抚顺地震台洞体应变异常变化综合分析

孔祥瑞，翟丽娜，李梦莹

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

洞体应变仪所观测的是断层两点间水平变化量的精密测量仪器，由于地壳变化与地震的关系极为相关，且多数地震前如海城地震、灯塔地震，洞体应变都存在明显的趋势性异常变化，因此洞体应变观测为地震预报、分析地震孕育过程等相关领域提供了宝贵的研究资料[1-2]。

抚顺地震台SSY 铟瓦棒伸缩仪自2007 年观测以来，该仪器一直保持着良好的运行状态，年变周期明显，数据连续率高，并且在2013 年灯塔地震前，其EW 测项在2012 年出现明显的张性变化，该异常变化持续约10 个月，灯塔5.1级地震发生后，该异常并未恢复，直到2014 年初该异常才恢复之前无异常的运动趋势（图1）。

图1 抚顺地震台洞体应变异常曲线图Fig.1 Curves of the strain anomaly of Fushun Seismic Station

本次异常为洞体应变观测NE 分量，该分量自2016 年8 月出现压性转张性变化，而2017 年1 月开始出现明显的张性转压性变化且压缩速率较快，至今已持续15 个月。与之前的速率存在较大差异性，该仪器EW 分量无明显异常出现且年变形态较好。参考该仪器EW 分量曾在灯塔地震前存在明显异常变化，因此对其变化成因分析也显得尤为重要。

1 抚顺台区域构造环境与观测概况

抚顺市地震台坐落在抚顺市区北部园林地带，地处辽宁、吉林两省交界的长白山脉边缘，东界施加沟菜窖，西界抚顺师专，北界山脊，南临高山路，南2 km 左右有浑河主干河流通过。位于浑河深大断裂的南盘，新宾弧形构造的东翼，属鞍山群北大岭亚组与毛燕亚组。基岩属混合质斜长角闪岩、黑云片麻岩地区。具体座落北靠东西走向的山势，南临较为开阔的山沟地带。台址附近多东西走向丘陵，植被为槐树和落叶松混交林。气候属温带，四季分明，春秋多风、雷害，夏冬多降水，小气候特点是辐射雾。洞室是由部队的战备山洞改建而成，洞室进深61.46～174.32 m，覆盖厚度33.6～49.5 m。植被是高棵乔木。洞室密封设施合理，温度6.8℃，年变化量≤0.1 ℃（图2，表1）。

图2 抚顺地震台地震地质概况Fig.2 Geological survey of Fushun Seismic Station

台站观测山洞所在区域属于辽宁东部丘陵地带的一部分，是山区与平原的结合部，长白山向西南延伸的吉林哈达岭和龙岗山脉的低山、丘陵为全市的地形骨架，地势东高西低。境内三面环山，中部是浑河谷地。东部钢山主峰海拔1346.7 m，为省内最高峰，西部刘尔屯降至海拔57 m，为全市最低点。附近地形表现为：东有河流，南临公路，北部是开阔山沟，西连丘陵山脉。山体表面植被为高棵树木。位于阴山东西复杂构造带东段与新华夏构造体系第二巨型隆起带的交接部位，南约4、5 km 处有浑河深大断裂通过。洞室附近主要岩石分布是二长混合岩、角闪斜长混合岩、煌班岩脉。观测洞室的垂直覆盖厚度24 m，侧覆盖厚度18 m；常年温度10.0℃左右，日变温度≤0.03℃，年变温度≤0.5 ℃，湿度为80%。其间铁皮门3 道，塑钢密封门6 道。仪器墩材质为花岗岩，安放仪器钵体的主墩5 个，均设有防震槽。水管倾斜仪测线长度：EW 向与NS 向均为30 m，方位：NS 向20°，EW 向110°。VS 垂直摆的方位：NS 向0°，EW 向90°（图3）。

