易縣地震臺分量鉆孔應變觀測數據分析

龔燕民 張 娜

（中國河北 070000 河北省地震局保定中心臺）

0 引言

四分量鉆孔應變儀是中國發明的高精度鉆孔應變觀測儀器（邱澤華等，2015），提供地下真實的應變變化信息。該儀器長期連續工作，少有故障出現，可提供地下介質長周期變化信息，也能記錄快速應變變化（池順良等，2019）。其具有1 號、2 號、3 號、4 號4 個元件，在進行數據分析時，常把讀數變化按單號和雙號分為2 組，組內二者變化量相加，得到2組面應變；組內二者變化量相減，得到2 組剪應變（池順良，2019）。諸多學者對分量鉆孔應變儀記錄的應變變化進行了分析與研究，其中：邱澤華等（2009）利用高通濾波，得出姑咱地震臺鉆孔應變儀觀測的脈沖異常變化與汶川地震有明顯的相關性；池順良等（2013）分析發現，姑咱地震臺（距蘆山地震震中70 km）YRY 四分量鉆孔應變儀于2013 年4 月16 日—19 日記錄到8 次幅度達10 倍固體潮幅的張性應變階躍，與蘆山地震在時間、空間上具有相關性；張嘉敏等（2020）利用潮汐因子內精度、相對標定自檢內精度、面應變相關系數等指標，綜合對比分析了天山中段8 個地震臺站分量式鉆孔應變儀觀測資料質量；侯躍偉等（2020）采用Venedikov 調和及相對標定等方法，對江寧地震臺YRY-4 型四分量鉆孔應變儀觀測數據，基于年變幅度、連續率及穩定性等的檢驗，得出該臺鉆孔應變數據具有可靠性；杜品仁（1991）利用微氣壓計記錄，采用頻譜和調和2 種分析方法得出大氣潮譜的詳細結構；李杰等（2013）對山東省鉆孔體應變儀數字化觀測資料的干擾及突跳異常進行了分析、討論；盧雙苓等（2016）對泰安地震臺不同類型鉆孔應變儀的產出資料進行研究，分析分量應變儀自檢可靠性及其與體應變資料的相關性，以及在抽水干擾情況下的相關性。

針對四分量鉆孔應變儀觀測數據的研究，一般利用直觀固體潮形態進行分析，部分文獻雖涉及面應變，但對面應變及剪應變的綜合研究較少。鑒于此，文中基于四分量鉆孔應變儀4 個元件的自洽方程，對易縣地震臺（下文簡稱易縣臺）鉆孔應變觀測數據進行質量評估，并在此基礎上，對地震前的面應變、剪應變異常變化進行反演，同時，利用剪應變的變化，對造成觀測井環境影響的干擾源方位及地點進行反演。

1 臺站及儀器概況

易縣臺始建于20 世紀70 年代，建筑面積550 m2，臺基巖性為花崗基底巖與震旦系沉積巖，觀測山洞巖石構造不均勻。臺站位于太行山隆起帶與華北平原拗陷區分界部位，太行山北段低山丘陵地區，周邊50 km 范圍內分布著淶源盆地南緣斷裂、徐水南斷裂、沿河城—紫荊關斷裂徐水斷裂、保定—石家莊斷裂、東壘子—淶水斷裂等9 條斷裂，無全新世活動斷裂（距今10 萬年），其中沿河城—紫荊關斷裂距易縣臺最近，直線距離12.789 km。根據破壞性地震資料記載和區域性地震臺網數據記錄，在易縣臺20 km 范圍內發生歷史強震1 次，為1138 年河北易縣51/2級地震，與臺站直線距離約12.56 km。易縣臺周邊斷裂構造分布見圖1。

圖1 易縣臺周邊斷裂構造分布Fig.1 Distribution of fracture structures around Yixian Seismic Station

2009 年8 月，易縣臺安裝YRY-4 型四分量鉆孔應變儀，1 號、2 號、3 號、4 號元件依次按照磁北順時針50°、95°、140°、185°布設，即1 號元件呈N50°E，2 號元件近N95°E，3 號元件N140°E，4 號元件N5°E（圖2），即四分量分別呈NS、EW、NE、NW 側向。鉆孔應變觀測井井孔距觀測室1.5 m，井深38 m，花崗巖，巖芯完整，水位距井口約5 m。2011 年12 月，鉆孔應變儀正式運行，應變數據正常接入數據庫，觀測資料連續率基本達100%，產出數據質量較高，達到國家相關規范要求。

圖2 分量鉆孔應變儀元件布設Fig.2 The layout of components of the component borehole strainmeter

