0 引言

自20世纪80年代末期开始，地倾斜、地应变等连续观测手段被认为是监测地壳局部变形和捕捉地震前地球物理异常的重要观测手段（Nur，1972；Mjachkin et al，1975；Rummel et al，1978）。日本、美国和希腊等国在地震多发区域开始布设地倾斜、应变等观测台站，同期，中国建立覆盖面积广、观测精度高、运行稳定的第2代地倾斜、地应变潮汐观测网络（吴翼麟，1992；翟丽娜等，2018）。目前，我国地应变观测包括伸缩应变、钻孔应变等，而伸缩应变又叫洞体应变，是连续监测地壳应变状态的一种观测方法，其原理是测量地球表面两点间水平距离的相对变化量（吕宠吾等, 2001, 2009；中国地震局监测预报司，2008），为地震孕育过程中水平应变变化及地球弹性研究提供分析数据。

铁岭地区地质结构复杂，应变类观测仪器对该区水平应变的观测更为敏感，易于捕捉断层界面活动。铁岭地震台（下文简称铁岭台）现配备形变观测仪器有DSQ型水管倾斜仪、SS-Y型铟瓦棒伸缩仪和VP垂直摆宽频带倾斜仪，用于监测本地区地壳岩石形变量。观测仪器运行稳定，数据连续性较好，可观测到清晰的固体潮汐现象。铁岭台SS-Y伸缩仪洞体应变观测，自2018年6月开始，NS、EW分量出现双方向压性变化现象，笔者等对洞室环境、仪器工作状态、人为干扰、周边环境干扰等展开调查与核实，分析观测数据异常产生的原因，并初步判定异常性质。

1 铁岭台地质背景

铁岭台位于辽宁省北部松辽平原中段。铁岭地区地处阴山东西复杂构造带和新华夏系构造的交接部位，台址区域位于阴山东西构造带东端，主要出露前震旦系辽河群混合岩体结晶基底，岩性可分为眼球状混合岩、条痕状混合岩与条带状混合岩。该区地质构造复杂，主要分布EW向构造（主要构造有赤峰—开原断裂带）、NNE向构造、局部扭动构造和NE向构造（主要构造有郯庐断裂和四平—长春断裂）、NW向构造5个构造体系，以前3种构造体系为主（辽宁省地震局，2004）。

EW向构造为郯庐断裂北延带组成部分，是控制区域内中强地震的主要构造带，历史上，沿该断裂在铁岭和开原地区发生多次5级左右地震。铁岭地区地震活动和频度均较低，地震主要集中分布在铁岭—开原断裂带及附近地区（图 1）。

2 异常出现 2.1 洞体应变异常

铁岭台形变山洞SS-Y型伸缩仪自2007年1月开始观测，秒采样记录方式，分辨率0.1×10^-4（表 1），观测以来长期变化曲线见图 2，由图 2可见，2007年以来观测数据质量较好，2012年底NS分量出现快速压性变化，后于2013年1月23日发生灯塔5.1级地震，同年4月22日发生科尔沁5.3级地震，震后该异常持续，2014年NS分量更换仪器，2016年底压性变化结束。

自2018年6月以来，SS-Y型伸缩仪NS分量出现持续拉张现象，截至2019年4月，变化量累计8 956×10^-8。2017年5月，SS-Y伸缩仪更换前置放大盒，EW分量压缩速率较以往有所减缓，2018年5月进入雨季后，伸缩仪遭受雷击，前置放大盒故障再现，仪器工作状态持续不稳定，导致数据短期内出现大幅突跳现象，雨季结束后，数据形态恢复至2017年以来的压性变化，且变化速率与仪器故障前基本一致。2016年铁岭台SS-Y型伸缩仪应变观测数据变化曲线见图 3。

2.2 应变仪工作原理

SS-Y伸缩仪是测量地表面两点水平距离间的相对变化量（吕宠吾等, 2001, 2009；中国地震局监测预报司，2008）。表达式为

$ \varepsilon = \frac{{L' - L}}{L} = \Delta L $

(1)

