环境干扰事件引起的“形变异常变化”＊

王 梅 季爱东 徐长鹏 王 鹏

（山东省地震局，济南250014）

（作者电子信箱，王梅：wangmei8534＠sina.com）

地震预测是以地震监测为基础的技术，地震学、形变、电磁、地下流体等学科均可以观测到有明确意义的地球物理现象，怎样在这些观测结果中识别出与地震相关的前兆信息则是地震预测需要做的基础工作。目前的情况是，在日常分析及震情会商中虽然提出了大量的异常情况，但这些异常极少得到地震的“支持”。造成这种状况的原因是复杂的，比如我们目前仍对地震孕育与发生的环境、条件及过程了解得很少，对地震孕育与发生过程中究竟会有什么样的前兆异常信息不甚了解；尤其目前存在的观测环境干扰增多以及观测技术不完善等问题，对识别与提取地震前兆信息造成了更多的困惑。因此，如何在复杂的观测背景及不完备的技术条件下识别干扰异常成为分析工作的首要环节。在山东省形变观测及异常识别的实践工作中，发现了一些有明确干扰因素的异常变化，如载荷变化、抽取地下水等。这些干扰发生的过程可以看作是不可多得的天然试验样本，为识别形变异常、了解不同干扰因素引起的应变过程以及不同观测仪器的应变响应特征提供了有益的认识途径。

1 台站概况

泰安台位于泰山南麓，地处鲁中隆起，泰山山前第四纪活动断裂北侧，台基为太古代花岗片麻岩，结晶基底，岩体完整致密均匀，波导性良好，测量信噪比高，可靠性好，为全国一类形变基准台。台站洞室内布设了数字化SS－Y 伸缩仪、DSQ 水管倾斜仪、SSQ 水平摆倾斜仪、VS 垂直摆倾斜仪及LaCoste－PET 型重力仪各一套。洞室外（距伸缩仪、水管仪约20m 处）还安装了TJ体应变仪及YRY－4压容应变仪（第4分量因故障停测）各一套。

烟台地震台地处丘陵缓坡园林区内，距海约2km。台基岩性为花岗岩，洞内布设了数字化DSQ水管倾斜仪、SS－Y伸缩仪各一套。

2 异常变化概述

2.1 泰安台压容应变仪、伸缩仪、水管倾斜仪观测受抽水干扰情况

泰安分量应变仪三个分量2009年7月27日后出现明显的固体潮畸变，同一台站伸缩仪及水管仪NS向也出现同步固体潮畸变（图1），经拟合处理后的同步畸变更加明显（图2）。

图1 泰安台形变观测固体潮同步畸变曲线

图2 泰安台形变固体潮拟合曲线

固体潮观测中易受降雨、气压变化影响，降雨一般表现为对趋势变化的影响，而此次泰安分量应变仪、伸缩仪的异常变化特征为短时的畸变过程，可以排除降雨影响的可能。气压对固体潮的影响为与气压同步的短时畸变，但上述各仪器的畸变不与气压变化同步，因此也不是气压影响的结果。在各项仪器出现固体潮畸变期间，台站也未调试过仪器，未出现电源切换等情况，各仪器仍可观测到固体潮，因此认为仪器处于正常工作状态。

经现场考察发现，7月27日后台站围墙外开挖了两处民用水井（家庭生活用），两井口在观测仪器正南约100m，分别深约35m、41m，两口井相距10m 左右，每天用水量约几百升。经过与用井居民的努力协商，请他们记录了部分抽水时间。结果表明，固体潮畸变时间与抽水时间吻合，从而确认几套仪器的固体潮畸变是由两口井抽水引起的。

泰安台压容应变仪、伸缩仪、水管倾斜仪观测受抽水影响的过程，持续时间一般较短（＜2小时），幅度不大（＜日波振幅一半，量级约10－8），而且不影响趋势变化；伸缩仪畸变早于压容应变仪约2分钟；伸缩仪及压容仪NS 向均表现为张性变化，压容仪EW 向表现为压性变化，水管倾斜仪NS向表现为S倾。

