门源6.9级地震前后高台钻孔倾斜异常特征分析

李娜，武善艺，雷正超，胡源

(1.甘肃省地震局，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省地震局张掖中心站，甘肃 张掖 734300)

0 引 言

2022年1月8日凌晨1点45分在青海门源 发生6.9级地震，该地震发生在祁连地震带中东段，震中500 km范围内甘肃省内形变仅高台钻孔倾斜南北分量震前出现短期异常变化，于2021年10月14日出现加速北倾异常。根据现场核实情况分析认为，存在一定的人为干扰，但通过人为干扰试验对比，认为除人为干扰变幅外，还存在地壳应力改变导致的加速异常。门源6.9级地震后高台钻孔倾斜南北分量异常仍持续发展，同期祁连山西段出现新形变异常，门源6.9级地震后祁连地震带西段德令哈市发生了5.8级和6.0级地震。高台钻孔倾斜加速北倾异常对祁连地震带6级以上地震具有较好的指示意义。

1 高台钻孔倾斜资料及异常形态分析

1.1 高台基础资料介绍

高台位于青藏高原北部边缘，祁连山北缘断裂带中段，该地区为走向北西西向逆冲断层，线状褶皱非常发育，垂直差异运动强烈，是地应力易于积累的地区。高台观测站位于合黎山—龙首山褶皱带南缘与走廊断陷的分界处，河西系高台—榆木山隆起与祁吕西褶皱外缘与古北西向构造斜撞复合部位。区域地质构造以合黎山—龙首山北西西向隆起带为主，西起金塔，东至河西堡东，总体走向呈北50°-60°西，其间与高台—榆木山构造带斜接复合[1](图1)。该观测站建于河西走廊的大片花岗岩体出露的地震带上，台基岩性为海西期花岗岩。形变观测项目包括四分量钻孔应变和钻孔倾斜两种，其中钻孔倾斜仪所在钻孔深49.4 m，井孔直径为∮130～134 mm裸孔，仪器型号为CZB-2A。倾斜探头位于井下48.5 m处，井内有水，水面到井口距离为6 m左右。该仪器于2006年8月架设，运行稳定，资料连续可靠。由于工作年限过长，电子原件老化，数据漂移严重，观测数据年变逐渐消失，2016年7月7日对探头部分电子原件进行了更换维修，重新下井观测至今。维修后仪器连续率、精度更优于以前，年变更有规律可循。

图1 高台一般站地质构造分布

2021年3月19日高台钻孔倾斜由于旧数采出现了不可维修的故障，随即更换备用数采，由于是新旧数采系统略有差别，经过标定格值相差较大，当日没有启用新格值，仍沿用旧格值。观测10天后，经过对比，更换数采后观测数据没有出现趋势性变化，数据曲线稳定。3月29日再次经过标定，前后标定格值符合规范，即日启用新格值。由于新格值是旧格值的两倍，故日变幅度发生变大现象，幅度是原来的两倍。

自更换新数采以来，观测数据每日均存在缺数现象，观测精度有所下降(表1)，自2015年以来钻孔倾斜观测数据的连续率和完整率(表2)，2021年由于更换数采，连续率明显下降。

表1 钻孔倾斜调和分析以及观测仪器精度变化

表2 高台钻孔倾斜连续率统计

1.2 门源6.9级地震前异常特征分析

高台钻孔倾斜南北分量于10月14日15时开始出现台阶变化，随后数据一直处于加速北倾状态(图2)。由于2016年6月对探头整体进行维修重新下井，2017年仪器处于待稳定状态，直到2019年起年变形态开始逐渐稳定，呈现完整且有规律的年变形态。但自2017年以来，数据每年都呈现夏高冬低的年变形态，10月到达每年低值并开始转折北倾，北倾持续时间为4～6个月。计算自2017年开始10月的转折北倾速率，相比而言，除了2017年上升速率应与仪器处于稳定状态有关以外，2021年10月中旬以来的北倾速率为近几年最快(表3)，仅3个月北倾斜率高达1.592 1，远超2018年以来的北倾变化速率。

图2 高台钻孔倾斜分钟值趋势变化(2021-10-12～2021-10-21)

表3 高台钻孔倾斜转折北倾速率统计(2017～2022年)

