趙 磊， 李桂榮， 李 杰， 劉代芹， 方 偉， 陳述江， 丁 宇， 楊 磊， 李雨峰

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

2020年4月27日烏魯木齊形變站定點跨斷層水準場地NW水準觀測曲線出現(xiàn)明顯的上升變化，上升幅度為0.51 mm；EW水準觀測曲線出現(xiàn)下降變化，下降幅度為0.41 mm，變化明顯(圖1)，但近期場地環(huán)境正常，無明顯的環(huán)境干擾。通過對比復測，兩組觀測成果相似，又收集和整理了烏魯木齊形變站氣象三要素數(shù)據(jù)資料以及場地南側的水塔山綠化灌溉的信息，以此驗證出現(xiàn)的異常與氣象三要素和山體綠化灌溉的相關性，進一步分析烏魯木齊形變站NW測線和EW測線異常變化的原因。此次異?，F(xiàn)象自2020年4月27日開始至6月30日左右數(shù)據(jù)恢復至正常變化形態(tài)，持續(xù)時間60 d左右，由于7～9月烏魯木齊市新冠疫情影響，全市封閉管理，致使近50 d無法正常觀測，數(shù)據(jù)缺失，但從目前資料情況看，已恢復正常。

圖1 烏魯木齊形變站水準場地異常測線高差變化圖(a) NW向 (b) EW向 (c) NE向Fig.1 Elevation change chart of leveling site anomaly survey line in Urumqi Deformation Station

1 烏魯木齊形變站定點跨斷層水準場地背景資料概況

1.1 觀測場地地質構造情況

雅瑪里克山斷裂是博格達山古生代優(yōu)地槽褶皺山系與前山中、新生代坳陷的分界斷裂。其中，從水磨溝七一棉紡廠到雅瑪里克山北麓，長9 km 的斷層北盤地帶地形較平坦，已成為市區(qū)人口密集地帶。上盤為三疊紀砂巖，下盤為侏羅紀地層，斷層走向為N60°E，傾角南傾 70°～80°，深部變緩，斷裂涉及寬度在百余米至幾百米，個別地段可達幾千米，斷裂長度達150 km，其性質是壓型逆斷層，斷裂從烏魯木齊市中部通過[1]。1965 年 11 月 13 日烏魯木齊東北MS6.6地震就發(fā)生在該斷裂帶上，其后又曾發(fā)生過多次中小地震，該斷裂垂直形變運動速率在0.1～1.0 mm/a，水平形變運動速率為10 mm/a[2]。

1.2 觀測場地概況

烏魯木齊形變站位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)，是國家二類臺站，坐落于水磨溝區(qū)水塔山北側，距最近的公路約650 m，東邊距水磨溝河約1 km，臺站周邊300 m范圍內(nèi)多為5層及5層以下的居民樓，無大型建筑和廠礦企業(yè)[3]。

觀測場地為三角形測線NEW，整個三角形構成一個閉合環(huán)，環(huán)線周長307.6 m，共6站，采用固定式儀器墩。其N點位于F2斷層的北盤，W點、E點位于F2斷層的南盤，3個點均埋設在基巖上(圖2)。F2為雅瑪里克山斷裂，走向北東60°左右，傾向南，傾角為60°～70°，受地形條件的限制，測線未跨過整條斷裂帶，只跨了F2分支斷裂。N點埋深1.5 m，W點、E點埋深 3 m[4]。

圖2 區(qū)域活動構造體系與烏魯木齊形變站位置及周邊環(huán)境示意圖Fig.2 Schematic diagram of regional active tectonic system and the location and surrounding environment of the deformation station in Urumqi

