2025, Vol. 46
2) 中国南昌 330096 江西省地震局;
3) 中国赣州 341000 江西理工大学
2) Jiangxi Earthquake Agency, Nanchang 330096, China;
3) Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
形变观测台站建在地壳表层，位于岩石圈与大气圈、水圈、生物圈交界面上，不可避免地受到多种作用的影响，因而构成一个多输入、单输出的观测系统。在研究现今地壳运动、构造微动态及地震地形变时，来自地球外部的多种作用通常被视为干扰，需通过数据处理加以排除（中国地震局监测预报司，2000）。地球物理事件观测系统是一个开放系统，除仪器自身不稳定及故障外，易受外界其他因素影响。外界影响因素复杂多样，给地球物理事件观测资料异常变化原因及性质判定带来诸多困难（高曙德等，2016）。
针对形变观测异常，我国开展了大量研究，例如：时显军等（2020）追踪分析阿勒泰驼峰山地震台形变观测数据时发现，伸缩仪和水管倾斜仪NS分量出现转向异常现象，分析认为：形变观测数据的快速变化可能与该台正南方1.1 km处阿勒泰地区检察院对面酒店地下停车场土石方挖倔有较大关系；薛凤英等（2022）针对陇县八渡形变台水管倾斜仪EW分量的异常变化，通过对观测系统、洞室站周边环境、气象、水文地质等因素进行异常核实，认为此次快速趋势转折变化为人员进洞调零和降雨事件叠加所致，为人为干扰及气象干扰异常；黄仁桂等（2024）针对2020年九江1井水位大幅突降的异常现象，通过数据分析，就地下水位对定点形变观测数据的影响因素进行了总结；屈曼等（2024）对于易县地震台伸缩仪NE分量的张性趋势变化（总体变化幅度达2.1×10-6），通过对观测数据质量和环境干扰等影响因素进行分析论证，利用不同荷载模型定量计算3项干扰源对伸缩仪产生的应变影响，认为该变化为地震地球物理异常的可能性较大。
会昌地震台（下文简称会昌台）在进行日常资料分析处理时，发现台站洞体应变测项，即SS-Y型伸缩仪NS分量2018年7月13日—20日呈明显的趋势转折变化，与往年6月初的年度低点现象存在显著差异。鉴于该异常与震情的密切相关性，本研究从观测系统、气象因素和环境干扰等方面展开分析。
1 台站概况 1.1 构造背景会昌台位于NE向分布的会昌盆地，是全国定点形变观测Ⅰ类台。会昌盆地属于断陷盆地，其形成与瑞金—会昌—筠门岭构造活动密切相关，地质年代较新。盆地中部沉积以白垩系为主，呈典型红盆特征，堆积阶地发育，两侧分布震旦系岩层，并伴有花岗岩侵入。台站出露白垩系棕色砂岩、砾岩，东北部存在元古界混合花岗岩，周边主要分布河邵断裂带中段和瑞金—会昌—周田环状构造，具有发生中等地震的构造条件。受太平洋、欧亚、菲律宾等板块综合运动力的影响，台站所处赣粤闽三省交界地带成为东南沿海地震区中地震活动活跃区域，多次被列为全国地震危险区。
会昌台位于会昌城郊岚山公园半山腰，院内地势平缓，背部靠山，面积约11 850 m2。台址所在山体基岩大面积出露，岩性为花岗岩，坚硬、完整。观测山洞上覆第四系粘土，覆盖层厚约30 m，洞顶植被较为茂盛。山洞进深40 m，洞内年温差小于1 ℃，日温差小于0.05 ℃（赵爱平等，2012；谢斌等，2022）。
1.2 观测系统会昌台配备SS-Y型伸缩仪（下文简称伸缩仪）进行洞体应变观测，并采用洞温、气压、降雨和气温进行辅助观测。伸缩仪于2006年12月安装，分钟值采样，数据标定良好，格值准确，运行稳定，产出数据稳定可靠，年变动态较清晰，通常每年6月初出现年度低点。
伸缩仪垂直布设，具体参数如下：NS分量基线长11.78 m，方位角约338°；EW分量基线长11.85 m，方位角约68°。基线位于山洞过道，由外至内先后设有3道密封保温门。测量墩为石灰岩原岩墩，墩大小为0.8 m×0.6 m×0.5 m，下部与基岩稳定粘合。支撑墩为高标号混凝土浇铸，与基岩牢固粘合。观测墩按规范要求设置隔震措施和泡沫保温层（赵爱平等，2012）。会昌台观测山洞仪器布设见图 1。