出现这些变化的过程中，泰安台体应变仪及压容应变仪的辅助水位观测未产生波动，分析认为应是抽水引起了井壁周围孔隙压迅速下降，周围孔隙水往水井处运移，导致一定范围内介质的微变形，应变信息迅速传递，被测量精度均达到10－9的形变感应装置记录到。由于水井在仪器正南方向，因此NS向应变仪均为张性变化，EW 向则表现为受挤压的状态，倾斜仪表现为S倾变化，EW 向没有固体潮畸变发生。这种现象一方面说明泰安台形变观测有较高的灵敏度，能很好地反映台站周围各个方向微小的应力波动情况，另一方面也说明多套形变观测同步变化，特别是不同形变仪器同一方向的同步变化应是判断真实形变事件的必要条件。

2.2 泰安台多项形变观测受水库放水干扰情况

2011年4月29日，泰安地震台YRY－4压容应变仪、SS－Y 伸缩仪、DSQ 水管倾斜仪、SSQ－2石英摆倾斜仪、VS 垂直摆倾斜仪等多套形变仪器出现较同步的速率转折（图3）。各应变仪速率加快的时间EW 向较NS向早约15分钟。此外，体应变仪辅助水位观测约在8小时后出现观测以来从未有过的大幅加速下降。同一台站的重力仪、体应变仪及3 套倾斜仪的EW 向没有突出的同步加速变化。泰安台形变各测项在5 月10日、5 月15 日又分别出现两次加速上升变化，但与4月29日的变化相比，持续时间较短，变化量级较小。这3次异常变化的时间均出现在11：30左右。

图3 泰安台形变观测曲线（2011－04－24－2011－05－20）

注意到在形变观测速率发生变化滞后约8小时，体应变仪辅助水位观测才出现突降变化的情况，而且体应变水位这种大幅度的变化（约12cm/d）观测以来从未出现过，因此考虑是否在较远处存在大量抽水的情况。在随后的调查走访过程中了解到，由于2010年9月—2011年5月，连续8个月泰安地区几乎没有有效降水，处于极度干旱状态。“五一”节前后恰为小麦需要浇水灌浆的时段，在距台站东北方向（方位角约45°）约8km处的刘家庄水库曾大量放水供农田灌溉。

由于水库突然放水，引起较明显的地面卸载，水体卸载过程引起的应力变化首先快速传递，引起泰安台多套形变仪器转折加速。但在应力作用下的裂隙水的运移过程则滞后于应力传递速度，造成应变仪辅助水位滞后约8小时才出现下降变化。因此根据多部门、多点位现场调查情况，结合泰安台形变观测变化特点认为，距泰安台东北约8km的刘家庄水库大量放水漫灌麦田，引起水库负载突然下降，其后周围水体迅速补充水库库容并引起周围应力变化，是导致泰安台形变观测速率突然加快并持续加速变化2～3天的主要原因。在这一异常发生过程中，泰安台安装的所有7套形变仪器中有5套仪器的8个分量出现了准同步变化，体应变仪及压容应变仪的辅助水位也出现不同程度的滞后变化，仅体应变仪及重力仪没有明显变化。分量应变仪各向变化幅度约为正常日变幅的28倍（量级约10－6），伸缩仪NS 向变化幅度约为正常日变幅的2～3 倍（量级约10－8），EW 约为正常日变幅的6～7 倍（量级约10－7），倾斜仪变化基本是正常日变幅度的2～3倍（约40 毫秒）。

2.3 烟台台伸缩仪、水管倾斜仪受载荷影响情况

烟台水管倾斜仪正常情况下变化平稳，年漂移量不超过100毫秒；EW 向观测曲线受一定程度的降雨影响。SS－Y 伸缩仪正常情况下变化也比较平稳，雨季均受降雨影响，年漂移量NS向不超过2×10－6，EW 向不超过4×10－5。

2002年5月中旬，烟台形变观测洞室所在山体北部山腰开始修建公路，公路为正东西走向，与仪器室水平方向相距约100m、垂直方向约相距30 m（公路路基高于仪器室）。公路为4 车道的主干道，宽约40 m。自公路开始修建后，土石开挖、运移规模很大，运出土石约20万m3，地表环境变化显著（见图4），引起SS－Y 伸缩仪NS向观测曲线2002年5月中旬至7月中旬的加速上升（张性变化），量级约为4.5×10－4，EW向则下降（压性）约2.2×10－5；水管倾斜仪两方向也出现同步加速下降变化（NS 向S倾约377 毫秒、EW 向W 倾约42 毫秒）（见图5）。由于施工主体方向在仪器室北部，NS向变化较EW 向更为明显。

