2019年3月8日以来，易县台伸缩仪EW向改变原有的年变曲线形态，出现加速张性异常变化。根据已有的研究结果，易县伸缩仪观测资料在华北地区中等以上地震前有较为明显的前兆异常反映。1998年1月10日张北6.2级地震前，易县伸缩仪EW向（M₂波）潮汐因子变化曲线表现为趋势下降后恢复^[1]；2006年7月4日文安5.1级地震前，易县伸缩仪EW向日均值曲线在2004年表现为趋势转平^[2]；2012年5月28日唐山4.8级地震前，易县台伸缩仪NS向（振幅因子）出现了明显的异常变化^[3]。因此，有必要对洞室环境、仪器运行状态和周围环境变化等多方面因素进行现场核实，分析异常产生原因，并得出此次异常的结论。

易县地震台位于西陵镇东南，地处太行山北段低山丘陵地区，台基为片麻岩。形变山洞进深约200 m，洞体岩石构造不均一，洞顶岩性为中厚层夹薄层石灰岩和页岩，洞下部岩性为闪长岩，洞顶覆盖厚度约40 m。山洞周围主要有4条断裂组成，其中包括沿河城-紫荆关断裂、保定-石家庄断裂和东垒子-涞水断裂（图1）。沿河城-紫荆关断裂走向NE25°～30°，倾向SE^[4]；保定-石家庄断裂总体走向NE40°～45°，倾向SE，倾角为20°～35°^[5]；东垒子-涞水断裂走向NW70°^[5]。

图  1  易县地震台附近地质构造简图

易县地震台SS-Y伸缩仪为分钟值数字化记录方式，其基线长度：EW向基线长15.85 m，方位角263°44.52′；NS向基线长10.17 m，方位角0°00.00′；NE向基线长15.38 m，方位角233°46.63′。仪器分辨率优于1×10⁻¹⁰，漂移量小于1×10⁻⁶/a，标定精度优于0.2 μm。固体潮记录清晰，年变形态明显。

本文选取Landsat-8 OLI影像、Sentinel-1A雷达影像和STRM-DEM数据3种数据源。Landsat-8 OLI陆地成像仪包含9个短波谱段，其中全色波段空间分辨率为15 m，其他波段空间分辨率为30 m。本文共收集覆盖研究区的2018年12月11日、2019年1月28日、2019年3月17日、2019年4月18日和2019年5月20日共5期OLI遥感影像，云量分别为3.18%、9.51%、9.6%、2.15%和0.16%，影像具有丰富的光谱信息。Sentinel-1A是欧洲太空局哨兵系列发射的首颗雷达卫星，影像具有穿透性和全天候特点。

选取覆盖研究区2018年12月17日、2019年3月11日和2019年5月10日共3期Sentinel-1A雷达影像作为研究伸缩仪EW向出现异常期间区域内D-InSAR地表形变的数据（表1）。外部DEM数据选取美国宇航局提供的STRM-DEM，空间分辨率为90 m，用于在合成孔径干涉雷达测量技术（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）反演DEM过程中去除干涉图中的地形相位。

遥感影像预处理的主要目的是对图像中无关信息进行消除，恢复真实信息，最大限度地简化数据和增强有效信息的可检测性，从而改进特征识别和提取的可靠性^[6]。首先，对Landsat8 OLI数据首先进行辐射定标，消除由传感器灵敏度特征导致的畸变；其次，进行FLAASH大气校正，消除大气和光照等因素对地物反射的影响；再次，进行地形校正，补偿由于不规则的地形起伏导致的地物亮度变化^[7]；最后，对遥感影像进行影像融合和裁剪。

合成孔径雷达差分干涉测量技术（Differential Interferometric Synthetic Radar，D-InSAR）是利用观测到的相位值获取地表目标几何特征和变形信息^[8]。干涉相位对地表微小的形变非常敏感，因此测量精度可达厘米甚至毫米级^[9]。常规的D-InSAR技术包括二轨法、三轨法和四轨法，本文使用二轨差分干涉处理方法进行D-InSAR测量。二轨法的测量原理为使用研究区范围内地表变形前后两景SAR影像生成干涉条纹图，再使用引入的外部DEM模拟研究区的地形干涉条纹，从干涉条纹图中减去模拟的地形相位进而得到地表形变信息^[8]。D-InSAR获取的形变为地表真实三维形变在雷达视线方向（Line of Sight，LOS）上的投影。

易县台伸缩仪EW向2019年3月8日以来开始出现张性变化，改变原有的年变曲线形态，至2019年4月8日EW向变化幅度达528.221×10⁻⁸〃，NS和NE向变化正常（图2），同时段易县地震台其他形变前兆观测仪器资料变化正常。

图  2  易县伸缩仪观测曲线

根据地应变观测数据质量评价方法，观测资料的评价指标一般包括资料的完整率、M₂波潮汐因子及其相位滞后^[10]。由易县伸缩仪应变观测EW向数据（日均值）计算得到的连续率（表2）可以看出，2015—2019年观测数据的连续率均在99%以上。对易县伸缩仪应变观测EW向数据（小时值）用Venedikov调和分析法（60 d窗长，5 d步长滑动）计算M₂波潮汐因子和相位滞后，根据计算结果对资料的稳定性进行定量评价（图3），潮汐因子的变化范围为0.92～1.08，潮汐因子在2019年5—7月偏小，其他时段保持正常；相位滞后的变化范围为−19～10，相位滞后在2019年6—7月偏大，其他时段保持正常。因此，2015—2019年易县伸缩仪EW向数据连续率较高，M₂潮汐因子和相位滞后较为稳定，该时段仪器观测系统工作正常。