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图 1 会昌地震台观测山洞仪器布设 Fig.1 Instrument layout of observation cave of Huichang Seismic Station |
在日常资料分析处理时，会昌台洞体应变数据日变动态清晰。然而，2018年7月13日—20日，洞体应变NS分量出现明显的趋势转折变化，观测曲线呈拉张上升趋势，最大应变异常幅度约9.7×10-7，约为该分量以往日变幅度的35倍（图 2）。由该台更长时间尺度的洞体应变观测曲线（图 3）可知，NS分量年变动态较清晰，自2012年以来，年度低点出现在每年6月初，而2018年直到7月13日才开始呈趋势转折变化，打破以往年变规律。为识别洞体应变观测资料的异常性质，从观测系统、气象因素、环境干扰等方面进行现场核实。
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图 2 会昌地震台洞体应变观测曲线 Fig.2 Strain observation curve of the cave strain at Huichang Seismic Station |
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图 3 会昌地震台洞体应变观测年变曲线 Fig.3 The annual variation curve of strain observation at Huichang Seismic Station |
异常核实工作组对观测系统、供电系统和数采均进行现场检查。检查发现，在会昌台观测山洞内，观测系统运行正常，供电系统正常，数据采集传输系统工作正常。可见，该台伸缩仪工作状态基本稳定。
根据学科组的规定，伸缩仪每年需校准2次。通过查阅近年格值标定记录表，确认伸缩仪每次校准均获成功且启用新格值。
3.2 气象因素调查会昌台形变观测配备洞温、气温、降雨、气压4项气象辅助观测手段。截取2018年6月1日—7月23日的辅助观测数据，与同期洞体应变数据进行对比，可见该台洞温、气温、气压年动态良好，辅测观测数据正常（图 4）。截取2018年5月1日—7月23日洞体应变观测数据，与同期降水量和洞温进行对比分析，结果见图 5。由所选时段洞体应变NS分量与降雨量历史走势看，二者无明显相关性，可见7月14日19时至20时的短时强雷电暴雨天气与7月13日9时起出现的洞体应变趋势转折不相关。同时，NS分量与洞温短时变化亦无明显关联。
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图 4 会昌地震台洞体应变气象观测时间序列 Fig.4 Time series of meteorological observation of cave strain at Huichang Seismic Station |
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图 5 会昌地震台洞体应变NS与辅助观测 Fig.5 NS component of the cave strain and auxiliary observation at Huichang Seismic Station |
根据洞体应变NS分量变化特征，结合辅助观测资料，分析认为，当地洞温、气温、气压和降雨变化与洞体应变NS分量此次异常变化无明显关联。
3.3 观测环境干扰调查 3.3.1 外围环境调查经实地走访，发现：会昌台周边2 km范围内无新建工地及异常干扰源；台站正南100 m处有一工地，系2014年前开发的楼盘和公寓，目前已完工。
