2017年6月20日肃南地震台洞体应变NS分量转折变化分析

孙点峰 秦满忠 王亚红 魏东星 王志栋 姚赛赛 席立峰

（中国兰州 730000 甘肃省地震局）

0 引言

定点形变观测作为地球物理观测手段之一，具有明确的物理意义，在日常数据跟踪、地震危险性判定及地震预报中发挥着重要作用。SS-Y 型洞体应变仪（简称SS-Y 仪）是一种测量地壳岩体两点间水平距离相对连续变化的精密仪器，可为地震孕育过程研究提供重要数据，同时可清晰记录到固体潮变化。引起固体潮畸变的典型干扰因素有气象因素、环境荷载变化以及人为干扰（薄万举等，2007）等。气象因素包括气温、气压、降雨量等，环境荷载变化因素有水库的冲沙与蓄水、土石开挖等，人为干扰主要有人员进出观测山洞、仪器标定和维修等。

数据跟踪分析在地震危险性判定及地震预报中发挥着重要作用，在跟踪分析肃南地震台2013—2017 年洞体应变观测数据时发现，2017 年6 月20 日起，肃南地震台（下文简称肃南台）洞体应变NS 分量数据曲线出现转折变化，23 日到30 日转折速率有所降低，之后数据逐渐恢复正常变化趋势。通过对区域地震活动性、自然条件、测区环境变化、同测点其他测项数据变化等进行分析，判断该变化的可能原因，为形变监测和干扰识别与排除提供参考。

1 台站概况

肃南台位于甘肃省肃南裕固族自治县，海拔2300 m。台站地处嘉峪关断裂东段，周边主要断裂有嘉峪关断裂、榆木山断裂、昌马—俄博断裂，地质构造分布见图1。肃南台水管倾斜仪和洞体应变仪架设在观测山洞内，山洞走向NWW，进深170 m，覆盖层厚达40 m，洞室年温差0.2 ℃（雷登学等，2012）。台站观测条件优良，观测数据潮汐因子稳定，内精度高，能清晰记录固体潮变化及同震效应，多次在全国资料评比中取得名次。

图1 肃南地震台周边地质构造Fig.1 Geological structure map of Sunan Seismic Station

肃南台所在的祁连山地震带，地震活动自1927 年开始进入强震活跃期，到1996 年底已发生5.7 级以上地震19 次，其中8 级特大地震1 次，7.0—7.5 级地震2 次（朱子政等，1997）。2000 年以来祁连山地震带发生12 次5 级以上地震，包括2 次6 级以上地震，分别是2003 年10 月25 日甘肃山丹MS6.1 和2016 年1 月21 日青海门源MS6.4 地震。

2 数据转折变化

2017 年6 月，肃南台洞体应变NS 分量出现转折上升变化，为判定该变化性质，选取2013—2017 年同期（6 月1 日—6 月29 日）观测数据进行跟踪对比分析，结果见图2。

图2 2013—2017 年肃南台洞体应变NS 分量观测曲线对比Fig.2 Comparison of North-South component of cave strain observations at Sunan station from 2013 to 2017

由图2 可见，与2013—2016 年同期数据曲线相比，2017 年洞体应变NS 分量观测曲线在6 月20 日开始出现转折，表现为拉伸状态，此后变化出现3 个阶段：①21 日—22 日，曲线转折上升；②23 日—24 日，数据变化逐渐平缓；③25 日起，再次出现转折上升变化，但速率有所降低，之后逐渐恢复正常变化趋势。

由具体数值可知，2017 年该台洞体应变NS 分量具有以下变化：20 日—23 日，日变幅为887.6×10-8；23 日—30 日，数据上升速率有所下降，日变幅为695.5×10-8。而2013—2016年同期日变幅分别为107.7×10-8、101.5×10-8、124.3×10-8、158.9×10-8。可见，2017 年数据日变幅较前4 年明显增大。

3 数据变化分析

地壳形变、构造活动和干扰因素等均对形变观测产生影响。而地壳形变、构造活动产生的地球物理异常一般与多种干扰共存。干扰因素包括仪器、环境和人为干扰等，其中仪器干扰有电源影响、仪器漂移等，环境干扰有降水、气压变化、施工爆破等，人为干扰有仪器标定、维修及其他人类活动等。从区域地震活动性、气象因素、台站观测环境等方面，分析2017 年6 月肃南台洞体应变NS 分量数据变化，以正确识别地球物理异常和环境干扰，为地震短临预报服务。

3.1 区域地震活动性

收集整理祁连山地震带（36°—41°N，96°—103°E）区域内2012—2018年发生的地震，进行震级统计（图3），发现肃南台周边近期未发生5 级以上地震，表明该区近几年地震活动性不高，且肃南台周边2017 年地震活动较少。最近发生的几次地震分别是2015 年11月23 日祁连MS5.3、2016 年1 月21 日门源MS6.4 及2017 年5 月20 日民乐ML3.0 地震，均未对肃南台洞体应变产生影响。由此判定，2017 年6 月该台洞体应变NS 分量数据变化非地震异常。

图3 2012—2018 年地震活动性Fig.3 The seismic activity from 2012 to 2018

3.2 气象因素

对于一个应力状态尚未达到破坏或滑动水平的岩体（断层）而言，水的进入会使其更接近破坏或滑动状态。水与岩土介质之间发生物理和化学的复合作用，其规律包括膨胀性、冲蚀效应、长期渗压水作用的演变趋势和稳定性，降低系统稳定性（黄建国等，2002）。

