乌鲁木齐形变站2020年4月27日观测资料异常分析研究①

赵 磊， 李桂荣， 李 杰， 刘代芹， 方 伟， 陈述江， 丁 宇， 杨 磊， 李雨峰

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

2020年4月27日乌鲁木齐形变站定点跨断层水准场地NW水准观测曲线出现明显的上升变化，上升幅度为0.51 mm；EW水准观测曲线出现下降变化，下降幅度为0.41 mm，变化明显(图1)，但近期场地环境正常，无明显的环境干扰。通过对比复测，两组观测成果相似，又收集和整理了乌鲁木齐形变站气象三要素数据资料以及场地南侧的水塔山绿化灌溉的信息，以此验证出现的异常与气象三要素和山体绿化灌溉的相关性，进一步分析乌鲁木齐形变站NW测线和EW测线异常变化的原因。此次异常现象自2020年4月27日开始至6月30日左右数据恢复至正常变化形态，持续时间60 d左右，由于7～9月乌鲁木齐市新冠疫情影响，全市封闭管理，致使近50 d无法正常观测，数据缺失，但从目前资料情况看，已恢复正常。

图1 乌鲁木齐形变站水准场地异常测线高差变化图(a) NW向 (b) EW向 (c) NE向Fig.1 Elevation change chart of leveling site anomaly survey line in Urumqi Deformation Station

1 乌鲁木齐形变站定点跨断层水准场地背景资料概况

1.1 观测场地地质构造情况

雅玛里克山断裂是博格达山古生代优地槽褶皱山系与前山中、新生代坳陷的分界断裂。其中，从水磨沟七一棉纺厂到雅玛里克山北麓，长9 km 的断层北盘地带地形较平坦，已成为市区人口密集地带。上盘为三叠纪砂岩，下盘为侏罗纪地层，断层走向为N60°E，倾角南倾 70°～80°，深部变缓，断裂涉及宽度在百余米至几百米，个别地段可达几千米，断裂长度达150 km，其性质是压型逆断层，断裂从乌鲁木齐市中部通过[1]。1965 年 11 月 13 日乌鲁木齐东北MS6.6地震就发生在该断裂带上，其后又曾发生过多次中小地震，该断裂垂直形变运动速率在0.1～1.0 mm/a，水平形变运动速率为10 mm/a[2]。

1.2 观测场地概况

乌鲁木齐形变站位于乌鲁木齐市水磨沟区，是国家二类台站，坐落于水磨沟区水塔山北侧，距最近的公路约650 m，东边距水磨沟河约1 km，台站周边300 m范围内多为5层及5层以下的居民楼，无大型建筑和厂矿企业[3]。

观测场地为三角形测线NEW，整个三角形构成一个闭合环，环线周长307.6 m，共6站，采用固定式仪器墩。其N点位于F2断层的北盘，W点、E点位于F2断层的南盘，3个点均埋设在基岩上(图2)。F2为雅玛里克山断裂，走向北东60°左右，倾向南，倾角为60°～70°，受地形条件的限制，测线未跨过整条断裂带，只跨了F2分支断裂。N点埋深1.5 m，W点、E点埋深 3 m[4]。

图2 区域活动构造体系与乌鲁木齐形变站位置及周边环境示意图Fig.2 Schematic diagram of regional active tectonic system and the location and surrounding environment of the deformation station in Urumqi

1.3 观测场地历史资料概况

形变站定点跨断层水准场地于1981年开始观测，1981年至2018年12月每天上午、下午各复测1次，近十几年来全年度无缺测，缺测率R=0，成果连续率达到了100%。观测资料质量为优级。另外还常年开展降水量、气温、地温和气压4项辅助观测项目。辅助观测点均设在水准观测场地范围内。为台站短水准观测资料在地震的分析、研究中提供了真实可靠的辅佐依据，2019年1月开始，观测周期调整为1次/周。从观测曲线可以看出年变形态明显，较好的显示出雅玛里克山断裂的垂直形变运动特征，通过计算1988年至2020年4月NE测线和NW测线以及EW测线趋势累计率得到NE测线趋势累计率为-0.074，NW测线趋势累计率为-0.076，EW测线趋势累计率为0.005，结果很好地反映了断层的逆断性质，总的变化趋势是逐年上升(图3)。

