2023, Vol. 44
2) 中国济南 250100 山东地震台
2) Shandong Seismic Station, Jinan 250100, China
2022年5月2日，山东青州发生ML 4.1地震(36.53°N，118.29°E)，震源深度3 km，该地震后续发展成震群活动。此次地震发生前，潍坊地震监测中心站昌邑青山深井综合观测仪钻孔分量应变、垂直摆、孔隙压力和静水位测项，于2022年4月25日出现趋势异常变化。为明确异常性质，山东省地震局开展多次现场核实，认为该变化非地震前兆异常。此次异常核实工作可为今后异常资料的性质判定提供参考，有助于提高震情研判能力。
1 台站及测项概况昌邑青山深井综合观测仪布设在山东省昌邑市石埠青山秀水度假区。该区大地构造位置处于沂沭断裂带北段东侧，胶北隆起西南缘，南接胶莱拗陷，受古太平洋板块的俯冲作用和郯庐断裂带左旋平移的影响，附近以NE向和NNE向断裂构造为主，主要分布有安丘—莒县断裂和昌邑—大店断裂，属左行压扭性构造(舒广强等，2022)(图 1)，较为典型的历史地震活动多发生在主断裂附近。
|
图 1 昌邑市石埠地区地质简图 Fig.1 Geological map of Shibu region, Changyi City |
青山深井深398 m，主体岩性为二长花岗岩，含少量斜长角闪岩包体。深井综合观测仪分井底组和井壁组，其中井底组仪器由2套四分量应变仪、2套三分向地磁仪、2套孔隙水压计和2套地温传感器组成，用水泥固封在井底；井壁组仪器由2套二分量倾斜仪、1套宽频带地震计和1套水温传感器组成(王朝辉等，2019)(图 2)。
|
图 2 昌邑青山深井综合观测网络拓扑 Fig.2 The network topology diagram of the comprehensive observation instrument for the Qingshan deep well |
青山深井综合观测仪于2020年1月3日完成安装调试，2022年纳入日常分析，在仪器试运行期间曾出现多套形变仪器同步趋势变化现象，目前尚无地震前兆异常记录。
2 异常变化特征2022年4月25日，昌邑青山深井综合观测仪中钻孔分量应变仪4个分量、垂直摆EW分量出现同步趋势异常变化，其中：分量应变波动变化于4月28日达峰值，5月10日呈转折下降趋势变化；倾斜仪2个分量于4月28日呈转折恢复变化趋势，5月10日恢复正常动态；同井静水位和孔隙压力呈准同步变化，静水位4月27日持续下降，变化趋势略滞后于应变测项(图 3)。
|
图 3 青山深井综合观测仪分钟值曲线 Fig.3 The minute value curve of the comprehensive observation instrument for Qingshan deep well |
经现场核实，昌邑青山深井综合观测室观测环境良好，机房供电线路梳理规整，未发现可能影响主机运行的干扰源以及接触不良、线路破损等可能产生影响的现象。主机运行状态正常，数采电源电压输出稳定，观测井水位校检数据正常。
青山深井综合观测分量应变NS + EW分量与NE + NW分量相关系数为0.999，自检结果满足S1 + S3 = S2 + S4的指标，显示仪器运行正常。利用一段时间内各观测方向的应变率，可根据双衬套模型观测方程计算该时期的主应变状态(应变率张量)，并根据式(1)计算任意方向θ的应变状态。
| $ \varepsilon_\theta=\frac{1}{2}\left(\varepsilon_1+\varepsilon_2\right)+\frac{1}{2}\left(\varepsilon_1-\varepsilon_2\right) \cos 2(\theta-\phi) $ | (1) |
式中，ε1为最大主应变率，ε2为最小主应变率，ϕ为最大主应变方向，θ为方位角。选取青山深井综合观测2022年4月26日—29日钻孔应变分量，分析整体应变形态，结果见图 4，其中(a)图为分量应变结果，(b)图为备份观测结果。由图 4可见，4月26日—29日，主、备分量应变状态均呈张性，但二者之间的主应变方向及量级存在差异，表明2套分量应变观测系统的参数设置存在差异。因目前尚处于运行初期，观测系统参数设置存在不确定性。
|
图 4 青山深井综合观测分量应变应变状态(4月26日—29日) Fig.4 Comprehensive observation of component strain and strain state in Qingshan deep well (April 26-29) |
