安徽省钻孔应变典型干扰与地震短临异常特征分析

王燚坤，郑海刚,2，李军辉，汪小厉，鲍子文，洪德全，赵朋

(1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031； 2.蒙城国家地球物理野外站，安徽 蒙城 233527)

0 引 言

钻孔体积应变仪是用来观测地壳变形的小空间尺度变化[1]，其仪器工作原理简单，观测精度达到10-9。由于体应变仪探头埋在地下几十米深处，使用膨胀水泥使传感器与基岩结合为一体[2]，一定程度上避免了人为活动和地表环境变化等干扰，在很大程度上减少了外部因素的影响，使其能够记录到应变固体潮、震前短临异常信息以及同震响应等信息，为地震分析预报提供了研究基础[3-5]。经过多年的建设和改造，安徽省逐步形成了数字化体应变监测网。通过资料分析，发现影响观测精度的各种因素中，气象因素和地下水位变化是最主要的干扰源，各观测点受干扰程度和曲线形态具有明显的差异性。为了正确理解这些差异，本文总结分析了安徽省体应变观测中典型干扰的影响机理和变化特征，并给予一定物理意义的量化。同时尝试使用调和分析方法对体应变M2波潮汐因子进行异常提取，讨论总结了安徽及邻区4次M≥4.0地震前的短临异常特征，以期为异常识别提供一定的参考依据。

1 安徽省数字化钻孔体应变观测概况

安徽省钻孔体应变观测点主要分布在郯庐断裂带中南段及皖中北地区，附近构造复杂，利于捕获地质构造变化产生的信号。目前安徽省钻孔体应变在网运行的有12 套仪器，均为TJ-Ⅱ型应变仪，主测项为钻孔体应变，三个辅助测项分别为钻孔气压、钻孔水位和钻孔温度，各测点的仪器安装时间和井孔条件概况见表1。除来安、凤阳等个别地方台仪器由于故障造成少量断记外，其余仪器观测资料连续率都在90%以上，大蜀山、肥东、黄山和嘉山地震台4个测点为省局直属管理，数据连续率都在95%以上。

不同地震台站的体应变观测数据变化形态差异很大。嘉山、六安、全椒和五河地震台体应变长趋势呈现压性变化，仪器开阀频繁，其日变化记录固体潮汐显著、相位清晰。黄山、大蜀山、滁州及肥东地震台体应变呈现较好的年变周期，与水位变化较为同步，日变化可以记录到一定的固体潮汐变化。来安、蒙城、凤阳及定远地震台观测噪声很大，固体潮记录不清晰，主要与仪器故障和市县地震台站管理维护不善有关。本文仅对仪器工作状态正常的地震台站资料进行分析。

表1 安徽省钻孔体应变测点仪器及钻孔概况

2 主要干扰分析

安徽钻孔体应变观测主要受气象和水位的影响显著，本文对典型的干扰变化特征及影响机理进行分析研究。

2.1 气压影响

气压改变使地表负荷以及对井孔垂直附加应力产生改变而影响体应变观测记录[6]。气压影响系数与地震台址岩石的弹性模量、泊松比有密切关系，气压在地壳内不同深度影响不同，在地下100 m时气压影响最大[7]。安徽省的钻孔体应变井孔深度都在60～80 m，均在气压影响范围之内。大多数地震台站体应变都不同程度地受气压变化的影响，随着季节不同波动的幅度也存在差别，且影响较大的时段基本上都在春、秋以及冬季。当气压短期变化比较剧烈时，体应变观测值随之大幅波动，使固体潮记录曲线发生明显畸变，长周期的气压缓变对于钻孔体应变观测记录的固体潮波形影响并不十分显著，但会对各地震台体应变形态的趋势走向变化产生影响，或加大零漂或改变漂移方向，有时可能会影响几天的数据变化。本文选取了8个地震台站在气象、环境干扰较小的时段，以月为窗长计算体应变与气压的相关系数。

从表2可以看出，大蜀山和肥东地震台体应变与气压相关性最好,相关系数分别达到0.715、-0.763。一般情况下，仪器探头与钻孔耦合不好会造成气压对体应变干扰较大[8]，如果钻孔有水且探头附近存在裂隙、破碎带,压力负荷还能通过钻孔进入破碎带内壁,将压力传导给四周的岩体。大蜀山地震台岩性为红砂岩，质地偏软,有少量裂隙,钻孔周围5 m内有测震深井、砂层应变和井下电磁波共3个井孔,施工过程导致岩层破裂，安装时有坍塌现象。而肥东地震台为风化花岗岩，原岩结构破坏，岩性较为破碎，仪器探头所在岩层裂隙较为发育。因此，认为大蜀山和肥东地震台体应变与气压相关性好的原因是仪器探头与基岩耦合及套管四周与水泥固接不理想。

