荊紅亮，楊 靜，韓 磊，郭國祥

(1.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西 臨汾 041000；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

短水準測量的高差曲線中包含多種信息成分，有測區(qū)地表溫度、地下水變化造成的周期性形態(tài)變化，還有測區(qū)環(huán)境改變、降雨影響造成的短期突出變化及構造活動引起的變化。臨汾臺短水準BM4-BM1測段高差曲線自2014年8月至2018年4月改變以往繼承性構造運動，持續(xù)平穩(wěn)壓性變化至今已近4 a，這種長期穩(wěn)態(tài)背景由什么原因引起，包含上述哪些因素的“干擾”，是當前所關注的重要問題。文章通過對比分析降雨、地下水、氣溫等因素對資料造成的干擾，發(fā)現(xiàn)其只造成短期干擾，在長期趨勢上無影響。對資料利用線性擬合的方法進行處理后，發(fā)現(xiàn)資料存在近十年的變化周期，與日長季節(jié)性十年變化周期[1-2]有較好的相關性。結(jié)合臨汾臺水平擺、垂直擺傾斜儀、侯馬臺水管傾斜儀測項2014年以來的同步異常變化，以及臨汾盆地周邊物理場變化，進一步研究該異常特征。

1 觀測場地及觀測數(shù)據(jù)概況

羅云山斷裂是控制臨汾盆地西緣的主斷裂，臨汾臺短水準測線跨越此斷裂，共有3個測段，4個水準點，其中兩測段斜交跨越斷層，另一測段與斷層近似平行布設，全線布設呈“U”字形導線(見圖1)。水準點BM1、BM2為基巖點，埋設于斷層下盤；BM3、BM4為土層甲型標志，埋設于斷層上盤，過渡點均為水泥樁。臨汾臺短水準BM4-BM1測段自監(jiān)測以來，比較真實地反映了所監(jiān)測斷層的變化[3]，在臨猗4.8級、太原4.9級、洪洞4.9級、河津4.8級地震前均出現(xiàn)異常變化。文章選用近30年的跨斷層觀測資料，從1990年以來的觀測數(shù)據(jù)分析，BM4-BM1測段高差曲線呈趨勢上升變化，反映出監(jiān)測斷層受張應力作用(見第12頁圖2)。

圖1 臨汾臺短水準線路示意圖Fig.1 Diagram of short leveling line at Linfen station

2 降雨、地下水及氣溫與觀測數(shù)據(jù)的相關性

短水準數(shù)據(jù)除包含系統(tǒng)誤差和偶然誤差外，還存在多種外界因素的影響，文章主要從降雨、地下水以及氣溫有關資料，與多年來的短水準觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，探討其與2014年以來短水準數(shù)據(jù)異常變化之間的相關性。

圖2 臨汾臺短水準BM4-BM1測段高差曲線圖Fig.2 Height difference curve of BM4-BM1 measuring section of Linfen short leveling

2.1 降雨影響

由于降雨可轉(zhuǎn)化為淺層地下水，導致地表荷載效應，產(chǎn)生地殼微弱形變，從而引起水準點的變化。從表1看出，測區(qū)每年1-3月、10-12月降雨相對較少,每年的雨季基本集中在4-9月。2013年7月8日至18日，臨汾市出現(xiàn)了歷年來最強降雨，觀測場地當月降雨總量為309 mm。由于降水過程持續(xù)時間較長，水準點周圍土壤水分得到補充，巖體充水產(chǎn)生不同程度的擴脹[4]，導致處于斷層下盤的水準點BM4相對上升,觀測值7月9日至8月15日轉(zhuǎn)折壓性變化，降水對水準標識點產(chǎn)生的這種載荷效應，影響時間比較短，只會導致高差曲線年變形態(tài)發(fā)生畸變[5]，出現(xiàn)短周期變化。如圖3所示，2010年至2017年高差值與降水量月均值對比曲線顯示，降雨過后，8月16日曲線恢復正常變化，說明對于高差值在趨勢上的變化影響不明顯。一元回歸分析的結(jié)果顯示，兩者相關系數(shù)為0.121 0，相關性較差，表明降水對高差值影響不是很大。

