海原小山钻孔倾斜异常的落实与分析

程鹏图，杨 顺，王晨曦，马云举

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

0 引言

前兆观测是地震监测预报的主要手段之一，具有明确的物理含义以及预测机理，因此对前兆观测出现的各种异常变化进行实地落实，是对这些异常变化进行分析判断的主要依据。但在实际观测中，异常落实具有较强的复杂性，多数异常变化不能做到准确判断［1］。本文通过对海原小山形变观测点钻孔倾斜异常变化进行跟踪落实，排查了可能影响数据异常的观测系统、观测环境等影响因素，结合前期积累的异常应震实例，客观分析了此次异常变化。

1 台站地质背景

海原地震台小山形变观测点位于海原县海城镇的小山自然村南西侧，位于青藏高原东北弧形构造带、海原断裂带上，地面距离1920年海原81/2级地震主断裂450 m左右（图1）。海原断裂带展布于米家山北麓，哈思山南麓，黄家洼山南麓，西、南华山北麓和月亮山东麓，南华山及其以西，走向北西西，以东为北西走向，由11条不连续次级剪切断层组成，各次级断层均向所在山体倾斜，地貌上是一条醒目的山脉与盆地的界线。

图1 海原小山形变观测点地理位置图Fig.1 The geographic location diagram of Haiyuan Xiaoshan deformation observatory

海原断裂带早期为逆冲活动，后期为左旋走滑活动，其活动方式的转化发生于早更新世末至中更新世初。左旋走滑活动在大多数次级剪切断层的接续部位形成了拉分型盆地，由断裂两侧地址体所记录的水平位移量达几到几十公里，穿过断裂的各级别水系，均发生幅度不等的左旋位错（图2）。地貌、水系研究结果显示，全新世以来断裂带的平均走滑速率为6～10mm/a。观测点附近岩性大多数为灰黑色变质灰岩和泥石混合物，由于1920年海原大地震，地质构造比较复杂，岩层比较破碎。

图2 海原断裂带西华山一带地质体左旋位移平面图Fig.2 The left鄄hand displacement plan of the West Huashan area at the Haiyuan fault zone

2 异常概述

2017年7月27日，台站值班人员发现海原钻孔倾斜资料NS向加速下降，下降幅度102毫角秒，其中7月27日下降幅度65毫角秒，7月28日—8月2日处在低值，且出现新的稳定点；EW向加速上升，上升幅度110毫角秒，其中7月27日上升幅度最大，达74毫角秒，7月28日—8月2日处在上升后稳定期，且出现新的稳定点（图3）。8月2日，台站组织技术人员赴海原小山形变观测点进行钻孔倾斜资料异常落实。

图3 海原小山钻孔倾斜分钟值曲线（20170720—20170803）Fig.3 The minute value curve of the Haiyuan Xiaoshan borehole tilt anomaly

3 异常调查

2017年8月2日，海原地震台组成异常核实小组，赴现场进行核实调查，并初步制定了异常核实工作方案：（1）对局部观测环境进行调查；（2）对仪器工作电源进行检查；（3） 仪器标定记录、日志记录等信息的核实；（4）对异常信度进行分析。

3.1 仪器工作状态检查

异常核实小组对海原小山钻孔倾斜观测系统进行了检查，仪器观测系统基本正常，主要落实情况如下：

（1） 供电电源检查

异常核实小组对海原小山钻孔倾斜供电系统进行了检查。结果显示交流供电224.2 V，稳压电源供电41.17 V，电源供电正常。对观测电源各接头进行按压，保证接头接触良好。

（2）数采记录系统检查

异常核实小组人员对海原小山钻孔倾斜仪器数采记录系统进行检查，发现NS向有所偏大，粗调后恢复。

（3） 标定格值变化

海原小山钻孔倾斜格值变化在2013年7月维修之前变化稳定，2013年7月维修之后NS向存在规律的起伏变化，但总体稳定，EW向变化稳定。2016年6月、12月，2017年6月三次标定结果变化稳定。

（4） 日志检查

查阅了仪器观测日志，钻孔倾斜日志记录完整，记录系统观测正常。

3.2 观测环境检查

3.2.1 仪器所在基岩的岩性情况

海原小山钻孔倾斜井深60.24 m，仪器探头安装在约51 m深处。探头所处岩性为灰黑色灰岩，岩性完整。

3.2.2 测点周边的环境变化

海原小山钻孔倾斜观测点位于宁夏海原南华山自然保护区内，高程2220 m，附近人烟稀少，对测点周边5 km范围进行普查，结果显示测点周边无大型的施工作业。

经初步核实，认为2017年7月27日起发生的海原小山钻孔倾斜NS向加速下降异常、EW向加速上升异常与观测系统、降雨、气温、气压等相关性不大；海原小山附近为山区，环境干扰较少，但周边存在抽水井。异常核实小组赴海原县自来水公司调查了附近机井抽水情况。海原小山周边存在抽水机井，主要供县城用水，其中南部区域机井距离小山观测点平均4.7 km，中部区域机井距离小山观测点平均5.5 km，北部区域机井距离小山观测点6.4 km。小山观测点钻孔布置于山腰处，为基岩场区，因此异常组认为抽水对小山形变的干扰较小，排除了机井抽水对形变异常的影响。为了进一步验证这一推论是否成立，本文对抽水是否影响形变异常进行了以下深入分析：

