九江地震台洞体应变观测环境影响分析

2015-12-19赵爱平周红艳罗建明

地震地磁观测与研究 2015年1期

赵爱平周红艳罗建明

1）中国南昌330039江西省地震局

2）中国江西342600会昌地震台

0 引言

依据连续地倾斜、地应变等形变观测结果，地形变可表示为周期应变波、构造运动、地震前断层加速扩展和观测环境（仪器）等因素引起的联合变形（牛安福，2007），其中，观测环境变化导致的地形变异常现象是普遍存在的，弄清环境因素变化如何影响是应用地形变资料进行地震前兆异常分析的前提，很多研究者（刘序俨等，1991；陈敏等，2007；王曰凤，2007；高昂，2013）提出了定点形变观测存在的干扰因素、识别及排除干扰的方法。目前，采用SS-Y型伸缩仪进行洞体应变观测是常见方法，洞体应变观测所获得的线应变固体潮观测资料可进行潮汐主应变、主方向和剪应变的计算（刘序俨等，1988；蒋骏等，1994），从而获知观测场地的平面应变状态，进而分析区域应力应变场的变化和地震前兆异常。由于SS-Y型伸缩仪具有较高的观测灵敏度，观测资料常记录到多种观测环境变化带来的影响，大多被当成“干扰响应”进行剔除，恰反映了该仪器对场地应力应变场变化的记录能力。

九江地震台（以下简称九江台）的洞体应变观测亦受到诸多观测环境变化的影响，如集中降雨、气温、气压、抽水等，随着数字化洞体应变资料的积累，深入分析资料的需求越来越迫切，从机理上弄清楚环境因素对洞体应变的影响就显得尤其重要。本文选用九江台2008—2013年洞体应变及观测环境变化资料，分析洞体应变异常形态、数值关系及其关联性，并进而讨论应变异常的形成机制。

1 台站观测环境

九江地震台位于江西省北部，地处庐山西北侧，在大地构造上属于扬子陆块下扬子地块中部，区域构造位于庐山山体西北缘边缘剪切带的夏家—威家岭左行走滑断裂带，该断裂带走向NE，延伸约8 km，宽约1—1.5 km，总体倾向320°—330°，倾角60°—70°，在中—新生代以来长期多次活动，继承了早第四纪时发生的断块抬升运动，并控制第四纪的分布（江西地质矿产勘查开发局，1993）。1911年2月6日该断裂带发生5.0级地震，距台站仅1.5 km。

九江台形变观测山洞进深45 m，覆盖层厚约25 m，洞内年温差<1.0℃，日温差<0.02℃，洞体基岩为硅质灰岩。观测山体相对高度约100 m，近EW走向，山体呈EW向缓、NS向陡的形状，表层植被丰富，山体多见岩层裂隙。形变观测项附近分布4口井，见图1和表1。九江台伸缩仪采用含铌特种因瓦材料做基线材料，其膨胀系数低于0.33×10-6/℃，山洞NS向基线长9.04 m，EW向基线长11.92 m，2007年8月开始洞体应变数字化观测，截至2013年底，应变观测资料连续、可靠，内在精度较高。

图1 九江台定点形变观测及井孔位置Fig.1 The sketch map of the fi xed deformation observation points and the wells at Jiujiang Seismic Station

表1 九江台各井孔基本参数Table 1 The basic parameters of the wells at Jiujiang Seismic Station

2 仪器观测原理

2.1 伸缩仪观测原理

SS-Y型伸缩仪主要用于洞体应变固体潮及地震前兆地体应变监测，也可用于大型精密工程、大型建筑、大坝等应变测量。该

仪器测量地壳表面两点间的应变量（吕宠吾等，2001），即

其中：L为原地壳表面两点间的距离（即基线长）；L′为变化后地壳表面两点间的距离，ΔL为基线的变化量，ε为线应变量，即单位长度的相对变化量。

2.2 体应变、面应变与线应变

一般，在纯压力（或张力）作用下，物体内部将形成正应力，这种正应力，将给物体造成线应变。物体长度为L，在外力的作用下相对于L的形变量为ΔL，则比值为线应变；若截面积为S，在外力作用下，相对面积的变量为ΔS，则其比值为面应变。若物体体积为V，在外力作用产生的体积变化为ΔV，则比值为体应变。

若在同一水平面内，测得EW、NS向的线应变为εLEW与εLNS，则在该水平面上的面应变为：。

地表处的体应变计算公式（刘序俨等，1988）为

上述各式中，ε和θ小于0时表示压缩，反之表示为拉张。

3 资料分析

3.1 洞体温度与洞体应变

洞体温度是洞体应变观测的一个辅助测项，观测精度为0.001℃，温度传感器置于观测基线腔体内。从图2可见，洞体应变与洞体温度均有清晰的年变动态，经计算，线应变NS、EW向与洞体温度相关系数分别为0.7和0.85；温度升高应变增大，呈拉张状态，温度降低应变减小，呈压缩状态。洞体温度年变化幅度约1.0℃，应变变化在10-6量级。频谱分析结果表明，洞体温度和线应变EW向卓越周期为365.2天，线应变NS向卓越周期为1 826天（5年），其365.2天的周期成分亦很明显（图3）。因此，洞体应变长期趋势与洞体温度变化相关。几年来，线应变NS、EW向对洞体温度的平均变化率为1.36×10-6/℃和4.50×10-6/℃，均远大于伸缩仪基线材料因瓦介质的线膨胀系数，可见线应变观测准确反映了基线长度的变化。