2 數據可靠性分析

2.1 調和分析

選取易縣臺2011 年12 月—2020 年7 月鉆孔應變觀測數據，利用Venedikov 調和分析方法，對鉆孔應變儀記錄的面應變固體潮整點值數據進行調和分析，計算4 個分量的潮汐因子（圖3），分析各分量數據潮汐因子變化，檢驗鉆孔應變儀運行情況及觀測數據的可靠性。由圖3 可見：①自易縣臺四分量鉆孔應變儀數據正式入庫以來，NS 分量數據潮汐因子均值在0.019 8 以上，EW 分量數據潮汐因子均值在0.358 7 以上，NE分量數據潮汐因子均值在0.031 9 以上，NW 分量數據潮汐因子均值在0.049 5 以上；②NS、NE、NW 分量觀測精度相對較高，EW 分量精度較低，主要是因為該分量受環境影響（抽水干擾）較大，但觀測精度仍在正常范圍內，未出現異常。

圖3 鉆孔應變儀四分量潮汐因子變化Fig.3 Four-component tidal factor variations of the borehole strainmeter observations

綜合分析認為，易縣臺四分量鉆孔應變儀運行正常，觀測數據清晰、可靠。

2.2 自洽檢驗

蘇愷之等（1997）提出，YRY-4 型分量鉆孔應變儀四元件應變觀測接近自洽的程度，決定著觀測數據的可靠程度。四元件方位是等間隔的，相鄰元件夾角為45°，即

滿足以下自洽關系

選取2015—2020 年易縣臺鉆孔應變儀產出的原始數據，計算面應變（S1+S3）與（S2+S4），可見2 組面應變觀測值變化形態基本一致，相關系數達0.988 2（圖4），說明該臺應變觀測數據可靠性較高。

圖4 易縣臺鉆孔應變2015—2020 年自洽分析Fig.4 Self-consistent test analysis of borehole strainmeter at Yixian Seismic Station from 2015 to 2020

3 數據異常分析

選取易縣臺2018—2019 年四分量鉆孔應變儀原始數據S1、S2、S3、S4，計算得到2 組面應變（S1+S3）、（S2+S4）及2組剪應變（S1-S3）、（S2-S4），利用2 組面應變相關系數，分析3 次ML≥4.0 地震前數據異常變化，并利用2 組剪應變大小，計算異常主應力方位角，進而判斷干擾源方位。

3.1 地震異常分析

針對河北地區2018 年2 月12 日永清ML4.8 地震、2019 年12 月3 日懷安ML4.0 地震、12 月5 日豐南ML4.9 地震3 次地震，對易縣臺鉆孔應變觀測數據映震異常進行分析。

（1）2018 年2 月12 日永清ML4.8 地震。據中國地震臺網測定，2018 年2 月12 日18 時31 分在河北廊坊市永清縣發生ML4.8 地震，震中位于易縣臺分量應變觀測室正東86 km 處。選取2018 年2 月1 日—21 日易縣臺鉆孔應變數據，分析2 組面應變及2 組剪應變數據變化，結果見圖5。由圖5 清晰可見，此次永清地震前，剪應變變化幅度遠大于面應變；地震前幾天，面應變、剪應變出現震兆異常，特別是2 月2 日、4 日、8 日的剪應變異常變化幅度較大，且因震中位于觀測室正東，故（S2-S4）異常幅度明顯比（S1-S3）大。

（2）2019 年12 月3 日懷安ML4.0 地震、12 月5 日豐南ML4.9 地震。據中國地震臺網測定，2019 年12 月3 日11 時34 分，河北張家口市懷安縣發生ML4.0 地震，震源深度13 km，震中位于易縣臺分量應變觀測室西北358 km 處；12 月5 日8 時2 分在河北唐山市豐南發生ML4.9 地震，震中位于分量應變觀測室東偏南305 km 處。選取2019 年11 月25日—12 月15 日易縣臺鉆孔應變數據，分析2 組面應變及2 組剪應變數據變化，結果見圖6。由圖6 清晰可見：①懷安地震、豐南地震前，剪應變變化幅度遠大于面應變，特別是豐南地震前，剪應變變化幅度約為面應變的3 倍；②地震前幾天，面應變、剪應變均出現震兆異常，其中懷安地震剪應變異常變化幅度于11 月28 日最大，達22.38×10-8；豐南地震剪應變異常變化幅度于12 月4 日最大，達44.15×10-8。豐南地震剪應變變化幅度較大，應與地震前釋放應力大小有關；③懷安地震震中位于觀測室西北，理論上（S1-S3）與（S2-S4）異常變化幅度應一致，但實際上（S2-S4）曲線異常起伏變化幅度略大，這是因為，基本同期發生的豐南地震，震中位于觀測室東偏南，而2 次地震發生時間較近，震兆異常疊加，導致（S2-S4）曲線異常起伏變化幅度明顯大于（S1-S3）。

圖6 懷安ML 4.0、豐南ML 4.9 地震前易縣臺鉆孔應變異常（a）分量應變觀測數據面應變曲線；（b）分量應變觀測數據剪應變曲線Fig.6 The anomaly of the borehole strainmeter observations at Yixian Seismic Station before the Huai’an ML 4.0 and Fengnan ML 4.9 earthquakes

