合肥臺(tái)兩條水準(zhǔn)線路對(duì)比觀測(cè)結(jié)果分析

孫 軍，葛計(jì)劃，于 磊，周自強(qiáng)

(合肥形變臺(tái)，安徽 合肥 231607)

0 引言

跨斷層短水準(zhǔn)測(cè)量，是在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)測(cè)站上運(yùn)用精密水準(zhǔn)測(cè)量的方法來測(cè)定活動(dòng)斷層兩盤的垂直運(yùn)動(dòng)，提供主要活動(dòng)斷層和特定地區(qū)活動(dòng)斷層垂直運(yùn)動(dòng)的變化信息，如確定斷層的運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速率以及它們隨時(shí)間而演變的過程等［1］。

一般認(rèn)為，地震的孕育、發(fā)生是區(qū)域應(yīng)力場增強(qiáng)引起形變的增大從而導(dǎo)致形變能的逐漸積累，最終突然釋放的過程［2］。跨斷層水準(zhǔn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)包含著地震孕育過程中變化的各種形變信息，通過對(duì)這種信息的處理分析，可以總結(jié)得出斷層形變與地震的關(guān)系，判定地震危險(xiǎn)區(qū)等，這為利用斷層形變資料進(jìn)行地震預(yù)測(cè)成為可能［1］。而在跨斷層短水準(zhǔn)測(cè)量中，水準(zhǔn)線路的選擇就尤為重要，它直接關(guān)系到所觀測(cè)數(shù)據(jù)是否能真正反應(yīng)斷層的當(dāng)前活動(dòng)和隨時(shí)間的演變規(guī)律，進(jìn)而通過資料對(duì)比判斷出斷層的活動(dòng)異常來。本文主要通過對(duì)合肥臺(tái)現(xiàn)有的兩條水準(zhǔn)線路觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析研究，進(jìn)而選擇最優(yōu)的水準(zhǔn)線路作為臺(tái)站日常水準(zhǔn)觀測(cè)線路。

1 地質(zhì)概況與場地條件

圖1 合肥臺(tái)水準(zhǔn)線路場地圖Fig.1 Distribution of the Leveling Lines in Hefei Seismic Station

合肥臺(tái)短水準(zhǔn)測(cè)量線路(圖1)位于郯廬斷裂帶南段，該臺(tái)現(xiàn)有日常測(cè)量線路(B－A)跨郯廬主斷層，為東西向，全長約500 m，計(jì)14站，測(cè)線自西向東所經(jīng)地段依次為上白堊統(tǒng)張橋組磚紅色砂巖，燕山期花崗閃長巖、下元古界雙山組片麻巖和大理巖，其中測(cè)線東端標(biāo)石(B點(diǎn))周圍環(huán)境保護(hù)較好，測(cè)線西端標(biāo)石(A點(diǎn))附近從1996年開始由于大量開采紅砂形成大坑(紅砂開采已于2008年7月開始逐漸停止)，使測(cè)量場地荷載發(fā)生變化，并且由于風(fēng)化和雨水沖刷，使大坑斷層面經(jīng)常成塊下滑，步步逼近A點(diǎn)標(biāo)石，嚴(yán)重危及標(biāo)石安全。但由于該測(cè)線處于斷層交匯，應(yīng)力集中的敏感地帶，且已經(jīng)積累了二十多年的觀測(cè)資料，測(cè)量資料表明它是能夠反映斷層活動(dòng)，獲得地震前兆信息的有利部位。為了更好地發(fā)揮作用，2007年底，合肥臺(tái)對(duì)B－A水準(zhǔn)測(cè)量線路進(jìn)行了局部改造，在同在斷層的西側(cè)新建了一條測(cè)量支路(10－S)，新埋鋼管基巖標(biāo)石S的設(shè)計(jì)和造埋嚴(yán)格按照大地形變測(cè)量規(guī)范來進(jìn)行，所處基巖類型和A標(biāo)石同屬紅砂巖，標(biāo)石鋼管深入基巖內(nèi)10 m，保證標(biāo)石上主標(biāo)志能夠直接反映斷層的垂直運(yùn)動(dòng)變化。該支路和原有支路 B－10組成了一條新的跨郯廬水準(zhǔn)線路 B－S，線路全長約 410 m，計(jì)12站。

