钻孔应变的干扰源及其干扰机制的多方法分析

苏维刚 马茹莹 马 震 孙玺皓

1 中国科学院青海盐湖研究所，西宁市新宁路18号，810008 2 青海省地震局，西宁市兴海路1号，810001

钻孔应变观测作为一种连续监测地壳形变的重要手段，对小空间尺度上微小而重要的构造应变捕捉有较好的效果，对认识和探索地震孕育过程的动力学过程具有重要意义[1-4]。由于其应变灵敏度较高(分辨率达10-9～10-11)，河流、湖泊、仓库和铁路等所有与地面载荷变化有关的干扰源都容易对其观测造成干扰[5-8]，同时气象因素的变化、钻孔地质条件和格值的变化也会对钻孔应变观测造成不同程度的影响[5，9-12]。

德令哈台四分量钻孔应变仪架设于2006年，仪器自洽性较好，但受环境干扰影响严重。为分离干扰信息，本文使用多种方法研究台站及周边干扰源，并进行地球化学特征、载荷及气象因素等相关性分析，以期明确德令哈台钻孔应变观测的干扰源及干扰机制。

1 台站及观测系统概况

德令哈地震台位于柴达木盆地北缘，区域大地构造位置处于古亚洲构造域与古特提斯-喜马拉雅构造域的交界处，自新生代以来，盆地演化主要受印度板块与欧亚板块的碰撞作用影响。盆地内部发育一系列新生代高角度逆冲断裂，新构造活动迹象十分明显[13-14]，沿活动断裂带发生过多次中强地震。德令哈地区属荒漠半荒漠大陆气候，年降雨量约100 mm。

德令哈台钻孔应变观测井位于德令哈地震台院内，钻孔于2006-09建成，孔径约132 mm，井深约43.5 m，井孔深度0.90 m以上为填土，以下为花岗岩。四分量钻孔应变仪器型号为YRY-4，探头埋深约40 m，具有NS、EW、NE、NW等4个测向，各分量方位角见表1，数采采样率为1 s。

表1 各分量方位角

2 研究方法

2.1 相关性分析

选取钻孔应变和气象三要素2015～2019年的日值数据，其中降水量测项由于WYY-1型仪器数采死机导致数据多次断迹，2017-11-15更换为RTP-Ⅱ型仪器，因此降水数据选取时间为2018～2019年。

通过SPASS软件对不同尺度的观测资料与温度和气压进行相关性分析，以气象要素为变量x，观测值为变量y，分别计算Pearson相关系数r和p值，结果见表2：

表2 钻孔应变与气象三要素的相关关系

式中，r值在-1～+1之间，n为样本量。

2.2 载荷分析

黑石山水库及西海公园人工湖与钻孔应变的观测距离均小于2 km(图1)，根据环境水体干扰源面积与最小“安静”距离的关系[6]，水库及人工湖蓄放水可能会对应变观测造成干扰影响。现有钻孔应变的荷载模型主要有地表集中荷载模型和三维有限线段荷载模型[15-16]，黑石山水库呈长条形，人工湖呈圆形，水库蓄水对钻孔应变观测的干扰问题可近似使用三维集中载荷模型进行分析：

图1 德令哈采样位置

式中，F为库容重量，λ和G为拉梅常数，x为干扰源至钻孔的直线距离，z为钻孔深度。

2.3 地球化学分析

考虑汛期和非汛期水库水量的变化可能会造成差异性影响，分别于2020-04和2020-07采集德令哈水温井(距应变井约5 m)、西海公园人工湖及黑石山水库中的水样进行常量元素的测试分析，取样量为0.1 L。常量元素送至中科院青海盐湖研究所进行测试，测试结果见表3(单位mg/L)。同时于2020-07采集3端元的水样进行镭同位素测试分析。

表3 不同水体的常量元素测试结果

现场采集50 L的水体样品，利用锰纤维单柱富集法进行镭同位素富集[17]，装填15 g锰纤维于富集柱，并在富集柱前面接入1 μm的过滤桶，富集时的水流速控制在450～550 ml/min左右，之后将锰纤维吹干至其含水率在1.5%以内[18]，并通过四通道同步延时计数器RaDeCC进行223Ra和224Ra的比活度测试，测试结果见表4(单位dpm/L)。

表4 不同水体的Ra活度

3 钻孔应变观测影响因素分析

德令哈钻孔应变四分量资料连续性较好，从长趋势变化来看，各个分量均存在不同幅度的趋势转折，转折节点与省内6级以上强震的发生存在一定的响应关系(图2)，表明德令哈钻孔应变仪可能位于构造敏感位置。但由于该测项受干扰影响严重，各分量均存在显著的张压性起伏变化，需分析其干扰源及干扰机制，以有效提取异常信息。