一般，降雨对地形变观测的主要影响是改变地表载荷，并会即时体现在观测数据曲线上。考虑到降雨对洞体应变观测的影响，对比分析2017年6月1日—26日肃南台降雨量（因肃南台雨量器损坏，降雨量数据来自肃南气象站记录，详见表1）变化与洞体应变NS 分量曲线之间的相关性，并将温度、气压作为参考，计算得出洞体应变NS 分量与温度、气压、降雨量的相关系数分别为0.384、0.225、-0.208，对比观测曲线见图4，可见气象因素对NS 分量无直接影响，但不排除间接影响。

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

图4 2017 年6 月1 日—26 日肃南台洞体应变NS 分量、温度、气压、降雨量日均值变化曲线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

降雨对地壳形变的影响可以分为3 个过程：①降雨的荷载作用；②降雨下渗断层面改变其间作用力，表现为空隙压力增大，断层面剪切强度减小或者断层面间的摩擦力减小。还有学者认为，水对岩石的物理、化学作用改变了断层面间的作用力；③降雨引起地下含水层上升而导致应力调整，进而引起地壳形变（赵小茂等，2009）。据此判断，此次肃南台洞体应变NS 分量出现转折可能与降雨存在间接关系。结合2013—2019 年肃南降雨数据，分析该台洞体应变NS 分量与降雨量的相关性，见图5，可见二者在较长时间尺度上的相关系数为-0.004 2，相关性较小，进一步表明降雨对洞体应变观测的直接影响较小。

图5 2013—2019 年肃南地震台洞体应变NS 分量和降雨量日均值变化曲线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 观测系统排查

对肃南台供电系统、洞体应变观测系统进行检查，发现仪器工作状态正常，观测数据曲线日变明显（图6），表明该台洞体应变仪未发生故障，观测记录数据连续可靠。

图6 2017 年6 月20 日—22 日洞体应变日变曲线Fig.6 Daily cave strain curve from June 20 to 22,2017

3.4 台站观测环境分析

（1）雨水渗漏点排查。对肃南台洞体应变观测山洞进行实地查看，发现山洞一侧有直径约2 m、进深约10 m 的涵洞，朝向观测山洞，涵洞上方雨水冲刷痕迹明显，涵洞内砂岩潮湿，有雨水流入痕迹，山洞内部因雨水大量渗漏而积水（图7），此渗漏点与洞体应变NS分量距离约1 m，与EW 分量距离约10 m（间距远，积水未对该分量产生影响）。对该渗漏点采取封堵措施，由图5 可知，此后肃南台NS 分量未再出现此转折变化。

（2）施工场地排查。对测区外部环境开展调研工作，发现2017 年3 月中旬，位于肃南台西南方向约300 m 处的肃南县红湾寺小学教学楼建设施工，场地见图7(d)所示。对比观测数据发现，该项目施工以来，肃南台洞体应变NS分量在对应时段未发生变化，结果见图8。据熊先保等（2000）、李祖宁等（2007）、郑海刚等（2017）、闫伟等（2015）关于载荷对形变监测影响的研究，与观测点测项在震前出现的异常量相比，载荷变化可忽略不计。因此，红湾寺小学施工不足以引起肃南台洞体应变NS 分量2017 年6 月20 日的数据变化。

图7 测区周围考察照片（a）山洞走向示意；（b）山洞外侧涵洞；（c）山洞内壁渗水；（d）测点前红湾寺小学现场施工Fig.7 Investigation photos around the survey area

图8 2017 年3 月1 日—4 月30 日洞体应变观测曲线Fig.8 The curve of cave body strain from March 1 to April 30,2017

3.5 其他测项数据分析

地球物理异常不可能仅出现在某一测点某一测项。运用附近区域内多点观测资料，可以有效识别地球物理异常和环境干扰。地球物理场区域形变测量资料所反映的震前异常往往是大面积的（路珍等，2016）。将变化分量与同槽观测的水管倾斜NS 分量进行对比，发现水管倾斜观测数据未发生异常变化，见图9。同时，与高台台重力、钻孔倾斜、钻孔应变和嘉峪关台洞体应变数据进行同期对比，发现周边观测数据未出现相同变化，见图10。

图9 同槽不同测项观测数据对比Fig.9 Comparison of observation data of different measurement items in the same trough

图10 区域内其他形变测项观测数据对比Fig.10 Comparison with other deformation observation data

4 结论

定点形变观测是地球物理场观测的重要手段，正确识别地震异常和干扰对于监测预报具有重要意义。地震地球物理异常与干扰往往难以区分，需要从多角度出发全面分析。对于在跟踪分析工作中发现的2017 年6 月甘肃肃南台洞体应变NS 分量数据的转折变化，通过分析区域地震活动性、气象资料及调查观测环境、对比不同测项数据等，排除施工影响和震后恢复的可能性。结合2013—2019 年当地降雨数据，与肃南台洞体应变NS 分量进行相关性分析，发现一般降雨对其直接影响较小，只有因大量降雨而导致观测山洞严重渗水，引起测区岩土力学性质发生改变，才会出现相关变化。对渗漏点采取封堵措施，而且2018—2019 年肃南未出现大量降雨，此后洞体应变NS 分量曲线未出现转折变化，表明渗漏点封堵措施有效降低了降雨对肃南台洞体应变NS 分量观测的影响，减少了可能引起数据变化的干扰原因，从而为地震监测预报提供更加准确的基础数据。