图3 乌鲁木齐形变站1988-01-01～2020-04-29高差时间序列曲线图(a) NE向 (b) EW向 (c) NW向Fig.3 Time series curves of height difference in Urumqi deformation station from 1988-01-01 to 2020-04-29

从1988年至今的时间序列图可以看出，跨越断层的NE、NW测线变化趋势、变化幅度相对一致，显示出断层的运动状态自1994～2000年有一定的上盘抬升现象，2000年至今趋势变化不大。此次NW测线0.51 mm的抬升，从整体上看，并不突出，与2019年的变化幅度基本一致[5]。结合地震活动性综合分析，2019年4～8月，NW测线出现快速上升变化之间、之后，均无MS≥5.0地震发生，仅在2019年7月22日20时32分在新疆和硕县发生MS4.6地震，震源深度8 km，震中距129 km，距离较远，回溯性检验，认为该现象并非前兆异常，2020年NW测线再次出现类似的现象。

2 异常分析

2.1 观测系统工作状态检查与环境

2.1.1 仪器工作状态检查与核对

乌鲁木齐形变站定点跨断层水准测量采用的仪器是德国蔡司厂生产的Ni002A型自动安平光学水准仪，采用的标尺是0.5 cm刻划、3 m线条式铟钢水准标尺。现场检查仪器、标尺及零部件、记录设备等，均未发现异常，观测设备工作状态正常，核查工作认为，观测设备检查项目齐全，各项参数正常，满足《跨断层测量规范》要求[6]。且进行对比观测的天宝DiNi03型电子水准仪为本年度进行跨断层流动水准观测所使用的仪器，该仪器于2020年3月由中国地震局第二监测中心进行了仪器年检，各项性能指标合格，因仪器故障引起水准观测值出现大幅度加速上升、下降变化的可能性很小，故认为该变化非观测设备故障因素所致。又因为对比观测结果相似，亦可以确定与人为因素无关。

2.1.2 观测场地环境及点位稳定性

2020年4月29日现场勘查表明，点位未遭受任何破坏，点位附近无施工干扰，地貌环境如常。

N点位于断层的北盘，W点、E点位于断层的南盘，3个点均埋设在基岩上，为钢筋混凝土标石，标志为金属标志，标石埋深1.5～3.0 m。N点洞深约22 cm，直径约12 cm，W点洞深约13 cm，直径约15 cm，E点洞深约9 cm，直径约25 cm[7]。从洞深和直径可以看出，W点和E点的深度较浅，可能更容易受地表温度的影响。

针对此次W点的突出变化，认为测点本身位于围墙约5 m处，距离水磨沟公园水塔山最近，受到水塔山绿化灌溉及周边地下水变化的影响最大。

2.1.3 气象因素分析

温度、气压和水位等气象因素也可能对水准观测造成影响。2016年至2020年4月同期观测平均结果显示，2020年降水为4年同期内最少，而气温和地温同期内最高(图4)。这也是2020年4月份水塔山绿化灌溉时间提前和用水量增加的原因。

图4 2016年1月28日至2020年4月28日乌鲁木齐同期温度(a)、气压(b)、降水(c)、地温(d)时间序列图Fig.4 Time series diagram of Urumqi during the same period from January 28, 2016 to April 28, 2020

降水量的多少可能会影响到地下水的含量，进而可能对区域的应力载荷产生影响，从这个角度来看，降水量的影响不能忽视，但是从乌鲁木齐形变站资料变化情况来看，并未出现降水量增加导致资料大幅下降变化的先例，且降水量的变化是否会引起这么大的变化，仍然需要继续深入研究，但是降水量的减少使附近水塔山的绿化灌溉用水量增加，地下水位发生变化，由此引起测点受到扰动是可能的。

温度的增高对垂直向观测的影响确实存在，但是从图1中并未看到往年同期因为温度快速增高导致观测资料大幅上升变化的情况，前期分析认为2017年快速上升变化是由5月更换标尺，6月更换观测员导致，而2019年4月的快速上升是因为观测墩倾斜导致的资料不可靠造成的，与温度的快速上升无关。

2.2 异常变化分析与性质判定

跨断层水准观测的是断层两侧水准端点标石之间垂直方向的相对变化，因此，标石如果不稳，或受外界干扰会导致水准观测结果出现显著变化[8]。但是，近场短期内没有明显的爆破、大型机械施工等干扰因素，各测段的观测精度可靠，观测结果无人为影响因素，但变化确实存在[9]。

