運(yùn)動強(qiáng)烈，是地應(yīng)力易于積累的地區(qū)。臺站周邊分布多條新生代活動斷裂帶，新構(gòu)造活動跡象也十分明顯，沿活動斷裂帶地震活動頻繁，發(fā)生過多次中強(qiáng)地震，最大震級6.8級。

2007年隨著數(shù)字化儀器的投入使用，城市的發(fā)展和周圍環(huán)境的變化，臺站周圍環(huán)境的影響對數(shù)字儀器的干擾突見明顯。

德令哈地震臺2006年7月18日～21日安裝了CZB-1型豎直擺鉆孔傾斜儀。該儀器探頭與表層水溫探頭在同一個(gè)井，探頭深度78 m。

2 德令哈鉆孔傾斜觀測數(shù)據(jù)變化特征

2014年因儀器故障更換儀器，2015年鉆孔傾斜北南分量日均值數(shù)據(jù)由3 734.16變化至3 288.11，數(shù)據(jù)呈小幅穩(wěn)定向南漂移；東西分量日均值數(shù)據(jù)由4 430.70上升至6 623.57，數(shù)據(jù)向東漂移幅度較大。2016年鉆孔傾斜北南分量日均值數(shù)據(jù)由3 301.37變化至2 686.26，數(shù)據(jù)呈小幅穩(wěn)定向南漂移；東西分量日均值數(shù)據(jù)由6 633.84上升至7 785.41，數(shù)據(jù)向東漂移幅度較大。2017年鉆孔傾斜北南分量日均值數(shù)據(jù)由2 697.49變化至3 510.66，數(shù)據(jù)呈小幅穩(wěn)定向北漂移；東西分量日均值數(shù)據(jù)由7 792.54上升至9 155.16，數(shù)據(jù)向東漂移幅度較大。綜合2015～2017年數(shù)據(jù)年變情況可以看出，鉆孔傾斜北南分量年變動態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)年變化范圍在400～800，變化幅度較??；東西分量年變幅度較大，但變化趨勢穩(wěn)定(持續(xù)向東漂移)，年變化范圍1 000～2 000，變化幅度較大。

圖1 2014～2017年鉆孔傾斜觀測年變趨勢曲線

3 德令哈鉆孔傾斜觀測干擾因素分析

3.1 觀測系統(tǒng)干擾

觀測技術(shù)系統(tǒng)包括儀器的供電、地震數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)，任一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，都會影響到地震資料的連續(xù)、準(zhǔn)確、可靠。德令哈地震臺的鉆孔傾斜儀經(jīng)過了多年的運(yùn)行，積累了非常豐富的、連續(xù)的資料，但也不可避免地出現(xiàn)了多次儀器故障。

圖2 觀測系統(tǒng)干擾

(1)儀器故障:2014年9月1日00時(shí)00分至9月3日23時(shí)59分由于儀器故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)斷記；9月4日至9月24日更換儀器后造成數(shù)據(jù)間歇性斷記，9月25日更換儀器后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常(圖2)；2015年12月18日數(shù)采死機(jī)，造成數(shù)據(jù)缺數(shù)，重啟數(shù)采后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

(2)供電影響: 2014年9月24日8時(shí)9分至8時(shí)32分由于UPS電源死機(jī)導(dǎo)致數(shù)據(jù)斷記 ,導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺數(shù)23個(gè)(圖2)；2015年3月25日17時(shí)14分至20時(shí)20分UPS電源故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺數(shù)186個(gè)；2015年3月26日9時(shí)47分至14時(shí)10分UPS電源故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺數(shù)263個(gè)。

德令哈地震臺鉆孔傾斜儀器儀器人為干擾具有持續(xù)時(shí)間短、突變、異常變化幅度較大等特點(diǎn)。因三套儀器(鉆孔傾斜1套、表層水溫2套)為同井觀測，當(dāng)任一儀器出現(xiàn)故障，進(jìn)行檢查或維修時(shí)，都會對其他二套儀器造成不同程度的干擾，但這也是保障儀器正常工作的重要環(huán)節(jié)，產(chǎn)生的干擾不可避免。

3.2 觀測環(huán)境變化干擾

德令哈地震臺的周邊環(huán)境復(fù)雜，黑石山水庫、巴音河、公園人工湖、農(nóng)用灌溉水渠等干擾源距離臺站最遠(yuǎn)均未超過直線1.5 km，不符合地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求。從鉆孔柱狀圖看，臺基表層被0．9 m厚的雜填土覆蓋，表層以下均為灰紅色、灰黑色相間的花崗巖，巖芯呈短柱狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部破碎，地下水屬于基巖裂隙含水層，主要由黑石山水庫和巴音河滲透補(bǔ)給，地下水位距地表20 m左右[3]。