图2 2009—2013年洞体应变与洞体温度变化Fig.2 The cave strain and cave temperature from2009 to 2013 at Jiujiang Seismic Station

图3 九江台洞体温度与洞体应变频谱分析结果Fig.3 The cave temperature and cave strain spectrumresults at Jiujiang Seismic Station

3.2 气压持续上升与洞体应变

九江台气压持续上升时，洞体应变会发生畸变，表现为线应变NS、EW向同步减小，气压停止上升开始下降时，线应变逐步回归以往趋势。表2统计了2010—2013年气压上升与线应变同步变化的有关参数，气压的持续上升，线应变和体应变下降，应变呈压缩变化，反之，气压下降，应变呈拉张变化。气压每增加1 hPa时，NS、EW向线应变和体应变分析平均下降18.94、10.82和19.84个10-10。

3.3 集中降雨与洞体应变

九江台日降雨量在40 mm以上时，洞体应变记录到明显的异常变化。降雨开始后，经过一定的时间延迟，水位上升，线应变NS、EW向同步下降，直至降雨量变小，水位和洞体应变同步停止变化。表3统计了2010—2013年降雨引起洞体应变与水位同步变化情况，每降雨量1 mm，水位平均上升0.8 mm，NS、EW向线应变与体应变平均下降13.2、3.3和11个10-10，降雨使应变呈压缩变化。

表2 九江台气压持续升高与应变变化Table 2 The strain resulted in the air pressure raising at Jiujiang Seismic Station

3.4 抽水与洞体应变

九江台抽水井距山洞中心约20 m，我们于2013年7月30—31日分别进行2小时抽水实验。两次实验结果重复性好，见图4，有关数据见表4。从图4可见，抽水实验时两日线应变NS、EW向变化趋势一致，抽水井蓄水池的水位降深也基本一致，而流体井水位未见明显变化。线应变NS向随抽水期趋势上升，抽水结束停止上升，线应变EW向随抽水期下降，在停止抽水后继续下降约2小时。可以看出，抽水时呈现NS向拉张、EW向压缩的反向变化，两者在恢复到抽水前状态时基本同步。两日的体应变变化幅度接近，总体应变呈拉张状态。

表3 九江台降雨时应变与水位变化统计Table 3 The strain and water level resulted in the rainfalls at Jiujiang Seismic Station

图4 九江台抽水与应变变化实验曲线

表4 九江台抽水实验时应变变化统计Table 4 The strain variations from the pumping water tests at Jiujiang Seismic Station

3.5 承压含水层卸载时水位与洞体应变

2008年9月8日起，距流体井10 m处，新钻一口水化井，孔径为130 mm，终孔71m，11月3日停止钻孔。9月23日打穿第1个含水层，17—22 m，有少量水溢出，水位和线应变无明显变化；10月13日进入第2个含水层，58—63 m，大量水涌出，流量可达15 t/小时，水位开始大幅下降，线应变NS、EW向同步减小，至10月25日，水位和线应变停止下降，见图5。根据水位下降速率的差异，可把这次承压含水层卸载分为突然释放、平稳释放和剩余释放3个阶段，水位变化速率之比为9.66/2.95/1，而体应变—水位速率之比为0.59/0.72/1，表明水位导致应变变化是稳定的，水位平均每下降1 mm，可引起体应变下降12.34个10-10，见表5。承压含水层水位下降，导致洞体应变降低，即呈压缩变化。

图5 承压含水层卸载引起的水位和应变变化Fig.5 The strain and water level variations during the confi ned aquifer unloading at Jiujiang Seismic Station

表5 承压含水层卸载引起的水位与应变变化统计Table 5 The strain and water level variations resulted in unloading of the confi ned aquifer at Jiujiang Seismic Station

4 洞体应变异常

4.1 异常量级

由九江台观测环境因素变化对应变的影响分析可知，台站抽水导致的应变量在10-8量级，集中降雨和气压变化引起的应变量在10-9—10-7，承压含水层卸载和洞体温度年变化引起的应变量量级为10-6，根据各种环境变化引起的应变量绘制变化范围，见图6。由于应变固体潮日变幅度在10-8量级，因此，这些观测环境因素的变化均能使应变固体潮观测记录叠加干扰，导致固体潮发生畸变，在对该资料排除进行异常分析时需干扰。

4.2 静力学模型的建立

图6 观测环境变化引起的应变量级范围Fig.6 The strain magnitude ranges resulted inthe observation conditions changing

