楊曉東 朱 琳 孫 昱 吳 明 何 楊 王衛(wèi)平

（中國(guó)西安710068陜西省地震局）

0 引言

洞體應(yīng)變觀測(cè)是我國(guó)地殼形變觀測(cè)的重要手段之一。基于該手段，既可以觀測(cè)到形變固體潮，也可以通過(guò)提取非潮汐信號(hào)和識(shí)別暫態(tài)事件，捕捉地震孕育過(guò)程中地殼形變的微動(dòng)態(tài)信息（張燕等，2022），長(zhǎng)期觀測(cè)資料的研究結(jié)果可反映地表區(qū)域應(yīng)力的變化。近年來(lái)，諸多學(xué)者就降雨、洞室溫度、環(huán)境干擾等因素對(duì)洞體應(yīng)變觀測(cè)的影響進(jìn)行了分析，如：孫玉軍等（2008）就深部洞室溫度年度微小變化與地傾斜和地應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析；楊紅櫻等（2019）、呂琳等（2020）對(duì)不同降雨量對(duì)洞體應(yīng)變的影響進(jìn)行分析；楊小林等（2019，2020）基于地表溫度和紅外熱成像對(duì)乾陵地震臺(tái)洞體應(yīng)變與溫度的關(guān)系進(jìn)行定量分析。目前，對(duì)洞體應(yīng)變長(zhǎng)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折影響機(jī)制的研究文獻(xiàn)較少。

2020年1月—2022年3月，乾陵地震臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱乾陵臺(tái)）洞體應(yīng)變NS分量變化趨勢(shì)由拉張轉(zhuǎn)折為緩慢壓縮形態(tài)。本文從儀器工作狀態(tài)、GNSS資料、InSAR形變場(chǎng)進(jìn)行分析，結(jié)合同臺(tái)和周邊地震臺(tái)站洞體應(yīng)變觀測(cè)資料，分析探討引起數(shù)據(jù)變化的原因。

1 臺(tái)站概況

乾陵臺(tái)始建于1966年，屬國(guó)家形變Ⅰ類臺(tái)，臺(tái)基巖性為奧陶系石灰?guī)r。臺(tái)站位于渭河斷陷盆地中段與陜北黃土高原過(guò)渡地帶，地質(zhì)構(gòu)造位置處于渭河斷陷盆地中段與鄂爾多斯地臺(tái)南緣接觸帶，關(guān)山—口鎮(zhèn)斷裂以南，乾縣—富平斷裂以北（圖1）。

圖1 臺(tái)站及周邊斷裂分布Fig.1 Distribution of seismic stations and surrounding faults

該臺(tái)站地殼形變觀測(cè)山洞進(jìn)深103 m，基巖完整，覆蓋層厚度40 m以上，植被覆蓋良好，洞室溫度年溫差≤0.2 ℃，日溫差約0.015 ℃，地下水位＞100 m，“十五”期間架設(shè)VP型垂直擺傾斜儀、DSQ型水管傾斜儀、SS-Y型洞體應(yīng)變儀和TJ-II鉆孔體應(yīng)變儀等數(shù)字化形變觀測(cè)儀器及1套WWY-1型氣象輔助觀測(cè)儀進(jìn)行觀測(cè)（圖2），觀測(cè)環(huán)境較好，記錄數(shù)據(jù)固體潮清晰。

圖2 乾陵臺(tái)形變觀測(cè)儀器布設(shè)Fig.2 Layout of deformation observation instruments at Qianling Seismic Station

2 洞體應(yīng)變NS分量趨勢(shì)異常

2.1 洞體應(yīng)變觀測(cè)原理

洞體應(yīng)變儀用于精密測(cè)量地殼兩點(diǎn)間水平距離的相對(duì)變化，其工作原理是

式中：L為基線長(zhǎng)；ΔL為變化量；ε為應(yīng)變量，即單位長(zhǎng)度的相對(duì)變化量。當(dāng)固定墩與測(cè)量墩之間距離發(fā)生變化時(shí)，在特定環(huán)境下，視基線長(zhǎng)度保持不變，可動(dòng)鐵芯和線圈（差動(dòng)變壓器）或探頭與極片（電渦流）之間的距離隨之變化，位移傳感器將此間距變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，通過(guò)靈敏度、格值等換算，便可計(jì)算出應(yīng)變量的變化（呂寵吾等，2009）。