(1)人工湖干擾：西北方向約100 m處的公園人工湖，是一座用來對公園樹木進(jìn)行澆灌湖泊，該人工湖蓄放水情況隨機(jī)性較強(qiáng)，沒有準(zhǔn)確的蓄水、排水?dāng)?shù)據(jù)，因此無法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。根據(jù)之前對德令哈臺水溫?cái)?shù)據(jù)的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，公園人工湖蓄水量的變化對深層水溫觀測產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，干擾時(shí)段在每年3月底11月初前后，每年首次變化的時(shí)間沒有規(guī)律性。對比每年3月底至11月初的鉆孔傾斜數(shù)據(jù)，未能發(fā)現(xiàn)較為明顯的干擾變化。

(2)灌溉水渠：該水渠位于井孔東北116 m處，寬1.5 m，北西走向。經(jīng)過調(diào)查水渠的水流量、供水時(shí)間等數(shù)據(jù)，與觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析認(rèn)為，由于水渠水流量較小，故對周圍巖體的擠壓作用不明顯，且2015年水渠改為管道供水避免了水流的滲漏情況，故未對傾斜觀測造成明顯干擾。綜上所述，灌溉水渠對鉆孔傾斜觀測有一定影響，但由于水流量較小數(shù)據(jù)未產(chǎn)生明顯變化。

圖3 水庫出入庫流量與鉆孔傾斜數(shù)據(jù)對比

(3)黑石山水庫：水庫位于井孔正北方向1.4 km處，調(diào)查統(tǒng)計(jì)了水庫2014～2016年的出入庫流量數(shù)據(jù)，將鉆孔傾斜觀測同期數(shù)據(jù)與其進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，鉆孔傾斜觀測數(shù)據(jù)并未表現(xiàn)出受到水庫流量變化的影響。由于儀器自安裝運(yùn)行以來已運(yùn)行十余年，設(shè)備老化嚴(yán)重，穩(wěn)定性較差，由于井下探頭故障且一直未能修復(fù)，故而未能真實(shí)反映到水庫干擾變化。

3.3 人為干擾分析

地震儀器的現(xiàn)場維修維護(hù)、調(diào)零、標(biāo)定及臺站附近的建筑施工等都會對地震觀測造成影響，同樣不容忽視。但人為干擾的因素是短期和暫時(shí)的，并且具有明顯的規(guī)律和特性。德令哈臺鉆孔傾斜儀數(shù)據(jù)受到的人為干擾因素主要有：現(xiàn)場維護(hù)維修及儀器的檢查標(biāo)定等。

(1)儀器檢查、標(biāo)定:鉆孔傾斜儀每半年進(jìn)行一次檢查、標(biāo)定，標(biāo)定導(dǎo)致數(shù)據(jù)凸跳(圖4)，預(yù)處理按照無效數(shù)據(jù)進(jìn)行缺數(shù)處理。

(2)臺站綜合改造:2016年5月29日11時(shí)34分至19時(shí)54分由于進(jìn)行臺站綜合觀測技術(shù)系統(tǒng)保障推廣改造項(xiàng)目施工，關(guān)閉儀器、切斷儀器電源造成鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)缺數(shù)501個(gè)。2016年5月31日15時(shí)44分至21時(shí)13分由于進(jìn)行臺站綜合觀測技術(shù)系統(tǒng)保障推廣改造項(xiàng)目施工，關(guān)閉儀器、切斷儀器電源造成鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)缺數(shù)330個(gè)。2016年6月3日進(jìn)行臺站綜合觀測技術(shù)系統(tǒng)保障推廣改造施工，造成鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)17時(shí)47分至17時(shí)49分?jǐn)?shù)據(jù)缺數(shù)，缺數(shù)2個(gè)。

圖4 人為干擾

德令哈地震臺表層水溫儀器人為干擾具有持續(xù)時(shí)間短、突變、異常變化幅度較大等特點(diǎn)，但因同井觀測儀器較多，在進(jìn)行檢查或維修時(shí)產(chǎn)生的干擾也較多且不可避免。

4 鉆孔傾斜同震變化分析

德令哈地震臺CZB-1型豎直擺鉆孔傾斜儀2014～2016年共記錄到國內(nèi)外地震事件共336個(gè)。其中，國內(nèi)震級最大的近震事件為2016年1月21日1時(shí)13分在青海省海北州門源縣(震中距377 km)發(fā)生的6.4級地震；震級最小的近震事件為2014年3月26日 17時(shí)6分在青海省海西州格爾木市(震中距172 km)發(fā)生 2.1級地震；國外震級最大的遠(yuǎn)震事件為2015年9月17日6時(shí)54分在智利(震中距18 344 km)發(fā)生的8.2級地震，震級最小的遠(yuǎn)震事件為2014年5月4日 20時(shí)42分在臺灣花蓮縣附近海域(震中距2 757 km)發(fā)生4.5級地震。德令哈鉆孔傾斜觀測都記錄到了清晰的同震響，200 km范圍內(nèi)同震響應(yīng)震級可達(dá)到2.0級，1 000 km以上范圍內(nèi)同震響應(yīng)震級可達(dá)到4.5級。