表1 臨汾臺短水準輔助觀測記錄的月降水量Table 1 Monthly precipitation of short leveling auxiliary observation of Linfen station

圖3 臨汾臺BM4-BM1測段高差與降水量對比圖Fig.3 Comparison of elevation difference and precipitation of BM4-BM1 section of Linfen station

2.2 地下水影響

收集距離短水準測線南部不到2 km處的北杜井水位變化資料，由地下水位與水準觀測值對比曲線看出(見圖4)，水位總體上在一個水平線附近波動，水準曲線呈緩慢上升變化；水位資料在2003、2004、2010年變化較大，同期水準資料無顯著變化；兩者數(shù)據(jù)變化轉(zhuǎn)折不同步。一元回歸分析結(jié)果顯示，兩者相關系數(shù)為0.122 5。由此可見，高差值的趨勢變化不受地下水位影響。

圖4 臨汾臺BM4-BM1測段高差與地下水位對比圖(2000-2014)Fig.4 Comparison of elevation difference and groundwater level of BM4-BM1section of Linfen station (2000-2014)

2.3 氣溫影響

選取短水準及氣溫2009至2018年的觀測資料，繪制于同一坐標系做對比分析(見第13頁圖5)。氣溫高時，地表蒸發(fā)量較大，導致水準點周圍土層中含水量降低，土層收縮，引起B(yǎng)M4點下沉,相對高差值變大；在氣溫下降時，水準點會隨著土層的變化發(fā)生移動，高差值變小，曲線呈壓性變化。發(fā)現(xiàn)兩者年變周期基本一致，只是存在一定的相位差。2009年至2012年氣溫變化平穩(wěn)，高差曲線呈上升趨勢。如第13頁圖6所示，趨勢線周圍數(shù)據(jù)點呈現(xiàn)離散分布，說明高差與氣溫擬合方程直線

y=0.017x+1463 5

與數(shù)據(jù)點所表達的趨勢符合程度較差，計算得出決定系數(shù)R2為0.003，越接近0則表明不存在線性關系，表明氣溫與高差曲線的趨勢性變化相關性不大。

圖5 臨汾臺BM4-BM1測段高差與氣溫對比圖(2009-2018)Fig.5 Comparison of elevation difference and temperature of BM4-BM1 section of Linfen station (2009-2018)

圖6 臨汾臺BM4-BM1測段高差與氣溫擬合直線圖Fig.6 Fitting straight line of elevation difference and temperature for BM4-BM1 section of Linfen station

3 環(huán)境條件的改變

2013年10月臺站改造優(yōu)化環(huán)境，緊鄰BM4水準點所在農(nóng)田旁邊的路面，鋪了一層寬約3 m，厚約20～30 cm的水泥面，距離BM4點大約3.5 m。環(huán)境條件的改變,會直接影響測點周圍地層的滲水條件或地表溫度的變化規(guī)律,儲文宜[6]對地殼形變資料物理性質(zhì)的研究分析表明，觀測資料的變化與測點周圍負載的改變存在一定的相關性，但是在短期內(nèi)會趨于穩(wěn)定，恢復以往的變化趨勢。圖2中只是在2013年10月至12月期間出現(xiàn)短期回轉(zhuǎn)，繼續(xù)保持正常的壓性形態(tài)，分析認為臨汾臺短水準長趨勢的壓性變化受修路的影響不大。