2.2 NS分量趨勢(shì)變化

乾陵臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)始于1981年，觀測(cè)資料連續(xù)可靠，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，年變規(guī)律且明顯，每年3月20日（春分）數(shù)據(jù)曲線前后達(dá)到波谷。選取該臺(tái)2004—2022年洞體應(yīng)變NS分量進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2004—2014年，NS分量呈長(zhǎng)趨勢(shì)壓縮形態(tài)，年變形態(tài)穩(wěn)定；2015年至2017年6月，數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)；2017年7月至2019年12月呈緩慢拉張趨勢(shì)，拉張轉(zhuǎn)折趨勢(shì)明顯；2020年1月至2022年3月，NS分量呈轉(zhuǎn)向緩慢壓縮形態(tài)，其中2020年、2021年年變峰值、谷值均低于2019年，見(jiàn)圖3。

圖3 乾陵臺(tái)洞體應(yīng)變NS分量2004—2022年趨勢(shì)變化Fig.3 Trend change of NS component of cave strain at Qianling Seismic Station from 2004 to 2022

3 干擾排查與分析

乾陵臺(tái)2015—2022年洞體應(yīng)變觀測(cè)資料年變形態(tài)清晰，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，NS分量潮汐因子變化基本呈正常波動(dòng)（李小芬等，2017），僅2020年12月受儀器檢修、標(biāo)定影響產(chǎn)生畸變（圖4）。通過(guò)查閱觀測(cè)日志和預(yù)處理日志，認(rèn)為人為干擾對(duì)洞體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)影響較小，觀測(cè)數(shù)據(jù)變化正常，潮汐因子結(jié)果符合觀測(cè)要求。

圖4 乾陵臺(tái)洞體應(yīng)變NS分量2015—2022年潮汐因子Fig.4 Tidal factor of NS component of cave strain at Qianling Seismic Station from 2015 to 2022

對(duì)乾陵臺(tái)洞體應(yīng)變供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、山洞洞室及儀器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)形變山洞供電系統(tǒng)正常，數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)工作正常，山洞洞室無(wú)明顯積水，山洞內(nèi)部?jī)x器觀測(cè)環(huán)境良好，且洞體應(yīng)變儀器標(biāo)定穩(wěn)定，NS分量運(yùn)行正常。2020年3月和2021年7月，洞體應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)傳感器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線毛刺增多，排除故障后（傳感器經(jīng)更換或維修），觀測(cè)數(shù)據(jù)短期內(nèi)恢復(fù)正常變化。傳感器故障僅影響短期觀測(cè)曲線走勢(shì)，對(duì)長(zhǎng)趨勢(shì)變化影響較小。

乾陵臺(tái)周邊2 km范圍內(nèi)近年無(wú)較大基建工程；受人員進(jìn)出觀測(cè)山洞影響，洞體應(yīng)變產(chǎn)生短時(shí)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，但對(duì)正常固體潮觀測(cè)影響較小，且同臺(tái)垂直擺、水管儀和體應(yīng)變無(wú)明顯趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化。

通過(guò)對(duì)乾陵臺(tái)溫度、氣壓、降雨量觀測(cè)資料的對(duì)比分析，認(rèn)為乾陵地區(qū)2016—2022年氣溫、氣壓變化正常，無(wú)極端惡劣天氣，與洞體應(yīng)變儀趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化無(wú)關(guān)。

經(jīng)以上梳理分析，排除人為干擾、觀測(cè)系統(tǒng)、觀測(cè)環(huán)境、氣象等因素對(duì)洞體應(yīng)變的影響。

4 異常性質(zhì)判定

2020年1月—2022年3月，乾陵臺(tái)洞體應(yīng)變NS分量變化由拉張趨勢(shì)轉(zhuǎn)折為緩慢壓縮形態(tài)，排除干擾后，選取乾陵臺(tái)附近GNSS數(shù)據(jù)、InSAR形變場(chǎng)及陜西省內(nèi)洞體應(yīng)變觀測(cè)資料和寧夏回族自治區(qū)涇源地震臺(tái)觀測(cè)資料進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為：利用GNSS坐標(biāo)時(shí)間序列計(jì)算得到旬邑—涇陽(yáng)—楊凌（SNXY—SNJY—SNYL）區(qū)域最大剪應(yīng)變率和面應(yīng)變率時(shí)間序列，發(fā)現(xiàn)在2020年前后出現(xiàn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化，判斷乾陵臺(tái)附近地下介質(zhì)應(yīng)力在2020年后存在調(diào)整；乾陵臺(tái)附近InSAR形變場(chǎng)未發(fā)生較大范圍的地殼形變；乾陵、漢中、華陰、八渡地震臺(tái)洞體應(yīng)變均在2019—2020年出現(xiàn)不同程度的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折；涇源臺(tái)洞體應(yīng)變同期出現(xiàn)異常趨勢(shì)變化。

