德令哈台竖直摆钻孔倾斜仪观测资料分析

许正霖，文勇，孟鑫，张敏，张文涛，杨浩

(青海省地震局 ,青海 西宁 810001)

0 引 言

大量的震例研究与岩石破裂试验表明，孕育地震所引起的地形变一般量级较小，且随着震中距的增大快速衰减，只有高精度、高稳定性的观测仪器，才能观测到来自地球内部的地震形变信息。我国的地倾斜观测经历了金属摆倾斜仪(现已停产)、石英摆倾斜仪、水管倾斜仪三个阶段，观测精度和稳定性逐步提高[1]。CZB-1型竖直摆钻孔倾斜仪是河南省地震局研制生产的高精度井下倾斜仪器，它的工作原理是利用一个铅锤摆来测定地面倾斜变化[2]。该仪器防水性能好，可在40～80 m深水下长期工作，能够清晰地记录到固体潮日变形态；分析精度与石英倾斜仪相当,可用于固体潮水平分量的观测。

德令哈地震台CZB-1型竖直摆钻孔倾斜仪安装运行于2006年，目前仪器运行稳定数据保存完整，同时仪器对于近震远震的记录正常，通过对竖直摆钻孔倾斜仪两个分量同时出现的异常变化进行分析，可以研究归纳其对于不同干扰的变化形态和不同地震的震前异常，同震响应和震后变化等规律。

1 台站概况

德令哈地震台位于青藏高原柴达木盆地北部边缘，该地区为走向北西西向逆冲断层，线壮褶皱非常发育，垂直差异运动强烈，是地应力易于积累的地区。台站周边分布多条新生代活动断裂带，新构造活动迹象也十分明显，沿活动断裂带地震活动频繁，发生过多次中强地震，最大震级6.8级。

2007年随着数字化仪器的投入使用，城市的发展和周围环境的变化，台站周围环境的影响对数字仪器的干扰突见明显。

德令哈地震台2006年7月18日～21日安装了CZB-1型竖直摆钻孔倾斜仪。该仪器探头与表层水温探头在同一个井，探头深度78 m。

2 德令哈钻孔倾斜观测数据变化特征

2014年因仪器故障更换仪器，2015年钻孔倾斜北南分量日均值数据由3 734.16变化至3 288.11，数据呈小幅稳定向南漂移；东西分量日均值数据由4 430.70上升至6 623.57，数据向东漂移幅度较大。2016年钻孔倾斜北南分量日均值数据由3 301.37变化至2 686.26，数据呈小幅稳定向南漂移；东西分量日均值数据由6 633.84上升至7 785.41，数据向东漂移幅度较大。2017年钻孔倾斜北南分量日均值数据由2 697.49变化至3 510.66，数据呈小幅稳定向北漂移；东西分量日均值数据由7 792.54上升至9 155.16，数据向东漂移幅度较大。综合2015～2017年数据年变情况可以看出，钻孔倾斜北南分量年变动态稳定，数据年变化范围在400～800，变化幅度较小；东西分量年变幅度较大，但变化趋势稳定(持续向东漂移)，年变化范围1 000～2 000，变化幅度较大。

图1 2014～2017年钻孔倾斜观测年变趋势曲线

3 德令哈钻孔倾斜观测干扰因素分析

3.1 观测系统干扰

观测技术系统包括仪器的供电、地震数据的采集、存储和传输等环节，任一个环节出现故障，都会影响到地震资料的连续、准确、可靠。德令哈地震台的钻孔倾斜仪经过了多年的运行，积累了非常丰富的、连续的资料，但也不可避免地出现了多次仪器故障。

图2 观测系统干扰

(1)仪器故障:2014年9月1日00时00分至9月3日23时59分由于仪器故障导致数据断记；9月4日至9月24日更换仪器后造成数据间歇性断记，9月25日更换仪器后数据恢复正常(图2)；2015年12月18日数采死机，造成数据缺数，重启数采后数据恢复正常。

(2)供电影响: 2014年9月24日8时9分至8时32分由于UPS电源死机导致数据断记 ,导致数据缺数23个(图2)；2015年3月25日17时14分至20时20分UPS电源故障，导致数据缺数186个；2015年3月26日9时47分至14时10分UPS电源故障，导致数据缺数263个。