1.3 觀測場地歷史資料概況

形變站定點跨斷層水準場地于1981年開始觀測，1981年至2018年12月每天上午、下午各復測1次，近十幾年來全年度無缺測，缺測率R=0，成果連續(xù)率達到了100%。觀測資料質量為優(yōu)級。另外還常年開展降水量、氣溫、地溫和氣壓4項輔助觀測項目。輔助觀測點均設在水準觀測場地范圍內(nèi)。為臺站短水準觀測資料在地震的分析、研究中提供了真實可靠的輔佐依據(jù)，2019年1月開始，觀測周期調(diào)整為1次/周。從觀測曲線可以看出年變形態(tài)明顯，較好的顯示出雅瑪里克山斷裂的垂直形變運動特征，通過計算1988年至2020年4月NE測線和NW測線以及EW測線趨勢累計率得到NE測線趨勢累計率為-0.074，NW測線趨勢累計率為-0.076，EW測線趨勢累計率為0.005，結果很好地反映了斷層的逆斷性質，總的變化趨勢是逐年上升(圖3)。

圖3 烏魯木齊形變站1988-01-01～2020-04-29高差時間序列曲線圖(a) NE向 (b) EW向 (c) NW向Fig.3 Time series curves of height difference in Urumqi deformation station from 1988-01-01 to 2020-04-29

從1988年至今的時間序列圖可以看出，跨越斷層的NE、NW測線變化趨勢、變化幅度相對一致，顯示出斷層的運動狀態(tài)自1994～2000年有一定的上盤抬升現(xiàn)象，2000年至今趨勢變化不大。此次NW測線0.51 mm的抬升，從整體上看，并不突出，與2019年的變化幅度基本一致[5]。結合地震活動性綜合分析，2019年4～8月，NW測線出現(xiàn)快速上升變化之間、之后，均無MS≥5.0地震發(fā)生，僅在2019年7月22日20時32分在新疆和碩縣發(fā)生MS4.6地震，震源深度8 km，震中距129 km，距離較遠，回溯性檢驗，認為該現(xiàn)象并非前兆異常，2020年NW測線再次出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。

2 異常分析

2.1 觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查與環(huán)境

2.1.1 儀器工作狀態(tài)檢查與核對

烏魯木齊形變站定點跨斷層水準測量采用的儀器是德國蔡司廠生產(chǎn)的Ni002A型自動安平光學水準儀，采用的標尺是0.5 cm刻劃、3 m線條式銦鋼水準標尺?，F(xiàn)場檢查儀器、標尺及零部件、記錄設備等，均未發(fā)現(xiàn)異常，觀測設備工作狀態(tài)正常，核查工作認為，觀測設備檢查項目齊全，各項參數(shù)正常，滿足《跨斷層測量規(guī)范》要求[6]。且進行對比觀測的天寶DiNi03型電子水準儀為本年度進行跨斷層流動水準觀測所使用的儀器，該儀器于2020年3月由中國地震局第二監(jiān)測中心進行了儀器年檢，各項性能指標合格，因儀器故障引起水準觀測值出現(xiàn)大幅度加速上升、下降變化的可能性很小，故認為該變化非觀測設備故障因素所致。又因為對比觀測結果相似，亦可以確定與人為因素無關。

2.1.2 觀測場地環(huán)境及點位穩(wěn)定性

2020年4月29日現(xiàn)場勘查表明，點位未遭受任何破壞，點位附近無施工干擾，地貌環(huán)境如常。

N點位于斷層的北盤，W點、E點位于斷層的南盤，3個點均埋設在基巖上，為鋼筋混凝土標石，標志為金屬標志，標石埋深1.5～3.0 m。N點洞深約22 cm，直徑約12 cm，W點洞深約13 cm，直徑約15 cm，E點洞深約9 cm，直徑約25 cm[7]。從洞深和直徑可以看出，W點和E點的深度較淺，可能更容易受地表溫度的影響。

針對此次W點的突出變化，認為測點本身位于圍墻約5 m處，距離水磨溝公園水塔山最近，受到水塔山綠化灌溉及周邊地下水變化的影響最大。

2.1.3 氣象因素分析

溫度、氣壓和水位等氣象因素也可能對水準觀測造成影響。2016年至2020年4月同期觀測平均結果顯示，2020年降水為4年同期內(nèi)最少，而氣溫和地溫同期內(nèi)最高(圖4)。這也是2020年4月份水塔山綠化灌溉時間提前和用水量增加的原因。

