2017年6月20日肅南地震臺洞體應變NS分量轉折變化分析

孫點峰 秦滿忠 王亞紅 魏東星 王志棟 姚賽賽 席立峰

（中國蘭州 730000 甘肅省地震局）

0 引言

定點形變觀測作為地球物理觀測手段之一，具有明確的物理意義，在日常數據跟蹤、地震危險性判定及地震預報中發揮著重要作用。SS-Y 型洞體應變儀（簡稱SS-Y 儀）是一種測量地殼巖體兩點間水平距離相對連續變化的精密儀器，可為地震孕育過程研究提供重要數據，同時可清晰記錄到固體潮變化。引起固體潮畸變的典型干擾因素有氣象因素、環境荷載變化以及人為干擾（薄萬舉等，2007）等。氣象因素包括氣溫、氣壓、降雨量等，環境荷載變化因素有水庫的沖沙與蓄水、土石開挖等，人為干擾主要有人員進出觀測山洞、儀器標定和維修等。

數據跟蹤分析在地震危險性判定及地震預報中發揮著重要作用，在跟蹤分析肅南地震臺2013—2017 年洞體應變觀測數據時發現，2017 年6 月20 日起，肅南地震臺（下文簡稱肅南臺）洞體應變NS 分量數據曲線出現轉折變化，23 日到30 日轉折速率有所降低，之后數據逐漸恢復正常變化趨勢。通過對區域地震活動性、自然條件、測區環境變化、同測點其他測項數據變化等進行分析，判斷該變化的可能原因，為形變監測和干擾識別與排除提供參考。

1 臺站概況

肅南臺位于甘肅省肅南裕固族自治縣，海拔2300 m。臺站地處嘉峪關斷裂東段，周邊主要斷裂有嘉峪關斷裂、榆木山斷裂、昌馬—俄博斷裂，地質構造分布見圖1。肅南臺水管傾斜儀和洞體應變儀架設在觀測山洞內，山洞走向NWW，進深170 m，覆蓋層厚達40 m，洞室年溫差0.2 ℃（雷登學等，2012）。臺站觀測條件優良，觀測數據潮汐因子穩定，內精度高，能清晰記錄固體潮變化及同震效應，多次在全國資料評比中取得名次。

圖1 肅南地震臺周邊地質構造Fig.1 Geological structure map of Sunan Seismic Station

肅南臺所在的祁連山地震帶，地震活動自1927 年開始進入強震活躍期，到1996 年底已發生5.7 級以上地震19 次，其中8 級特大地震1 次，7.0—7.5 級地震2 次（朱子政等，1997）。2000 年以來祁連山地震帶發生12 次5 級以上地震，包括2 次6 級以上地震，分別是2003 年10 月25 日甘肅山丹MS6.1 和2016 年1 月21 日青海門源MS6.4 地震。

2 數據轉折變化

2017 年6 月，肅南臺洞體應變NS 分量出現轉折上升變化，為判定該變化性質，選取2013—2017 年同期（6 月1 日—6 月29 日）觀測數據進行跟蹤對比分析，結果見圖2。

圖2 2013—2017 年肅南臺洞體應變NS 分量觀測曲線對比Fig.2 Comparison of North-South component of cave strain observations at Sunan station from 2013 to 2017

由圖2 可見，與2013—2016 年同期數據曲線相比，2017 年洞體應變NS 分量觀測曲線在6 月20 日開始出現轉折，表現為拉伸狀態，此后變化出現3 個階段：①21 日—22 日，曲線轉折上升；②23 日—24 日，數據變化逐漸平緩；③25 日起，再次出現轉折上升變化，但速率有所降低，之后逐漸恢復正常變化趨勢。

由具體數值可知，2017 年該臺洞體應變NS 分量具有以下變化：20 日—23 日，日變幅為887.6×10-8；23 日—30 日，數據上升速率有所下降，日變幅為695.5×10-8。而2013—2016年同期日變幅分別為107.7×10-8、101.5×10-8、124.3×10-8、158.9×10-8。可見，2017 年數據日變幅較前4 年明顯增大。

