乾陵地震臺洞體應變NS分量趨勢變化分析

楊曉東 朱 琳 孫 昱 吳 明 何 楊 王衛平

（中國西安710068陜西省地震局）

0 引言

洞體應變觀測是我國地殼形變觀測的重要手段之一。基于該手段，既可以觀測到形變固體潮，也可以通過提取非潮汐信號和識別暫態事件，捕捉地震孕育過程中地殼形變的微動態信息（張燕等，2022），長期觀測資料的研究結果可反映地表區域應力的變化。近年來，諸多學者就降雨、洞室溫度、環境干擾等因素對洞體應變觀測的影響進行了分析，如：孫玉軍等（2008）就深部洞室溫度年度微小變化與地傾斜和地應變的對應關系進行分析；楊紅櫻等（2019）、呂琳等（2020）對不同降雨量對洞體應變的影響進行分析；楊小林等（2019，2020）基于地表溫度和紅外熱成像對乾陵地震臺洞體應變與溫度的關系進行定量分析。目前，對洞體應變長趨勢轉折影響機制的研究文獻較少。

2020年1月—2022年3月，乾陵地震臺（下文簡稱乾陵臺）洞體應變NS分量變化趨勢由拉張轉折為緩慢壓縮形態。本文從儀器工作狀態、GNSS資料、InSAR形變場進行分析，結合同臺和周邊地震臺站洞體應變觀測資料，分析探討引起數據變化的原因。

1 臺站概況

乾陵臺始建于1966年，屬國家形變Ⅰ類臺，臺基巖性為奧陶系石灰巖。臺站位于渭河斷陷盆地中段與陜北黃土高原過渡地帶，地質構造位置處于渭河斷陷盆地中段與鄂爾多斯地臺南緣接觸帶，關山—口鎮斷裂以南，乾縣—富平斷裂以北（圖1）。

圖1 臺站及周邊斷裂分布Fig.1 Distribution of seismic stations and surrounding faults

該臺站地殼形變觀測山洞進深103 m，基巖完整，覆蓋層厚度40 m以上，植被覆蓋良好，洞室溫度年溫差≤0.2 ℃，日溫差約0.015 ℃，地下水位＞100 m，“十五”期間架設VP型垂直擺傾斜儀、DSQ型水管傾斜儀、SS-Y型洞體應變儀和TJ-II鉆孔體應變儀等數字化形變觀測儀器及1套WWY-1型氣象輔助觀測儀進行觀測（圖2），觀測環境較好，記錄數據固體潮清晰。

圖2 乾陵臺形變觀測儀器布設Fig.2 Layout of deformation observation instruments at Qianling Seismic Station

2 洞體應變NS分量趨勢異常

2.1 洞體應變觀測原理

洞體應變儀用于精密測量地殼兩點間水平距離的相對變化，其工作原理是

式中：L為基線長；ΔL為變化量；ε為應變量，即單位長度的相對變化量。當固定墩與測量墩之間距離發生變化時，在特定環境下，視基線長度保持不變，可動鐵芯和線圈（差動變壓器）或探頭與極片（電渦流）之間的距離隨之變化，位移傳感器將此間距變化轉換為電壓變化，通過靈敏度、格值等換算，便可計算出應變量的變化（呂寵吾等，2009）。

2.2 NS分量趨勢變化

乾陵臺洞體應變觀測始于1981年，觀測資料連續可靠，數據質量較高，年變規律且明顯，每年3月20日（春分）數據曲線前后達到波谷。選取該臺2004—2022年洞體應變NS分量進行分析，結果發現：2004—2014年，NS分量呈長趨勢壓縮形態，年變形態穩定；2015年至2017年6月，數據變化平穩；2017年7月至2019年12月呈緩慢拉張趨勢，拉張轉折趨勢明顯；2020年1月至2022年3月，NS分量呈轉向緩慢壓縮形態，其中2020年、2021年年變峰值、谷值均低于2019年，見圖3。

圖3 乾陵臺洞體應變NS分量2004—2022年趨勢變化Fig.3 Trend change of NS component of cave strain at Qianling Seismic Station from 2004 to 2022

3 干擾排查與分析

乾陵臺2015—2022年洞體應變觀測資料年變形態清晰，觀測數據質量較好，NS分量潮汐因子變化基本呈正常波動（李小芬等，2017），僅2020年12月受儀器檢修、標定影響產生畸變（圖4）。通過查閱觀測日志和預處理日志，認為人為干擾對洞體應變觀測數據影響較小，觀測數據變化正常，潮汐因子結果符合觀測要求。

圖4 乾陵臺洞體應變NS分量2015—2022年潮汐因子Fig.4 Tidal factor of NS component of cave strain at Qianling Seismic Station from 2015 to 2022