3.3.2 台站院内环境调查对台站院内各观测点巡察发现，流体井房、FHD磁房无异常变化，由此对台站新钻流体井进行重点调查。会昌台新流体井2018年4月13日开钻，设计深度300 m，6月1日钻探深度至300.47 m，后开始扩孔及套管安装工作，套管置深120 m，7月15日完成安装。调查发现，2018年7月18日至20日，新流体井进行抽水实验期间，老流体井水位以及观测山洞部分形变测项出现异常变化，见图 6。其中：18日19时至20日16时连续抽水，期间于19日10时安装计量水泵时暂停抽水，当日21时11分停泵，水位降至地下25 m，1小时后回升至自流状态，后于22时40分再次抽水，1小时后水位再次由自流降至25 m。由图 6可见，原流体井同井水温在水位下降过程中出现约0.001 ℃的升温，水管倾斜仪记录分别向南倾约70×10-3″、向西倾15×10-3″，垂直摆倾斜记录向南倾约59×10-3″。
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图 6 会昌地震台新流体井抽水实验时各测项变化 Fig.6 Observation of each item of the new fluid well at Huichang Seismic Station during the pumping experiment |
会昌台观测山洞整体较潮湿，在第一道、第二道密封门地面、墙壁及过道均有不同程度的明显水迹。打开泡沫盖板检查伸缩仪观测墩时发现，NS、EW分量观测墩差异较大，其中：EW分量：基墩、中间支撑墩无明显水迹，靠近垂直摆洞室门外走道地面有较大一滩水迹；NS分量：观测墩整体呈从N端至S端逐渐潮湿的形态，S端基墩及临近几个支撑墩有明显水迹，尤其S端观测墩地面及四周隔震槽有明显积水，水体最深处达5 cm，而N端基墩及临近支撑墩虽潮湿但无明显积水（图 7）。
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图 7 会昌地震台山洞内伸缩仪观测场地潮湿现场 Fig.7 The damp site of the extensometer instrument in the cave of Huichang Seismic Station |
由于S端观测墩及临近支墩周围可见大量地表水，而地表水来源为山洞被覆内部的基墩根部和山洞围岩，在此环境下，一般介质遇水膨胀，使观测基线变长，洞体应变NS分量测值变大，整体呈拉张状态（图 8）。该变化机理与观测事实吻合，如图 9所示。其关系可以表示为
| $ \varepsilon=\left(L_1-L_0\right) / L_0 $ | (1) |
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图 8 伸缩仪基线受潮应变异常变化机理 Fig.8 Mechanism of abnormal change of baseline strain under moisture |
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图 9 会昌地震台洞体应变NS分量异常模式 Fig.9 Anomaly model of NS component of cave strain at Huichang Seismic Station |
式中，L0为基线安装长度，L1为基线受潮拉伸后的实际长度，ε为应变量。
观测山洞内一般比较潮湿，而S端大量地表水于7月初出现。经排查，S端附近墙面近期出现渗水点，使NS分量观测墩及基线，尤其在S端附近（局部）出现大量地表水，可见该潮湿增量主导了洞体应变NS分量的异常变化。NS分量基线充分受潮后拉伸，导致该分量7月13日至18日出现1组上升变化，应变幅度约6.33×10-7，日均变化量约1.055×10-7。SS-Y型伸缩仪是测量地壳表面两点间的应变量，假定伸缩仪原每日变化量在受潮情况下忽略不计，会昌台NS基线安装长度为11.85 m，代入公式（1），计算得到该基线变化长度，即L1 - L0 = 7.50 μm。
会昌台洞体应变EW分量各观测墩及基线无明显地表水，可理解为无潮湿增量，因此该分量异常变化不明显。