式中，L为基线长度；L′为实际距离；ΔL表示为基线的绝对变化量值；ε为定义的应变量。约定为：压缩为负，即ε < 0时L压缩；拉张为正，即ε > 0时L拉张。

利用伸缩仪观测原理，进一步分析铁岭SS-Y伸缩仪2018年6月以来出现的NS分量快速拉张现象。

3 异常原因调查

2018年6月以来，SS-Y伸缩仪NS分量出现持续拉张现象，且拉张速率较快，EW分量自雨季排除仪器故障等影响以来，出现持续压性变化（图 3）。该现象是2007年SS-Y伸缩仪在铁岭台投入观测以来，首次出现的两方向同步变化。为此，详细检查仪器主机及工作状态等，排查周边环境、气象因素等干扰，并同步分析同洞室及周边地震台站其他观测仪器记录数据，判定异常出现原因。

3.1 观测系统及周边环境调查

检查观测系统发现，铁岭SS-Y洞体应变观测仪信号电压与工作电压正常，供电系统、数据、主机外观线路等正常，主机箱螺丝等无氧化锈蚀现象，观测仪器工作状态稳定，观测数据记录可靠。

观测洞室顶端有水珠，洞室壁潮湿，春季季节性化冻，洞室内地面潮湿，无大面积积水，总体干燥。SS-Y型洞体应变仪安装在基岩岩墩上，墩基为震旦系混合花岗岩。观测数据异常出现变化前后，周边无工程施工、矿产开采、爆破等干扰因素。

经调查，排除观测系统及环境干扰。

3.2 气象因素

铁岭台位于北温带大陆性季风气候区，春秋多风易旱，冬季西北风少雪，每年6—8月为降雨旺季。洞体应变观测辅助测项为洞室温度，由图 4可见，洞室温度总体走向平稳，但当洞室温度产生短时大幅度突跳时，洞体应变EW、NS分量出现同步变化，且EW分量受洞室温度影响明显，表现为毛刺，总体形态未受明显影响。

调查发现，2018以来，铁岭地区无强烈对流天气变化，洞室温度变化较为稳定，因此排除气象因素影响。

3.3 仪器同步性对比

DSQ水管倾斜仪和VP摆宽频带倾斜仪与SS-Y伸缩仪同洞室观测，为明确同体应变观测异常，将3套观测仪器观测数据进行同步性对比。

3.3.1 DSQ水管倾斜仪观测数据

自2007年投入观测以来，水管倾斜仪观测数据质量较好，观测数据曲线见图 5。由图 5可见，水管倾斜仪NS分量2014年受洞体应变更换仪器的影响发生转向，2018年初出现小幅N倾趋势性变化，与洞体应变NS分量拉张异常明显同步；EW分量受2014年受洞体应变更换仪器的影响短期大幅W倾变化，而后逐渐恢复小幅E倾变化的稳定状态。

3.3.2 垂直摆倾斜仪观测数据

垂直摆倾斜仪于2014年安装，2015年1月正式投入观测，仪器运行稳定后受雨季雷电影响，数采出现故障，导致短时缺数较多，2016年以来数据曲线波动较大，见图 6。

由图 6可见，因垂直摆倾斜仪NS分量摆放在山洞端部，经常遭受雷电干扰，数据波动较大；EW分量相对稳定，2018年6月起出现小幅E倾，E倾速率与2017年5月相似，与洞体应变NS分量拉张异常出现的时间和方向具有明显同步性。

3.3.3 小结

经上述分析，发现铁岭台观测山洞水管倾斜仪、垂直摆倾斜仪同时段观测数据出现异常变化，认为2018年6月以来出现的洞体应变观测数据变化为地震地球物理异常的可能性较大。

4 异常数据分析

经干扰排查，认为铁岭台2018年6月起SS-Y洞体应变NS、EW分量的双方向压性变化可能是地震地球物理异常。为此，将洞体应变观测数据采用数字滤波进行处理，分析异常趋势及年变周期变化，并与该台记录的2013年2次震例进行异常对比，进一步落实数据变化异常。

