0 引言

地倾斜观测通过研究地壳形变的相对变化及固体潮汐变化来探索地壳构造运动规律。中国地倾斜观测历经金属摆倾斜仪、石英摆倾斜仪、水管倾斜仪3个阶段，观测精度和稳定性逐步提高(李海峰等，2013)。为了避开地表干扰和温度影响，提高仪器的抗干扰能力，钻孔观测成为目前地倾斜观测的方向之一(刘鸿斌等，2013)。CZB型竖直摆钻孔倾斜仪是河南省地震局研制生产的高精度井下倾斜仪器，是中国地震局“十五”中标观测仪器。该倾斜仪把竖直摆传感技术与钻孔测量技术结合起来，利用一个铅锤摆来测定地面倾斜变化(杨成元等，2007)，有效克服了地表温度对倾斜侧量的干扰，能观测到万分之一秒的倾角变化(马鸿钧，1989；韩育平等，2010)。该仪器防水性能好，可在40—80 m深的水下长期工作，能够清晰记录到固体潮形态。

荣成地震台(以下简称荣成台)CZB钻孔倾斜NS分量2017年5月2日出现趋势下降(南倾)异常变化，至15日持续下降累计幅度达358×10^-3"，期间固体潮形态清晰正常，变化开始前台站无降雨，气温、气压无明显异常变化，位于同一台站相距20 m的辅助钻孔水位、钻孔温度亦无明显同步变化。鉴于2011年3月11日日本M_W 9.0地震发生后胶东半岛地区地震活动增强的背景(朱成林等，2018)，对荣成台周围观测环境进行实地调查，并对观测系统工作状态、观测环境干扰、气象因素及地下水位等进行调查分析，通过滑动相关性分析和三维点源载荷模拟等方法，未发现明显与时间对应的干扰源，该异常可能反映了地壳应力的变化，本文工作可以为地壳形变异常变化原因分析提供参考。

1 台站及仪器概况

荣成台位于胶东半岛东缘，三面环海，东距黄海5 km(图 1)，地处刘公岛—俚岛断裂西偏南15 km，蓬莱—威海地震构造带东南50 km，牟平—浮山地震构造带以东80 km。地质构造属鲁东隆起(晁洪太等，1997)，地层组成主要为太古界变质岩和古中生代花岗岩，除局部保留部分中生代沉积外，缺失沉积盖层。台站所在的荣成市地势由西北向东南倾斜，地形复杂，有山地、丘陵、平原3种地貌类型，地貌基本轮廓受区域构造控制。

荣成台钻孔倾斜采用CZB-Ⅱ型竖直摆钻孔倾斜仪，仪器底座安装在井下60.5 m处，方位角24.0°，于2007年7月正式运行，钻孔倾斜仪所在钻孔岩性分布见表 1。CZB-Ⅱ型竖直摆钻孔倾斜仪运行以来，2012年7—8月、2013年8—9月因故障维修(徐芳芳等，2016)，其他时间工作正常，固体潮形态清晰、正常。

2 异常变化原因

2017年5月2日CZB-Ⅱ型竖直摆钻孔倾斜仪NS分量出现趋势下降(南倾)变化，与其他观测手段对比观测曲线见图 2。由图 2可见，钻孔倾斜无明显年变形态，与气温、气压、降雨无明显对应关系。

调查发现：①荣成台观测室环境整洁，温度、湿度正常，钻孔倾斜仪电源电压输出稳定，数采工作正常，仪器标定结果显示观测系统工作正常；②气温、气压因素可能影响仪器观测曲线的短期形态(孙伶俐等，2013)，5月2日钻孔倾斜NS分量趋势转折下降前荣成台无降雨，且气温、气压变化正常；③2015年以来台站周边区域存在干旱、工程施工等干扰因素。因此，主要从地下水位、工程施工及水库库容变化等分析荣成台钻孔倾斜异常变化。