德令哈地震台钻孔倾斜仪器仪器人为干扰具有持续时间短、突变、异常变化幅度较大等特点。因三套仪器(钻孔倾斜1套、表层水温2套)为同井观测，当任一仪器出现故障，进行检查或维修时，都会对其他二套仪器造成不同程度的干扰，但这也是保障仪器正常工作的重要环节，产生的干扰不可避免。

3.2 观测环境变化干扰

德令哈地震台的周边环境复杂，黑石山水库、巴音河、公园人工湖、农用灌溉水渠等干扰源距离台站最远均未超过直线1.5 km，不符合地震台站观测环境技术要求。从钻孔柱状图看，台基表层被0．9 m厚的杂填土覆盖，表层以下均为灰红色、灰黑色相间的花岗岩，岩芯呈短柱状，节理裂隙发育，局部破碎，地下水属于基岩裂隙含水层，主要由黑石山水库和巴音河渗透补给，地下水位距地表20 m左右[3]。

(1)人工湖干扰：西北方向约100 m处的公园人工湖，是一座用来对公园树木进行浇灌湖泊，该人工湖蓄放水情况随机性较强，没有准确的蓄水、排水数据，因此无法直接进行数据对比。根据之前对德令哈台水温数据的相关分析发现，公园人工湖蓄水量的变化对深层水温观测产生严重干扰，干扰时段在每年3月底11月初前后，每年首次变化的时间没有规律性。对比每年3月底至11月初的钻孔倾斜数据，未能发现较为明显的干扰变化。

(2)灌溉水渠：该水渠位于井孔东北116 m处，宽1.5 m，北西走向。经过调查水渠的水流量、供水时间等数据，与观测数据进行对比分析认为，由于水渠水流量较小，故对周围岩体的挤压作用不明显，且2015年水渠改为管道供水避免了水流的渗漏情况，故未对倾斜观测造成明显干扰。综上所述，灌溉水渠对钻孔倾斜观测有一定影响，但由于水流量较小数据未产生明显变化。

图3 水库出入库流量与钻孔倾斜数据对比

(3)黑石山水库：水库位于井孔正北方向1.4 km处，调查统计了水库2014～2016年的出入库流量数据，将钻孔倾斜观测同期数据与其进行对比后发现，钻孔倾斜观测数据并未表现出受到水库流量变化的影响。由于仪器自安装运行以来已运行十余年，设备老化严重，稳定性较差，由于井下探头故障且一直未能修复，故而未能真实反映到水库干扰变化。

3.3 人为干扰分析

地震仪器的现场维修维护、调零、标定及台站附近的建筑施工等都会对地震观测造成影响，同样不容忽视。但人为干扰的因素是短期和暂时的，并且具有明显的规律和特性。德令哈台钻孔倾斜仪数据受到的人为干扰因素主要有：现场维护维修及仪器的检查标定等。

(1)仪器检查、标定:钻孔倾斜仪每半年进行一次检查、标定，标定导致数据凸跳(图4)，预处理按照无效数据进行缺数处理。

(2)台站综合改造:2016年5月29日11时34分至19时54分由于进行台站综合观测技术系统保障推广改造项目施工，关闭仪器、切断仪器电源造成钻孔应变观测数据缺数501个。2016年5月31日15时44分至21时13分由于进行台站综合观测技术系统保障推广改造项目施工，关闭仪器、切断仪器电源造成钻孔应变观测数据缺数330个。2016年6月3日进行台站综合观测技术系统保障推广改造施工，造成钻孔应变观测数据17时47分至17时49分数据缺数，缺数2个。