2 資料整理與分析研究

從2008年1月開始，合肥臺(tái)對(duì)新建水準(zhǔn)線路B－S進(jìn)行了為期4年的試測(cè)，其中2008年和2011年，除了大風(fēng)、雨雪等惡劣天氣無法觀測(cè)外，其余時(shí)間堅(jiān)持每天往返測(cè)觀測(cè)，2009年和2010年采取每月抽樣觀測(cè)的方式。水準(zhǔn)線路B-A目前作為日常觀測(cè)線路，堅(jiān)持每天觀測(cè)記錄，數(shù)據(jù)作為省地震局和相關(guān)部門分析和判定地震趨勢(shì)的依據(jù)得到了廣泛運(yùn)用。這兩條線路都采用相同水準(zhǔn)儀器DINI12和配套標(biāo)尺，下午同光段往、返測(cè)觀測(cè)。水準(zhǔn)作業(yè)中，臺(tái)站觀測(cè)人員嚴(yán)格按照測(cè)量規(guī)范的要求，保證每次往返測(cè)不符值都在規(guī)定的限差范圍內(nèi)，確保了觀測(cè)資料的高質(zhì)量和可靠性。

2.1 觀測(cè)資料特征

2.1.1 B－A線路數(shù)據(jù)變化情況

由圖2，可知B-A數(shù)據(jù)整體日波動(dòng)幅度不大，呈趨勢(shì)性下降，表現(xiàn)為 A點(diǎn)相對(duì)于B點(diǎn)西傾，這究竟是斷層活動(dòng)增強(qiáng)的表現(xiàn)還是A點(diǎn)穩(wěn)定性受干擾因素的影響所致。為弄清原因，臺(tái)站于2010年9月，將日常線路BA和檢測(cè)線路DC(圖1)連接成閉合環(huán)線(C-A-B-D)進(jìn)行了聯(lián)測(cè)并參照以往的觀測(cè)資料，結(jié)果見表1:

表1 合肥臺(tái)閉合環(huán)線測(cè)量歷史數(shù)據(jù)Table 1 The Measurement Data of Circular Lines in Hefei Seismic Station

測(cè)線A－C 05年的數(shù)值為 －7 289.34 mm，10年數(shù)值為－7 289.02 mm，其年變速率為0.064 mm/a;D－C 05年數(shù)據(jù)為 －6 327.30 mm，10年數(shù)值為－6 328.06 mm，其年變速率為0.152 mm/a;B－D 05年數(shù)值為 －15 873.41 mm，10年的數(shù)值為－15 873.80 mm，其年變速率為0.078/a;B－A 05年數(shù)值為 －14 911.37 mm，10年數(shù)值為－14 912.84 mm，其年變速率為:0.294 mm/a。

由此可知在同在斷層一側(cè)的測(cè)線(B－D、A－C)形變較小，可以認(rèn)為是穩(wěn)定的;起始點(diǎn)在斷層兩側(cè)的測(cè)線(B－A、D－C)活動(dòng)明顯比以往變大，說明斷層確實(shí)處于活動(dòng)之中。A點(diǎn)變化主要還是受斷層活動(dòng)增強(qiáng)的影響，干擾因素對(duì)A點(diǎn)變化貢獻(xiàn)不大，B－A水準(zhǔn)數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映斷層的活動(dòng)趨勢(shì)以及臺(tái)站所處區(qū)域地應(yīng)力場的變化。

文獻(xiàn)［3］總結(jié)了B－A水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與臺(tái)站周邊地震的關(guān)系，認(rèn)為這種變化具有明顯的前兆意義，反映了所跨斷層應(yīng)力場處于變化過程，是可信的趨勢(shì)性異常。

2.1.2 B－S線路數(shù)據(jù)變化情況

圖2 B－A水準(zhǔn)線路2008—2011年高差曲線圖Fig.2 Height Variation of Leveling Line B － A from 2008 to 2011