2.1 地下水位

钻孔水位是钻孔形变仪的重要辅助观测手段。荣成钻孔水位测项距钻孔分量应变仪20 m，可以反映该台站区域地下水位情况。为了解荣成钻孔水位对钻孔倾斜趋势变化的影响，对二者相关性进行分析，见图 3，可见二者散点分布较为离散，相关性较弱。钻孔倾斜观测变化有可能滞后于钻孔水位变化的影响，为了研究二者之间的滞后特性，将2015年以来时间序列进行时间偏移，以最优相关性判定滞后时间。结果显示，前后偏移50天二者相关性均较低，钻孔倾斜观测滞后于钻孔水位(滞后天数＞0)时，并未提高二者相关性(图 4)，表明荣成台钻孔倾斜对钻孔水位的响应无明显滞后特性。在此基础上，利用滑动窗口给出二者之间的动态相关性，窗口长度设置为20天，分析结果见图 5，可见二者相关性较为随机，表明荣成钻孔水位(实际上钻孔水位2017年以来较为稳定，见图 2)对钻孔倾斜对趋势变化的影响并不显著。基于上述分析，荣成台钻孔倾斜NS分量5月2日出现的异常变化可以排除钻孔水位的影响。

2.2 工程施工

台站周围观测环境的变化可能对形变仪器产生干扰(孙伶俐等，2013)，荣成地震台南侧为城市建成区，北侧为农村及裸露丘陵地。在台站周边2 km范围存在工程施工(图 6，底图来自Google earth，红色椭圆位置为住宅建筑工程，黄色椭圆表示渣土或石料堆放地，橙色直线为道路施工)，工程项目均已开工2年以上且接近完工，2017年以来无明显变化。

距荣成台最近的工程场地位于台站西侧120 m，见图 6中A位置。该工程2015年开工，此次异常出现前住宅已经封顶。该工程施工用水由储水罐从水库获取，不存在抽取地下水的干扰。异常出现前后其他几处工程施工亦无明显变化。台站周边存在工程施工产生的渣土(石料)运移它处形成的地表环境改变。台站东北方向400 m处(图 6中B位置)和北向800 m处(图 6中C位置)存在渣土和石料堆放，渣土和石料来自台站西北侧2015—2016年的旧村改造项目，近期维持现状。定性分析可知，台站北侧地面载荷减小可能导致倾斜仪出现南倾变化，而从周边工程施工调查看，台站西北侧住宅小区建筑工程为加载过程，而工程施工产生的渣土(石料)运移它处不会造成荷载变化。从时间上分析，上述工程施工已有2年左右，本次异常变化前后并无明显短期改变，排除工程施工因素。

2.3 水库库容变化

荣成台东北方向400 m处存在小型水库(图 6中B位置)，2017年以来该水库水位下降约1 m，无明显抽水现象。荣成台西北方向5 km处为后龙河水库(大型水库)，胶东半岛地区近几年干旱较为严重，后龙河水库2016年以来库容持续下降，但荣成台钻孔倾斜NS分量5月2日出现异常变化前后无放水过程。定性分析可知，后龙河水库位于荣成台北侧，库容减小(卸载过程)可能导致台站倾斜仪的南倾变化。是否可能出现持续库容卸载导致的“最后一根稻草”现象，使得倾斜仪突然南倾变化？为此，利用三维集中载荷点源模型(邱泽华，2004；马栋等，2014；张磊等，2016)，假设水库的持续库容变化为一次性卸载，估计产生的荷载变化对地倾斜观测造成的可能影响。点源荷载造成的水平方向位移(张磊等，2016)为

$ u = \frac{{Fxz}}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}G{R^3}}} - \frac{{Fx}}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}\left({G + \lambda } \right)R\left({R + z} \right)}} $

(1)

式中，F为荷载重量，G和λ为拉梅常数，R为空间距离，有G=E/[2(1+v)]，λ = vE/[(1+ν) (1-2ν)]，$ R = \sqrt {{x^2} + {y^2} + {z^2}} $，E为介质弹性模量，ν为泊松比。对x求导，有

