诸暨地震台洞体应变观测降雨期间影响因素分析

2021-12-27戴陈兵阚宝祥徐梦林方燕勋

山西地震 2021年4期

沈钰，戴陈兵，阚宝祥，徐梦林，方燕勋

(浙江省地震局，浙江杭州 310013)

0 引言

伸缩仪是精密测量地壳岩体两点间水平距离相对变化的仪器，适用于观测地壳应变和固体潮水平分量的连续变化，为研究地震孕育过程中水平应变的变化规律提供数据。在实际观测中，观测环境变化导致的地形变异常现象普遍存在，其对地形变观测资料产生的影响不可忽视[1]。在现有文献资料中，不少学者对观测环境变化如何影响应变观测数据已有较深入的研究[2-4]。如，河流水位、气压、降雨、承压含水层卸载、地下水位、台站周边荷载等因素变化对地形变的影响。在实际问题的分析研究过程中，笔者发现，地应变观测数据的异常变化往往是多种因素共同导致的结果，需对多种可能的影响因素进行模拟计算和综合分析。该文针对诸暨东和地震台洞体应变在集中降雨期间存在的观测数据异常上升现象，就台站周边可能存在的影响因素，收集所在地区温度、气压、水库水位等资料，进行影响因素的模拟计算和机理解释，找出主要影响因素。

1 异常情况

1.1 基本情况介绍

诸暨东和地震台位于浙江省诸暨市东和乡的一处战备山洞内，距江山-绍兴大断裂2 km。山洞地处偏僻，附近人烟稀少，无工厂、抽水等干扰源。观测山洞进深100 m，覆盖层厚度15 m。通过梳理历年观测资料，发现该台洞体应变观测在集中降雨期间普遍存在NS、EW向异常上升的现象(见图1)。

图1 集中降雨期间SS-Y伸缩仪整点值曲线图

1.2 仪器观测原理

伸缩仪用于观测应变固体潮，测量地壳表面两点的应变量[4]，则：

式中：L为原地壳表面两点间的距离(即基线长度)；L′为变化后地壳表面两点间的距离；ΔL为基线长度的变化量；ε为两点间的线应变量，表征单位长度的相对变化量。ε<0时，地层两点间的距离减小，地层处于压缩状态；ε>0时，地层两点间的距离增大，地层处于扩张状态。

设εns为正南方向的线应变，εew为正东方向的线应变，地表平面的面应变为：

εS=εns+εew。

取地层泊松比为0.25，则体应变为：

2 降雨量拟合分析

伸缩仪在降雨时段表现出NS、EW向观测值异常上升的趋势，统计区间及统计样本如表1所示。

表1 降雨期间SS-Y伸缩仪应变变化统计表

根据表1统计结果，体应变每次降雨过程的平均变化量约2 062.4×10-10，为最大日变幅的7.2倍，受降雨干扰显著；在变化时间上，未出现对每次降雨过程有即时的异常反映，总体表现为体应变变化相对降雨过程较滞后。以伸缩仪日均值计算，体应变变化开始时间较降雨开始时间平均滞后1.7 d，结束时间平均滞后1.4 d。

将计算得到的体应变变化量与观测到的降雨量进行线性拟合，得到的线性函数为：

y=26.783×x-624.4，

式中：x为降雨量；y为线应变变化量换算得到的体应变变化量(见第23页图2)。拟合结果表明，该台应变变化量与降雨量呈明显正相关，相关系数R为0.858 4。降雨量小于23.3 mm时，应变量无明显变化；大于23.3 mm时，应变量随降雨量的增加而增大，降雨每增加1 mm，应变量增大26.783×10-10。

图2 应变量与降雨量的拟合关系

3 影响因素的模拟计算与数据对比

已有文献资料表明，应变固体潮的异常变化主要与洞室温度、大气压、集中降雨、台站周边蓄水体荷载等变化有关。洞室温度变化影响传感器的材料力学性质，对观测数据产生影响[6]。大气压变化使观测点附近岩体受到与岩体方向垂直的应力变化，对岩体应变量产生影响[2]。降雨期间，雨水一部分直接入渗台站所在山体岩层，受雨水荷载附加垂向应力，应变表现为压性变化[2]。台站周边分布有数个水库，降雨期间水库水位急剧变化导致水库荷载及周围岩体所受压强变化，对岩体应变量产生影响[3]。降雨期间，观测山洞密封性良好，洞温恒定，影响较小，故只选取气压、水库荷载等因素进行模拟计算，并与实际观测到的台站体应变变化量进行对比。

