海原小山四分量钻孔应变观测资料分析

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，观测数据异常变化的判断、核实具有较强的复杂性，多数异常变化不能做到准确判断[1]。

四分量钻孔应变仪观测探头一般安装于钻孔下数十米的基岩或土层中，观测位移空间导数随时间的变化，具有良好的高频特性与高灵敏度的兼顾性，可以发现和掌握地应变前兆的长中期—短期—临震以及震后调整的时空分布与发展变化规律，构成重要的地震前兆观测手段[2-3]。汶川8.0级地震前，姑咱、格尔木等地震台钻孔应变出现前兆异常[4]；乌恰7.4级、乌什6.4级、昆仑山8.1级、彝良5.7级等地震前，库尔勒、乌什、高台、攀枝花仁和台、昭通等地震台钻孔应变观测到前兆异常[5-8]；永胜台分量钻孔应变在几次云南省4.4～5.5级地震发生前，均出现较为明显的短期异常[9]。蒋靖祥、朱航等人依据钻孔应变台站异常数据，对新疆和静5.7级、巴楚北4.2级、云南盐津5.1级等地震进行了较为准确的震前预测，为今后应用钻孔应变异常开展地震预测预报工作提供了重要的参考价值[10-12]。海原地震台YRY-4型四分量钻孔应变观测仪观测数据连续，可靠性较高，具备开展相关地震研究的条件，且于漳县岷县6.6级、固原4.6级、中宁3.9级等震前出现明显的异常反应。本文通过对海原小山四分量钻孔应变观测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及天水钻孔应变、武都两水钻孔倾斜同期出现的观测异常变化，客观分析了此次异常变化。合理、准确的判别前兆观测中的异常变化原因，是地震监测预报工作的基本要求，也对防震减灾事业有着深远的意义。

1 台站构造背景及基本情况概述

1.1 地质构造背景

海原地震台钻孔应变观测点位于海原县小山村西南侧南华山内，地面距离1920年海原级地震主断裂约450 m（图1），地处青藏高原东北弧形构造带内。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[13]。

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

海原断裂带活动特征表现为明显的压扭性，左旋迹象明显，由于断层活动强烈，断层地表形迹清晰可见，跨断层水系、沟谷左旋水平运动特征明显。1920年海原大地震形变遗迹散布整个断裂带，如五桥沟—小山一带见有水平扭动产生的鼓包和雁行形状张裂凹坑和断层陡坎等，五桥沟沟口跨断层处的沟谷阶地左旋分量较大，是断裂带多期活动的累积量。小山形变台临近海原活动断裂带，为1920年海原8.5级特大地震的极震区，对开展活动断裂研究以及地震前兆观测与地震机制研究有着极大的科研价值，在地震研究上有着深远的科学前景[2]。

1.2 小山四分量钻孔应变基本情况概述

YRY-4型分量钻孔应变仪为长圆筒径向位移式仪器，在圆筒中布置安装4个分量的径向测微传感器，每个受力元件依次相差45°，呈“米”字布设，通过仪器测量系统即可获得平面内4方向钻孔孔壁径向位移，从而求取地应变量。正方向变化为张性应变，负方向变化则为压性应变。该仪器具备自检功能，可以用来评价观测数据的可靠性。自检是依据在理论条件下，相互垂直的两分量应变观测之和相等，即自检关系可表示为：

式中，S1、S2、S3、S4分别表示1-4路应变观测分量，1路+3路和2路+4路的结果越一致，就表示仪器探头与围岩耦合效果越好，记录的资料越可靠[14]。

海原地震台于2007年9月安装架设YRY-4型四分量钻孔应变观测仪，灵敏度高（应变量级达10-10）。观测井孔深60.37 m，水位距井口15 m，套管下到32 m深，探头安装在深36.5 m的完整段，基岩为奥陶纪灰岩，分量元件方位（相对磁南北）：第1分量：E21°S；第2分量：E66°W；第3分量：S21°W；第4分量：S66°W （图 2）。

图2 海原台YRY-4型分量钻孔应变原件布设图Fig.2 Layout plan of YRY-4 borehole strain component at Haiyuan Seismic Station

2 观测资料异常变化

2018年7月12日，海原小山钻孔应变S2、S3分量出现转折，由上升转为下降的压性变化，下降幅度分别为1470×10-10量级，1290×10-10量级；S4分量出现快速上升变化上升幅度为762×10-10量级。从目前来看，异常变化体现出同步各向异性变化（图3）。

图3 海原小山钻孔应变分钟值曲线Fig.3 The minute value curves of the Haiyuan Xiaoshan boredata strain

通过对以往观测数据的分析可知，海原小山钻孔应变观测曲线于2016年4月11日中宁3.9级地震及2013年7月22日漳岷6.6级地震前均出现明显的异常变化（图4、图5）。具体表现为中宁3.9级地震震前10日S2、S3分量出现压性下降变化，S4分量出现张性上升变化，S1分量无明显变化；漳岷6.6级地震震前13日四分量均出现较为明显的压性下降变化。2018年7月12日海原小山钻孔应变出现的异常变化与上述两次震前异常变化形态极为相似，因此应对其进行详细的现场落实及分析，从而判别其是否为震前异常。

图4 海原小山钻孔应变观测曲线（中宁MS3.9地震前）Fig.4 The observation curves of the Haiyuan Xiaoshan borehole strain data（before Zhongning MS3.9 earthquake）

图5 海原小山钻孔应变观测曲线（漳岷MS6.6地震前）Fig.5 The observation curves of the Haiyuan Xiaoshan borehole strain data（before Zhangmin MS6.6 earthquake）