图4 烟台台形变仪器布设与公路修建情况示意图（图右上三角形部分为运出并运回的土方）

图5 烟台台水管倾斜仪及伸缩仪日均值观测曲线（2002－01－01—2002－12－30）

值得一提的是，11 月上旬道路修建工程开始回填土石，回填量约为10万m3，而烟台台各形变仪器在11月10日开始出现与工程初期方向相反的同步趋势变化，尤其以伸缩仪NS向最为明显。这些情况与5～7月的变化互相印证，说明烟台台形变资料的变化主要与修路过程有关。

3 分析与讨论

目前形变固体潮观测仪器，诸如倾斜仪、应变仪、重力仪等，均有较高的灵敏度和稳定性，有较宽的频率范围，可以监测到高频（如地震波）至零频范围内的形变信息，量级最小可以观测到10－9的变化。即在以固体潮为观测本底的基础上，无论是较长周期的构造变形，还是较高频的突发变形事件，均在形变固体潮仪器响应范围内。泰安台及烟台观测到的上述形变事件虽然都由干扰引起，但观测结果可以说明以下问题：

（1）如果发生变形事件，同一台站的多套形变固体仪器应有较同步的变化。这种“同步异常”的出现应该成为判定异常发生的重要准则。

（2）观测到的异常量级可以小至固体潮日变范围内，最大可以引起趋势上的不断变化（烟台台伸缩仪达4.5×10－4量级），但不同类型仪器量级可能不一致。

（3）引起干扰的点位可能达数千米以外。

（4）干扰既可以是短周期变化（瞬时抽水）引起，也可以是长周期变化引起（土石逐渐积累）。

（5）分量式应变仪可能存在井孔放大效应，对异常反映最有效（各方向均有变化、变化量级大），其次是伸缩应变仪。

4 思考与建议

形变固体潮观测在地震预测中的作用及有效性已在多年的预报实践中得到证明，但由于震源及地震过程本身的不可见性，以及大地震事件数量的有限性，使得我们目前对地震前兆的认识还很肤浅。而在一些背景噪音比较低、观测项目比较齐备的台站，对干扰引起的形变信息的分析，可以成为我们认识地球物理过程发生、传递及表现的一个重要切入点。在有条件的台站，应尽可能多地布设不同类型的仪器，为地震预测实践工作提供物质基础。

山东泰安台、烟台台都是形变观测综合台站，为形变观测的同步对比分析提供了有利条件。从上述几次干扰过程可以看到，无论是规模比较大的干扰（烟台载荷变化），还是规模比较小的干扰（泰安民用井抽水），无论是远距离（8km 外）还是近距离（几十米）的干扰，如果事件的发生引起了地壳应力状态的改变，而且异常信息频率在形变仪器响应范围内，则应力变化引起的异常信息均能被大部分形变仪器，特别是分量应变仪及伸缩仪观测到。体应变仪在泰安台的几次干扰异常发生过程中基本没有同步变化，这与体应变观测原理有关。体应变仪观测到的实际是水平面应变及垂直方向应变的和，因此无法反映钻孔径向分量应变变化情况，这也应该是今后体应变布设和体应变异常认识、判定中需要考虑的问题。泰安台LaCoste－PET型重力仪在这几次事件发生过程中也没有同步异常出现，但其日常观测运行平稳，固体潮清晰，尤其对地壳高频信息反映灵敏。分析认为，可能一方面与异常信号频谱特征有关，另一方面可能说明重力仪对地表小规模物质运移并不“敏感”。

通过几十年预测实践经验的积累，尤其对大量存在的虚报事件的回顾、反思，在现有科学基础上，我们对待观测资料的变化，仍需秉持客观、科学、谨慎认真的态度。对观测中的突发情况应首先尽力从干扰因素方面寻找答案［1－2］，而不是形成过分追求异常数量的氛围。在异常识别、判定过程中，“同步异常”的现象应该成为确认异常的一个重要准则；对解释不清的问题，应杜绝“找不到干扰就是地震前兆”的做法，或者简单以“可能表征了地壳应力场的变化”等无法验证的语言进行交待［3］，否则难以提升地震预测的科学水平。

［1］车用太，刘成龙.汶川地震后关于地震预测问题的再思考.国际地震动态，2008（10）：1－6

［2］车用太，鱼金子，刘成龙，等.判别地下水异常的干扰性与前兆性的原则及其应用实例.地震学报，2011，33（6）：800－808

［3］蒋海昆.重视预报过程反思提高地震预测水平.国际地震动态，2005（5）：151－153