為了進(jìn)一步說明數(shù)據(jù)的同震響應(yīng)變化，分別以2014～2017年內(nèi)記錄到的震級最大的近震(2016年1月21日青海門源6.4級地震)和遠(yuǎn)震(2015年9月17日智利8.2級地震)為例進(jìn)行分析，所選地震在德令哈鉆孔傾斜觀測數(shù)據(jù)中記錄清晰，具有近震和遠(yuǎn)震的典型特征，且兩個(gè)地震發(fā)生前后數(shù)據(jù)沒有受到觀測系統(tǒng)和人為干擾因素的影響，數(shù)據(jù)具有分析價(jià)值。故選取這兩個(gè)地震進(jìn)行典型分析，研究地震對鉆孔傾斜觀測數(shù)據(jù)造成的變化。

4.1 門源6.4級地震

2016年1月21日1時(shí)13分青海省海北州門源縣發(fā)生6.4級地震，震源深度10 km，震中距離德令哈地震臺377KM km，地震發(fā)生后德令哈鉆孔傾斜觀測北南分量數(shù)據(jù)由1時(shí)19分的3 337.47突升至1時(shí)21分的3 660.71，至1時(shí)25分下降至3 342.25；東西分量數(shù)據(jù)由1時(shí)19分的6 605.64下降至1時(shí)21分的6 340.58，至1時(shí)25分上升至6 613.00，數(shù)據(jù)變化持續(xù)時(shí)間7分鐘。德令哈豎直擺鉆孔傾斜儀在此次地震發(fā)生前未見明顯的震前異常，在地震發(fā)生后的6分鐘記錄到清晰的同震響應(yīng)。

圖5 門源6.4級地震同震響應(yīng)及一階差分求速度值

4.2 智利8.2級地震

2015年9月17日6時(shí)54分智利發(fā)生8.2級地震，震中距離德令哈地震臺18 344 km，地震發(fā)生后27分鐘德令哈鉆孔傾斜觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生同震響應(yīng)，北南分量數(shù)據(jù)7時(shí)21分為3 036.73，8時(shí)7分變化至最大值3 126.915，9時(shí)8分變化結(jié)束，數(shù)據(jù)恢復(fù)至3 040.55；東西分量數(shù)據(jù)7時(shí)21分為5 843.31，8時(shí)17分變化至最大值6 065.46，9時(shí)8分變化結(jié)束，數(shù)據(jù)恢復(fù)至5 846.06，變化持續(xù)時(shí)間107分鐘。德令哈豎直擺鉆孔傾斜儀在此次地震發(fā)生前未見明顯的震前異常，在地震發(fā)生后的27分鐘記錄到清晰的同震響應(yīng)。

圖6 智利8.2級地震同震響應(yīng)及一階差分求速度值

德令哈地震臺鉆孔傾斜觀測雖然受到觀測系統(tǒng)、觀測環(huán)境等因素的干擾較為嚴(yán)重，數(shù)據(jù)變化形態(tài)受到影響，對近震和遠(yuǎn)震未見明顯的震前異常變化，只能記錄到清晰的同震響應(yīng)。

5 結(jié) 論

通過對德令哈臺鉆孔傾斜數(shù)據(jù)的的分析，對數(shù)據(jù)的干擾情況和同震響應(yīng)、震前震后異常變化有了進(jìn)一步的認(rèn)識，主要有以下幾點(diǎn)：

(1)通過對德令哈臺豎直擺鉆孔傾斜觀測資料的分析，認(rèn)為主要存在觀測技術(shù)系統(tǒng)干擾、人為因素干擾和觀測環(huán)境變化這三類干擾因素。

(2)觀測環(huán)境變化引起的干擾主要有人工湖蓄放水、水渠灌溉和水庫流量變化等幾種情況。德令哈臺受觀測環(huán)境干擾的情況比較特殊，所受干擾因素較多，包括黑石山水庫、公園人工湖以及灌溉水渠等，鉆孔傾斜數(shù)據(jù)受黑石山水庫蓄水、排水的影響較大。

(3)在排除各類干擾后，分析數(shù)據(jù)人為德令哈鉆孔傾斜數(shù)據(jù)因受到干擾較為嚴(yán)重，但對部分地震依舊有明顯的地震前兆異常，同震響應(yīng)變化也較為明顯，有較好的映震能力，同時(shí)對于震級較大的地震，其震后有明顯的震后變化記錄。

(4)當(dāng)多個(gè)前兆測項(xiàng)的探頭在同一口井孔時(shí)，現(xiàn)場維修其中的一個(gè)探頭會影響其它測項(xiàng)的正常記錄。

(5)在對地震觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析前，應(yīng)對其觀測系統(tǒng)、周圍環(huán)境、天氣變化等因素進(jìn)行調(diào)查，綜合各方面因素，合理比較數(shù)據(jù)變化，才能得出較為可靠的結(jié)論。