黄山、滁州和嘉山地震台体应变与气压存在明显的相关性(表2)。其中黄山和滁州地震台岩性记录均表明有少量裂隙；嘉山地震台为软弱岩层凹凸棒石,探头和岩层中间有约15 m的水泥砂浆，这种钻孔条件会对观测产生一定的影响。

六安、全椒及五河地震台探头所在岩层均致密完整、无明显裂隙且仪器探头与基岩耦合较好，从表2可看出这3个地震台站体应变与气压相关性较差。

上述结果表明在不同地质条件和钻孔特性制约因素下，体应变对气压干扰响应存在明显差异。多数钻孔台站由于裂隙或破碎带的存在，使气压对体应变的干扰过程更加复杂。

表2 钻孔体应变与气压的相关分析结果

图1 大蜀山、肥东、六安及嘉山地震台钻孔体应变与气压分钟值对比曲线

安徽省各地震台体应变受气压影响表现不同，选取大蜀山、肥东、嘉山和六安4个地震台体应变与气压的同期分钟值进行曲线形态对比。由图1可知，大蜀山和肥东地震台体应变受气压影响尤为显著，在日变形态和趋势变化上与气压变化同步性较好，在时间上体应变滞后于气压变化；嘉山地震台从固体潮记录曲线上看出潮汐较为清晰，在气压骤变时，体应变随着气压的变化出现快速响应变化，仅个别月份的体应变趋势性变化与气压变化较为同步；六安地震台体应变则基本不受气压影响。总体上肥东地震台体应变与气压表现为负相关变化，而省内其他地震台体应变除不相关之外均与气压呈正相关(表1)。由弹性力学可知，钻孔在垂直方向受到大气压的直接作用，在水平方向上则受到侧向围压的作用。考虑到钢筒、水泥层和钻孔岩石的复合结构，可以从理论上推导出大气压对体应变的影响模型[9]：

ε=bΔPa

(1)

式中：ε为钻孔体应变；ΔPa为大气压增量；b为气压影响系数。式(1)表明体应变在一般情况下随气压增大而增大(探头压缩)，随气压减小而减小(探头膨胀)，即两者呈正相关。这种干扰规律在大蜀山、黄山、嘉山及滁州等地震台得到了验证。为了尝试解释肥东地震台与气压呈反相关变化这种现象，通过调研核实发现该台体应变在启用备用传感器观测之前，体应变与气压、水位也是呈现正相关，2016年7月因雷击导致井下传感器故障，在28日启用了备用传感器之后，与气压、水位变化开始呈现负相关，可能为探头内线路正负接反而导致记录应变状态的改变。

2.2 降雨影响

降雨对体应变的影响主要表现为两种形式：一是降雨带来的大地负载效应导致地壳应变变化，尤其是短时大雨会引起体应变出现即时变化。二是雨水渗入岩体孔隙中导致孔隙压力增加，水位上升，使岩体体应变观测值发生变化[10]。当然，降雨只有积累到一定程度，才能引起固体潮发生畸变。由于降雨对体应变的影响与降雨量、降雨过程以及持续时间等密切相关，水的渗透需要一定时间，孔隙水压力的增加是逐渐进行的，因此体应变对降雨影响的相应存在滞后效应。

安徽省体应变地震台中大蜀山、黄山和肥东地震台受到降雨影响最为显著，在降雨季节，体应变会随着降雨的持续，处于一直上升或下降变化。在时间上体应变滞后于水位变化，在强降雨天气各台体应变均能记录到同步的即时效应。各台驱动降雨量存在差异，大蜀山的驱动降雨量为30 mm，黄山为50 mm，肥东为10 mm。表3统计了3个地震台比较典型的降雨情况和干扰系数，从中可以看出肥东地震台体应变井孔水位对降雨的放大倍率最大，降雨干扰系数和降雨效率也较大；黄山地震台体应变在暴雨影响下井孔放大倍率和降雨干扰系数与大蜀山的中等降雨影响量级相当。