由B－S測(cè)線連續(xù)4年的觀測(cè)資料，可知相對(duì)于B－A測(cè)線其數(shù)值波動(dòng)性較大，筆者經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，扣除2009年1月—3月缺測(cè)(見圖3)，單日或幾日內(nèi)變化幅度達(dá)1 mm以上的時(shí)間段至少有5次，其中2009年11月中旬?dāng)?shù)值變化幅度為3.61 mm;2010年2月中旬幅度為1.05mm;2010年9月上旬幅度為1.12 mm;2011年6月18日一天數(shù)值變化幅度甚至有6.09 mm之多;2011年10月中旬幅度也達(dá)到了1.29 mm。

若除去這些數(shù)據(jù)突跳點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)B－S測(cè)線數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與B－A基本一致，同樣表現(xiàn)為西端點(diǎn)(S點(diǎn))相對(duì)于B點(diǎn)西傾，說明去除干擾因素的影響，B－S測(cè)線數(shù)據(jù)變化還是可以反映臺(tái)站所處區(qū)域應(yīng)力場變化的，B－S測(cè)線經(jīng)過恰當(dāng)?shù)母脑焓强梢宰鳛槿粘Ｋ疁?zhǔn)觀測(cè)線路的。

圖3 B－S水準(zhǔn)線路 2008—2011年高差曲線圖Fig.3 Height Variation of Leveling Line B － S from 2008 to 2011

2.2 觀測(cè)資料精度對(duì)比

運(yùn)用水準(zhǔn)資料精度統(tǒng)計(jì)方法:

L為測(cè)線長度;n為統(tǒng)計(jì)日均值數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);xi為日均值［4］。

M公里反映的是觀測(cè)值的離散程度，可以作為判斷線路趨勢(shì)變化和標(biāo)石穩(wěn)定性的重要依據(jù)。獲得的2011年水準(zhǔn)線路B－A和B－S測(cè)段中誤差精度如表2:

表2 2011水準(zhǔn)數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)表Table 2 The Statistics of Measurement Data Accuracy in 2011

由表2發(fā)現(xiàn)，2011年1—4月，B－A和B－S線路觀測(cè)精度大致相同，5—8月B－S線路精度明顯要比B－A線路精度差，9—12月兩條線路的精度又趨于一致。說明在5—8月兩條水準(zhǔn)線路由于某些干擾因素的影響，各自表現(xiàn)出不同的抗干擾能力，B－A線路的觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性大大優(yōu)于B－S線路。

2.3 資料變化原因分析

影響水準(zhǔn)數(shù)據(jù)變化的原因很多，儀器、地下水、降雨、溫度等都可能對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，一般來說鋼管基巖標(biāo)是一種穩(wěn)定性較好的水準(zhǔn)標(biāo)石，如果標(biāo)石埋設(shè)在完整的基巖內(nèi)，對(duì)于降低或排除地下水以及外界溫度變化，提高數(shù)據(jù)精度方面等具有良好的效果［5-6］。由于條件限制，臺(tái)站缺少地下水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，但降水量和地下水位存在著一定的關(guān)系，一般降水量增大，地下水位上升，反之則下降，所以借助臺(tái)站現(xiàn)有的降水量資料分析了水準(zhǔn)線路B－S和B－A受其影響的變化程度。通過研究發(fā)現(xiàn):

水準(zhǔn)線路B－S受降水量影響變化較大，圖4中標(biāo)出了B－S數(shù)值發(fā)生突跳時(shí)，降水量的分布情況，其中1處，2009年11月，降水量開始增大，B－S數(shù)值在經(jīng)歷了2個(gè)多月的下降趨勢(shì)后，數(shù)值從11月11日的－18 262.45 mm，上升到了11月20日 －18 258.84 mm，幅度為3.61 mm;2010年2月，在經(jīng)歷一個(gè)月無有效降水后，隨著降水量的增大，當(dāng)月中旬B－S數(shù)值上升幅度達(dá)到1.05 mm;2010年9月連續(xù)數(shù)月降水當(dāng)月上旬B－S數(shù)值上升幅度為1.12 mm;2010年11月至2012年5月連續(xù)6個(gè)多月無有效連續(xù)降水，B－S數(shù)值持續(xù)下降，隨著5月中旬、6月上旬降水量的持續(xù)加大，僅一天時(shí)間B－S數(shù)值就由6月17日的－18 264.26 mm急劇上升到18日的－18 258.17 mm單日形變量幅度有6.09 mm之多;2011年10月中旬受降水影響，B－S上升幅度也達(dá)到了1.29 mm。

