临汾中心地震台体应变大幅变化的异常分析

陈永前，李宏伟

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

当今地震成因理论认为地震是地应力(应变)变化导致的。因此，要研究和预报地震，就必须对地应力变化进行观测。1966年邢台地震后，在李四光先生的倡导下，我国首先应用压磁元件传感技术开展了以地震预报为目的的钻孔应力连续观测。1968年9月，美国卡耐基研究所的萨克斯和德克萨斯大学的埃佛森研制出世界上第一台钻孔体应变仪[1]。我国的钻孔应变观测已有40多年，主要以体积式和分量式两种钻孔应变仪为主，精度达到10-9，可以记录到各种应变潮汐和非应变信息。随着大量观测资料的产出积累，如何在日常观测中核实并剔除非震异常信息是目前迫切需要解决的问题，也是为进一步研究地下区域应力场应力变化、提取与地震前兆异常连续可靠的数据奠定基础[2]。

由于前兆观测中多数的地震前兆异常与非震前兆异常无显著区别，两者不仅会受观测系统自身的影响，还会受到其他因素的干扰。影响因素复杂多样，必须经过详细的异常核实后，才能确认干扰源及准确进行异常资料性质判定。按照中国地震局监测司下达的核实异常要求[3]，对临汾中心地震台(以下简称临汾台)钻孔体应变2017年12月15日至29日出现的高频抖动异常进行核实分析，以准确判定异常的性质。

1 台站观测技术系统

1.1 台站位置及附近的断裂

临汾台(龙祠)处于临汾盆地西缘，吕梁复背斜南部东翼，向东倾的汾西向斜和向西倾的牛王庙向斜扭转处，在龙祠背斜的轴部附近[4]。

临汾盆地内部断裂构造复杂，西以罗云山断裂与罗云山隆起为邻，东为大阳断裂，北靠洪洞凹陷，南接襄汾凸起，新生界最厚沉积位于凹陷中部约2 200 m，沉积中心位于临汾至甘亭一带，在罗云山山前断裂东侧龙祠一带亦有一个次级沉降中心，呈北北东向地堑形，受控于北北东向的汾东断裂和汾西断裂，这两条断裂原是霍山马头山背斜上的纵张破裂，其形成时断错较浅，因此断陷也较浅。

罗云山山前断裂带位于临汾盆地西缘，断裂全长145 km，倾向SE，是在中生代吕梁山复背斜东翼逆断裂带基础上形成的一条正断兼具右旋走滑分量的断裂带。它控制着临汾盆地中部凹陷的西界，凹陷北界为洪洞-苏堡断裂，东为浮山凸起，是一个走向NNE，略向W倾斜的地堑；凹陷内发育2个次级沉降中心：临汾-甘亭沉降中心和龙祠沉降中心；后者紧靠罗云山山前断裂带与其同方向发育，沉降中心中新生界厚度1 800 m，其中上新统厚1 100 m，第四系厚700 m；第四纪以来凹陷区的沉降有逐渐增强的趋势。

1.2 临汾台体应变观测系统

体应变仪安装在山洞西面洞口处的钻孔里，钻孔高程为455 m。钻孔孔深70.35 m。实际安装位置69 m，钻孔孔径Φ130 mm，钻孔水位为干孔，钻孔岩性主要成分为灰岩，强度较高，结构较完整，部分节理及裂隙被充填，充填物以长石为主(见第18页图1)。

图1 临汾台体应变钻孔内部概况Fig.1 Internal conditions of the borehole of the volumetric strain at Linfen Station

2 体应变异常变化调查分析

2.1 异常变化特征

临汾台体应变在2017年12月15日06:52至29日15：45固体潮曲线出现畸变，无潮汐形态并伴有高频抖动, 26日当日最大变幅为2 270.4(×10-9),观测值出现单向压性变化。数据变化之后，检查观测仪器、环境、供电均正常，无人为干扰(见图2)。

图2 体应变及辅助测项数据变化曲线Fig.2 Variation of volumetric strain data andthe auxiliary observation data