利用一般多项式分段式曲线对南北分量观测数据进行拟合去趋势分析(图3)，数据于2019年5～7月表现出超阈值现象，随后在同年9月16日发生甘州5.0级地震；2020年3月表现超阈值，全年无地震对应，2021年10月出现超阈值，与北倾加速变化出现时间基本一致，只是随后原始曲线中北倾变化持续，去趋势后无超阈值现象，2022年1月8日发生门源6.9级地震，原始曲线表现为阶降变化，同一时间去趋势结果显示超阈值变化。

1.3 异常核实情况

1.3.1 观测仪器检查

观测仪器运行正常，市电电压为219.8V，电压稳定数据采集和网络传输系统均工作正常，观测条件符合《地震及前兆数字观测技术规范》[2]，观测仪器标定结果合格。由于新旧数采数据线连接端口不一致，因此旧数据线连接新数采存在端口不匹配易松动的问题，且在数据开始加速上升前一天对数据端插口进行插拔存在人为干扰，因此现场反复插拔对观测数据做对比分析认为插拔造成小幅台阶变化但并不影响速率变化形态，因此认为高台钻孔倾斜南北分量加速北倾异常与插拔数据线无关。

图3 高台钻孔倾斜南北分量去趋势变化(2017-01-01～2022-01-09)

1.3.2 观测井及观测环境检查

观测井内井壁完整，线路无损坏，仅在井外壁有一马蜂窝空壳，已清理至井外。观测环境正常无干扰，污水处理厂自2019年建成后一直工作至今，距台站400 m处有一工作多年的采石场，不定期爆破会对钻孔四分量造成台阶影响，但由于采石场存在多年，因此不能作为钻孔倾斜南北分量加速北倾的干扰原因。

2 异常可靠性检验

根据对高台钻孔倾斜异常形态现场核实情况，对该项资料变化受观测系统、观测环境、气压以及地下水位等因素影响进行全面检查和分析：(1)仪器运行正常、交直流供电正常，仪器无漂移情况。(2)钻孔井壁完整，不存在破碎渗水现象。(3)观测环境内不存在新的施工干扰，原有的干扰源仅有一个相距400 m 的采石场，近期无新的施工项目。(4)检查工作日志，异常形态产生前有确定的人为活动干扰，重复人为操作后数据形态并未发生改变。(5)高台一般观测站气象三要素变化平稳无异常(图4)，钻孔倾斜全年呈现夏高冬低的变化形态，同温度、降雨量呈正相关，同气压变化呈负相关，2021年降雨相比前两年有所增加，其余无显著异常变化，钻孔倾斜南北分量加速北倾前无显著大幅降雨。高台静水位观测井与高台钻孔倾斜观测井相距10 m，并不在同一观测井内。2017年以来观测数据显示，高台静水位和钻孔倾斜南北分量整体呈现径向变化，仅在2018年4～11月期间，南北向测道与静水位呈同向变化，南北分量转折南倾的同时，高台水位呈现不同于以往上升变化的下降形态，这是由于在此期间观测井南侧1.5 km处修建拦水坝并开始蓄水所致[3]。2020年12月底由于高台水位观测仪器故障，完全换新观测仪器后，观测数据与原始数据不能完全衔接而产生阶降，观测形态仍与往年一致，水位高值、低值月份与往年相同，但相比往年夏季水位偏高，冬季水位偏低，即自更换水位观测系统后，记录到的水位整体变化速率加快，从而出现高、低值较往年偏高的现象，目前高台水位并未出现与高台钻孔倾斜南北分量准同步异常变化(图5)。因此认为人为干扰不是导致数据上升速率加快的主要原因，北倾变化较为可靠，可作为前兆异常。

图4 高台钻孔倾斜和气象三要素对比曲线

图5 高台钻孔倾斜和高台静水位对比曲线

3 异常变化分析

3.1 门源6.9级地震前高台钻孔倾斜南北分量分析

3.1.1 速率法分析结果

由于高台钻孔倾斜观测较早，2016年由于仪器故障老化严重，数据漂移过快，于当年7月更换钻孔倾斜探头的部分原件，然后重新下井进行观测，更换探头原件前后数据变化形态差异较大。采用速率分析指标法对高台钻孔倾斜南北分量自2019年以来的数据进行分析(图6)，计算结果中三个异常点出现时间分别为2019年8月5日，2021年6月19日和8月23日，根据预测地震结果来看，2019年异常点对应了甘州5.0级地震，2021年两个异常点应是对应了阿克塞5.5级地震，目前原始曲线上自10月15日出现的加速北倾异常并未计算出超阈值异常点，虽然通过R值检验，但利用速率分析法计算结果显示门源6.9级地震前并未捕捉到超阈值异常点。