圖4 2016年1月28日至2020年4月28日烏魯木齊同期溫度(a)、氣壓(b)、降水(c)、地溫(d)時間序列圖Fig.4 Time series diagram of Urumqi during the same period from January 28, 2016 to April 28, 2020

降水量的多少可能會影響到地下水的含量，進而可能對區(qū)域的應力載荷產(chǎn)生影響，從這個角度來看，降水量的影響不能忽視，但是從烏魯木齊形變站資料變化情況來看，并未出現(xiàn)降水量增加導致資料大幅下降變化的先例，且降水量的變化是否會引起這么大的變化，仍然需要繼續(xù)深入研究，但是降水量的減少使附近水塔山的綠化灌溉用水量增加，地下水位發(fā)生變化，由此引起測點受到擾動是可能的。

溫度的增高對垂直向觀測的影響確實存在，但是從圖1中并未看到往年同期因為溫度快速增高導致觀測資料大幅上升變化的情況，前期分析認為2017年快速上升變化是由5月更換標尺，6月更換觀測員導致，而2019年4月的快速上升是因為觀測墩傾斜導致的資料不可靠造成的，與溫度的快速上升無關。

2.2 異常變化分析與性質判定

跨斷層水準觀測的是斷層兩側水準端點標石之間垂直方向的相對變化，因此，標石如果不穩(wěn)，或受外界干擾會導致水準觀測結果出現(xiàn)顯著變化[8]。但是，近場短期內(nèi)沒有明顯的爆破、大型機械施工等干擾因素，各測段的觀測精度可靠，觀測結果無人為影響因素，但變化確實存在[9]。

(1) 對比觀測

針對這一異常變化情況，采用了Ni002A型光學水準儀和天寶DiNi03型電子水準儀同時進行對比復測，光學水準儀仍然由原觀測人員進行觀測記錄，電子水準儀由另一組人員觀測記錄，兩組人員均按照往測N-E-W-N共計6站；返測N-W-E-N共計6站的觀測順序，并且兩臺儀器設站位置相同，根據(jù)計算，觀測結果符合規(guī)范精度，觀測結果相近，NE測線、EW測線、WN測線兩臺儀器觀測結果如(表1)[10]。

表1 Ni002A光學水準儀與DiNi03電子水準儀同步對比觀測結果

根據(jù)現(xiàn)場對比復測結果，排除了光學水準儀人工錯誤讀數(shù)的因素。

(2) 應用形變速率累加進行異常識別

運用“形變速率累加法”對原始數(shù)據(jù)做一階差分處理，以2倍標準差作為判斷依據(jù)，得到各測線的形變速率累加值，以及速率累加曲線，再結合研究區(qū)代表性以往震例(MS≥5.0)，進行異常分析判斷。該方法可以更加直觀和明顯的展現(xiàn)出連續(xù)異?！肮铝ⅰ钡狞c積分后的形變速率累加變化效果。

V=|hi-hi-1|(1≤i≤n) .

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，h為原始觀測數(shù)據(jù)的各期觀測值；(hi-hi-1)為相隔1個周期的一階差分值，可以消除原始觀測資料的趨勢變化；n為原始觀測總期數(shù)；σ為形變速率v的標準差；T為積分對象，即V≥2σ的形變速率保留，將V<2σ的形變速率設為0，Z為最后的累加形變速率，對T求累加計算。公式(3)為異常信息的識別方法：取2倍標準差作為判斷依據(jù)，若V在2倍標準差以內(nèi)，說明此階段斷層活動無顯著變化；反之，說明原始曲線存在異常。在對殘差累積上應選取較為“連續(xù)”的異常點進行積分，得到形變累加速率，使速率異常更加突出，更易于識別[11-12]。

