臨汾中心地震臺體應(yīng)變大幅變化的異常分析

陳永前，李宏偉

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

當(dāng)今地震成因理論認(rèn)為地震是地應(yīng)力(應(yīng)變)變化導(dǎo)致的。因此，要研究和預(yù)報地震，就必須對地應(yīng)力變化進(jìn)行觀測。1966年邢臺地震后，在李四光先生的倡導(dǎo)下，我國首先應(yīng)用壓磁元件傳感技術(shù)開展了以地震預(yù)報為目的的鉆孔應(yīng)力連續(xù)觀測。1968年9月，美國卡耐基研究所的薩克斯和德克薩斯大學(xué)的埃佛森研制出世界上第一臺鉆孔體應(yīng)變儀[1]。我國的鉆孔應(yīng)變觀測已有40多年，主要以體積式和分量式兩種鉆孔應(yīng)變儀為主，精度達(dá)到10-9，可以記錄到各種應(yīng)變潮汐和非應(yīng)變信息。隨著大量觀測資料的產(chǎn)出積累，如何在日常觀測中核實(shí)并剔除非震異常信息是目前迫切需要解決的問題，也是為進(jìn)一步研究地下區(qū)域應(yīng)力場應(yīng)力變化、提取與地震前兆異常連續(xù)可靠的數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)[2]。

由于前兆觀測中多數(shù)的地震前兆異常與非震前兆異常無顯著區(qū)別，兩者不僅會受觀測系統(tǒng)自身的影響，還會受到其他因素的干擾。影響因素復(fù)雜多樣，必須經(jīng)過詳細(xì)的異常核實(shí)后，才能確認(rèn)干擾源及準(zhǔn)確進(jìn)行異常資料性質(zhì)判定。按照中國地震局監(jiān)測司下達(dá)的核實(shí)異常要求[3]，對臨汾中心地震臺(以下簡稱臨汾臺)鉆孔體應(yīng)變2017年12月15日至29日出現(xiàn)的高頻抖動異常進(jìn)行核實(shí)分析，以準(zhǔn)確判定異常的性質(zhì)。

1 臺站觀測技術(shù)系統(tǒng)

1.1 臺站位置及附近的斷裂

臨汾臺(龍祠)處于臨汾盆地西緣，呂梁復(fù)背斜南部東翼，向東傾的汾西向斜和向西傾的牛王廟向斜扭轉(zhuǎn)處，在龍祠背斜的軸部附近[4]。

臨汾盆地內(nèi)部斷裂構(gòu)造復(fù)雜，西以羅云山斷裂與羅云山隆起為鄰，東為大陽斷裂，北靠洪洞凹陷，南接襄汾凸起，新生界最厚沉積位于凹陷中部約2 200 m，沉積中心位于臨汾至甘亭一帶，在羅云山山前斷裂東側(cè)龍祠一帶亦有一個次級沉降中心，呈北北東向地塹形，受控于北北東向的汾東斷裂和汾西斷裂，這兩條斷裂原是霍山馬頭山背斜上的縱張破裂，其形成時斷錯較淺，因此斷陷也較淺。

羅云山山前斷裂帶位于臨汾盆地西緣，斷裂全長145 km，傾向SE，是在中生代呂梁山復(fù)背斜東翼逆斷裂帶基礎(chǔ)上形成的一條正斷兼具右旋走滑分量的斷裂帶。它控制著臨汾盆地中部凹陷的西界，凹陷北界為洪洞-蘇堡斷裂，東為浮山凸起，是一個走向NNE，略向W傾斜的地塹；凹陷內(nèi)發(fā)育2個次級沉降中心：臨汾-甘亭沉降中心和龍祠沉降中心；后者緊靠羅云山山前斷裂帶與其同方向發(fā)育，沉降中心中新生界厚度1 800 m，其中上新統(tǒng)厚1 100 m，第四系厚700 m；第四紀(jì)以來凹陷區(qū)的沉降有逐漸增強(qiáng)的趨勢。

1.2 臨汾臺體應(yīng)變觀測系統(tǒng)

體應(yīng)變儀安裝在山洞西面洞口處的鉆孔里，鉆孔高程為455 m。鉆孔孔深70.35 m。實(shí)際安裝位置69 m，鉆孔孔徑Φ130 mm，鉆孔水位為干孔，鉆孔巖性主要成分為灰?guī)r，強(qiáng)度較高，結(jié)構(gòu)較完整，部分節(jié)理及裂隙被充填，充填物以長石為主(見第18頁圖1)。

圖1 臨汾臺體應(yīng)變鉆孔內(nèi)部概況Fig.1 Internal conditions of the borehole of the volumetric strain at Linfen Station

2 體應(yīng)變異常變化調(diào)查分析

2.1 異常變化特征

臨汾臺體應(yīng)變在2017年12月15日06:52至29日15：45固體潮曲線出現(xiàn)畸變，無潮汐形態(tài)并伴有高頻抖動, 26日當(dāng)日最大變幅為2 270.4(×10-9),觀測值出現(xiàn)單向壓性變化。數(shù)據(jù)變化之后，檢查觀測儀器、環(huán)境、供電均正常，無人為干擾(見圖2)。

圖2 體應(yīng)變及輔助測項數(shù)據(jù)變化曲線Fig.2 Variation of volumetric strain data andthe auxiliary observation data

2.2 異常初步排查

如圖2所示，體應(yīng)變呈現(xiàn)壓性變化，通過對比同步輔助測項氣壓和溫度觀測曲線發(fā)現(xiàn)，輔助氣壓無顯著變化；輔助溫度在11日至18日觀測值略偏低，18日后恢復(fù)正常。體應(yīng)變在15日至29日出現(xiàn)壓性變化，變化前后觀測區(qū)域內(nèi)及周邊無降雨發(fā)生。因此，初步排除溫度、氣壓和降雨的影響。