2.2 异常初步排查

如图2所示，体应变呈现压性变化，通过对比同步辅助测项气压和温度观测曲线发现，辅助气压无显著变化；辅助温度在11日至18日观测值略偏低，18日后恢复正常。体应变在15日至29日出现压性变化，变化前后观测区域内及周边无降雨发生。因此，初步排除温度、气压和降雨的影响。

2.3 现场异常核实

2.3.1 观测系统工作状态检查

经现场调查临汾台体应变、数采以及观测墩周围环境情况，未见明显异常, 山洞仪器供电系统市电、UPS供电电压正常。

2.3.2 观测环境干扰情况调查

现场调查根据地震台站观测环境技术要求，结合临汾台的观测环境和水文地质条件，主要针对山洞周围的环境变化情况，山洞周围是否有大型的施工作业及山洞内温度、湿度等进行调查。

现场调查发现，台站周围存在4处采石点和荒山绿化施工场地，距离台站大约1 km左右(见图3)。采石点并非近期才开始采石作业，历史数据未记录到受采石作业影响的情况，认为台站周围的施工与此次数据异常变化相关性较小。体应变数据异常变化期间，台站周围无明显干扰，观测洞室内基本恒温，观测环境较为稳定。

图3 临汾台周围的采石点位置图Fig.3 The location of the quarrying point around Linfen Station

2.4 形变异常变化分析

2.4.1 更换体应变备用传感器

TJ-Ⅱ型钻孔应变仪测量系统由钻孔应变仪主机、探头以及相应的连接线路构成[4]。对于临汾体应变数据变化，首先排查供电系统，检查发现供电系统正常。检查连接线路，发现线路保护壳里放大器处有被老鼠咬碎的塑料碎屑。待核实人员打开放大器盒子后，放大器里面很干燥且完好无损，排除老鼠造成干扰的可能。在了解到临汾体应变自观测以来数据质量不高时，认为可能是仪器本身的问题，决定更换体应变备用传感器。更换后，数据恢复到正常的固体潮汐状态，记录曲线清晰，认为数据异常可能是传感器的问题(见第19页图4)。

2.4.2 固体潮振幅比A分析

对体应变记录的整点值观测数据进行拟合检验，求取观测值固体潮振幅比A，即观测数据与理论固体潮振幅之比。计算2017年的数据，发现体应变固体潮振幅比相对稳定(见图5)。

图4 临汾台体应变更换备用传感器前后数据变化曲线Fig.4 Data before and after the replacement of the sensor of volumetric strain at Linfen Station

图5 临汾台体应变2017年固体潮振幅比曲线Fig.5 The solid tide amplitude ratio of volumetric strain at Linfen Station in 2017

2.4.3 漂移一次项系数K1分析

仪器的漂移特征和场地地基的稳定性主要反映在K1中，为识别地震前兆异常，通常要求仪器的漂移系数K1变化微小且线性。经计算，2017年1-12月，体应变的K1值基本稳定在-9.434 98附近，除近期受仪器故障干扰外，整体波动较小(见图6)。

图6 临汾台体应变2017年漂移一次项系数Fig.6 The drift linear coefficients of volumetric strain at Linfen Station in 2017

2.4.4 频谱分析

为验证体应变数据变化是否由传感器干扰造成，选取2017年9月8日墨西哥8.2级地震作为干扰源对临汾地区的频谱进行分析。首先对比9月8日当天临汾台地区和体应变的频谱关系，结果发现频率的一致性较好，说明临汾台体应变能够很好地记录到同震响应(见图7)。

对临汾台体应变异常期间的数据进行频谱分析，发现临汾台频谱中不包含体应变的频率，即体应变近期的异常不是由构造因素或前震引起(见第20页图8)。

图7 临汾台同震频谱对比Fig.7 Comparison of the coseismic frequency spectrum at Linfen Station

3 结论

通过现场对观测系统、洞室环境、周围环境以及辅助测项等多方面调查，并对各种可能的影响因素进行分析。认为体应变更换备用传感器以及将放大器线路重新整理后，数据出现固体潮，表现为正常动态，说明体应变数据异常变化可能与传感器不稳定有关。

图8 异常期间临汾台同震频谱对比Fig.8 Comparison of the coseismic frequency spectrum at Linfen Central Station during the anomaly period