3.1 气压因素

诸暨台无气压测项，笔者与气象部门沟通，获得天马山(距离台站4 km)2015-2019年气压观测日均值数据。气压变化导致山体受大气荷载作用产生畸变[2]。气压增大，山体受压，应变减小，地层呈压缩变化；气压减小，山体扩张，应变增大，地层呈拉张变化。气压变化导致山体应变变化量的理论值由下式计算：

式中：μ为地层泊松比，取值0.25；E为山体花岗斑岩弹性模量，取值5.14×1010Pa；Δp为气压变化量；Δε气压为气压变化导致的体应变变化量。

台站附近气象台气压观测数据表明，降雨开始时，大气压急剧降低；随着降雨过程结束，大气压逐渐回升至正常背景值(见图3)。计算得到，降雨时气压变化导致的应变变化理论值为实际值的0.84%～24.88%，平均占比9.49%，表明降雨期间气压变化对台站应变观测影响较小(见表2)。

图3 降雨期间气压变化

表2 降雨期间气压影响计算表

3.2 水库荷载因素

台站附近有4个较大水库，分别为西岩水库、金家湾水库、新丰水库和陈蔡水库(见图4)。其中，西岩水库距台站最近，为0.9 km；陈蔡水库面积最大，为3.57 km2。诸暨台伸缩仪观测数据异常增大的现象通常伴随降雨期间台站周边水库水位的上涨(第24页图5为距离台站最近的西岩水库的水位值变化)。降雨期间，水库荷载增加，导致台站地层应力产生压性变化。

图4 台站周边水库位置分布

图5 体应变与西岩水库水位、降雨量的对比

据邱泽华三维集中载荷模型[7]，水库载荷变化对台站产生的最大应变变化量为：

式中：F为库容重力的变化量；x为水库至台站的距离；z为台站与水库的海拔差；E为台站附近花岗斑岩的弹性模量，取值5.14×1010Pa；μ为地层泊松比，取值0.25；λ和G为拉梅常数。由该式计算得出，距离最近的西岩水库降雨期间载荷变化干扰因素平均占3.60%，面积最大的陈蔡水库平均占0.65%，表明降雨期间水库载荷变化对台站应变观测影响较小(见第25页表3)。

表3 降雨期间台站附近水库载荷变化干扰统计表

3.3 地下水位因素

降雨期间，洞体应变观测受温度、气压、水库荷载影响均较小。由于洞体应变在降雨期间呈拉张性异常变化，故雨水渗入山体对洞体产生垂向压力的解释对诸暨台不适用。推测降雨期间受地下水位影响较大，现作定量分析加以佐证。

诸暨台目前无地下水位观测资料。西岩水库距台站0.9 km，两者均处于山地与平原的过渡地带。上游地区海拔上千米，落差大、流速快；下游地区坡度缓、流速小(见图6)。干旱无雨时，台站所处地区地下水位高于下游低海拔平原地区，地下径流方向从山地指向平原，地下潜水向低海拔地区排泄，潜水位缓慢降低；集中降雨时，台站所处地区位于上游高海拔地区的汇水区，大量降水和流速较快的上游来水无法及时排泄到下游平原地区，台站所处地区地下潜水位和水库水位同步急剧上升。因台站所处地区潜水位和西岩水库水位均受整体地形因素的影响，在集中降雨期间，可将台站地下潜水位的变化幅度和西岩水库水位的变化幅度做近似处理。

图6 台站附近地形及水流流向图

通过计算得到，降雨期间西岩水库水位每上升1 m，对应台站体应变变化平均值为1 046×10-10(见第26页表4)。理论上，地下水位变化对地层产生的体应变变化量由下式计算：