對乾陵臺洞體應變供電系統、數據采集傳輸系統、山洞洞室及儀器進行檢查，發現形變山洞供電系統正常，數據采集傳輸系統工作正常，山洞洞室無明顯積水，山洞內部儀器觀測環境良好，且洞體應變儀器標定穩定，NS分量運行正常。2020年3月和2021年7月，洞體應變觀測系統傳感器出現故障，導致觀測數據曲線毛刺增多，排除故障后（傳感器經更換或維修），觀測數據短期內恢復正常變化。傳感器故障僅影響短期觀測曲線走勢，對長趨勢變化影響較小。

乾陵臺周邊2 km范圍內近年無較大基建工程；受人員進出觀測山洞影響，洞體應變產生短時錯誤數據，但對正常固體潮觀測影響較小，且同臺垂直擺、水管儀和體應變無明顯趨勢轉折變化。

通過對乾陵臺溫度、氣壓、降雨量觀測資料的對比分析，認為乾陵地區2016—2022年氣溫、氣壓變化正常，無極端惡劣天氣，與洞體應變儀趨勢轉折變化無關。

經以上梳理分析，排除人為干擾、觀測系統、觀測環境、氣象等因素對洞體應變的影響。

4 異常性質判定

2020年1月—2022年3月，乾陵臺洞體應變NS分量變化由拉張趨勢轉折為緩慢壓縮形態，排除干擾后，選取乾陵臺附近GNSS數據、InSAR形變場及陜西省內洞體應變觀測資料和寧夏回族自治區涇源地震臺觀測資料進行綜合分析，認為：利用GNSS坐標時間序列計算得到旬邑—涇陽—楊凌（SNXY—SNJY—SNYL）區域最大剪應變率和面應變率時間序列，發現在2020年前后出現趨勢轉折變化，判斷乾陵臺附近地下介質應力在2020年后存在調整；乾陵臺附近InSAR形變場未發生較大范圍的地殼形變；乾陵、漢中、華陰、八渡地震臺洞體應變均在2019—2020年出現不同程度的趨勢轉折；涇源臺洞體應變同期出現異常趨勢變化。

4.1 乾陵臺附近GNSS數據分析

以GNSS為代表的空間對地觀測技術，為高精度、高密度的地殼運動觀測研究提供了革命性的手段（屈曼等，2021）。為探究乾陵所在區域地殼形變的時間演化，根據站點分布（圖5），選取近EW向鳳翔—涇陽（SNFG—SNJY）和近NS向旬邑—楊凌（SNXY—SNYL）2條基線，參照已有方法（中國地震局監測預報司，2020）計算2012—2022年2條基線的時間序列，結果見圖6。

圖5 乾陵臺附近GNSS觀測點位分布Fig.5 Location of GNSS observation points near Qianling Seismic station

圖6 鳳翔—涇陽、旬邑—楊凌基線坐標時間序列Fig.6 Time series of Fengxiang-Jingyang and Xunyi-Yangling base lines

由圖6可見：2012—2022年，鳳翔—涇陽的基線時間序列處于持續壓縮形態，旬邑—楊凌的基線時間序列變化相對平穩，表明研究區近EW向的地表相對距離在2012—2022年持續壓縮，與乾陵臺洞體應變趨勢轉折關系不明顯。

參照已有方法（中國地震局監測預報司，2020），計算旬邑—涇陽—楊凌（SNXY—SNJY—SNYL）的應變率時間序列（圖7），結果顯示：EW向線應變2012—2020年呈緩慢壓縮形態，2020—2022年呈緩慢擴張形態，NS向線應變2012—2022年呈緩慢擴張形態；最大剪應變2012—2020年持續擴張，2020—2022年變化基本平穩；面應變2012—2020年變化平穩，2020—2022年轉為擴張形態。旬邑—涇陽—楊凌所圍地區的最大剪應變率和面應變率在2020年前后均出現趨勢轉折變化，判斷乾陵臺附近區域在2020年后存在應力調整。

圖7 旬邑—涇陽—楊凌區域的應變率時間序列Fig.7 Time series of strain rate in the Xunyi-Jingyang-Yangling region

