鉆孔應變的干擾源及其干擾機制的多方法分析

蘇維剛 馬茹瑩 馬 震 孫璽皓

1 中國科學院青海鹽湖研究所，西寧市新寧路18號，810008 2 青海省地震局，西寧市興海路1號，810001

鉆孔應變觀測作為一種連續監測地殼形變的重要手段，對小空間尺度上微小而重要的構造應變捕捉有較好的效果，對認識和探索地震孕育過程的動力學過程具有重要意義[1-4]。由于其應變靈敏度較高(分辨率達10-9～10-11)，河流、湖泊、倉庫和鐵路等所有與地面載荷變化有關的干擾源都容易對其觀測造成干擾[5-8]，同時氣象因素的變化、鉆孔地質條件和格值的變化也會對鉆孔應變觀測造成不同程度的影響[5，9-12]。

德令哈臺四分量鉆孔應變儀架設于2006年，儀器自洽性較好，但受環境干擾影響嚴重。為分離干擾信息，本文使用多種方法研究臺站及周邊干擾源，并進行地球化學特征、載荷及氣象因素等相關性分析，以期明確德令哈臺鉆孔應變觀測的干擾源及干擾機制。

1 臺站及觀測系統概況

德令哈地震臺位于柴達木盆地北緣，區域大地構造位置處于古亞洲構造域與古特提斯-喜馬拉雅構造域的交界處，自新生代以來，盆地演化主要受印度板塊與歐亞板塊的碰撞作用影響。盆地內部發育一系列新生代高角度逆沖斷裂，新構造活動跡象十分明顯[13-14]，沿活動斷裂帶發生過多次中強地震。德令哈地區屬荒漠半荒漠大陸氣候，年降雨量約100 mm。

德令哈臺鉆孔應變觀測井位于德令哈地震臺院內，鉆孔于2006-09建成，孔徑約132 mm，井深約43.5 m，井孔深度0.90 m以上為填土，以下為花崗巖。四分量鉆孔應變儀器型號為YRY-4，探頭埋深約40 m，具有NS、EW、NE、NW等4個測向，各分量方位角見表1，數采采樣率為1 s。

表1 各分量方位角

2 研究方法

2.1 相關性分析

選取鉆孔應變和氣象三要素2015～2019年的日值數據，其中降水量測項由于WYY-1型儀器數采死機導致數據多次斷跡，2017-11-15更換為RTP-Ⅱ型儀器，因此降水數據選取時間為2018～2019年。

通過SPASS軟件對不同尺度的觀測資料與溫度和氣壓進行相關性分析，以氣象要素為變量x，觀測值為變量y，分別計算Pearson相關系數r和p值，結果見表2：

表2 鉆孔應變與氣象三要素的相關關系

式中，r值在-1～+1之間，n為樣本量。

2.2 載荷分析

黑石山水庫及西海公園人工湖與鉆孔應變的觀測距離均小于2 km(圖1)，根據環境水體干擾源面積與最小“安靜”距離的關系[6]，水庫及人工湖蓄放水可能會對應變觀測造成干擾影響。現有鉆孔應變的荷載模型主要有地表集中荷載模型和三維有限線段荷載模型[15-16]，黑石山水庫呈長條形，人工湖呈圓形，水庫蓄水對鉆孔應變觀測的干擾問題可近似使用三維集中載荷模型進行分析：

圖1 德令哈采樣位置

式中，F為庫容重量，λ和G為拉梅常數，x為干擾源至鉆孔的直線距離，z為鉆孔深度。

2.3 地球化學分析

考慮汛期和非汛期水庫水量的變化可能會造成差異性影響，分別于2020-04和2020-07采集德令哈水溫井(距應變井約5 m)、西海公園人工湖及黑石山水庫中的水樣進行常量元素的測試分析，取樣量為0.1 L。常量元素送至中科院青海鹽湖研究所進行測試，測試結果見表3(單位mg/L)。同時于2020-07采集3端元的水樣進行鐳同位素測試分析。

表3 不同水體的常量元素測試結果

現場采集50 L的水體樣品，利用錳纖維單柱富集法進行鐳同位素富集[17]，裝填15 g錳纖維于富集柱，并在富集柱前面接入1 μm的過濾桶，富集時的水流速控制在450～550 ml/min左右，之后將錳纖維吹干至其含水率在1.5%以內[18]，并通過四通道同步延時計數器RaDeCC進行223Ra和224Ra的比活度測試，測試結果見表4(單位dpm/L)。

表4 不同水體的Ra活度

3 鉆孔應變觀測影響因素分析

德令哈鉆孔應變四分量資料連續性較好，從長趨勢變化來看，各個分量均存在不同幅度的趨勢轉折，轉折節點與省內6級以上強震的發生存在一定的響應關系(圖2)，表明德令哈鉆孔應變儀可能位于構造敏感位置。但由于該測項受干擾影響嚴重，各分量均存在顯著的張壓性起伏變化，需分析其干擾源及干擾機制，以有效提取異常信息。