表4 降雨期间SS-Y伸缩仪应变变化及西岩水库水位变化统计表

式中：μ为地层泊松比，取值0.25；E为台站山体花岗斑岩弹性模量，取值5.14×1010Pa；ρ为水的密度，取值为1×103kg/m3；g为重力加速度，取值为9.8 N/kg。可以得出，地下水位每上升1 m，引起地层体应变的理论值为953×10-10，理论值为观测值的91.1%，两者较为接近，说明降雨期间台站附近西岩水库水位变化与台站洞体应变观测数据异常变化的相关性较强。

4 干扰机理综合分析

由模拟计算得到，降雨期间地应变主要受地下水位变化影响，气压和水库荷载变化影响较小(见第26页表5)。下面对气压、水库荷载、地下水位干扰因素影响机理进行分析。

表5 降雨期间SS-Y伸缩仪影响因素统计

气压对山体表面产生垂直向下的压力p大气。降雨期间，台站附近气压减小，山体扩张，地层两点间距离增大，导致伸缩仪观测数据增大。由气压因素模拟计算得到，降雨时气压变化引起地应变变化的理论值占地应变观测值的9.49%。

台站附近水库对台站所在地层产生垂直向下的载荷作用p水库。降雨期间，水库载荷增加，导致地层受压，地层两点间距离减小，伸缩仪观测数据减小。由水库载荷因素模拟计算得到，降雨时台站附近水库载荷变化引起地层压应变的理论值占地应变观测值的0.65%～3.60%。

降雨期间，台站洞体应变观测主要受地下水位上升影响。根据太沙基有效应力原理[8]，地层干旱缺水时，地层总应力由地层岩石骨架的支撑作用单独承担；地下潜水位上升时，地层总应力由地层孔隙水的浮托作用和地层岩石骨架的支撑作用共同承担，即：

p总=p水+p骨架，

式中：p总为地层总应力；p水为地层孔隙水垂直向上的浮托力；p骨架为地层岩石骨架垂直向上的支撑力，为地层实际应力。降雨开始后，部分降水填充土壤包气带，其余降水在重力作用下渗到岩石孔隙中，地下潜水位快速上涨。地下水位上涨导致地层孔隙水的浮托力p水增大，岩石骨架的支撑力p骨架减小，岩石颗粒间排列更加松散，观测到的地层两点间的距离L′增大，即地应变增大，地层处于扩张状态。由地下水位上升因素模拟计算得到，降雨期间地下水位上升引起地应变变化的理论值占地应变观测值的91.1%。

对伸缩仪传感器所处位置进行综合受力分析，由于受到大气垂直于地面向下的压力p大气、上覆山体向下的围压p上覆地层、周边水库对该点向下的载荷作用p水库、地下水对地层向上的浮托力p水、岩石骨架向上的支撑力p骨架(p大气+p上覆地层+p水库+p水+p骨架)。降雨期间，气压减小，导致大气垂直于地面向下的压力p大气减小；地下水位上升Δh，岩石孔隙被水充填，导致地下水对地层向上的浮托力p水增大；上覆山体向下的围压p上覆地层不变，周边水库对该点向下的载荷作用p水库增大。故台站所处地区地层应力p骨架减小，地壳呈拉张态势(见图7)。

图7 降雨期间台站位置受力示意图

降水落到地表，经包气带调蓄之后，补给地下潜水[9]，故降水落到地面与地下潜水位产生变化之间存在时间差，地应变变化开始时间滞后于降雨开始时间。当单次降雨量无法补足长时间未下雨导致的包气带水分亏缺时，潜水位未产生变化，因而并非每次降雨均导致台站洞体应变观测数据异常上升。降雨结束后，包气带和岩石孔隙中多余的降水仍不断运移至潜水层，导致潜水位继续上涨，直至不再自由向下运移，地应变停止变化。降雨结束后数天，随着潜水径流和蒸发，地下潜水位下降，地应变逐渐恢复正常。由于研究区所处山区植被覆盖度较高，其蓄水容量较大且蒸发量较小[10]，加之处于上游高海拔地区的汇水区，大量降水和上游来水无法及时排泄到下游平原地区，导致降雨期间潜水位上涨幅度较大，对台站洞体应变观测影响显著。