3 干扰因素调查及分析

干扰钻孔应变观测数据变化的主要干扰因素有观测系统故障、观测环境变化和人为干扰等。准确核查、分析干扰因素对观测数据的影响，是对观测资料分析应用的基础和必要过程。

3.1 观测系统

现场核实中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228 V，稳压电源供电42.1 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，数采记录系统进行检查，仪器工作正常，数采记录显示正常；查阅了观测日志，观测记录系统正常。笔者对2018年1月1日—2018年7月20日钻孔应变观测数据进行仪器自检，如图6所示，面应变比较一致，显示观测资料变化真实可靠，具有较好的一致性。从分析结果表明，该时段海原台分量钻孔应变仪观测资料可靠性较强。

图6 2018年1—7月海原台分量钻孔应变自检曲线Fig.6 Self-test data curves of borehole strain at Haiyuan Seismic Station from January to July，2018

3.2 观测环境

海原小山钻孔应变配备水位、气压辅助测项，绘制了2018年以来的水位、气压曲线（图7），从图上可见，水位、气压变化平稳，与应变7月12日以来出现的压性变化、加速变化没有对应关系。

图7 海原小山钻孔水位、气压观测曲线Fig.7 The curves of borehole water level and pressure at Haiyuan Seismic Station

同时，收集了海原小山周边降雨资料，如图8所示，2018年6月31日、7月8日、7月17日均出现降雨，6月31日降雨后海原小山钻孔应变观测资料在7月1日有所下降，7月4日恢复；7月8日降雨后7月12日再次出现下降、加速变化，下降时间明显滞后，持续到7月22日仍呈下降变化，并未恢复；7月17日降雨后未出现加速下降，维持12日以来的下降速率。从短期的变化来看，存在降雨干扰的嫌疑，但也不完全一致。从长期多年的资料变化来看，每年夏季海原均存在显著降雨情况，但小山钻孔应变资料未出现对应变化，综合分析认为，2018年7月12日海原小山钻孔应变出现的转向、加速变化并非完全由降雨引起，应作为短期异常进行跟踪。

图8 海原小山周边降雨资料Fig.8 The rainfall data around Haiyuan Xiaoshan

3.3 人为干扰

海原小山钻孔应变观测点位于宁夏海原南华山自然保护区内，附近人烟稀少，对测点周边5km范围进行普查，结果显示测点周边无大型的施工作业，无明显人为干扰源存在。

4 资料变化原因分析

海原小山钻孔应变出现过多次类似的异常变化，其中最显著的为漳县-岷县6.6级地震、中宁3.9级地震、固原4.6级地震前出现的变化，如图4-5所示，2018年7月12日海原小山钻孔应变出现的异常变化与漳县-岷县6.6级地震、中宁4.4级地震前出现的变化具有类似的异常特征，主要体现为趋势上升的背景下出现快速压性变化。

海原小山钻孔应变为宁夏南部地区唯一钻孔应变前兆观测手段。根据西北协作区短临异常核实工作，其中多项形变异常变化确定为前兆异常进行跟踪。主要测向为武都两水钻孔倾斜、天水钻孔应变、海原小山钻孔应变。综合分析来看，这些异常在时间上存在从南到北递进的现象。具体分析如下：

4.1 武都两水钻孔倾斜

武都两水钻孔倾斜EW向2018年6月6日出现趋势转折，由上升转为下降，经过异常核实，认定该变化为前兆异常（甘肃省地震局提供）。

图9 武都两水钻孔倾斜EW向分钟值曲线Fig.9 The EW-directional minute curve of borehole in Wudu and Liangshui

4.2 天水钻孔应变

天水钻孔应变从2018年7月1日开始加速下降，该变化与2017年8月8日九寨沟7.0级地震前相类似。经过异常核实，认定该变化为前兆异常（甘肃省地震局提供）。

图10 天水钻孔应变分钟值曲线Fig.10 The minute curve of borehole strain in Tianshui

4.3 海原钻孔应变

2018年7月12日，海原小山钻孔应变第二、第三分量出现转折，由上升转为下降的压性变化，第四分量出现快速上升变化。经过异常核实，认定该变化为前兆异常（图3）。

从上述分析可以看出，武都两水钻孔倾斜异常起始时间2018年6月6日，天水钻孔应变异常起始时间2018年7月1日，海原钻孔应变异常起始时间2018年7月12日，从异常起始时间看，异常存在从南到北的递进现象。统计三个测点异常持续时间与距离之间的关系，结果两水距离海原350km，天水距离海原220 km，异常持续时间武都两水钻孔倾斜46天，天水钻孔应变22天，海原钻孔应变10天。从测点距离变化到异常持续时间的发展，递推现象显著。同时，宁蒙交界左旗石英摆、银川小口子水氡2018年6月以来也存在一定程度的转折，综合来看，区域内前兆观测存在一种从远到近向海原收缩的现象。

因此，在排除了所有干扰因素之外，初步分析认为，海原小山钻孔应变2018年7月12日出现的趋势转折、加速上升应为前兆异常。

5 结语

通过详细的现场核实工作及后续分析初步认为，海原小山钻孔应变2018年7月12日出现趋势转折、加速变化以来，观测点周边环境无明显变化和人为干扰影响，仪器工作正常，无明显气压、水位等气象因素变化。在排除了所有干扰因素之外，初步分析认为，海原小山钻孔应变2018年7月12日出现的趋势转折、加速上升应为前兆异常。

2016年以来，海原小山钻孔应变出现多次短期变化，与宁夏及周边4级地震相对应，分析认为海原小山观测资料对周边地震反映敏感。因此，应加强观测资料分析处理工作，进一步加强预测指标的分析研究、应用，将海原小山观测资料作为重点前兆进行跟踪分析。