3 數據變化分析

地殼形變、構造活動和干擾因素等均對形變觀測產生影響。而地殼形變、構造活動產生的地球物理異常一般與多種干擾共存。干擾因素包括儀器、環境和人為干擾等，其中儀器干擾有電源影響、儀器漂移等，環境干擾有降水、氣壓變化、施工爆破等，人為干擾有儀器標定、維修及其他人類活動等。從區域地震活動性、氣象因素、臺站觀測環境等方面，分析2017 年6 月肅南臺洞體應變NS 分量數據變化，以正確識別地球物理異常和環境干擾，為地震短臨預報服務。

3.1 區域地震活動性

收集整理祁連山地震帶（36°—41°N，96°—103°E）區域內2012—2018年發生的地震，進行震級統計（圖3），發現肅南臺周邊近期未發生5 級以上地震，表明該區近幾年地震活動性不高，且肅南臺周邊2017 年地震活動較少。最近發生的幾次地震分別是2015 年11月23 日祁連MS5.3、2016 年1 月21 日門源MS6.4 及2017 年5 月20 日民樂ML3.0 地震，均未對肅南臺洞體應變產生影響。由此判定，2017 年6 月該臺洞體應變NS 分量數據變化非地震異常。

圖3 2012—2018 年地震活動性Fig.3 The seismic activity from 2012 to 2018

3.2 氣象因素

對于一個應力狀態尚未達到破壞或滑動水平的巖體（斷層）而言，水的進入會使其更接近破壞或滑動狀態。水與巖土介質之間發生物理和化學的復合作用，其規律包括膨脹性、沖蝕效應、長期滲壓水作用的演變趨勢和穩定性，降低系統穩定性（黃建國等，2002）。

一般，降雨對地形變觀測的主要影響是改變地表載荷，并會即時體現在觀測數據曲線上。考慮到降雨對洞體應變觀測的影響，對比分析2017年6月1日—26日肅南臺降雨量（因肅南臺雨量器損壞，降雨量數據來自肅南氣象站記錄，詳見表1）變化與洞體應變NS 分量曲線之間的相關性，并將溫度、氣壓作為參考，計算得出洞體應變NS 分量與溫度、氣壓、降雨量的相關系數分別為0.384、0.225、-0.208，對比觀測曲線見圖4，可見氣象因素對NS 分量無直接影響，但不排除間接影響。

表1 肅南2017 年6 月降雨量Table1 Sunan rainfall in June 2017

圖4 2017 年6 月1 日—26 日肅南臺洞體應變NS 分量、溫度、氣壓、降雨量日均值變化曲線Fig.4 Variation curves of north-south component cave strain,temperature,air pressure,and daily mean rainfall at Sunan Seismic Station from June 1 to 26,2017

降雨對地殼形變的影響可以分為3 個過程：①降雨的荷載作用；②降雨下滲斷層面改變其間作用力，表現為空隙壓力增大，斷層面剪切強度減小或者斷層面間的摩擦力減小。還有學者認為，水對巖石的物理、化學作用改變了斷層面間的作用力；③降雨引起地下含水層上升而導致應力調整，進而引起地殼形變（趙小茂等，2009）。據此判斷，此次肅南臺洞體應變NS 分量出現轉折可能與降雨存在間接關系。結合2013—2019 年肅南降雨數據，分析該臺洞體應變NS 分量與降雨量的相關性，見圖5，可見二者在較長時間尺度上的相關系數為-0.004 2，相關性較小，進一步表明降雨對洞體應變觀測的直接影響較小。

圖5 2013—2019 年肅南地震臺洞體應變NS 分量和降雨量日均值變化曲線Fig.5 Variation curves of north-south component of cave strain observation and daily mean rainfall at Sunan Seismic Station from 2013 to 2019