通過對NW測線、EW測線和NE測線計算形變速率累加值，異常變化如圖所示(圖5)。

圖5 2019年1月至2020年4月各測線形變速率累加圖(a) NE向 (b) EW向 (c) NW向Fig.5 Accumulation diagram of variable rate in each measurement line from January 2019 to April 2020

從圖5中可以看到，通過計算各條曲線的形變速率累加值，NW測線和EW測線在4月27日均出現(xiàn)了一個較大幅度的階躍上升變化(虛線框標注的部分)，但是NE測線則沒有階躍出現(xiàn)，測線變化正常。

(3) 地震對應情況

自2010年以來，場地周邊200 km范圍內(nèi)發(fā)生了MS≥5.0地震5次，其中MS≥6.0地震1次，最大地震是2016年12月8日的呼圖壁MS6.2地震[13](圖6)。

圖6 烏魯木齊200 km范圍內(nèi)MS≧5.0地震與測線時間序列對應圖(2010～2020年)(a) NE向 (b) EW向 (c) NW向Fig.6 Corresponding diagram of MS≧5 earthquake and time series of the survey

由連續(xù)觀測數(shù)據(jù)資料構成的短水準(北東向)年動態(tài)變化明顯，高值一般在每年的3～5月，低值在9～12月，形成比較清晰的一峰一谷的年變形態(tài)。距離烏魯木齊形變站200 km范圍內(nèi)發(fā)生的MS5.0～6.0地震基本都發(fā)生在水準曲線連續(xù)的加速或是尖點凹凸形突跳變化處，而此次變化呈現(xiàn)出的是非連續(xù)的單點突跳(圖6)。

通過對近10年以來的6次MS≥5.0 震例分析，從形變速率累加圖可以看出(圖7)，3次地震前，3條測線都會成組式的出現(xiàn)不同程度階躍式異常變化，而本次只有2條測線出現(xiàn)異常變化。此異常為孤立點且在很短的時間內(nèi)出現(xiàn)較大的異常幅度，這可能由各種擾動或其他原因造成，并不能夠反映斷層活動在某一時間段內(nèi)發(fā)生的相對持續(xù)的異常變化。

圖7 NE、EW、WN測線形變速率累加與地震對應圖Fig.7 Accumulation of linear change rate measured by NE,EW,WN and the corresponding graph of the earthquake

(4) GNSS基線處理結果

為了加強烏魯木齊首府圈連續(xù)形變觀測，按照中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡”)的建設標準，于2019年4月1日建設了烏魯木齊形變站連續(xù)GNSS觀測站，并于4月13日開始正式觀測。使用儀器是天寶NetR9接收機及扼流圈天線，并配備天線罩。通過對該連續(xù)GNSS觀測站的數(shù)據(jù)質量分析，數(shù)據(jù)連續(xù)率100%，觀測有效率在90%以上，MP1，MP2均小于0.5 m，可用于地震監(jiān)測預報分析工作，但該站暫時未納入“陸態(tài)網(wǎng)絡”數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(圖2)。

2020年4月27日，烏魯木齊形變站跨斷層水準出現(xiàn)異常后，解算了距離形變站最近的3個連續(xù)GNSS基準站(紅山、南山天文臺、形變站)的數(shù)據(jù)，并計算了站點之間的基線變化情況(圖8)。

圖8 GNSS基線時間序列圖(a) 2019-04-13～2020-09-06 (b) 2020-01-01～2020-09-06Fig.8 GNSS baseline time series diagram

圖形顯示3條GNSS基線變化基本都在2倍標準差控制線內(nèi)，處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)。GNSS基線結果顯示形變站至紅山，形變站至南山天文臺1.5 a以來始終處于平穩(wěn)變化狀態(tài)，近期略有拉張變化，但變化持續(xù)時間不長，未能看到明顯的趨勢轉向變化跡象，從現(xiàn)有結果來看，斷層整體持續(xù)性運動相對穩(wěn)定，并未顯示出明顯的前兆異常[14]。