圖2 德令哈鉆孔應變日均值時序曲線

3.1 氣象因素相關性分析

通過表2可以看出，德令哈鉆孔應變主要受年際尺度的氣象因素(氣溫和氣壓)影響，并存在顯著的負相關關系，氣溫和氣壓的變化具有穩定的年變周期，因此選用MAPSIS軟件通過傅里葉滑動去掉鉆孔應變資料中的年周期干擾[19]，獲得的鉆孔應變觀測曲線見圖3。

圖3 德令哈鉆孔應變去年周期后的日均值時序曲線

從圖3可以看出，去除年周期干擾影響之后，德令哈鉆孔應變總體比較平穩，但在年尺度內仍然存在相對比較顯著的張壓性變化，且該變化不具有穩定的周期性。因此，需進一步考慮臺站周邊長期存在的環境干擾因素，如黑石山水庫和西海公園人工湖等。

3.2 水庫及人工湖蓄放水的加卸載作用

黑石山水庫每年4月汛期開始蓄放水，蓄水量變化較為顯著，11月初水庫庫容量最低且蓄水量較為穩定。人工湖具體蓄放水時間不確定，根據現場異常核實調查，每年4月中旬左右蓄水，7月左右水量達到最大值，9月初水量開始減少。選取2015年德令哈臺鉆孔應變數據變化幅度較大的3個時段，計算水庫和人工湖蓄放水的載荷效應，得到理論最大干擾值，并利用德令哈臺鉆孔應變經傅里葉滑動去掉年周期干擾之后觀測數據計算出該時段的最大主應變，詳細參數與計算結果分別見表5、6。

表5 載荷模型計算參數

通過表6可見，3個時段中，模型計算值均為實測計算值的3倍左右，說明德令哈鉆孔應變在觀測中確實受到周邊環境水體蓄放水的影響，且在5～9月受人工湖蓄放水和水庫蓄放水2個方面的載荷影響，9～12月主要受水庫蓄放水的影響。

表6 載荷模型計算結果與實測計算結果

3.3 德令哈臺及周邊水體地球化學特征分析

3.3.1 水體常量元素分析

由測試結果可以看出，雖然德令哈井、黑石山水庫和海西公園人工湖水樣礦化度有所區別，但2個時段的3組水樣在水-巖平衡圖(圖4)中均位于“未成熟水”區域，并集中分布在Mg端元附近，表明這些水體與周圍環境的水-巖反應程度均較弱，循環深度較淺[20]。由此推斷，德令哈臺井水的補給來源主要為大氣降水和淺層的地下水，較少有深部來源的物質。

圖4 德令哈井及周邊水樣水-巖平衡圖

圖5 不同水體的常量元素濃度特征對比

3.3.2 水體鐳同位素分析

鐳是一種天然放射性的同位素，自然水體中的鐳同位素(223Ra、224Ra、226Ra和228Ra)來源于不溶于水卻在沉積物和巖石中廣泛分布的釷的衰變。其中，223Ra和224Ra的半衰期分別為11.4 d和3.66 d，分別為研究10～50 d和1～10 d時間尺度的水體混合與循環的理想示蹤劑。地下水中的鐳同位素活度普遍較高，一般比地表水(河水、湖水、海水等)的活度高出1～2個數量級[21-23]。

通過表4可以看出，井水中223Ra活度最高，為0.022 dpm/L，水庫次之，人工湖最低；而224Ra活度井水為1.7 dpm/L，水庫和人工湖的224Ra活度均低于檢測線。根據文獻[24]，河水平均Ra活度較低，大氣降水Ra活度低于檢測線，而水庫水源主要為河流和大氣降水，因此水庫223Ra活度低于河水平均Ra活度，而224Ra半衰期更短，自身Ra的衰變影響更大，導致224Ra活度低于檢測線；由于人工湖水源主要為水庫引水，水體沒有流動性，無法及時更新，Ra活度衰變較為徹底，因此人工湖223Ra 和224Ra均低于檢測線。

采集德令哈水溫觀測井井水樣品時發現，水樣中有明顯腐爛氣味，一般認為這種水樣流動性差，Ra活度衰變會較為徹底，但其Ra活度與地下水平均活度相當，且224Ra活度還高于地下水平均224Ra活度，因此認為有其他高Ra活度的地下水體混入，從而導致井水Ra活度增大。

4 結 語

通過氣象因素相關性、載荷效應和不同端元水體的地球化學特征分析對德令哈臺鉆孔應變觀測資料的干擾來源和干擾機制進行深入研究。結果發現，德令哈臺鉆孔應變觀測受多種干擾因素影響，在長時間尺度上存在穩定、顯著的年周期性氣溫、氣壓干擾和不穩定、細微的地下水滲漏擾動；在短時間尺度內受人工湖和水庫蓄放水的載荷干擾，時間為每年的4～11月。

隨著人類活動的日益加劇，觀測環境受干擾影響的程度日趨嚴重，且干擾因素互相疊加出現，互相影響，給觀測資料的分析和異常核實工作造成很大的困難。在觀測資料的異常核實和異常提取過程中可應用多種方法多方面探尋可能存在的干擾源和干擾機制，避免單一分析方法給研究結果帶來的不確定性和偏差。

致謝：感謝中國科學院青海鹽湖研究所孔凡翠博士在地球化學分析方面提供的幫助！