由表3可知線路B－A數(shù)值受降水量變化的影響程度比B－S要小。

以上可知，S點(diǎn)標(biāo)石容易受降水量變化影響，連續(xù)降水量減少，S點(diǎn)下降，連續(xù)降水量由連續(xù)減少到突然持續(xù)增大的過程中，S點(diǎn)上升的速率和幅度都比較明顯。由于降水量和地下水位存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，且S點(diǎn)處于低洼地段且埋設(shè)較淺只有10 m，可以認(rèn)為 S點(diǎn)受地下水位的影響較大(推斷該標(biāo)石可能未埋設(shè)在新鮮完整的基巖內(nèi)，基巖有可能已破碎或有外物進(jìn)入標(biāo)石底部)，A點(diǎn)埋設(shè)較深超過30 m，所處地勢(shì)較高，受降水量影響程度要小于S點(diǎn)。

表3 B－S數(shù)值突變時(shí)間段B－S與B－A數(shù)值變化量Table 3 Data Variation of Lines B－S and B－A When the Data of Line B－S Changes Suddenly

3 結(jié)束語

(1)跨斷層短水準(zhǔn)測(cè)量是真實(shí)反映斷層活動(dòng)規(guī)律的重要途徑，鋼管基巖標(biāo)的合理選址和正確埋設(shè)是影響數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量的極為重要因素，它直接決定著整條水準(zhǔn)線路資料的真實(shí)性和可靠性。

圖4 2009—2011年降水量變化圖Fig.4 Rainfall Variation from 2009 to 2011 in Hefei Seisimic Station

(2)S點(diǎn)標(biāo)石受降水量的影響程度，表明該標(biāo)石極易受外界環(huán)境因素的影響，推斷該標(biāo)石可能未埋設(shè)在新鮮完整的基巖內(nèi)，基巖有可能已破碎或有外物進(jìn)入標(biāo)石底部。應(yīng)對(duì)S點(diǎn)重新改造或附近另外選址，建議增加標(biāo)石埋設(shè)深度，至少應(yīng)超過30 m。改造后，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)B－S線路的觀測(cè)，分析其數(shù)據(jù)變化。

(3)應(yīng)增加輔助觀測(cè)資料的收集，可以在水準(zhǔn)點(diǎn)附近增上水位觀測(cè)等手段，同時(shí)做好水準(zhǔn)線路觀測(cè)環(huán)境的保護(hù)工作。

(4)目前，水準(zhǔn)線路 B－S不能取代B－A成為臺(tái)站日常水準(zhǔn)觀測(cè)線路，B－A線路數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較高，仍然是合肥臺(tái)最優(yōu)的一條跨斷層短水準(zhǔn)觀測(cè)線路。

［1］ 中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.地形變測(cè)量［M］.北京:地震出版社，2008.12.

［2］ 陳兵，江在森，胡斌.斷層形變趨勢(shì)變化研究——垂直形變趨勢(shì)累積DC值［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，2000，21(1):50 －55.

［3］ 葛計(jì)劃，孫軍，陳勇，等.合肥臺(tái)短水準(zhǔn)異常與周邊地震活動(dòng)分析［J］.防災(zāi)科技學(xué)院報(bào)，2011，13(2):38－41.

［4］ 國家地震局科技監(jiān)測(cè)司.大地形變臺(tái)站測(cè)量規(guī)范——短水準(zhǔn)測(cè)量［M］.北京:中國鐵道出版社，1990.

［5］ 李志平，周必才，葛計(jì)劃，等.合肥臺(tái)定點(diǎn)短水準(zhǔn)測(cè)量場地改造［J］.華南地震，2009，29(3):134－137.

［6］ 盧良玉，徐心同，馬秉圭.金縣臺(tái)鋼管基巖標(biāo)與土層標(biāo)對(duì)比觀測(cè)結(jié)果分析［J］.東北地震研究，1987，3(2):24－28.