3 討論與結論

3.1 討論

由于NW測線和NE測線均跨越了斷層，EW測線位于斷層南側，按照斷層活動規(guī)律，如果斷層有異?；顒?，NW測線和NE測線應該會同時出現(xiàn)異常變化，而EW測線應該變化不大，因為W點和E點都處在同一個塊體上，但是從異常出現(xiàn)的測線來看，NW測線和EW測線變化幅度較大，而NE測線變化僅在正常范圍內(nèi)波動，所以初步判斷可能是W點受到了干擾，造成點位變化，需要對干擾源進行調(diào)查尋找。

通過調(diào)查水塔山綠化灌溉的情況得知，水塔山綠化用水為片區(qū)輪澆，漫灌模式，與形變站相鄰地段往年開春后第一次用水一般在5月20日左右。因今年旱情影響，2020年第一次用水為4月20日，往年澆水間隔15 d，今年間隔時間為10 d，用水量全山為2 500 m3，與形變站相關地帶大約為500～600 m3。

地下水抽取點在水磨溝公園，距地面30 m，為24 h不間斷式抽水，每小時抽水60 m3，向山上畜水池供水，此外污水處理廠每天向山上供綠化用水1 000 m3。

水塔山基巖為片巖，風化比較嚴重，上覆沉積層厚薄不一，部分片區(qū)采用人工填土造林，(形變站水準點N處沉積層為2.4 m)因綠化用水，2020年出現(xiàn)水塔山西段北坡相鄰單位被水淹情況。

雅瑪里克斷裂北盤(下盤)地形相對低平，沿斷裂是一條地下水溢水帶。現(xiàn)在的南湖廣場曾是一片淺沼濕地 ，但這片濕沼地并無地表徑流補給，水源主要來自雅瑪里克斷裂帶儲水構造的溢水供給。沿斷裂帶有線狀排列的泉水及溫泉出露，水磨溝溫泉是斷裂帶上發(fā)育的斷層泉[15]。說明該地區(qū)地下水比較豐富，從圖6可以看出曲線的高值一般都出現(xiàn)在3～5月份，此時正值烏魯木齊地區(qū)氣溫回升，冰雪開始消融，且水塔山又提前開始綠化灌溉，對地下水進行了補充，導致巖體含水量增大，巖體膨脹，從而引起W測點上升。從測線變化情況看，NW測線相對高差變大，EW測項相對高差減小，隨著時間推移，氣溫升高，蒸發(fā)量加大，巖體含水量減小至正常狀態(tài)，W點位移變化恢復(圖1)。

地下水位的動態(tài)變化會造成所在區(qū)域局部地表形變[16]，前人研究證明，地下水位變化可導致跨斷層垂直形變出現(xiàn)顯著的變化。由于多數(shù)跨斷層形變場地斷層兩側巖性不同，標石類型和深度不同等，當?shù)叵滤怀霈F(xiàn)明顯的變化時，兩標石可能受地下水位的影響程度不一樣出現(xiàn)先后膨脹，或膨脹收縮程度不一樣，導致觀測高差變化較大[17]。

3.2 結論

綜上所述，對烏魯木齊形變站水準場地，地質條件、儀器狀態(tài)、人為影響、氣象影響等可能導致測值變化的因素進行了核實、調(diào)查和分析后得出結論如下：

(1) 通過現(xiàn)場工作檢查和兩套儀器對比觀測，顯示觀測系統(tǒng)穩(wěn)定，測量人員操作規(guī)范，無人為干擾因素和氣象因素存在。

(2) 形變站-紅山、形變站-南山天文臺GNSS基線變化平穩(wěn)，斷層整體持續(xù)性運動相對穩(wěn)定。

(3) 烏魯木齊形變站水準測線觀測曲線2020年4月27日出現(xiàn)大幅度的變化，是由于地下水的變化和山體綠化灌溉，使得W點下的巖石含水量激增，巖石膨脹，點位出現(xiàn)了上升位移所致。

(4) 地下水位的急劇變化是定點形變觀測受到干擾的主要原因之一[18]。