4.1 乾陵臺(tái)附近GNSS數(shù)據(jù)分析

以GNSS為代表的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，為高精度、高密度的地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)研究提供了革命性的手段（屈曼等，2021）。為探究乾陵所在區(qū)域地殼形變的時(shí)間演化，根據(jù)站點(diǎn)分布（圖5），選取近EW向鳳翔—涇陽(yáng)（SNFG—SNJY）和近NS向旬邑—楊凌（SNXY—SNYL）2條基線，參照已有方法（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2020）計(jì)算2012—2022年2條基線的時(shí)間序列，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 乾陵臺(tái)附近GNSS觀測(cè)點(diǎn)位分布Fig.5 Location of GNSS observation points near Qianling Seismic station

圖6 鳳翔—涇陽(yáng)、旬邑—楊凌基線坐標(biāo)時(shí)間序列Fig.6 Time series of Fengxiang-Jingyang and Xunyi-Yangling base lines

由圖6可見(jiàn)：2012—2022年，鳳翔—涇陽(yáng)的基線時(shí)間序列處于持續(xù)壓縮形態(tài)，旬邑—楊凌的基線時(shí)間序列變化相對(duì)平穩(wěn)，表明研究區(qū)近EW向的地表相對(duì)距離在2012—2022年持續(xù)壓縮，與乾陵臺(tái)洞體應(yīng)變趨勢(shì)轉(zhuǎn)折關(guān)系不明顯。

參照已有方法（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2020），計(jì)算旬邑—涇陽(yáng)—楊凌（SNXY—SNJY—SNYL）的應(yīng)變率時(shí)間序列（圖7），結(jié)果顯示：EW向線應(yīng)變2012—2020年呈緩慢壓縮形態(tài)，2020—2022年呈緩慢擴(kuò)張形態(tài)，NS向線應(yīng)變2012—2022年呈緩慢擴(kuò)張形態(tài)；最大剪應(yīng)變2012—2020年持續(xù)擴(kuò)張，2020—2022年變化基本平穩(wěn)；面應(yīng)變2012—2020年變化平穩(wěn)，2020—2022年轉(zhuǎn)為擴(kuò)張形態(tài)。旬邑—涇陽(yáng)—楊凌所圍地區(qū)的最大剪應(yīng)變率和面應(yīng)變率在2020年前后均出現(xiàn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化，判斷乾陵臺(tái)附近區(qū)域在2020年后存在應(yīng)力調(diào)整。

圖7 旬邑—涇陽(yáng)—楊凌區(qū)域的應(yīng)變率時(shí)間序列Fig.7 Time series of strain rate in the Xunyi-Jingyang-Yangling region

4.2 乾陵及附近地區(qū)InSAR形變場(chǎng)

為了識(shí)別并監(jiān)測(cè)乾陵臺(tái)及周邊地區(qū)可能存在的大范圍構(gòu)造變形信息，使用2015—2021年歐洲航天局哨兵1號(hào)SAR衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，獲取研究區(qū)域平均形變速率結(jié)果，見(jiàn)圖8，圖中紅色、黃色表示下沉或遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向，藍(lán)色、紫色表示上升或靠近衛(wèi)星方向。結(jié)果顯示：研究區(qū)域不存在與斷層比較吻合的較大范圍的變形信號(hào)，即區(qū)域內(nèi)斷層兩側(cè)形變差異不明顯，如口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂、扶風(fēng)—三原斷裂。但區(qū)域內(nèi)存在多處局部形變，例如三原縣和涇陽(yáng)縣交界處、西安南郊、彬長(zhǎng)煤礦存在明顯的、量級(jí)較大的下沉，可能由地下水抽取、煤礦開(kāi)采等引發(fā)。也存在局部隆升形變，如扶風(fēng)縣、西安市西郊，可能由地下水抽取緩慢、地表形變回彈所致。分析認(rèn)為，乾陵臺(tái)附近未發(fā)生較大范圍的地殼形變，與該臺(tái)洞體應(yīng)變NS分量的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化關(guān)系不明顯。

圖8 乾陵臺(tái)及周邊地區(qū)InSAR形變速率分布Fig.8 Distribution of InSAR deformation rate of Qianling Seismic Station and surrounding areas

4.3 陜西省洞體應(yīng)變觀測(cè)資料對(duì)比

選取陜西省內(nèi)漢中臺(tái)、華陰臺(tái)、八渡臺(tái)、寶雞上王臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 陜西省部分地震臺(tái)2014—2022年洞體應(yīng)變趨勢(shì)變化Fig.9 Trend changes of cave strain at some seismic stations in Shaanxi Province from 2014 to 2022