2.3 現(xiàn)場異常核實(shí)

2.3.1 觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查臨汾臺體應(yīng)變、數(shù)采以及觀測墩周圍環(huán)境情況，未見明顯異常, 山洞儀器供電系統(tǒng)市電、UPS供電電壓正常。

2.3.2 觀測環(huán)境干擾情況調(diào)查

現(xiàn)場調(diào)查根據(jù)地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求，結(jié)合臨汾臺的觀測環(huán)境和水文地質(zhì)條件，主要針對山洞周圍的環(huán)境變化情況，山洞周圍是否有大型的施工作業(yè)及山洞內(nèi)溫度、濕度等進(jìn)行調(diào)查。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，臺站周圍存在4處采石點(diǎn)和荒山綠化施工場地，距離臺站大約1 km左右(見圖3)。采石點(diǎn)并非近期才開始采石作業(yè)，歷史數(shù)據(jù)未記錄到受采石作業(yè)影響的情況，認(rèn)為臺站周圍的施工與此次數(shù)據(jù)異常變化相關(guān)性較小。體應(yīng)變數(shù)據(jù)異常變化期間，臺站周圍無明顯干擾，觀測洞室內(nèi)基本恒溫，觀測環(huán)境較為穩(wěn)定。

圖3 臨汾臺周圍的采石點(diǎn)位置圖Fig.3 The location of the quarrying point around Linfen Station

2.4 形變異常變化分析

2.4.1 更換體應(yīng)變備用傳感器

TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀測量系統(tǒng)由鉆孔應(yīng)變儀主機(jī)、探頭以及相應(yīng)的連接線路構(gòu)成[4]。對于臨汾體應(yīng)變數(shù)據(jù)變化，首先排查供電系統(tǒng)，檢查發(fā)現(xiàn)供電系統(tǒng)正常。檢查連接線路，發(fā)現(xiàn)線路保護(hù)殼里放大器處有被老鼠咬碎的塑料碎屑。待核實(shí)人員打開放大器盒子后，放大器里面很干燥且完好無損，排除老鼠造成干擾的可能。在了解到臨汾體應(yīng)變自觀測以來數(shù)據(jù)質(zhì)量不高時，認(rèn)為可能是儀器本身的問題，決定更換體應(yīng)變備用傳感器。更換后，數(shù)據(jù)恢復(fù)到正常的固體潮汐狀態(tài)，記錄曲線清晰，認(rèn)為數(shù)據(jù)異常可能是傳感器的問題(見第19頁圖4)。

2.4.2 固體潮振幅比A分析

對體應(yīng)變記錄的整點(diǎn)值觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合檢驗(yàn)，求取觀測值固體潮振幅比A，即觀測數(shù)據(jù)與理論固體潮振幅之比。計算2017年的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)體應(yīng)變固體潮振幅比相對穩(wěn)定(見圖5)。

圖4 臨汾臺體應(yīng)變更換備用傳感器前后數(shù)據(jù)變化曲線Fig.4 Data before and after the replacement of the sensor of volumetric strain at Linfen Station

圖5 臨汾臺體應(yīng)變2017年固體潮振幅比曲線Fig.5 The solid tide amplitude ratio of volumetric strain at Linfen Station in 2017

2.4.3 漂移一次項系數(shù)K1分析

儀器的漂移特征和場地地基的穩(wěn)定性主要反映在K1中，為識別地震前兆異常，通常要求儀器的漂移系數(shù)K1變化微小且線性。經(jīng)計算，2017年1-12月，體應(yīng)變的K1值基本穩(wěn)定在-9.434 98附近，除近期受儀器故障干擾外，整體波動較小(見圖6)。

圖6 臨汾臺體應(yīng)變2017年漂移一次項系數(shù)Fig.6 The drift linear coefficients of volumetric strain at Linfen Station in 2017

2.4.4 頻譜分析

為驗(yàn)證體應(yīng)變數(shù)據(jù)變化是否由傳感器干擾造成，選取2017年9月8日墨西哥8.2級地震作為干擾源對臨汾地區(qū)的頻譜進(jìn)行分析。首先對比9月8日當(dāng)天臨汾臺地區(qū)和體應(yīng)變的頻譜關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)頻率的一致性較好，說明臨汾臺體應(yīng)變能夠很好地記錄到同震響應(yīng)(見圖7)。

對臨汾臺體應(yīng)變異常期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)臨汾臺頻譜中不包含體應(yīng)變的頻率，即體應(yīng)變近期的異常不是由構(gòu)造因素或前震引起(見第20頁圖8)。

圖7 臨汾臺同震頻譜對比Fig.7 Comparison of the coseismic frequency spectrum at Linfen Station

3 結(jié)論

通過現(xiàn)場對觀測系統(tǒng)、洞室環(huán)境、周圍環(huán)境以及輔助測項等多方面調(diào)查，并對各種可能的影響因素進(jìn)行分析。認(rèn)為體應(yīng)變更換備用傳感器以及將放大器線路重新整理后，數(shù)據(jù)出現(xiàn)固體潮，表現(xiàn)為正常動態(tài)，說明體應(yīng)變數(shù)據(jù)異常變化可能與傳感器不穩(wěn)定有關(guān)。

圖8 異常期間臨汾臺同震頻譜對比Fig.8 Comparison of the coseismic frequency spectrum at Linfen Central Station during the anomaly period