图2 德令哈钻孔应变日均值时序曲线

3.1 气象因素相关性分析

通过表2可以看出，德令哈钻孔应变主要受年际尺度的气象因素(气温和气压)影响，并存在显著的负相关关系，气温和气压的变化具有稳定的年变周期，因此选用MAPSIS软件通过傅里叶滑动去掉钻孔应变资料中的年周期干扰[19]，获得的钻孔应变观测曲线见图3。

图3 德令哈钻孔应变去年周期后的日均值时序曲线

从图3可以看出，去除年周期干扰影响之后，德令哈钻孔应变总体比较平稳，但在年尺度内仍然存在相对比较显著的张压性变化，且该变化不具有稳定的周期性。因此，需进一步考虑台站周边长期存在的环境干扰因素，如黑石山水库和西海公园人工湖等。

3.2 水库及人工湖蓄放水的加卸载作用

黑石山水库每年4月汛期开始蓄放水，蓄水量变化较为显著，11月初水库库容量最低且蓄水量较为稳定。人工湖具体蓄放水时间不确定，根据现场异常核实调查，每年4月中旬左右蓄水，7月左右水量达到最大值，9月初水量开始减少。选取2015年德令哈台钻孔应变数据变化幅度较大的3个时段，计算水库和人工湖蓄放水的载荷效应，得到理论最大干扰值，并利用德令哈台钻孔应变经傅里叶滑动去掉年周期干扰之后观测数据计算出该时段的最大主应变，详细参数与计算结果分别见表5、6。

表5 载荷模型计算参数

通过表6可见，3个时段中，模型计算值均为实测计算值的3倍左右，说明德令哈钻孔应变在观测中确实受到周边环境水体蓄放水的影响，且在5～9月受人工湖蓄放水和水库蓄放水2个方面的载荷影响，9～12月主要受水库蓄放水的影响。

表6 载荷模型计算结果与实测计算结果

3.3 德令哈台及周边水体地球化学特征分析

3.3.1 水体常量元素分析

由测试结果可以看出，虽然德令哈井、黑石山水库和海西公园人工湖水样矿化度有所区别，但2个时段的3组水样在水-岩平衡图(图4)中均位于“未成熟水”区域，并集中分布在Mg端元附近，表明这些水体与周围环境的水-岩反应程度均较弱，循环深度较浅[20]。由此推断，德令哈台井水的补给来源主要为大气降水和浅层的地下水，较少有深部来源的物质。

图4 德令哈井及周边水样水-岩平衡图

图5 不同水体的常量元素浓度特征对比

3.3.2 水体镭同位素分析

镭是一种天然放射性的同位素，自然水体中的镭同位素(223Ra、224Ra、226Ra和228Ra)来源于不溶于水却在沉积物和岩石中广泛分布的钍的衰变。其中，223Ra和224Ra的半衰期分别为11.4 d和3.66 d，分别为研究10～50 d和1～10 d时间尺度的水体混合与循环的理想示踪剂。地下水中的镭同位素活度普遍较高，一般比地表水(河水、湖水、海水等)的活度高出1～2个数量级[21-23]。

通过表4可以看出，井水中223Ra活度最高，为0.022 dpm/L，水库次之，人工湖最低；而224Ra活度井水为1.7 dpm/L，水库和人工湖的224Ra活度均低于检测线。根据文献[24]，河水平均Ra活度较低，大气降水Ra活度低于检测线，而水库水源主要为河流和大气降水，因此水库223Ra活度低于河水平均Ra活度，而224Ra半衰期更短，自身Ra的衰变影响更大，导致224Ra活度低于检测线；由于人工湖水源主要为水库引水，水体没有流动性，无法及时更新，Ra活度衰变较为彻底，因此人工湖223Ra 和224Ra均低于检测线。

采集德令哈水温观测井井水样品时发现，水样中有明显腐烂气味，一般认为这种水样流动性差，Ra活度衰变会较为彻底，但其Ra活度与地下水平均活度相当，且224Ra活度还高于地下水平均224Ra活度，因此认为有其他高Ra活度的地下水体混入，从而导致井水Ra活度增大。

4 结 语

通过气象因素相关性、载荷效应和不同端元水体的地球化学特征分析对德令哈台钻孔应变观测资料的干扰来源和干扰机制进行深入研究。结果发现，德令哈台钻孔应变观测受多种干扰因素影响，在长时间尺度上存在稳定、显著的年周期性气温、气压干扰和不稳定、细微的地下水渗漏扰动；在短时间尺度内受人工湖和水库蓄放水的载荷干扰，时间为每年的4～11月。

随着人类活动的日益加剧，观测环境受干扰影响的程度日趋严重，且干扰因素互相叠加出现，互相影响，给观测资料的分析和异常核实工作造成很大的困难。在观测资料的异常核实和异常提取过程中可应用多种方法多方面探寻可能存在的干扰源和干扰机制，避免单一分析方法给研究结果带来的不确定性和偏差。

致谢：感谢中国科学院青海盐湖研究所孔凡翠博士在地球化学分析方面提供的帮助！