伸缩仪实质上是对山洞里固定基线长度即一维变量进行测量，通过格值转换计算，获得地表的线应变。材料的长度变化，取决于材料所处热状态和应力状态，如果该材料为含水介质，则还与介质含水度有关，洞体应变观测基线，既满足一般材料的属性，还应考虑介质含水度变化的影响。把九江台洞体应变观测抽象成一个简单的静力学模型，见图7（a），来分析观测环境因素变化是如何导致应变异常变化的。山洞作为被测体，上部是山体，由灰岩和覆盖其上的粘土层或砂砾层组成，表层植被丰富，山体含有裂隙，被测体下部依次是较薄的潜水层及由上、下底板夹持的承压含水层构造，承压含水层厚达数米，储水量丰富。根据化繁为简的处理方法，进行某个环境因素的应变异常分析，应尽量选择其他因素不变时，以消除相互影响，从静力学角度解释观测结果的成因。

图7 九江台洞体应变观测静力学模型示意Fig.7 The static mechanical model sketch map of the cave strain observation at Jiujiang Seismic Station

4.3 应变异常变化与温度效应

洞体温度受季节变化控制，太阳光辐射和地球运动使地壳表面和大气的温度发生变化，是形变观测资料具有年变动态的直接原因（陈德福，1993）。把山洞观测基线看成一种弹性材料，九江台观测到的洞体温度年变化范围为（16.7±0.5）℃，温度传感器安置于测量基线腔体内，基线所含介质温度即所测量的洞体温度，基线介质材料不会发生相变，应遵循热胀冷缩原理。相关分析和谱分析结果表明，线应变与洞体温度变化密切相关，经计算，2009—2013年NS、EW向基线热膨胀系数分别为1.36×10-6/℃和4.50×10-6/℃，而实际灰岩在常温下热膨胀系数约（3—5）×10-6/℃，二者具有可比性，可见，基线介质的热效应可以使基线介质产生这种幅度变化的应变。因此，九江台洞体应变具有年变动态的直接原因是洞体温度效应，其形态规律性强，可用线性回归办法来消除这种环境因素带来的影响。

4.4 体应变异常变化与静力效应

由应力应变关系可知，在介质弹性范围内，体应变与体应力有以下关系式（考虑到应变受压为负）

其中，θ为体应变，Θ为体应力，μ为泊松比，E为弹性模量，且有σx、σy、σz分别为3个方向的主应力。给体应力一个增量ΔΘ，会产生Δθ，这时有

可得

当九江台气压经数天持续升高时，使体应变降低，表现为压缩，见图7（b）。可以视为在山体3个方向上增加同样的主应力，主应力增量可以用气压增量表示。

一般认为，降雨时通过岩体节理或裂隙下渗含水层和降雨积水荷载效应影响区域应力场（赵小茂等，2009）。九江台山体为灰岩区，存在较多的裂隙或孔隙，为上部流体的渗入创造了条件，雨水一部分通过地表径流散失，一部分直接入渗山体岩层，被测体受雨水荷载附加垂向应力，应变表现为受压，见图7（c）。考虑山体承受降水面积为50×50 m2，观测基线NS、EW向分别长9.04、11.92 m，山体降水20%为有效水体，其余通过地表径流散失，且仅考虑垂向作用力。

九江台抽水井是泉水井，抽水试验期间两个小时排水量约60 m3，一部分出水来自潜水面以下，一部分应来自山体岩层孔隙，被测体上部必然有一部分重量损失。由于存在抽水漏斗，使补给区到井眼处水力梯度依次增大，线应变EW向在抽水停止2小时后才达到最大变形量，表明EW基线方向是主要的补给通道，续补过程显然是基线介质不断失水的过程，失水后的收缩效应使线应变EW从抽水开始后一直下降。抽水过程中体应变上升，表明被测体综合表现为受拉张影响，见图7（d）。考虑总排出水量的50%来自于山体，被测体以20×20 m2计算体应力面积，并仅考虑垂向作用力。

因新钻井承压含水层逐步发生应力卸载，上层山体和地层总的重力由承压含水层的浮力和界面上向上的托力合力抵消，从而达到静力平衡。随着承压含水层卸载，静水压力减小，向上托力降低，上层不断产生新的附加垂向作用力，被测体受附加垂直向应力的作用而受压，应变大幅降低，见图7（e）。用承压含水层静水压变化来计算体应力，与气压效应类似，体应力应为3个方向相同的附加应力。

对于九江台灰岩地区，取μ=0.29，E=3.71×1010Pa。采用式（6），按上述模型参数分别对气压、降雨、抽水和承压含水层卸载引起的体应变进行计算，结果见表6，表中的综合结果为各种观测环境因素变化引起应变变化的实测与理论计算均值及其方差，越接近1表明与理论计算越接近。

表6 九江台观测环境变化引起的体应变理论与实测结果对比Table 6 The volume strain academic and practical results resulted in the observation conditions changing at Jiujiang Seismic Station

由上述分析可看出，应用弹性介质静力学模型可以较好地解释洞体应变状态问题（压缩或拉张）。在定量计算方面，气压和降雨导致的体应变较符合观测结果，而抽水和承压含水层卸载引起的体应变有一定差距，可能与采用的模型有关，可进一步采用含流体的介质模型深入研究。