图4 人为干扰

德令哈地震台表层水温仪器人为干扰具有持续时间短、突变、异常变化幅度较大等特点，但因同井观测仪器较多，在进行检查或维修时产生的干扰也较多且不可避免。

4 钻孔倾斜同震变化分析

德令哈地震台CZB-1型竖直摆钻孔倾斜仪2014～2016年共记录到国内外地震事件共336个。其中，国内震级最大的近震事件为2016年1月21日1时13分在青海省海北州门源县(震中距377 km)发生的6.4级地震；震级最小的近震事件为2014年3月26日 17时6分在青海省海西州格尔木市(震中距172 km)发生 2.1级地震；国外震级最大的远震事件为2015年9月17日6时54分在智利(震中距18 344 km)发生的8.2级地震，震级最小的远震事件为2014年5月4日 20时42分在台湾花莲县附近海域(震中距2 757 km)发生4.5级地震。德令哈钻孔倾斜观测都记录到了清晰的同震响，200 km范围内同震响应震级可达到2.0级，1 000 km以上范围内同震响应震级可达到4.5级。

为了进一步说明数据的同震响应变化，分别以2014～2017年内记录到的震级最大的近震(2016年1月21日青海门源6.4级地震)和远震(2015年9月17日智利8.2级地震)为例进行分析，所选地震在德令哈钻孔倾斜观测数据中记录清晰，具有近震和远震的典型特征，且两个地震发生前后数据没有受到观测系统和人为干扰因素的影响，数据具有分析价值。故选取这两个地震进行典型分析，研究地震对钻孔倾斜观测数据造成的变化。

4.1 门源6.4级地震

2016年1月21日1时13分青海省海北州门源县发生6.4级地震，震源深度10 km，震中距离德令哈地震台377KM km，地震发生后德令哈钻孔倾斜观测北南分量数据由1时19分的3 337.47突升至1时21分的3 660.71，至1时25分下降至3 342.25；东西分量数据由1时19分的6 605.64下降至1时21分的6 340.58，至1时25分上升至6 613.00，数据变化持续时间7分钟。德令哈竖直摆钻孔倾斜仪在此次地震发生前未见明显的震前异常，在地震发生后的6分钟记录到清晰的同震响应。

图5 门源6.4级地震同震响应及一阶差分求速度值

4.2 智利8.2级地震

2015年9月17日6时54分智利发生8.2级地震，震中距离德令哈地震台18 344 km，地震发生后27分钟德令哈钻孔倾斜观测数据产生同震响应，北南分量数据7时21分为3 036.73，8时7分变化至最大值3 126.915，9时8分变化结束，数据恢复至3 040.55；东西分量数据7时21分为5 843.31，8时17分变化至最大值6 065.46，9时8分变化结束，数据恢复至5 846.06，变化持续时间107分钟。德令哈竖直摆钻孔倾斜仪在此次地震发生前未见明显的震前异常，在地震发生后的27分钟记录到清晰的同震响应。

图6 智利8.2级地震同震响应及一阶差分求速度值

德令哈地震台钻孔倾斜观测虽然受到观测系统、观测环境等因素的干扰较为严重，数据变化形态受到影响，对近震和远震未见明显的震前异常变化，只能记录到清晰的同震响应。

5 结 论

通过对德令哈台钻孔倾斜数据的的分析，对数据的干扰情况和同震响应、震前震后异常变化有了进一步的认识，主要有以下几点：

(1)通过对德令哈台竖直摆钻孔倾斜观测资料的分析，认为主要存在观测技术系统干扰、人为因素干扰和观测环境变化这三类干扰因素。

(2)观测环境变化引起的干扰主要有人工湖蓄放水、水渠灌溉和水库流量变化等几种情况。德令哈台受观测环境干扰的情况比较特殊，所受干扰因素较多，包括黑石山水库、公园人工湖以及灌溉水渠等，钻孔倾斜数据受黑石山水库蓄水、排水的影响较大。

(3)在排除各类干扰后，分析数据人为德令哈钻孔倾斜数据因受到干扰较为严重，但对部分地震依旧有明显的地震前兆异常，同震响应变化也较为明显，有较好的映震能力，同时对于震级较大的地震，其震后有明显的震后变化记录。

(4)当多个前兆测项的探头在同一口井孔时，现场维修其中的一个探头会影响其它测项的正常记录。

(5)在对地震观测数据进行分析前，应对其观测系统、周围环境、天气变化等因素进行调查，综合各方面因素，合理比较数据变化，才能得出较为可靠的结论。