表1 倾斜观测山洞情况表

图3 抚顺台洞室平面图Fig.3 Cavern floor plan of Fushun Seismic Station

2 异常概况

抚顺地震台SS-Y 型洞体应变观测NE 分量自2016 年8 月出现压性转张性变化，而2017年1 月开始出现明显的张性转压性变化且压缩速率较快，至今已持续15 个月，与之前的速率存在较大差异性，该仪器EW 分量无明显异常出现且年变形态较好。

该仪器受到的主要干扰源是春季的5 级以上大风干扰，7 级以上远震的干扰和雷电引起的波动干扰等，但此种干扰不会产生断记。全年主要人为干扰是仪器调零、仪器维修、标定系统维修等原因造成的，为了分析预报应用，对人为严重干扰时段的观测记录做缺数处理（表2）。

表2 抚顺地震台形变山洞附近主要干扰源

3 异常分析与性质判定

洞体应变观测的日常观测资料中，除了记录到了能够反映地壳应力应变变化的正常动态信息，同时也记录了如降雨、雷电、地震等外界环境因素等干扰。这些干扰信息夹杂在观测信号中，影响数据的分析结果，使得震前的一些短临趋势不易识别，因此排除以上干扰尤为重要[3-4]。

3.1 仪器工作状态分析

对抚顺洞体应变观测仪器的观测日志、工作报告和标定记录，仪器的主机、传感器、通信系统、供电线路、避雷设施、前置放大器等进行了检查，信号电压与工作电压均正常，对SSY 型洞体应变仪的日志记录进行检查，符合日常工作要求，仪器洞室干燥（仅洞室顶端有水珠，洞室壁潮湿）无积水，洞室水管仪仪器工作正常；经现场勘查抚顺台形变洞室仪器供电系统正常，数据、主机外观线路系统外观工作正常；主机箱螺丝等无氧化锈蚀现象；常年维护、标定等技术保障正常，仪器稳定可靠。对该仪器观测环境干扰情况调查，仪器工作环境良好，伸缩仪器墩材质为花岗岩，仪器在基岩岩墩上，均设有防震槽，检查仪器测墩稳定，无开裂等情况。

3.2 周边环境干扰

台站周边主要环境干扰为抚顺发电厂和马路，2005 年5 月8 日抚顺市发电厂两台300MW三期热电工程开始建设，建设工程于2008 年9月建设完成，新厂厂址距离抚顺台站正南200 m，整个建设过程和工厂正式运营期间对抚顺地震台观测山洞内SS-Y 型洞体应变仪和DSQ 型水管倾斜仪产生一定程度影响。而山洞正南50 m公路为山洞建洞以来一直存在的，所以对山洞内仪器影响为背景影响，分析与此次异常的产生无明显相关性。

3.3 干扰因素分析

洞体应变主要受降雨干扰影响较大，强降雨对抚顺地震台洞体应变的影响，主要表现为曲线的毛刺和固体潮畸变，都为短时干扰情况出现。以2016 年7 月25 日强降雨为例，由于受到强降雨影响，洞体应变观测三个分量均受到不同程度影响，具体表现为年变不清晰，短期加速，但影响时间较短，一般为降雨结束后的1 天，数据恢复原有趋势且不会改变曲线长期趋势。

由此可推断抚顺地震台洞体应变观测受降雨影响较为明显，由于抚顺台无气象观测三要素，我们取抚顺南山城地震台降雨观测资料情况对抚顺地震台洞体应变NE 分量进行对比分析。选取2007 年以来降雨数据并与该仪器进行对比，据台站收集资料，每年5—6 月为降雨旺季，其中EW 分量受降雨影响明显，表现为毛刺，但并不会影响其总体形态，NS 分量和NE分量受降雨影响不明显，且2017 年1 月并无大规模降雨和降雪，因此可排除气象干扰因素（图4）。

图4 抚顺地震台洞体应变与降雨情况对比Fig.4 Comparison of cavern strain and rainfall of Fushun Seismic Station