图  3  伸缩仪EW向M2波潮汐因子和相位滞后

2019年3—4月易县伸缩仪EW向出现张性变化异常，本文对可能导致此次异常的观测仪器、供电系统、仪器标定、仪器墩、洞室环境和辅助观测数据等方面进行检查排除工作。经现场核实发现：①仪器观测墩为与洞体地面高度一致的花岗岩石墩，石墩完整性良好；②仪器观测室和仪器观测墩都比较干燥，无积水现象；③易县台形变山洞仪器供电系统、数据采集传输系统工作正常；④伸缩仪每年标定2次，距离异常发生时间最近的一次标定为2019年2月22日，该日EW向标定记录中格值为10.262×10⁻¹⁰ mV，标定符合前兆观测规范；⑤2015年以来辅助洞温、气压和降雨量观测数据均正常动态变化。基于以上核实结果，基本排除观测仪器、供电系统、仪器墩、洞室环境和气象等因素对易县地震台伸缩仪EW向观测数据的影响。

伸缩仪是用于观测地壳岩体两点间水平距离相对连续变化的精密测量仪器^[11]，其观测易受周围一定范围内附加荷载因素的干扰^[12-13]。通过对比5期易县台观测山洞周围遥感影像中地表变化情况（图4），发现在距离山洞北东方向约2 km处存在有一个新开挖的土石场，面积约为0.917 km²，经现场核实施工土方量较大；在距离山洞西向约2.1 km处存在有一处采石场，面积约为1.24 km^2[14]。本文通过对2018年12月至2019年5月遥感影像中土石场和采石场范围分别进行人工解译，并对每期土石场和采石场的施工面积进行测量（表3）。测量结果显示采石场面积并未出现明显变化，土石场的施工时间大约在2018年12月到2019年4月之间，且2019年1月底至4月之间施工面积呈快速增长（图5～6），与伸缩仪EW向异常时段基本相同。因此，2019年3月以来EW向的拉张变化与土石场施工造成的地面荷载变化可能存在一定的关系。

图  4  易县台观测山洞周围环境变化

图  5  土石场施工面积统计图

图  6  土石场施工面积变化统计图

利用3景Sentinel-1A影像，使用二轨D-InSAR技术处理得到易县台观测山洞周围2018年12月至2019年3月和2019年3—5月两期地理坐标系下的地表沉陷结果形变图（图7），Ⅰ和Ⅱ分别代表土石场和采石场区域。在2018年12月至2019年3月期间，图7a可以明显反映出由于土石场的地面施工，区域内出现明显的沉陷漏斗，最大沉陷量为12.06 mm，且沉陷漏斗附近大多出现一个抬升漏斗，这与施工期间边开采边堆积的开采方式一致^[15]。在同一时间段内，位于台站东向采石场的东半区域也有以上开采沉陷现象出现，最大沉陷量为3.41 mm。在2019年3—5月期间，图7b可以明显反映出土石场地面施工使得该范围的北部区域和南部区域的东半部分出现较为明显的地表沉陷，沉陷面积较大，最大沉陷量为6.80 mm；同时采石场中部区域出现小范围的地表开采沉陷漏斗, 最大沉陷量为3.52 mm。基于D-InSAR的地表形变研究结果显示，2018年12月至2019年5月期间，位于观测山洞东向的采石场在原有的开采范围内重新进行了一定规模的采石施工，同时位于观测山洞东北方向的土石场开挖土石进行施工，两处施工区域引起地表发生明显的荷载变化，导致EW向应力发生显著变化，开采时间与伸缩仪EW向异常发生时间具有显著相关性，因此土石场和采石场都是伸缩仪EW向观测异常的干扰源。

图  7  地表沉陷形变图

针对易县伸缩仪EW向2019年3月8日出现的破年变加速张性异常变化，通过对仪器运行状况、供电系统、标定情况、洞室环境以及结合多源遥感影像对台站周围环境进行调查和分析，得出以下结论。

1）仪器观测洞室内部和观测墩表面都保持干燥，伸缩仪、仪器供电系统、数据采集传输系统工作正常，仪器标定精度符合标定规范要求；2015—2019年伸缩仪EW向记录资料的连续率均在99%以上，M₂波潮汐因子和相位滞后较为稳定；洞温、气压变化正常；无明显降雨。因此，以上因素均未对伸缩仪EW向异常变化造成影响。

2）造成伸缩仪EW向异常变化可能的干扰因素包括：土石场和采石场。通过综合利用多源遥感影像分别对土石场和采石场的施工面积进行测量，并结合InSAR等技术分别对土石场和采石场区域范围内地面高程变化量进行统计，得到土石场和采石场的施工时间与伸缩仪异常变化时间较为吻合，且施工量较大引起地表发生显著的荷载变化。因此，伸缩仪EW向异常很可能是由土石场和采石场施工造成的地面荷载变化引起。