（1）洞體應(yīng)變NS分量：漢中臺(tái)、八渡臺(tái)在2017—2022年呈拉張趨勢(shì)變化，而上王臺(tái)、華陰臺(tái)呈壓縮趨勢(shì)。其中乾陵臺(tái)與八渡臺(tái)2015—2019年年變形態(tài)類似，均由平穩(wěn)變化轉(zhuǎn)為拉張形態(tài)，不同的是，2020—2021年八渡臺(tái)加速拉張，而乾陵臺(tái)轉(zhuǎn)為緩慢壓縮形態(tài)；華陰臺(tái)2016—2017年呈加速壓縮形態(tài)，2018—2020年由壓縮轉(zhuǎn)為緩慢拉張形態(tài)，2021—2022年又轉(zhuǎn)為壓縮形態(tài)，2018—2022年變化趨勢(shì)與乾陵臺(tái)較為相似；漢中臺(tái)2019年中呈破年變加速拉張形態(tài)。

（2）洞體應(yīng)變EW分量：乾陵臺(tái)、漢中臺(tái)呈拉張趨勢(shì)，華陰臺(tái)呈先拉張后壓縮趨勢(shì)，八渡臺(tái)、上王臺(tái)呈壓縮趨勢(shì)。其中漢中臺(tái)2019年中呈破年變加速拉張形態(tài)；華陰臺(tái)2014—2019年呈拉張形態(tài)，2020—2022年轉(zhuǎn)為壓縮形態(tài)；八渡臺(tái)2014—2019年呈壓縮形態(tài)，2020—2022轉(zhuǎn)折為緩慢拉張形態(tài)。

通過(guò)對(duì)陜西省部分地震臺(tái)站洞體應(yīng)變觀測(cè)資料進(jìn)行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)乾陵臺(tái)、漢中臺(tái)、華陰臺(tái)、八渡臺(tái)均在2019—2020年出現(xiàn)不同程度的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折，認(rèn)為該區(qū)域可能存在一定應(yīng)力調(diào)整，乾陵臺(tái)洞體應(yīng)變NS分量的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化可能與此相關(guān)。

4.4 涇源臺(tái)洞體應(yīng)變資料對(duì)比

為判斷乾陵臺(tái)洞體應(yīng)變NS分量趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化性質(zhì)，選擇同處鄂爾多斯塊體周緣的寧夏回族自治區(qū)涇源臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)該臺(tái)洞體應(yīng)變NS分量存在長(zhǎng)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化，結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 涇源臺(tái)洞體應(yīng)變趨勢(shì)變化Fig.10 Trend change of cave strain at Jingyuan Seismic Station

由圖10可見(jiàn)，涇源臺(tái)洞體應(yīng)變NS分量2018年6月至2022年3月呈加速拉張的轉(zhuǎn)折形態(tài)；EW分量在2017年6月長(zhǎng)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折明顯，并于2021年1月轉(zhuǎn)為緩慢壓縮形態(tài)。由洞體應(yīng)變趨勢(shì)變化形態(tài)可知，2個(gè)地震臺(tái)洞體應(yīng)變異常起始時(shí)間基本同步，且變化均與構(gòu)造相關(guān)，進(jìn)一步判斷乾陵臺(tái)洞體應(yīng)變NS分量的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化應(yīng)與地下介質(zhì)應(yīng)力調(diào)整有一定相關(guān)性。

4 討論與結(jié)論

在排除洞體應(yīng)變儀觀測(cè)系統(tǒng)、人為干擾、觀測(cè)環(huán)境和氣象因素干擾后，對(duì)乾陵臺(tái)附近GNSS、InSAR資料及其他臺(tái)站洞體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，得出以下結(jié)論：

（1）GNSS資料顯示，乾陵附近地區(qū)的最大剪應(yīng)變率和面應(yīng)變率在2020年前后均出現(xiàn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化，判斷該區(qū)域應(yīng)力在2020年開(kāi)始存在變化，考慮該區(qū)域可能存在一定的應(yīng)力調(diào)整。

（2）乾陵及附近地區(qū)InSAR形變場(chǎng)未發(fā)生較大范圍的地殼形變。

（3）陜西省部分地震臺(tái)站及相鄰的寧夏回族自治區(qū)涇源臺(tái)洞體應(yīng)變同期數(shù)據(jù)，均存在年變趨勢(shì)轉(zhuǎn)折特征。

洞體應(yīng)變長(zhǎng)趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化具有復(fù)雜性和不確定性，乾陵臺(tái)洞體應(yīng)變的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化與該區(qū)域地下應(yīng)力調(diào)整的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有待進(jìn)一步深入研究。建議密切關(guān)注陜西省及鄰區(qū)洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化，跟蹤分析乾陵臺(tái)附近GNSS數(shù)據(jù)的變化。

陜西省地震局蘇利娜高級(jí)工程師提供乾陵臺(tái)周邊GNSS觀測(cè)資料，在此表示誠(chéng)摯的謝意。