分析认为，各地震台受降雨影响程度可能和井孔条件、仪器安装情况及降雨效率有关。肥东地震台的驱动降雨量很小，受降雨影响的即时变化尤为显著，如2018年7月4日14时至17时累计降雨量为3.14 cm，引起肥东地震台体应变观测值出现大幅突降(图2)，这一变化大约滞后水位变化1 h。体应变和地下水位观测值的变化分别为25.8×10-8和32.4 cm，其降雨干扰系数为8.22×10-8/cm，井孔放大倍率为10.32。尽管肥东体应变和水位对降雨的响应时间很短(约 2 h)，但降雨效率很高(约4.11×10-8/cm)，与文献[10]中山东烟台体应变所得量级相近，其井孔放大倍数也正好与烟台计算的量级 (平均为 12.9)基本相近，说明受降雨的影响程度很大。肥东地震台钻孔揭露岩层主要为花岗岩,其中35～70 m为全风化花岗岩,原岩结构破坏,风化裂隙较发育,而该台又处于郯庐断裂带及池河—西山驿断裂带上,岩体较为破碎,降雨后汇集的水容易沿破碎带渗到钻孔中,导致体应变观测值发生变化，而这种钻孔条件对干扰具有放大作用，导致驱动降雨量非常小。

表3 各地震台降雨情况及井孔放大倍率、 降雨干扰系数和降雨效率

图2 肥东地震台2018年7月3～5日体应变(a)、钻孔水位(b)、降雨量(c)分钟值对比曲线

2.3 水位影响

井水位变化的本质是含水层或破碎带中孔隙水压力的变化，在孔隙水压力发生变化时，自然会带来体应变观测值的改变[11]，井区周边降雨、抽水或干旱等因素的影响都有可能使岩体含水层中孔隙水的饱和程度发生变化，改变孔隙水压力的大小[7]。安徽省体应变测项受到水位干扰，主要为自然井水位变化对体应变测值产生影响。本文选取了8个地震台其他因素影响较小的时段，计算体应变与水位的相关系数，结果显示大蜀山、肥东、滁州和黄山地震台体应变与水位存在显著相关(表4),均达到0.9以上。

由图3可知，肥东和滁州地震台体应变受水位影响显著，其突升、突降与水位变化在时间上完全同步。其中，滁州体应变与水位形态呈高度相似；肥东体应变则与水位呈“镜像”形态。2016年7月28日启用备用探头之前肥东台体应变与水位呈现正相关变化，是探头线路正负接反导致了这种反相关变化。2018年3次强降水导致肥东地震台水位出现突升，体应变测值也随之出现下降台阶，这种即时影响是由于大量降雨和水位突变共同引起孔隙水压力变化导致的结果，主要原因为探头上方有破碎带或裂隙。肥东地震台岩体较为破碎,降雨后汇集的水容易沿破碎带渗到钻孔内壁，而滁州地震台岩性存在裂隙，地下水流通性较好，导致肥东和滁州地震台钻孔内静水位变化受地层和地面水流动干扰严重。

大蜀山和黄山地震台体应变与水位也存在着较好的正相关变化(图3),年变高值一般出现在强降雨时段，降雨补给使水位升高致使体应变出现变化，体应变上升或下降变化趋势基本与水位一致，但体应变在变化时间上明显滞后于水位，这可能与所处的地理位置和井孔条件有关，大蜀山、黄山地震台处于山区环境，岩性偏软、透水性好，所处地区裂隙发育，体应变受降雨和水位影响明显。

嘉山、全椒、六安、五河地震台体应变与地下水位无显著相关性(表4)，其中全椒、六安、五河地震台岩心均完整、无明显裂隙，水分渗透较慢，受降雨、水位影响较小。嘉山地震台仪器探头底部并非直接接触原有岩孔，为了避开软弱岩层，采用水泥砂浆回填了15 m至坚硬的岩层，属于无水钻孔，从观测情况看，基本不受强降雨、水位影响，表明水位对体应变的影响主要和井孔地质条件、仪器安装等因素密切相关。

表4 钻孔体应变与水位的相关分析结果

图3 滁州、肥东、大蜀山和黄山地震台体应变与水位日均值对比曲线

3 异常变化特征

固体潮是在日、月引潮力的作用下，固体地球产生的周期性的弹性变形，其理论值可以利用地球潮汐准确计算出来。潮汐因子即固体潮观测振幅和理论振幅的比值，可以反映地球内部物质的弹性性质和密度分布变化，震前潮汐因子往往偏离正常轨迹[6]。潮汐因子分析方法的物理意义清晰，异常容易识别，是当前地震预报形变领域的重要方法[12]。本文采用维尼迪科夫调和分析方法，以5日为窗长的小时值数据进行M2波潮汐因子计算，以超过2倍标准差为异常判定原则，根据钻孔应变的有效映震范围，分析地震与潮汐因子异常变化的对应关系。