4.1 数字滤波处理及周期变化

针对铁岭台SS-Y伸缩仪洞体应变NS、EW分量出现的异常变化，采用数字滤波方法进行处理分析。三点线性平滑滤波数学模型（牛安福等，2012；翟丽娜等，2017）如下

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{{\bar Y}_i} = \left({{Y_{i - 1}} + {Y_i} + {Y_{i + 1}}} \right)/3}&{(i = 2, 3, \ldots, n - 1)}\\ {{{\bar Y}_1} = \left({5{Y_1} + 2{Y_2} - {Y_3}} \right)/6}&{}\\ {{{\bar Y}_n} = \left({ - {Y_{n - 2}} + 2{Y_{n - 1}} + 5{Y_n}} \right)/6}&{} \end{array}} \right. $

(2)

据式（2），将2007年月—2019年4月洞体应变观测数据进行三点线性平滑滤波，采用Matlab语言进行程序计算，将大于Nyquist频率的波予以滤除，提取洞体应变趋势项和周期项，分析异常趋势及年变周期变化特征，结果见图 7。

由图 7可知：NS分量2008年出现较为明显的年变周期变化，至2009年，表现为压性变化，2012年年变幅度增加，表现为快速压性变化，于2013年发生灯塔M 5.1地震，同年底仪器故障更换主机，至2016年仪器恢复稳态，2018年6月以来年变幅较以往出现更大波动且快速拉张；EW分量2012年年变幅加大，但压性变化速率较小，2013年灯塔M 5.1地震后恢复正常，2016年后速度较以往有所增加（核实为仪器频繁故障导致短期数据变化），自2017年底整体压性变化速率减缓，2018年以来EW分量年变幅度较往年减小。

通过上述分析结果可知，目前洞体应变观测数据异常变化与2013年灯塔M 5.1地震前异常形态有所差别，其中灯塔地震前NS分量出现快速压缩现象，而现阶段出现拉张变化且速率较快，值得关注。

4.2 震例对比

铁岭台SS-Y伸缩仪洞体应变记录到2013年发生的2次5.0级以上地震异常（图 2），以2次地震异常特征为例，对比分析此次洞体应变数据变化特征。

分析铁岭台洞体应变曲线变化可知：2013年1月23日辽阳灯塔M 5.1地震（震中距约100 km）发生前，铁岭台SS-Y伸缩仪洞体应变NS、EW分量发生同步变化，表现在：自2012年4月，NS、EW分量快速压缩，其中NS分量变化幅度达90 780×10^-8，EW分量变化幅度达8 685×10^-8，且震后异常持续，于4月22日发生内蒙古科尔沁左翼后旗M 5.3地震（震中距约200 km），EW分量于同年12月观测数据恢复正常变化，而NS分量2014年仪器故障后数据精度降低。因此，进行异常总结，认定铁岭台SS-Y伸缩仪洞体应变观测数据从异常出现到发震共持续8个月。

此次洞体应变NS分量2018年6月开始大幅拉张加速，水管倾斜仪NS分量和垂直摆EW分量均发生同步变化，与以往震例相比，此次异常持续时间短，且为拉张变化，幅度较小，结合灯塔和科尔沁地震异常特征，认为铁岭周边未来发生中强地震的危险性较大。

6 结论

针对铁岭台SS-Y型洞体应变仪NS分量2018年6月以来出现的快速拉张变化，分析发现，该仪器观测系统正常，测区观测环境无短期变化和干扰，辅助观测资料短期正常无影响，鉴于同观测山洞水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪同时段产生同步转折变化，结合建立的滤波和周期数学模型，并与典型震例异常进行比对，分析认为，铁岭台SS-Y伸缩仪洞体应变NS分量变化为地震地球物理异常的可能性较大，根据历史震例及异常变化量值进行推测，认为未来发生中强地震的危险性增加，后续应密切跟踪该分量数据变化，分析该项异常趋势性走向变化，关注辽宁及周边地区震情发展。