关于临汾台短水准异常物理性质的几点认识

荆红亮，杨 静，韩 磊，郭国祥

(1.山西省地震局临汾中心地震台，山西 临汾 041000；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

短水准测量的高差曲线中包含多种信息成分，有测区地表温度、地下水变化造成的周期性形态变化，还有测区环境改变、降雨影响造成的短期突出变化及构造活动引起的变化。临汾台短水准BM4-BM1测段高差曲线自2014年8月至2018年4月改变以往继承性构造运动，持续平稳压性变化至今已近4 a，这种长期稳态背景由什么原因引起，包含上述哪些因素的“干扰”，是当前所关注的重要问题。文章通过对比分析降雨、地下水、气温等因素对资料造成的干扰，发现其只造成短期干扰，在长期趋势上无影响。对资料利用线性拟合的方法进行处理后，发现资料存在近十年的变化周期，与日长季节性十年变化周期[1-2]有较好的相关性。结合临汾台水平摆、垂直摆倾斜仪、侯马台水管倾斜仪测项2014年以来的同步异常变化，以及临汾盆地周边物理场变化，进一步研究该异常特征。

1 观测场地及观测数据概况

罗云山断裂是控制临汾盆地西缘的主断裂，临汾台短水准测线跨越此断裂，共有3个测段，4个水准点，其中两测段斜交跨越断层，另一测段与断层近似平行布设，全线布设呈“U”字形导线(见图1)。水准点BM1、BM2为基岩点，埋设于断层下盘；BM3、BM4为土层甲型标志，埋设于断层上盘，过渡点均为水泥桩。临汾台短水准BM4-BM1测段自监测以来，比较真实地反映了所监测断层的变化[3]，在临猗4.8级、太原4.9级、洪洞4.9级、河津4.8级地震前均出现异常变化。文章选用近30年的跨断层观测资料，从1990年以来的观测数据分析，BM4-BM1测段高差曲线呈趋势上升变化，反映出监测断层受张应力作用(见第12页图2)。

图1 临汾台短水准线路示意图Fig.1 Diagram of short leveling line at Linfen station

2 降雨、地下水及气温与观测数据的相关性

短水准数据除包含系统误差和偶然误差外，还存在多种外界因素的影响，文章主要从降雨、地下水以及气温有关资料，与多年来的短水准观测数据进行对比分析，探讨其与2014年以来短水准数据异常变化之间的相关性。

图2 临汾台短水准BM4-BM1测段高差曲线图Fig.2 Height difference curve of BM4-BM1 measuring section of Linfen short leveling

2.1 降雨影响

由于降雨可转化为浅层地下水，导致地表荷载效应，产生地壳微弱形变，从而引起水准点的变化。从表1看出，测区每年1-3月、10-12月降雨相对较少,每年的雨季基本集中在4-9月。2013年7月8日至18日，临汾市出现了历年来最强降雨，观测场地当月降雨总量为309 mm。由于降水过程持续时间较长，水准点周围土壤水分得到补充，岩体充水产生不同程度的扩胀[4]，导致处于断层下盘的水准点BM4相对上升,观测值7月9日至8月15日转折压性变化，降水对水准标识点产生的这种载荷效应，影响时间比较短，只会导致高差曲线年变形态发生畸变[5]，出现短周期变化。如图3所示，2010年至2017年高差值与降水量月均值对比曲线显示，降雨过后，8月16日曲线恢复正常变化，说明对于高差值在趋势上的变化影响不明显。一元回归分析的结果显示，两者相关系数为0.121 0，相关性较差，表明降水对高差值影响不是很大。

表1 临汾台短水准辅助观测记录的月降水量Table 1 Monthly precipitation of short leveling auxiliary observation of Linfen station

图3 临汾台BM4-BM1测段高差与降水量对比图Fig.3 Comparison of elevation difference and precipitation of BM4-BM1 section of Linfen station

2.2 地下水影响

收集距离短水准测线南部不到2 km处的北杜井水位变化资料，由地下水位与水准观测值对比曲线看出(见图4)，水位总体上在一个水平线附近波动，水准曲线呈缓慢上升变化；水位资料在2003、2004、2010年变化较大，同期水准资料无显著变化；两者数据变化转折不同步。一元回归分析结果显示，两者相关系数为0.122 5。由此可见，高差值的趋势变化不受地下水位影响。

图4 临汾台BM4-BM1测段高差与地下水位对比图(2000-2014)Fig.4 Comparison of elevation difference and groundwater level of BM4-BM1section of Linfen station (2000-2014)