嘉山地震台体应变潮汐因子观测精度较高，在一定的幅度内持续波动(图4)。2011年1月初该地震台潮汐因子数值突然快速上升，超过原有波动幅度范围，2011年1月19日安徽安庆发生M4.8级地震(震中距约256 km)，震后潮汐因子数值快速下降，下降过程中突跳明显，本次异常持续时间较短，异常形态表现为“上升—恢复”。2012年4～6月该台潮汐因子突跳频繁且幅度增大，分别于4、5月出现超过2倍标准差，异常结束后于2012年7月20日发生江苏高邮M4.9级地震(震中距约123 km)。嘉山地震台不受钻孔水位影响，这期间无其他干扰因素，认为此异常信度较高。

图4 嘉山地震台2010年1月～2013年12月体应变M2波潮汐因子

图5 六安地震台2012年9月～2015年12月体应变M2波潮汐因子

2014年4月20日安徽霍山发生M4.3级地震，震中距离六安地震台仅有50.8 km。六安地震台在2013年5～6月、9～10月M2波潮汐因子超过2倍均方差(图5)。经调研，2013年1月～2014年1月期间仪器故障频繁，导致缺测、错误数据较多，剔除相对误差≥0.05的潮汐因子的数据后影响了异常信息的判断。2014年2月起潮汐因子开始正常波动，在4月20日霍山地震前未超过2倍均方差，震后潮汐因子频繁突跳，于5月超出正常范围。分析认为上述变化可能为同震反应，但由于仪器故障较多，异常变化是否与霍山地震有关，还需要进一步验证。2015年3月14日安徽阜阳发生M4.3级地震，震中距离六安地震台为148.4 km，震前一个月该台潮汐因子数据出现快速上升，超过正常波动幅度范围，震后潮汐因子恢复至正常变化。这期间仪器工作稳定，气象因素无明显变化。

4 结 论

(1)本文对安徽省工作状态正常的8套TJ-Ⅱ型钻孔体应变观测仪的观测资料进行分析研究，讨论总结了体应变受气压、降雨和水位影响的变化特征。结果表明，气压短期波动变化会引起体应变固体潮发生畸变，两者在时间上往往表现为基本同步或滞后变化；长周期的气压缓变会对钻孔体应变形态的趋势变化产生影响，有时可能会影响几天的数据变化。大蜀山和肥东地震台体应变与气压的相关性最好，相关系数在0.7以上，黄山、滁州和嘉山地震台次之，六安、全椒及五河地震台与气压相关性较差。

大蜀山、肥东、黄山及滁州地震台受水位影响明显，这4个台站所处岩体较为破碎、透水性好，强降雨天气时体应变均能记录到同步的即时效应，而降雨补给又使得水位升高引起体应变出现变化，其体应变与水位变化较为同步，以月为窗长计算相关系数均达到0.9以上。嘉山、全椒、六安和五河地震台体应变与地下水位无显著的相关性。安徽各地震台体应变观测受气压、降雨和水位的影响程度及曲线形态明显存在差异性，这主要与钻孔条件、地质构造、仪器安装质量等因素密切相关，有裂隙、破碎带的钻孔观测受干扰影响相对较大，比如肥东地震台岩心裂隙较发育,而且位于郯庐断裂带及池河—西山驿断裂带上,岩体较为破碎,这种钻孔条件对干扰具有放大作用，受气象和水位影响十分典型。

(2)通过调和分析方法提取体应变M2波潮汐因子指标，讨论了4次M≥4.0级地震前的短临异常变化特征。安徽及邻区地震活动水平偏低，且皖南地区体应变台站偏少，在体应变预测效能范围之内仅有嘉山和六安地震台在震前出现异常变化。嘉山潮汐因子在安庆M4.8、阜阳M4.3级震前有显著的短临异常，异常形态为“上升—恢复”和频繁突跳变化，异常持续时间在1～3个月，地震发生在潮汐因子异常恢复过程中。六安地震台在阜阳M4.3级地震前也出现了“上升—恢复”形态，霍山M4.3级地震前六安地震台仪器有故障现象，异常信度相对降低，但有明显的同震反应。