3.4.2 洞体应变NS分量异常与新流体井抽水试验关联分析与日常观测数据相比，会昌台洞体应变NS分量2018年7月13日起出现的异常整体上升一个较大台阶，且于19日—20日出现1组加速上升（呈张性变化），20—22日出现下降异常（呈压性变化），如图 10。经与台站其他观测资料进行对比分析，确定该组新异常在时间上与台站原流体井水位数据同步变化，表现为水位下降洞体应变NS分量上升（呈张性变化），水位上升NS分量下降（呈压性变化），明显可划分为2个阶段的异常变化。将水位变化幅度用h表示，应变变化量用ε表示，二者间的关系可以表示为
| $ \mathit{\varDelta}=\varepsilon / h $ | (2) |
式中，ε为应变变化量，h为水位变化幅度。
水位变化主要由台站新流体井抽水所致。以该井为中心形成的抽水漏斗在原流体井处的变化幅度，反映了观测地层含水漏斗水位的上下波动。随着水位的升降，地层含水量的增减会使地层介质重复膨胀、收缩的过程，进而产生局部附加张应力和压应力。在敏感位置，应力变化可能促使观测基线延长或缩短，从而观测到洞体应变的上升或下降。通过实测水位下降和上升的幅度，与洞体应变NS分量变化幅度进行比较，可以进一步验证局部张应力和压应力的交替性和重复性。水位变化幅度h约10 cm，应变变化幅度ε约3.38×10-7，代入公式（2），计算得到单位变化量，即Δ= 3.38×10-8/cm。而洞体应变EW分量变化不明显，或许可用距离含水漏斗更远或方向敏感性来解释。
4 结论与讨论通过对会昌台洞体应变观测仪器工作状态、气象因素的影响分析、周边观测环境的调研和现场核实，结合几个观测环境因素对洞体应变NS分量产生影响的机理进行分析，得到如下认识：
（1）仪器工作状态基本正常，标定格值稳定，无明显气压、气温、降雨、洞温干扰，会昌台伸缩仪观测数据真实可靠。
（2）2018年7月13日至23日，洞体应变NS分量异常幅度达9.7×10-7，总体呈张性应变异常，同台站其他测项，如洞体应变EW分量、地倾斜等均无明显异常。该异常可视为2次不同来源应变异常的叠加，排除地壳构造运动导致异常的可能，非地震地球物理异常。
（3）伸缩仪NS基线S端及其临近出现的大量地表水，是观测墩及基线内部富含水的表象，表明存在一定程度的潮湿增量。该潮湿增量为洞体应变NS分量趋势转折大幅异常变化的主因。
（4）2018年7月19日—22日，水位与洞体应变NS分量变化呈负相关，表现为，水位下降时NS分量为拉张应变，水位上升时为压应变。推测认为，抽水漏斗引起局部附加应力，导致洞体应变NS分量呈现压性、张性异常变化，并对观测山洞水管倾斜仪、垂直摆倾斜仪产生影响。
高曙德, 郑卫平, 安海静, 等. 井下地电阻率观测异常核实实例[J]. 地震工程学报, 2016, 38(Z2): 240-249. |
黄仁桂, 袁俊, 赵爱平, 等. 地下水位对定点形变观测影响分析——以九江中心站异常核实为例[J]. 地震地磁观测与研究, 2024, 45(1): 108-117. DOI:10.3969/j.issn.1003-3246.2024.01.015 |
屈曼, 侯晓真, 马栋, 等. 易县地震台伸缩仪NE分量异常分析[J]. 山西地震, 2024, 3(1): 33-37. |
时显军, 邢喜民, 叶尔扎提·巴合提汗. 新疆阿勒泰驼峰山地震台水管倾斜、洞体应变观测异常核实[J]. 地震地磁观测与研究, 2020, 41(4): 143-147. DOI:10.3969/j.issn.1003-3246.2020.04.020 |
谢斌, 赵爱平, 邓月圆, 等. 会昌台垂直摆观测资料与地震对应关系分析[J]. 地球科学前沿, 2022, 12(3): 336-347. |
薛凤英, 朱琳, 赵杰, 等. 陇县八渡形变台水管倾斜仪东西分量异常核实[J]. 高原地震, 2022, 34(3): 36-42. |
赵爱平, 李传江, 周红艳, 等. 会昌地震台相同测点倾斜固体潮观测之对比分析[J]. 华南地震, 2012, 32(2): 121-132. |
中国地震局监测预报司. 地震前兆异常落实工作指南[M]. 北京: 地震出版社, 2000.
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