3.1.2 高台单点GPS速率变化分析

对比高台单点GPS速率变化情况，自2011年以来高台单点南北向GPS观测数据呈压性形态(图7左)，去除趋势后整体变化趋势平缓，速率无显著异常变化，趋势也未发生显著转折，年变形态完整，同样呈现与钻孔倾斜相同的“夏南倾冬北倾”变化(图7右)，转折北倾时间与钻孔倾斜基本一致，为10月左右，由于GPS观测数据相比定点更新滞后2个月，因此截至12月，高台南北向GPS呈现北倾压性变化，与钻孔倾斜南北变化一致，但是就北倾速率而言，与往年GPS同期基本一致。

图6 高台钻孔倾斜南北分量速率分析结果

图7 高台单点GPS观测南北向变化

3.2 高台观测站历史震例同震变化分析

高台钻孔倾斜观测站附近自资料变化于2017年开始平稳以来，甘肃省及附近区域发生中强地震共6次，包括2019年9月16日甘州5.0级地震(震中距101.37 km)，夏河5.7级地震(震中距542.37 km)，2021年5月22日玛多7.4级(震中距551.23 km)、6月16日茫崖5.8级(震中距538.48 km)、8月26日阿克塞5.5级(震中距376.03 km)、12月19日茫崖5.3级(震中距611.82 km)以及2022年1月8日青海门源6.9级地震(震中距221.51 km)。除夏河5.7级、茫崖5.3级地震外，其余中强地震前钻孔倾斜均记录到同震变化，表现以单点突跳、高频振荡以及阶变为主(表4)。

根据表4可知，距离观测站300 km范围内的地震更容易导致资料产生台阶变化，记录到最远的同震响应地震为玛多7.4级；5个具有同震响应的地震中，4个发生在祁连山地震带，与观测站构造相关，距离较远的玛多7.4级地震属于左旋走滑，发生在青藏高原中北部的巴颜喀拉块体，欧亚参考框架下，巴颜喀拉地块东向运动明显快于北侧的柴达木地块[4]，因此对相邻的柴达木地块北部有一定的应力挤压作用；对于两次茫崖5.8级、5.3级地震而言，二者均发生在柴达木盆地北缘断裂带——柴达木盆地断陷区与北部祁连山断裂带的重要分界线，但是茫崖5.8级地震距离更近、震级更高，因此震前记录到同震单点突跳，而茫崖5.3级地震相距较远，震级偏小，无显著同震形态出现。

表4 高台钻孔倾斜的同震响应特征汇总

3.3 高台钻孔倾斜异常与门源6.9级地震的关系

在甘州5.0级地震前高台钻孔倾斜并未表现出显著短期异常变化，但是在门源6.9级地震前，高台钻孔倾斜南北分量出现显著的加速北倾异常，震后如图8所示，同震阶变后，加速形态仍在持续，且阶变前后速率并未改变。就观测站位置而言，与门源6.9级地震相距221.51 km，均位于祁连山地震带中部，且形成阶降，此次加速北倾与门源6.9级地震具有一定的相关性。

图8 门源6.9级地震后高台钻孔倾斜变化

牛安福[5]在统计地倾斜变化与地震关系时提出，地倾斜突变是指异常变形幅度和持续加速变化时间不同于正常变化过程。6.5级以下中强地震200 km范围内会有突变的倾斜异常点，7级以上地震的突变地倾斜异常点的震中距则可达上千公里；地倾斜突变异常持续时间越长，变幅越大，震级越大。据此，对门源地震前高台钻孔倾斜南北分量的加速北倾异常(2021-10-15～2022-01-08)进行对应分析：

