雙陽臺DSQ 型水管傾斜儀異常分析

唐春呈，岳 沖，張 羽，呂 晗，李晴晴

（1. 吉林省地震局，吉林 長春 130117；2. 中國地震臺網中心，北京 100045）

0 引言

長春雙陽地震臺西靠伊通—舒蘭斷裂帶，在其它三個方向上也有次一級的北西向構造，臺站恰好處于北東和北西向兩組構造的交匯處，區域構造比較復雜[1]。臺基巖性為燕山期花崗巖，臺站觀測山洞內可見花崗巖較為破碎，節理發育，出露有兩條次級小斷層，斷層走向北西，傾向北東，發育有斷層次級斷層擦痕，為逆斷層性質。

地震臺于1979 年建成觀測用房，山洞進深240m，觀測室距山洞洞口44m，洞體無人工被覆，洞頂最厚覆蓋38m，表面具有完整植被，洞溫年變幅度小于0.5℃，濕度保持92%左右。2000 年8 月，在“九五”數字化改造項目中安裝DSQ 型浮子型數字自記水管儀、SS-Y 型數字伸縮儀，同年12 月安裝VS 型垂直擺傾斜儀（2014 年更換為VP 型垂直擺）。雙陽臺臺基巖性為海西期花崗巖。東西基線長23.42m，方位角為288.9°，南北基線長度為33.18m，方位角為200.5°，跨北西向斷層。雙陽臺DSQ 型水管傾斜儀NS 分量自2008 年數字化觀測以來，運行狀態穩定，觀測資料質量可靠優秀[2]。

本次研究對象為2019 年雙陽水管出現的加速S 傾異常，通過合理、科學的分析，判定該異常情況的異常性質，并結合以往松原強地震發生前雙陽臺DSQ 型水管傾斜儀的變化特征[3]，進一步研究該測項異常的出現對周邊發生中強地震的指示意義。

1 水管傾斜觀測概況及周邊歷史地震情況

通過對雙陽DSQ 型水管傾斜NS 分量數據跟蹤（數據選取2008 年初至2019 年末數據進行處理），結果顯示NS 分量日均值變化曲線存在明顯的年變形態，每年6—8 月到達峰值，之后開始轉折下降，在12 月到次年的1 月到達最低值，之后轉折上升，正常的年變幅度約為50～80ms。其中2012 年初雙陽臺NS 分量出現破年變異常情況[4]，2013 年該測項年變幅度有所回升，在此期間距離臺站200km 的松原前郭發生5.8 級震群活動[5-6]（5 次 5 級以上地震），之后2014 年轉為趨勢性異常，2017 年異常結束（圖 1-2）。

圖1 雙陽水管日均值曲線Fig.1 Daily mean value curves of Shuangyang water tube

臺站周邊發生地震較少，在歷史上發生過石溪ML3.9、大旺ML4.2 等中小強度地震。臺站處于重要的構造部位，在距離臺站200km 的松原地區，發生了兩次中強地震事件，分別為2006 年乾安—前郭M5.0 地震和 2013 年前郭M5.8 震群活動，DSQ 型水管傾斜NS 分量在兩次地震前都存在前兆異常，具體表現為觀測日均值數據在兩次地震發生前1～2 年，出現趨勢S 傾變化，并在下降過程中發生地震，在震后1～2 年恢復。

在松原幾次5 級以上地震活動事件中，水管NS 分量都出現了異常變化，而水管EW 分量沒有出現明顯的異常情況，主要因為臺站西靠北東向的伊通—舒蘭斷裂帶，山洞內出露北西向次級斷裂（圖3），在地震孕育過程中北西向次級斷裂更容易顯現出構造應力的變化過程，因而在中強地震孕育前，NS 分量往往能夠捕捉到一些地震前兆信息。2019 年該測項再次出現異常，NS 分量年變幅度明顯高于往年水平，并且數據曲線持續下降，無回升跡象。截至2019年 12 月 31 日，NS 分量 S 傾年變幅度為168ms，是2017 年、2018 年正常年變幅度的3倍左右（圖4）。結合以往該區域中強地震前NS 分量出現的異常情況，分析該異常性質，進一步判定該區構造應力狀態十分重要。

圖2 雙陽臺周邊地震分布Fig.2 Earthquake distribution arround Shuangyang Seismic Station

圖3 雙陽臺觀測洞內斷裂Fig.3 Fault in observing cave of Shuangyang Seismic Station

圖4 雙陽水管南北分量2017—2019 年日均值對比曲線Fig.4 Comparison curve of the daily mean values of the north-south components of the Shuangyang water tube from 2017 to 2019

2 異常分析

針對雙陽臺 DSQ 型水管傾斜儀破年變的成因，在出現異常變化后，筆者進行了兩次現場異常核實，對各個影響因素進行逐一排查、分析。分析情況如下：

2.1 水管傾斜儀工作狀態

對DSQ 水管傾斜的標定記錄、工作報告和觀測日志進行檢查，調查對象符合日常工作要求和《管理規范》；經現場勘查雙陽臺形變洞室儀器供電系統正常，數據采集系統工作正常；DSQ 型水管傾斜工作正常；進洞儀器勘驗缽體無破裂，沒有漏水情況，膠皮管正常，水質清澈透明，儀器底座無銹蝕。分析判定儀器處于正常的工作狀態。