调查发现，青山深井综合观测仪周边有2处施工场地，在深井南侧青山庄园内有7口灌溉井，距青山深井综合观测仪西南约2.3 km处有2口潍河取水井(抽水量较大)(图 5)。
|
图 5 青山深井综合观测周边环境 Fig.5 The surrounding environment of the comprehensive observation of the Qingshan deep well |
施工项目分别为清风苑项目基槽开挖和青山秀水度假区院内路面整平，工程量较小，无大规模抽水现象，且施工时间与综合观测仪数据异常起始时间不对应，排除项目施工干扰因素。
3.2.2 青山庄园水井影响分析青山庄园位于山东省昌邑市石埠经济发展区，北邻青山秀水度假区。目前已开发区域距青山深井综合观测仪最近距离约254 m，有15个大棚，占地面积约96 489 m2。园区内有一水塘，水源来自地表渗水，水位稳定，近期无显著变化。庄园内7口灌溉井白日不定时抽水用于灌溉。
以青山综合观测井水面为基准面，基于水准测量结果，青山庄园除2号井外，1号、5号、7号井的水面均高于基准面(表 1)。5月12日12:00—16:00，在青山庄园2号和5号井进行抽水试验，检测青山深井综合观测分量应变、垂直摆、静水位数值变化，结果显示，以上各测项均未受到抽水影响，初步排除青山庄园抽水井抽水干扰因素。
|
表 1 青山庄园水井情况调查 Table 1 Survey form of wells in Qingshan Manor |
2口潍河取水井井深均为20 m，距潍河约275 m，位于青山深井综合观测仪西南约2.3 km处，抽水供附近农田灌溉(青山庄园为主要客户)。调查发现，4月21日抽水量最大，为1 600 m3(后抽水量基本维持在400 m3的平均水平)，4天后，即4月25日，昌邑青山深井综合观测仪分量应变、垂直摆EW分量出现趋势变化(图 6)。
|
图 6 青山深井垂直摆、孔隙压力、水位与潍河取水点抽水量 Fig.6 Comprehensive observation curves of the vertical pendulum, pore pressure, water level in Qingshan deep well, and Weihe water in take well pumping capacity |
分析发现，潍河取水井距青山综合观测井较远，其井深仅20 m，井水位与潍河贯通，抽水量较大时间与形变观测显著变化时间不一致，是形变观测干扰的可能性不大。
4 异常性质判定 4.1 青山深井综合观测仪历史观测资料分析在仪器试运行期间(2021年9月1日—10月13日)，青山深井综合观测仪多套仪器出现12次同步趋势变化，统计结果见图 7。由图 7可见：钻孔应变4个分量、垂直摆EW和NS分量以及孔隙压力测项，在2021年9月7日和9月28日出现同步趋势变化；青山静水位在2020年4月30日—9月30日出现趋势性下降，降幅达13.52 m，其中2020年4月27日—5月13日下降幅度为1.59 m，2022年同期降幅为1.03 m。以上数据变化期间无相应地震发生。
|
图 7 青山深井综合观测仪分钟值曲线 Fig.7 The minute value curves of the comprehensive observation instrument for the Qingshan deep well |
岩石孔隙中富含流体时会产生孔隙流体压力效应，孔隙压力可以抵消岩石构造围压的作用(曾佐勋等，2008)。水井抽水会造成局部区域孔隙压力降低，进而改变周边介质的应力/应变场。山东省地震局在嘉祥地震台进行抽水试验，当抽水井位于水位线以下，抽水时周围地下水呈“漏斗”式下降，造成孔隙压力消失，若停止抽水，周围地下水向“漏斗”区域汇聚，孔隙压力逐步恢复。失去孔隙压力引起的“漏斗”变化，可以等效为在抽水源“漏斗”区域存在一个方向向下的集中力在作用，因此可以用集中载荷模型来近似模(邱泽华，2017)。
为此，在抽水井(假设井深20 m)底部设置一个方向向下的集中力F，并在集中力处(抽水源)建立圆柱坐标系，模拟集中力F在青山深井综合观测井产生的平面应变张量可以用下式描述
| $\left\{\begin{array}{l} \varepsilon_r=\frac{F(1+v)}{2 \pi E}\left[\frac{1-2 v}{R(R+z)}-\frac{(3-2 v) z}{R^3}+\frac{3 z^3}{R^5}\right] \\ \varepsilon_\theta=\frac{F(1+v)}{2 \pi E}\left[\frac{1-2 v}{R(R+z)}-\frac{z}{R^3}\right] \\ \varepsilon_{r \theta}=0 \end{array}\right. $ | (2) |