3.4 同山洞水管仪器对比分析

抚顺水管倾斜仪与洞体应变仪为同期仪器，水管仪观测自2007 年正式运行以来观测稳定，并且洞体应变仪与水管倾斜仪各端点仪器位于同一观测墩上。当断层运动，观测仪器两端所记录信息均应出现异常变化，但本次异常出现的异常变化只有洞体应变仪记录到。从水管仪观测曲线形态看，水管倾斜并未出现明显同步异常，根据震例的总结发现，异常发展具有准同步性，因此该仪器短期变化作为地震前兆异常的可能性不大（图5）。

图5 抚顺台同墩仪器观测数据对比Fig.5 Comparison of observation data of the instruments set on the same base in Fushun Seismic Station

3.5 数字滤波处理和周期分析

利用数字滤波对洞体应变观测NE 分量处理分析，提取长趋势周期和年变周期变化，采用平滑滤波和周期分析提取趋势项和周期项，分析洞体应变的趋势和周期变化异常特征，为异常核实分析提供参考。

采用三点线性平滑滤波的数学模型如下：

应用平滑滤波方法提取趋势项和周期项分析异常趋势变化特征和年变周期变化特征，该仪器在2017 年4 月份后年变均出现年变幅度增大变化（图6）。

图6 抚顺SSY 型洞体应变NE 测项数字滤波和周期分析Fig.6 Digital filtering and periodic analysis of the NE component of Fushun SSY type cavern strain meter

应用平滑滤波方法提取趋势项和周期项分析异常趋势变化特征和年变周期变化特征，结果显示：洞体应变EW 测项具有很好的年周期变化，在灯塔地震前，其年变化幅度有所减小，结果在2013 年发生灯塔5.1 级地震；2017 年出现加速和转向异常，通过该方法发现，其年变幅度有所增大。分析结果表明，目前的异常变化与2013 年灯塔地震前异常形态有所差别，其在快速压性变化的同时，年变幅度有所增大[5-6]。

3.6 NE 方向理论计算与实测值对比分析

由于抚顺地震台洞体应变的三个分量观测无单端数据，所以对于该仪器仅NE 方向第三分量出现的异常（NS 分量和EW 分量无同步异常变化），我们采用矢量分析，将NS 和EW 分量进行矢量分析，矢量加和，计算出第三分量理论数值（图7）。

图7 理论第三分量计算值与实测值对比分析图Fig.7 Comparison of the calculated and measured values of the third component of the theory

由于该台洞体应变仪的NS 分量仪器发生故障，于2013 年8 月6 日进行更换，数据重新正式接入时间为2014 年12 月10 日，所以NS分量数据有14 个月的缺失。为了更清晰的把NE 分量理论计算值与实测值相关性进行分析，将数据分为两个时间段：2007—2012 年，2012—2013 年，2015 年至今3 个阶段。从NE分量2007—2012 年理论计算值和实测值对比分析可知：2011 年以前，NE 分量理论计算值和实测值相关性较好，均呈现为小幅压性变化，但由于NS 分量仪器频繁发生故障，所以2011年，理论和计算值有较大差异。总体来说，由NS 和EW 分量观测值进行拟合后的NE 理论曲线与NE 分量实测曲线一致性较好，说明抚顺台SS-Y 型仪器较为稳定；从NE 分量2012—2013 年，由于灯塔地震前EW 测项出现明显张性变化，而NE 测项并未记录到该变化，理论计算值和实测值对比分析可知：该仪器的第三分量NE 测项映震效果不如EW 测项；而2015年至今，NE 分量理论计算曲线和实测曲线大体趋势一致，均呈现压性变化，进一步说明该仪器工作状态较好，从而说明NE 分量发生大幅压缩现象真实可靠，从矢量加和计算来排除仪器故障导致的异常现象。

4 结论

根据对抚顺地震台SSY 型洞体应变NE 分量的详细分析，观测系统的检查情况、测区观测环境调查情况、辅助资料等的资料异常变化，并结合建立的滤波和周期数学模型进行科学合理严谨的分析，认为其近期的压性加速表明该地区存在压性变化，但根据与其他测项及其他观测仪器对比分析认为，其加速变化受仪器本身性能影响可信度并不高。