2.2 觀測環境變化

2019 年雙陽地區雨量較大，觀測洞山體受此影響儲水能力飽和，山洞內自2019 年8 月份開始出現滲水情況，其中洞內積水最深處能淹沒膝蓋（粗略估計40cm 到50cm 左右），于10月份開始進行抽水，目前洞內水已經抽干，這些因素可能會對觀測數據造成影響[7-8]。通過對該異常的繼續跟蹤，截止到2020 年1 月31 日，該山洞積水已經消失，洞體環境恢復正常，但異常仍然持續，因而觀測環境變化不是異常出現的主要原因。

2.3 潮汐因子分析

觀測洞體受洞內滲水的影響，致使觀測山洞墻壁潮濕明顯、山體有明顯的漏水情況、地面有積水，觀測環境的改變可能降低儀器數據的可靠性。為了進一步分析雙陽臺水管傾斜NS分量快速變化期間數據的可靠性[9]，計算了2017、2018、2019 年6—9 月降雨較為集中的時段內雙陽臺水管NS 分量的M2波潮汐因子（窗長30天，滑動步長2 天）（表1），計算結果顯示雙陽水管NS 分量M2波潮汐因子穩定在0.53 左右，強降雨改變山洞環境未對儀器觀測造成影響，數據質量可靠（圖5）。

圖5 2017—2019 年6—9 月期間M2 波潮汐因子Fig.5 M2 wave tide factor in the period from June to September in 2017，2018 and 2019

表1 2017、2018、2019 年6—9 月期間雙陽水管NS 分量潮汐因子

續表

2.4 周邊環境影響

臺站周邊沒有明顯建筑施工或對臺站造成荷載影響的工程；臺站正南方向300m 處有一條河道，經臺站人員介紹，在今年8 月、9 月連續強降雨期間，該河道出現短暫漫灘情況，這條河道是雙陽水庫的泄洪渠，通過實地考察，河道高度約3m，寬度平均約為8m，該河道目前水量稀少、大部分地區被冰雪覆蓋，無法對臺站造成荷載影響，因而臺站周邊干擾不是異常出現的主要原因。

2.5 水庫荷載影響

雙陽水管傾斜自2016 年更換缽體后，每年7—8 月降雨集中的時節，水管傾斜NS 分量出現多次快速S 傾之后緩慢回升的短期變化，通過對臺站周邊環境干擾源進行排查，結果顯示，該區域集中降雨后可能引起較大荷載影響的主要為東南方向距離臺站3.7km 的雙陽湖水庫。統計2016 年至2019 年雙陽湖水位變化較大月份的水位差結果，分別為：1.36m、0.44m、0.8m、2.0m；計算出2016 年至2019 年雙陽湖水位出現較大水位差時，對應的雙陽水管NS分量變化量，結果分別為：20.94ms、19.88ms、30.93ms、60.32ms。為此對雙陽湖水庫進行數字模擬，在模擬過程中共設計了兩種巖石模型：① 全花崗巖模型；② 50ms 覆蓋層+花崗巖模型。模擬結果顯示：在水位落差最大時（2m），雙陽水管NS 分量最大變化值為79.63ms（圖6），就目前168ms 的大幅S 傾變化，排除儀器干擾因素外，單以水位變化引起荷載影響需達4m左右的幅度，與目前監測的湖水位的結果不一致（表2、圖7）。因而可以判定，水庫的荷載作用，也不是造成本次異常情況出現的原因。

圖7 雙陽臺水管NS 分量實際觀測與數值模擬結果對比Fig.7 Comparison of actual observation and numerical simulation results of NS component of Shuangyang water tube

表2 模擬結果與實測結果表

圖6 雙陽臺NS 分量與雙陽湖水庫時間序列圖Fig.6 Shuangyang Lake Reservoir NS component and time series diagram

以上是對儀器工作狀態、觀測環境、數據可靠性、周邊環境影響、周邊荷載影響等方面的研究，綜合分析認為該異常與以上相關因素無關，判定其為前兆異常[10-11]。

3 結論與討論

在反應地殼形變垂直的相對運動和固體潮汐的動態變化中，水管傾斜儀是形變學科中不可缺少的一部分；同時也提供了地球固體潮汐、地殼巖石性質及地球參數等實驗數據。在以往的研究中，水管傾斜儀也是研究地震前兆的重要手段[12]。

本次研究發現，綜合對儀器的工作狀態、觀測環境、數據可靠性、周邊環境影響、周邊荷載影響的調查分析之后，得出雙陽DSQ 型水管傾斜儀的前兆異常是客觀存在的。自2013 年以來吉林省幾次5 級中強地震前，該觀測系統都出現了較為明顯的前兆異常，因而它是分析吉林省中強地震發生概率的重要依據（最新的效能評估結果顯示，該測項R=0.68，R0=0.56）。該前兆異常的出現，為松原震區未來中強地震趨勢研判提供參考依據，建議加強對松原震區的地震監測，密切關注該地區的震情變化。

在本次調查中發現，雙陽臺DSQ 型水管傾斜儀在2016 年之后全部更換為不銹鋼缽體，在實際的現場調查中，不銹鋼的缽體對比原來的石英缽體來說存在一些弊端，主要體現在缽體內部的情況和水質情況不能準確的掌握，在儀器工作狀態判定上存在盲點。今后還要對雙陽DSQ 型水管進行密切觀測，建議在廠家的幫助下，對缽體內部的水質和工作狀態進行分析判定，確定其影響大小，使異常信度更高。