(1) 对比观测

针对这一异常变化情况，采用了Ni002A型光学水准仪和天宝DiNi03型电子水准仪同时进行对比复测，光学水准仪仍然由原观测人员进行观测记录，电子水准仪由另一组人员观测记录，两组人员均按照往测N-E-W-N共计6站；返测N-W-E-N共计6站的观测顺序，并且两台仪器设站位置相同，根据计算，观测结果符合规范精度，观测结果相近，NE测线、EW测线、WN测线两台仪器观测结果如(表1)[10]。

表1 Ni002A光学水准仪与DiNi03电子水准仪同步对比观测结果

根据现场对比复测结果，排除了光学水准仪人工错误读数的因素。

(2) 应用形变速率累加进行异常识别

运用“形变速率累加法”对原始数据做一阶差分处理，以2倍标准差作为判断依据，得到各测线的形变速率累加值，以及速率累加曲线，再结合研究区代表性以往震例(MS≥5.0)，进行异常分析判断。该方法可以更加直观和明显的展现出连续异常“孤立”的点积分后的形变速率累加变化效果。

V=|hi-hi-1|(1≤i≤n) .

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，h为原始观测数据的各期观测值；(hi-hi-1)为相隔1个周期的一阶差分值，可以消除原始观测资料的趋势变化；n为原始观测总期数；σ为形变速率v的标准差；T为积分对象，即V≥2σ的形变速率保留，将V<2σ的形变速率设为0，Z为最后的累加形变速率，对T求累加计算。公式(3)为异常信息的识别方法：取2倍标准差作为判断依据，若V在2倍标准差以内，说明此阶段断层活动无显著变化；反之，说明原始曲线存在异常。在对残差累积上应选取较为“连续”的异常点进行积分，得到形变累加速率，使速率异常更加突出，更易于识别[11-12]。

通过对NW测线、EW测线和NE测线计算形变速率累加值，异常变化如图所示(图5)。

图5 2019年1月至2020年4月各测线形变速率累加图(a) NE向 (b) EW向 (c) NW向Fig.5 Accumulation diagram of variable rate in each measurement line from January 2019 to April 2020

从图5中可以看到，通过计算各条曲线的形变速率累加值，NW测线和EW测线在4月27日均出现了一个较大幅度的阶跃上升变化(虚线框标注的部分)，但是NE测线则没有阶跃出现，测线变化正常。

(3) 地震对应情况

自2010年以来，场地周边200 km范围内发生了MS≥5.0地震5次，其中MS≥6.0地震1次，最大地震是2016年12月8日的呼图壁MS6.2地震[13](图6)。

图6 乌鲁木齐200 km范围内MS≧5.0地震与测线时间序列对应图(2010～2020年)(a) NE向 (b) EW向 (c) NW向Fig.6 Corresponding diagram of MS≧5 earthquake and time series of the survey

由连续观测数据资料构成的短水准(北东向)年动态变化明显，高值一般在每年的3～5月，低值在9～12月，形成比较清晰的一峰一谷的年变形态。距离乌鲁木齐形变站200 km范围内发生的MS5.0～6.0地震基本都发生在水准曲线连续的加速或是尖点凹凸形突跳变化处，而此次变化呈现出的是非连续的单点突跳(图6)。

通过对近10年以来的6次MS≥5.0 震例分析，从形变速率累加图可以看出(图7)，3次地震前，3条测线都会成组式的出现不同程度阶跃式异常变化，而本次只有2条测线出现异常变化。此异常为孤立点且在很短的时间内出现较大的异常幅度，这可能由各种扰动或其他原因造成，并不能够反映断层活动在某一时间段内发生的相对持续的异常变化。

图7 NE、EW、WN测线形变速率累加与地震对应图Fig.7 Accumulation of linear change rate measured by NE,EW,WN and the corresponding graph of the earthquake

(4) GNSS基线处理结果

为了加强乌鲁木齐首府圈连续形变观测，按照中国大陆构造环境监测网络(简称“陆态网络”)的建设标准，于2019年4月1日建设了乌鲁木齐形变站连续GNSS观测站，并于4月13日开始正式观测。使用仪器是天宝NetR9接收机及扼流圈天线，并配备天线罩。通过对该连续GNSS观测站的数据质量分析，数据连续率100%，观测有效率在90%以上，MP1，MP2均小于0.5 m，可用于地震监测预报分析工作，但该站暂时未纳入“陆态网络”数据管理系统(图2)。