4.2 乾陵及附近地區InSAR形變場

為了識別并監測乾陵臺及周邊地區可能存在的大范圍構造變形信息，使用2015—2021年歐洲航天局哨兵1號SAR衛星影像數據，獲取研究區域平均形變速率結果，見圖8，圖中紅色、黃色表示下沉或遠離衛星方向，藍色、紫色表示上升或靠近衛星方向。結果顯示：研究區域不存在與斷層比較吻合的較大范圍的變形信號，即區域內斷層兩側形變差異不明顯，如口鎮—關山斷裂、扶風—三原斷裂。但區域內存在多處局部形變，例如三原縣和涇陽縣交界處、西安南郊、彬長煤礦存在明顯的、量級較大的下沉，可能由地下水抽取、煤礦開采等引發。也存在局部隆升形變，如扶風縣、西安市西郊，可能由地下水抽取緩慢、地表形變回彈所致。分析認為，乾陵臺附近未發生較大范圍的地殼形變，與該臺洞體應變NS分量的趨勢轉折變化關系不明顯。

圖8 乾陵臺及周邊地區InSAR形變速率分布Fig.8 Distribution of InSAR deformation rate of Qianling Seismic Station and surrounding areas

4.3 陜西省洞體應變觀測資料對比

選取陜西省內漢中臺、華陰臺、八渡臺、寶雞上王臺洞體應變觀測數據進行對比分析，結果見圖9。

圖9 陜西省部分地震臺2014—2022年洞體應變趨勢變化Fig.9 Trend changes of cave strain at some seismic stations in Shaanxi Province from 2014 to 2022

（1）洞體應變NS分量：漢中臺、八渡臺在2017—2022年呈拉張趨勢變化，而上王臺、華陰臺呈壓縮趨勢。其中乾陵臺與八渡臺2015—2019年年變形態類似，均由平穩變化轉為拉張形態，不同的是，2020—2021年八渡臺加速拉張，而乾陵臺轉為緩慢壓縮形態；華陰臺2016—2017年呈加速壓縮形態，2018—2020年由壓縮轉為緩慢拉張形態，2021—2022年又轉為壓縮形態，2018—2022年變化趨勢與乾陵臺較為相似；漢中臺2019年中呈破年變加速拉張形態。

（2）洞體應變EW分量：乾陵臺、漢中臺呈拉張趨勢，華陰臺呈先拉張后壓縮趨勢，八渡臺、上王臺呈壓縮趨勢。其中漢中臺2019年中呈破年變加速拉張形態；華陰臺2014—2019年呈拉張形態，2020—2022年轉為壓縮形態；八渡臺2014—2019年呈壓縮形態，2020—2022轉折為緩慢拉張形態。

通過對陜西省部分地震臺站洞體應變觀測資料進行系統分析，發現乾陵臺、漢中臺、華陰臺、八渡臺均在2019—2020年出現不同程度的趨勢轉折，認為該區域可能存在一定應力調整，乾陵臺洞體應變NS分量的趨勢轉折變化可能與此相關。

4.4 涇源臺洞體應變資料對比

為判斷乾陵臺洞體應變NS分量趨勢轉折變化性質，選擇同處鄂爾多斯塊體周緣的寧夏回族自治區涇源臺洞體應變觀測數據進行對比分析，發現該臺洞體應變NS分量存在長趨勢轉折變化，結果見圖10。

圖10 涇源臺洞體應變趨勢變化Fig.10 Trend change of cave strain at Jingyuan Seismic Station

由圖10可見，涇源臺洞體應變NS分量2018年6月至2022年3月呈加速拉張的轉折形態；EW分量在2017年6月長趨勢轉折明顯，并于2021年1月轉為緩慢壓縮形態。由洞體應變趨勢變化形態可知，2個地震臺洞體應變異常起始時間基本同步，且變化均與構造相關，進一步判斷乾陵臺洞體應變NS分量的趨勢轉折變化應與地下介質應力調整有一定相關性。

4 討論與結論

在排除洞體應變儀觀測系統、人為干擾、觀測環境和氣象因素干擾后，對乾陵臺附近GNSS、InSAR資料及其他臺站洞體應變觀測數據綜合分析，得出以下結論：

（1）GNSS資料顯示，乾陵附近地區的最大剪應變率和面應變率在2020年前后均出現趨勢轉折變化，判斷該區域應力在2020年開始存在變化，考慮該區域可能存在一定的應力調整。

（2）乾陵及附近地區InSAR形變場未發生較大范圍的地殼形變。

（3）陜西省部分地震臺站及相鄰的寧夏回族自治區涇源臺洞體應變同期數據，均存在年變趨勢轉折特征。

洞體應變長趨勢轉折變化具有復雜性和不確定性，乾陵臺洞體應變的趨勢轉折變化與該區域地下應力調整的對應關系，有待進一步深入研究。建議密切關注陜西省及鄰區洞體應變數據的趨勢轉折變化，跟蹤分析乾陵臺附近GNSS數據的變化。

陜西省地震局蘇利娜高級工程師提供乾陵臺周邊GNSS觀測資料，在此表示誠摯的謝意。