(1)异常变化与震中距。根据表4中震例统计情况可知，200 km范围内仅有一次甘州5.0级地震，对高台钻孔倾斜南北分量进行速率分析(图9)，甘州5.0级地震前存在速率超限异常(以相对速率的1.5倍均方差为限)；门源6.9级地震震中距地倾斜突变点221.51 km，虽然超出200 km，但是震级较大且未达到7级以上，因此门源6.9级地震与高台钻孔倾斜南北分量北倾加速异常具有一定的相关性。

(2)异常持续时间与震级。从速率超限持续时间来看，门源6.9级地震前超限时间(90天)比甘州5.0级地震前超限时间(6天)长，根据牛安福[4]采用最小二乘拟合得到的持续时间与震级统计关系(M=1.36lgT+3.786)得到的预测震级分别为4.84级和6.44级，拟合平均误差0.35级，因此2019年速率超限异常预测震级为5.19级，2021年10月以来的速率超限异常预测震级为6.79级，与甘州5.0级地震和门源6.9级地震震级接近；只是门源6.9级地震前速率超限最大幅度(0.003 19)较甘州5.0级地震前速率超限最大幅度(0.005 67)小，这与震中距越近，幅度越大相符。

图9 高台钻孔倾斜南北分量相对速率分析

3.4 门源6.9级地震后高台钻孔倾斜加速形态分析

门源地震后高台钻孔倾斜南北分量加速形态并未发生改变，由于同震导致阶降，但是同震变化前后南北分量加速北倾速率一致并未发生变化。门源6.9级地震前半个月，祁连山地震带西段出现新的形变异常——安西垂直摆倾斜南北分量自2021年12月16日出现加速北倾形态，与高台钻孔倾斜南北分量异常形态相似，异常分量方向相同，说明台站附近区域的地壳应力有明显改变。门源6.9级地震后安西再次出现新的异常—安西洞体应变南北分量自2022 年1月9日出现转折压性破年变变化，说明该区域南北向挤压应力增强，地震紧迫性同样增强。

1月23日德令哈5.8级地震发生在高台钻孔倾斜南北分量与安西垂直摆南北分量同步加速北倾过程中，此时安西洞体应变南北分量转折压性破年变变化，而德令哈5.8级地震同门源6.9级地震均属于走滑型地震，因此门源地震后高台钻孔倾斜仍然保持与门源地震前形态一致；3月初高台钻孔倾斜南北分量与安西垂直摆南北分量北倾速率同步减缓转平，随后发生3月17日肃南5.1级和3月26日德令哈6.0级地震，此时安西洞体应变南北分量恢复缓慢拉张形态；4月15日德令哈5.4级地震前高台钻孔倾斜南北分量和安西垂直摆南北分量出现转折南倾(由于放大盒故障导致数据形态压缩呈平直状态，实际分钟值呈南倾形态)，且安西洞体应变在恢复拉张后再次出现转折压性变化[6]。德令哈震群前祁连山中西段形变异常形态如图10所示。

图10 祁连山中西段形变同步异常特征曲线

4 结 论

根据对高台钻孔倾斜在门源6.9级地震前后出现的加速北倾异常进行分析，得出以下结论：

(1)自异常出现以来，经过近一个月的资料跟踪以及现场核实认为，自更换数采以后，观测数据格值变大，观测精度显著降低，观测数据连续率下降。针对此次加速北倾变化，认为干扰因素发生时间与异常变化时间高度同步，经过现场重复插拔以及以往插拔重启操作前后数据形态对比，基本排除人为导致数据形态加速北倾异常的可能。

(2)根据以往研究得到的地倾斜突变异常与地震关系分析认为，门源6.9级地震与此次高台钻孔倾斜南北分量出现的加速北倾异常有关。利用地倾斜突变异常幅度、持续时间与震级之间的统计关系，计算得出的预测震级与门源6.9级地震基本相符。

(3)由于震后加速异常并未结束，速率分析结果也仍存在超限异常，且台站附近300 km内震例多以5级左右地震为主，因此加速北倾异常对高台观测站半年内附近300 km内的5级左右地震仍然具有一定的指示意义。同时祁连山西段的安西观测站自12月起出现与高台钻孔倾斜南北分量的同步异常变化，且于不同变化过程对应了德令哈震群中的不同类型地震，说明高台钻孔倾斜南北分量在门源6.9级地震前后的加速异常虽然速率相同，但是异常指示意义发生了改变，而表现相同的异常形态可能与地震类型相同有关。