$ {T_x} = - \frac{{3Fx{z^2}}}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}G{R^5}}} - \frac{{F\left({2G + \lambda } \right)x}}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}G\left({G + \lambda } \right){R^3}}} $

(2)

弹性模量E取值5×10¹⁰、泊松比ν取值0.25(徐志英，1986；张磊等，2016)。后龙河水库1年来库容变化了ΔV = 750×10⁴ m³，整体荷载变化ΔF = ΔV·ρ·g，取水的密度为10³ kg/m³，则ΔF =7.35×10¹⁰ N(750×10⁴ m³×10³ kg/m³×9.8 N/kg)。经模型计算，一年来ΔF一次性卸载可以引起5 km以外的地倾斜变化估计为-3.6×10^-3"，见图 7(a)，远小于本次异常变化幅度(-358×10^-3")，因此排除后龙河水库库容变化影响。

同理，计算荣成台东北方向小水库的荷载变化(根据水库大小及下降深度，估计水库荷载变化为8.8×10⁷ N)，则小水库荷载变化一次性卸载引起460 m以外的地倾斜变化估计为-0.7×10^-3"，见图 7(b)，远小于本次异常变化量，因此排除小水库荷载变化的影响。

3 结论与讨论 3.1 结论

荣成台钻孔倾斜NS分量出现异常，对其观测系统工作状态、观测环境、气象因素及地下水位等进行调查，得到以下结论：由固体潮曲线及仪器标定结果可知观测系统工作正常；台站周边2 km范围内2015年以来的工程施工、渣土(石料)等属于背景干扰，5月2日异常变化发生前后无明显短期变化，排除此类干扰影响；后龙河水库及小水库库容持续降低，但5月2日异常发生前后未出现短期明显变化，模拟结果显示，2个水库荷载变化对异常变化影响微弱，水库影响可以排除。

周边观测环境对地震台站形变观测影响较大，有必要对施工项目进行走访、调查，对可能干扰进行详细记录，便于倾斜观测资料的处理与应用。

3.2 讨论

徐芳芳等(2016)研究表明，荣成台钻孔倾斜仪观测到2013年5月18日黄海海域M 5.1地震前异常变化，说明该台钻孔倾斜仪对其附近地区地壳应力变化具有一定监控能力。2013年以来胶东半岛地区中小地震活动频繁(图 1)，2013年11月23日沂沭断裂带北部区域发生莱州M_L 5.0地震，为山东地区1995年苍山M_S 5.2地震以来最大陆地地震，并在此前后形成持续时间较长的地震序列；2013年10月1日在沂沭断裂带东侧地区发生乳山M_L 3.8地震后形成乳山震群，至今已发生地震13 000余次；2017年3月以来长岛震群起伏发生。胶东半岛地区中小地震活动频发，表明该地区地壳应力增强。调查发现，荣成台5月2日前后无明显对应的干扰源，钻孔倾斜NS分量南倾可能反映了地壳应力的变化。

荣成台位于丘陵、平原交汇处，距刘公岛—俚岛断裂西偏南15 km，受周边构造环境影响显著。刘公岛—俚岛断裂断层总体走向300°—320°，为南西侧太古代麻岩与东北侧白垩纪安山岩的构造分界(黄永华等，2007)，两侧地形具有明显反差现象。因此，认为荣成台附近存在NWW向构造分界，大致与钻孔倾斜NS向(方位角为24.0°)垂直。NWW向构造分界的垂直方向由于存在构造差异容易出现应力变化，或许是荣成台钻孔倾斜NS分量能监测到应力变化的原因。当然，仪器标定结果正常也不能完全排除倾斜仪2个分量因灵敏度或稳定性差异而导致的不同反应。在胶东半岛地区中小地震活动增强背景下，荣成台钻孔倾斜观测出现的异常变化值得关注。

荣成市后龙河水库管理所提供水库库容观测数据，在此表示感谢。