2.3 气温影响

选取短水准及气温2009至2018年的观测资料，绘制于同一坐标系做对比分析(见第13页图5)。气温高时，地表蒸发量较大，导致水准点周围土层中含水量降低，土层收缩，引起BM4点下沉,相对高差值变大；在气温下降时，水准点会随着土层的变化发生移动，高差值变小，曲线呈压性变化。发现两者年变周期基本一致，只是存在一定的相位差。2009年至2012年气温变化平稳，高差曲线呈上升趋势。如第13页图6所示，趋势线周围数据点呈现离散分布，说明高差与气温拟合方程直线

y=0.017x+1463 5

与数据点所表达的趋势符合程度较差，计算得出决定系数R2为0.003，越接近0则表明不存在线性关系，表明气温与高差曲线的趋势性变化相关性不大。

图5 临汾台BM4-BM1测段高差与气温对比图(2009-2018)Fig.5 Comparison of elevation difference and temperature of BM4-BM1 section of Linfen station (2009-2018)

图6 临汾台BM4-BM1测段高差与气温拟合直线图Fig.6 Fitting straight line of elevation difference and temperature for BM4-BM1 section of Linfen station

3 环境条件的改变

2013年10月台站改造优化环境，紧邻BM4水准点所在农田旁边的路面，铺了一层宽约3 m，厚约20～30 cm的水泥面，距离BM4点大约3.5 m。环境条件的改变,会直接影响测点周围地层的渗水条件或地表温度的变化规律,储文宜[6]对地壳形变资料物理性质的研究分析表明，观测资料的变化与测点周围负载的改变存在一定的相关性，但是在短期内会趋于稳定，恢复以往的变化趋势。图2中只是在2013年10月至12月期间出现短期回转，继续保持正常的压性形态，分析认为临汾台短水准长趋势的压性变化受修路的影响不大。

4 日长变化十年尺度相关性分析

王庆良、薄万举对日长变化与断层形变的关系进行研究[1-2]。图7是日长观测原始曲线和经低通滤波处理后的曲线。日长观测曲线除有明显的年周期变化外，还有一个准 10年周期的低频变化。如图2所示，原始高差曲线中也存在一定的周期变化，在1992-1995年、2004-2008年、2014-2018年分别出现3次比较平缓的阶段，变化形态基本相似，三者之间也存在近十年的重复周期，即2014-2018年的趋势变化或许是一个正常的背景场，也或许与日长变化有关。为了确定两者之间的相关性，首先对数据采用线性拟合的方法进行处理，消除数据趋势上的变化影响，结果表明，观测数据拟合后与日长低通滤波曲线极其相似，即此变化与地球日长变化相关,是平稳段去掉长趋势后的一种负相关。从图7高差拟合曲线的变化形态看出，1992-1997年、2004-2008年(由于2002年太原4.8级、2003年洪洞4.9级地震影响，曲线出现较大突跳)、2014-2018年曲线出现类似的变化周期，呈现下降变化过程，持续时间都在5 a左右，3个变化阶段基本都发生在日长变长(地球自转减速)的过程中，也就是说受日长作用的影响，短水准观测数据存在10 a左右的周期变化，数据变化中包含有与日长变化相关的成分。

5 区域应力场作用

在短水准观测数据变化期间，临汾台水平摆、垂直摆以及侯马水管观测值同时偏离原背景形态，出现同步转折变化。根据上述异常出现的时间和形态特征，认为同一区域不同台站同类测项同期存在异常，此异常的震兆性质具有较高信度。笔者在临汾、侯马洞体资料异常变化的机理分析[7]中论述,上述变化为区域构造活动的结果。由图8(山西省地震局预报中心李宏伟提供)山西临汾-夏县GPS基线图分析，此测线2010年至2013年变化稳定，无显著异常出现。2014年9月至2016年4月持续负值变化，总体呈现压性活动增强的状态，2016年5月数据出现正值台阶。经一测中心初步落实，阶变可能为夏县某站天线变动导致。截至2018年4月数据变化平稳，速率较为稳定，反映出此区域处于南北向受挤压的应力状态,与临汾台短水准高差曲线显示的结果物理性质相同，表明短水准观测值2014年至2018年压性趋势变化过程中有构造活动因素的存在。

图8 山西临汾-夏县GPS基线变化图Fig.8 GPS baseline change curve of Linfen-Xiaxian

6 结论

根据上述分析，对于临汾台短水准2014年以来数据异常变化物理性质形成如下几点认识：

(1) 此趋势异常不是降水、气温、地下水位以及观

测环境的改变引起的标识点变化。

(2) 临汾台短水准异常变化现象中，存在地球自转日长变化十年尺度波动响应的成分，两者确实表现出比较明显的相关性特征。在形变资料处理中，可以通过排除日长相关背景场变化信息,来提高前兆异常识别的可靠性。

(3) 同台多个测点形变资料显示的同步异常现象，GPS基线的同步压缩变化，预示着短水准变化中存在构造活动的“场兆”信息，说明区域应力场发生变化在逐渐增强。

感谢山西省地震局预报中心李宏伟工程师在资料方面提供的帮助。