式中，
结果表明，集中力会对钻孔分量应变仪安装深度面产生张性为主的干扰变化(图 8，图中应变矢量红色表示张性，蓝色表示压性)，模拟结果与青山深井综合观测分量应变[图 4(a)]及其备份观测[图 4(b)]在4月26日—29日的张性应变状态一致；同时，抽水干扰会对垂直摆产生一个指向集中力的倾斜矢量(图 9)。表明，青山深井综合观测的分量应变、垂直摆观测可能受到抽水干扰影响。
|
图 8 集中力对钻孔分量应变仪安装深度面应变状态影响模拟 Fig.8 Simulation of the influence of concentrated force on borehole component strain gauge |
|
图 9 集中力对垂直摆安装深度面的垂直形变状态影响模拟 Fig.9 Simulation of the effect of concentrated force on vertical pendulum |
将青山深井综合观测仪三分向地磁仪观测数据与安丘地磁观测数据进行对比，发现二者变化趋势一致，无明显异常(图 10)。
|
图 10 青山、安丘地磁数据对比(2022年4月22日—5月15日) Fig.10 Comparison of geomagnetic data for Qinshan and Anqiu (from Apr.22 to May 15, 2022) |
青山深井综合观测仪中的水温计，观测期间温度测值变化平稳，无异常。
4.4 周边区域形变观测分析安丘地震监测站位于安丘—莒县断裂(活动断裂，为沂沭断裂带4条主干断裂之一)上，距青山深井综合观测仪47.6 km。安丘冯家坊子水准测项在1995年苍山MS 5.2地震前出现明显异常变化，2022年5月受地下水位下降影响，其观测数据略有偏高，但仍处正常范围。2022年安丘体应变和断层蠕变观测数据正常，青山形变观测异常期间其形变观测属正常变化。
4.5 周边地震活动资料分析1970年以来，以青山深井综合观测仪场地为中心，120 km范围内共发生地震1 293次(图 11)，其中ML 1.0—1.9地震590次，ML 2.0—2.9地震492次，ML 3.0—3.9地震74次，ML 4.0—4.9地震5次，ML 5.0—5.9地震1次。2020年至2022年5月25日，青山深井120 km范围内发生ML 4.0以上地震1次，为2022年5月2日青州ML 4.1地震，说明该地区有发生中等地震的可能，需关注地震活动的后续变化，并结合地球物理资料进行分析判断。由于青山形变观测曾多次出现类似异常变化，且均无对应地震发生，据经验推断此次异常为抽水干扰的可能性较大。因此，综合观测仪几种地球物理场的数据变化并非此次青州ML 4.1地震异常。
|
图 11 青山深井附近地震活动 Fig.11 Seismic activity near Qingshan deep well |
通过现场核实，青山深井综合观测仪器运转正常，排除周围场地施工环境干扰因素的影响。将青山深井同台、周边地球物理观测资料进行综合分析，均无地震异常显示，表明该变化不是2022年5月2日青州ML 4.1地震异常。由于该地区古河道比较发育，地下连通性较好(李道高等，2000)，每年3—5月降水量小，蒸发量大，清明过后农田大面积灌溉，同期潍河水位大幅度下降，且青山形变、水位和孔隙压力多次出现类似异常变化，均无地震对应。综合分析认为，昌邑青山深井综合观测仪钻孔分量应变、垂直摆倾斜仪、静水位、孔隙水压测项，于4月25日出现的准同步趋势变化是地震前兆异常的可能性不大，受农田灌溉水井抽水影响的可能性较大，但具体的抽水干扰源尚不明确。
在本文撰写过程中，得到山东省地震局地球物理观测与预报研究室李杰研究员和孔向阳工程师的指导，在此表示感谢。
李道高, 赵明华, 韩美, 等. 莱州湾南岸平原浅埋古河道带研究[J]. 海洋地质与第四纪质, 2000(1): 23-29. |
邱泽华. 钻孔应变观测理论和应用[M]. 北京: 地震出版社, 2017.
|
舒广强, 周路路, 李宁, 等. 山东省昌邑市石埠地区金矿化特征及矿化机制探讨[J]. 化工矿产地质, 2022, 44(1): 23-27. |
王朝辉, 刘世海, 李先成. 昌邑青山深井综合观测井钻孔工程施工勘察报告[R]. 山东省地质矿产勘查开发局第四地质大队, 2019.
|
曾佐勋, 樊光明. 构造地质学[M]. 第三版. 武汉: 中国地质大学出版社, 2008.
|