通過對3 次ML≥4.0 地震鉆孔應變異常分析，得出以下結果：①剪應變異常變化幅度約為面應變的3 倍；②剪應變的測量數值與元件測向方位和主應變方位之間的夾角密切相關。當夾角較小時，所得剪應變值較大（邱澤華，2017），主要與觀測儀器所受應力方向有關。也就是，當震中位于觀測井NS 向時，（S1-S3）偏大；當震中位于觀測井EW 向時,（S2-S4）偏大；當震中位于觀測井SE、NW、NE 和SW 向時，（S1-S3）與（S2-S4）異常變化幅度基本一致；③對于ML≥4.0 地震，震前幾天面應變、剪應變均會出現異常變化。

3.2 環境干擾實例分析

調研發現，易縣臺鉆孔應變觀測室周圍存在的環境干擾源主要有采石場、土方荷載、抽水井等（圖7）。由歷年鉆孔應變觀測資料可知，易縣臺伸縮儀受采石場和挖土活動干擾較大，鉆孔應變儀主要受抽水干擾。排查發現，觀測室周邊有3 口固定抽水井，其中：1#抽水井位于易縣臺以西0.5 km 處，2012 年1 月起每日6:30 抽水，時長約3.5 h，抽水量約80 m3；2#井位于臺站院內，屬生活用井，現基本停用；3#井位于臺站西北方向6 km 處，為五道河村、西陵村及鳳凰臺村生活用水井。

圖7 易縣臺鉆孔應變觀測室周圍環境干擾源Fig.7 Environmental interference diagram of borehole strainmeter observation room at Yixian Seismic Station

3.2.1 應變觀測曲線變化及環境干擾判定。自2019 年10 月29 日起，易縣臺分量鉆孔應變觀測曲線持續15 天出現畸變，四分量均出現不同程度的變化，尤其是NE 分量（N140°E），曲線畸變明顯，出現多次壓縮—拉張鋸齒狀變化，見圖8，可見曲線呈快速壓縮、快速拉張、上彎型及下彎型變化，間有高頻突跳變化。根據該曲線變化特征，初步判定應變觀測數據受抽水干擾。

圖8 易縣臺鉆孔應變儀NE 分量異常抽水干擾曲線Fig.8 Interference curve of pumping of the NE component of borehole strainmeter observation at Yixian Seismic Station

經宏觀調查，認為易縣臺分量鉆孔應變數據固體潮畸變與臺站周邊抽水井抽水有關，干擾源應位于觀測室西北或東南方向。結合圖7 所示觀測室周邊干擾源分布，判定3#抽水井應為干擾源。因環境干擾因素較多，為進一步確定干擾源方位，可根據邱澤華（2017）提出的主應力方向估計理論，求解主應力方向。

3.2.2 干擾源方位確定。據式（1）推解剪應變S13、S24及主應變Sa，有

繼而推算鉆孔應變異常方向應力方位φ，有

式中，θ1為元件1 的方位角，在易縣臺，θ1=50°（圖2）。

利用式（3），計算得到易縣臺2019 年10月29 日后鉆孔應變觀測數據剪應變變化幅度：S13=5.414×10-8，S24=3.264×10-8，代入式（4），得到φ=80.96°。據邱澤華（2017）提出的主應力方向估計理論可知，當S13＜0、S24＜0 時，主應力朝向西北，從而推算可得，干擾源在觀測室NW80.96°方位。據調查，鉆孔應變觀測室西北主要分布自來水公司所屬抽水井和蓄水池，方位NW46.5°，與理論值偏差34.46°（圖9）。方位偏差產生的主要原因是，用于計算的異常數據時間是一個時序，而非異常出現的具體時段，且受地質結構影響，地下應力實際傳播過程復雜，并非完全遵循線性傳播關系。

圖9 易縣臺鉆孔應變NW 分量異常主應力方向示意Fig.9 Diagram of principal stress direction of the NW component of borehole strainmeter at Yixian Seismic Station

4 結論與討論

通過對易縣臺四分量鉆孔應變儀觀測記錄面應變、剪應變的分析，可以得出以下結論：①對于該臺鉆孔應變震前觀測數據，面應變、剪應變同時出現異常變化；②相對面應變而言，剪應變異常變化幅度較大，且幅度大小與震中相對觀測井的位置有關；③利用固體潮畸變時段剪應變主方向，推算可得干擾源在鉆孔應變觀測室NW80.96°方位，應為自來水公司所屬抽水井和蓄水池。

文中未考慮地下介質的不均勻性，所得易縣臺鉆孔應變觀測干擾源方位與實際位置存在一定偏差，且抽水干擾所致應力大小的變化不能確認，只有探究該臺鉆井及抽水井周邊區域的水文地質環境，了解地下水的補給情況，繪制地下水流向圖，才能準確判定造成鉆孔應變觀測數據固體潮曲線畸變的抽水井的距離和深度。

本文撰寫得到山東省泰安基準臺盧雙苓高級工程師的支持和幫助，在此表示感謝。