3.3 觀測系統排查

對肅南臺供電系統、洞體應變觀測系統進行檢查，發現儀器工作狀態正常，觀測數據曲線日變明顯（圖6），表明該臺洞體應變儀未發生故障，觀測記錄數據連續可靠。

圖6 2017 年6 月20 日—22 日洞體應變日變曲線Fig.6 Daily cave strain curve from June 20 to 22,2017

3.4 臺站觀測環境分析

（1）雨水滲漏點排查。對肅南臺洞體應變觀測山洞進行實地查看，發現山洞一側有直徑約2 m、進深約10 m 的涵洞，朝向觀測山洞，涵洞上方雨水沖刷痕跡明顯，涵洞內砂巖潮濕，有雨水流入痕跡，山洞內部因雨水大量滲漏而積水（圖7），此滲漏點與洞體應變NS分量距離約1 m，與EW 分量距離約10 m（間距遠，積水未對該分量產生影響）。對該滲漏點采取封堵措施，由圖5 可知，此后肅南臺NS 分量未再出現此轉折變化。

（2）施工場地排查。對測區外部環境開展調研工作，發現2017 年3 月中旬，位于肅南臺西南方向約300 m 處的肅南縣紅灣寺小學教學樓建設施工，場地見圖7(d)所示。對比觀測數據發現，該項目施工以來，肅南臺洞體應變NS分量在對應時段未發生變化，結果見圖8。據熊先保等（2000）、李祖寧等（2007）、鄭海剛等（2017）、閆偉等（2015）關于載荷對形變監測影響的研究，與觀測點測項在震前出現的異常量相比，載荷變化可忽略不計。因此，紅灣寺小學施工不足以引起肅南臺洞體應變NS 分量2017 年6 月20 日的數據變化。

圖7 測區周圍考察照片（a）山洞走向示意；（b）山洞外側涵洞；（c）山洞內壁滲水；（d）測點前紅灣寺小學現場施工Fig.7 Investigation photos around the survey area

圖8 2017 年3 月1 日—4 月30 日洞體應變觀測曲線Fig.8 The curve of cave body strain from March 1 to April 30,2017

3.5 其他測項數據分析

地球物理異常不可能僅出現在某一測點某一測項。運用附近區域內多點觀測資料，可以有效識別地球物理異常和環境干擾。地球物理場區域形變測量資料所反映的震前異常往往是大面積的（路珍等，2016）。將變化分量與同槽觀測的水管傾斜NS 分量進行對比，發現水管傾斜觀測數據未發生異常變化，見圖9。同時，與高臺臺重力、鉆孔傾斜、鉆孔應變和嘉峪關臺洞體應變數據進行同期對比，發現周邊觀測數據未出現相同變化，見圖10。

圖9 同槽不同測項觀測數據對比Fig.9 Comparison of observation data of different measurement items in the same trough

圖10 區域內其他形變測項觀測數據對比Fig.10 Comparison with other deformation observation data

4 結論

定點形變觀測是地球物理場觀測的重要手段，正確識別地震異常和干擾對于監測預報具有重要意義。地震地球物理異常與干擾往往難以區分，需要從多角度出發全面分析。對于在跟蹤分析工作中發現的2017 年6 月甘肅肅南臺洞體應變NS 分量數據的轉折變化，通過分析區域地震活動性、氣象資料及調查觀測環境、對比不同測項數據等，排除施工影響和震后恢復的可能性。結合2013—2019 年當地降雨數據，與肅南臺洞體應變NS 分量進行相關性分析，發現一般降雨對其直接影響較小，只有因大量降雨而導致觀測山洞嚴重滲水，引起測區巖土力學性質發生改變，才會出現相關變化。對滲漏點采取封堵措施，而且2018—2019 年肅南未出現大量降雨，此后洞體應變NS 分量曲線未出現轉折變化，表明滲漏點封堵措施有效降低了降雨對肅南臺洞體應變NS 分量觀測的影響，減少了可能引起數據變化的干擾原因，從而為地震監測預報提供更加準確的基礎數據。