4 日長變化十年尺度相關性分析

王慶良、薄萬舉對日長變化與斷層形變的關系進行研究[1-2]。圖7是日長觀測原始曲線和經(jīng)低通濾波處理后的曲線。日長觀測曲線除有明顯的年周期變化外，還有一個準 10年周期的低頻變化。如圖2所示，原始高差曲線中也存在一定的周期變化，在1992-1995年、2004-2008年、2014-2018年分別出現(xiàn)3次比較平緩的階段，變化形態(tài)基本相似，三者之間也存在近十年的重復周期，即2014-2018年的趨勢變化或許是一個正常的背景場，也或許與日長變化有關。為了確定兩者之間的相關性，首先對數(shù)據(jù)采用線性擬合的方法進行處理，消除數(shù)據(jù)趨勢上的變化影響，結(jié)果表明，觀測數(shù)據(jù)擬合后與日長低通濾波曲線極其相似，即此變化與地球日長變化相關,是平穩(wěn)段去掉長趨勢后的一種負相關。從圖7高差擬合曲線的變化形態(tài)看出，1992-1997年、2004-2008年(由于2002年太原4.8級、2003年洪洞4.9級地震影響，曲線出現(xiàn)較大突跳)、2014-2018年曲線出現(xiàn)類似的變化周期，呈現(xiàn)下降變化過程，持續(xù)時間都在5 a左右，3個變化階段基本都發(fā)生在日長變長(地球自轉(zhuǎn)減速)的過程中，也就是說受日長作用的影響，短水準觀測數(shù)據(jù)存在10 a左右的周期變化，數(shù)據(jù)變化中包含有與日長變化相關的成分。

5 區(qū)域應力場作用

在短水準觀測數(shù)據(jù)變化期間，臨汾臺水平擺、垂直擺以及侯馬水管觀測值同時偏離原背景形態(tài)，出現(xiàn)同步轉(zhuǎn)折變化。根據(jù)上述異常出現(xiàn)的時間和形態(tài)特征，認為同一區(qū)域不同臺站同類測項同期存在異常，此異常的震兆性質(zhì)具有較高信度。筆者在臨汾、侯馬洞體資料異常變化的機理分析[7]中論述,上述變化為區(qū)域構造活動的結(jié)果。由圖8(山西省地震局預報中心李宏偉提供)山西臨汾-夏縣GPS基線圖分析，此測線2010年至2013年變化穩(wěn)定，無顯著異常出現(xiàn)。2014年9月至2016年4月持續(xù)負值變化，總體呈現(xiàn)壓性活動增強的狀態(tài)，2016年5月數(shù)據(jù)出現(xiàn)正值臺階。經(jīng)一測中心初步落實，階變可能為夏縣某站天線變動導致。截至2018年4月數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，速率較為穩(wěn)定，反映出此區(qū)域處于南北向受擠壓的應力狀態(tài),與臨汾臺短水準高差曲線顯示的結(jié)果物理性質(zhì)相同，表明短水準觀測值2014年至2018年壓性趨勢變化過程中有構造活動因素的存在。

圖8 山西臨汾-夏縣GPS基線變化圖Fig.8 GPS baseline change curve of Linfen-Xiaxian

6 結(jié)論

根據(jù)上述分析，對于臨汾臺短水準2014年以來數(shù)據(jù)異常變化物理性質(zhì)形成如下幾點認識：

(1) 此趨勢異常不是降水、氣溫、地下水位以及觀

測環(huán)境的改變引起的標識點變化。

(2) 臨汾臺短水準異常變化現(xiàn)象中，存在地球自轉(zhuǎn)日長變化十年尺度波動響應的成分，兩者確實表現(xiàn)出比較明顯的相關性特征。在形變資料處理中，可以通過排除日長相關背景場變化信息,來提高前兆異常識別的可靠性。

(3) 同臺多個測點形變資料顯示的同步異?，F(xiàn)象，GPS基線的同步壓縮變化，預示著短水準變化中存在構造活動的“場兆”信息，說明區(qū)域應力場發(fā)生變化在逐漸增強。

感謝山西省地震局預報中心李宏偉工程師在資料方面提供的幫助。