2020年4月27日，乌鲁木齐形变站跨断层水准出现异常后，解算了距离形变站最近的3个连续GNSS基准站(红山、南山天文台、形变站)的数据，并计算了站点之间的基线变化情况(图8)。

图8 GNSS基线时间序列图(a) 2019-04-13～2020-09-06 (b) 2020-01-01～2020-09-06Fig.8 GNSS baseline time series diagram

图形显示3条GNSS基线变化基本都在2倍标准差控制线内，处于相对平稳的状态。GNSS基线结果显示形变站至红山，形变站至南山天文台1.5 a以来始终处于平稳变化状态，近期略有拉张变化，但变化持续时间不长，未能看到明显的趋势转向变化迹象，从现有结果来看，断层整体持续性运动相对稳定，并未显示出明显的前兆异常[14]。

3 讨论与结论

3.1 讨论

由于NW测线和NE测线均跨越了断层，EW测线位于断层南侧，按照断层活动规律，如果断层有异常活动，NW测线和NE测线应该会同时出现异常变化，而EW测线应该变化不大，因为W点和E点都处在同一个块体上，但是从异常出现的测线来看，NW测线和EW测线变化幅度较大，而NE测线变化仅在正常范围内波动，所以初步判断可能是W点受到了干扰，造成点位变化，需要对干扰源进行调查寻找。

通过调查水塔山绿化灌溉的情况得知，水塔山绿化用水为片区轮浇，漫灌模式，与形变站相邻地段往年开春后第一次用水一般在5月20日左右。因今年旱情影响，2020年第一次用水为4月20日，往年浇水间隔15 d，今年间隔时间为10 d，用水量全山为2 500 m3，与形变站相关地带大约为500～600 m3。

地下水抽取点在水磨沟公园，距地面30 m，为24 h不间断式抽水，每小时抽水60 m3，向山上畜水池供水，此外污水处理厂每天向山上供绿化用水1 000 m3。

水塔山基岩为片岩，风化比较严重，上覆沉积层厚薄不一，部分片区采用人工填土造林，(形变站水准点N处沉积层为2.4 m)因绿化用水，2020年出现水塔山西段北坡相邻单位被水淹情况。

雅玛里克断裂北盘(下盘)地形相对低平，沿断裂是一条地下水溢水带。现在的南湖广场曾是一片浅沼湿地 ，但这片湿沼地并无地表径流补给，水源主要来自雅玛里克断裂带储水构造的溢水供给。沿断裂带有线状排列的泉水及温泉出露，水磨沟温泉是断裂带上发育的断层泉[15]。说明该地区地下水比较丰富，从图6可以看出曲线的高值一般都出现在3～5月份，此时正值乌鲁木齐地区气温回升，冰雪开始消融，且水塔山又提前开始绿化灌溉，对地下水进行了补充，导致岩体含水量增大，岩体膨胀，从而引起W测点上升。从测线变化情况看，NW测线相对高差变大，EW测项相对高差减小，随着时间推移，气温升高，蒸发量加大，岩体含水量减小至正常状态，W点位移变化恢复(图1)。

地下水位的动态变化会造成所在区域局部地表形变[16]，前人研究证明，地下水位变化可导致跨断层垂直形变出现显著的变化。由于多数跨断层形变场地断层两侧岩性不同，标石类型和深度不同等，当地下水位出现明显的变化时，两标石可能受地下水位的影响程度不一样出现先后膨胀，或膨胀收缩程度不一样，导致观测高差变化较大[17]。

3.2 结论

综上所述，对乌鲁木齐形变站水准场地，地质条件、仪器状态、人为影响、气象影响等可能导致测值变化的因素进行了核实、调查和分析后得出结论如下：

(1) 通过现场工作检查和两套仪器对比观测，显示观测系统稳定，测量人员操作规范，无人为干扰因素和气象因素存在。

(2) 形变站-红山、形变站-南山天文台GNSS基线变化平稳，断层整体持续性运动相对稳定。

(3) 乌鲁木齐形变站水准测线观测曲线2020年4月27日出现大幅度的变化，是由于地下水的变化和山体绿化灌溉，使得W点下的岩石含水量激增，岩石膨胀，点位出现了上升位移所致。

(4) 地下水位的急剧变化是定点形变观测受到干扰的主要原因之一[18]。