（1） 从实际观测可得，2017年7月27日起海原小山钻孔倾斜EW向加速上升，上升幅度110 ms，其中7月27日上升幅度最大，达74 ms；7月28日—8月2日处在上升后稳定期。且出现新的稳定点；海原小山钻孔倾斜NS向加速下降，下降幅度102 ms，其中7月27日下降幅度65 ms；7月28日—8月2日处在低值，且出现新的稳定点。根据实地调查，海原小山周围共有18口机井，距海原小山平均距离为5.5 km，抽水量为800 m3/d·口，18口机井每天抽水总量为18口×800 m3/d·口=1.44×103m3，根据二维载荷均匀分布模型［2］，在5km范围内，每天1.44×103m3抽水量产生的影响仅为0.008 ms，远小于此次异常的变化幅度，所以可以推定海原小山周围的机井抽水量变化不会对海原小山钻孔倾斜产生影响。

（2） 海原小山周边 18口井抽水量为800 m3/d·口，根据最小“安静”距离理论的三维集中载荷模型，可以推算抽水量为800m3/d抽水井的最小“安静”距离小于50 m，而抽水井距海原小山测点的距离最小为4.7 km，远大于抽水井的最小“安静”距离，所以可以进一步推断海原小山周围的机井抽水量变化不会对海原小山钻孔倾斜产生影响［3］。

4 异常变化分析与判断

如图4所示，海原小山钻孔倾斜异常时段期间，钻孔气压及水位并无明显的异常变化与之相对应，而在异常时段内，27日至28日出现了连续降雨，但降雨量相对较少，因此同样可排除降雨对钻孔倾斜异常的影响。由于海原小山测点距抽水井距离较远、且抽水量相对较小，因此抽水对海原小山影响很小，可忽略不计，可以推断海原小山钻孔倾斜不存在明显的环境干扰。对海原小山钻孔倾斜进行潮汐分析和内精度分析，自观测以来，钻孔倾斜潮汐因子和内精度变化稳定，观测数据真实可靠，曾连续在国家局资料评比中获奖。

图4 海原小山钻孔倾斜与钻孔气压、钻孔水位、降雨的对比曲线Fig.4 A contrast curve between borehole tilt and drilling pressure，drilling water level，and rainfall of Haiyuan Xiaoshan

2017年7月27日起海原小山钻孔倾斜出现异常，异常形态为NS向加速下降后恢复、EW向加速上升后恢复，期间伴有阶跃式变化。类似于此的异常变化，自观测以来有两次加速下降、阶跃式异常对应地震，具体分析如下：

（1） 2016年3月31日，海原小山钻孔倾斜NS向出现加速上升，上升幅度约31 ms，EW出现加速下降，下降幅度约43 ms（图5），2016年4月11日发生宁夏中宁MS3.9级地震，震中距离82 km。

图5 海原小山钻孔倾斜分钟值曲线（中宁MS3.9级地震前）Fig.5 The minute value curve of the Haiyuan Xiaoshan borehole tilt anomaly（Before Zhongning MS3.9）

（2） 2016年11月10日，海原钻孔倾斜NS向出现加速上升，上升幅度约28 ms，EW向出现加速下降，下降幅度约36 ms（图6），2016年11月13日发生宁夏海原MS2.3级地震，震中距离28 km。

图6 海原小山钻孔倾斜分钟值曲线（海原MS2.3级地震前）Fig.6 The minute value curve of the Haiyuan Xiaoshan borehole tilt anomaly（Before Haiyuan MS2.3）

由于排除了观测系统、观测环境等干扰因素的影响，加之分析了两次典型的异常应震案例，分析认为此次异常可能为震前异常。

5 结论

综合分析认为，海原小山钻孔倾斜2017年7月27日出现的加速变化真实可靠，无观测环境、气象因素干扰，可作为短期异常进行跟踪，需密切关注海原周边震情发展，台站工作人员需做好应急准备。

2016年以来，海原小山钻孔倾斜出现3月31日、11月10日两次明显的加速下降变化，两次变化之后分别发生了宁夏中宁Ms3.9级、宁夏海原MS2.3级地震，此次异常变化较前两次略有不同，出现NS向加速下降—恢复、EW向加速上升—恢复的过程，期间伴有阶跃式变化，总变化幅度较大，达215 ms，短临形势较前两次严峻，需结合地球物理场、地球化学场等其他资料密切跟踪、分析其变化机理。