九江地震臺觀測環(huán)境因素引起的洞體應(yīng)變異常機(jī)理探討

趙愛平 周紅艷

1 江西省地震局，南昌市洪都北大道311號，330039

定點(diǎn)地形變觀測結(jié)果可表示為周期應(yīng)變波、構(gòu)造運(yùn)動、地震前斷層加速擴(kuò)展和觀測環(huán)境等因素引起的聯(lián)合變形［1－5］。目前，一般采用SS－Y 型伸縮儀進(jìn)行定點(diǎn)臺站洞體應(yīng)變固體潮觀測，獲得的線應(yīng)變固體潮觀測資料可進(jìn)行潮汐主應(yīng)變、主方向和剪應(yīng)變的計算［6－7］，從而獲知臺站觀測場地的平面應(yīng)變狀態(tài)，分析區(qū)域應(yīng)變場的變化和地震前兆異常。

九江臺洞體應(yīng)變固體潮觀測受到集中降雨、氣溫、氣壓、抽水等諸多環(huán)境因素影響，筆者等［8］曾利用較短資料對該臺站的洞體應(yīng)變異常進(jìn)行了初步研究，曾新福等［9］分析了水文、氣象因素對該臺站形變資料的影響。本文在前文基礎(chǔ)上，采用九江臺2008～2013年洞體應(yīng)變、水位、氣象及抽水實驗等資料，深入分析該臺站洞體應(yīng)變異常響應(yīng)過程、異常特征及其應(yīng)變量級，并討論應(yīng)變異常的形成機(jī)制。

1 九江臺觀測環(huán)境概況

九江臺位于贛北廬山西北側(cè)，地理位置為東經(jīng)116.01°、北緯29.65°，海拔110m。臺址在大地構(gòu)造上屬于揚(yáng)子陸塊下?lián)P子地塊中部，區(qū)域構(gòu)造位于廬山西北緣邊緣剪切帶上的夏家－威家?guī)X左行走滑斷裂帶。該斷裂帶呈北東走向，延伸約8km，寬約1～1.5km，總體傾向320°～330°，傾角60°～70°，在中－新生代以來多次活動，繼承了早第四紀(jì)時發(fā)生的斷塊抬升運(yùn)動，并控制第四紀(jì)的分布［10］。1911－02－06在該斷裂帶上發(fā)生九江5.0級地震，距臺址僅1.5km。

九江臺形變山洞進(jìn)深45 m，覆蓋層厚約35 m，山洞年溫差＜1.0 ℃，日溫差＜0.02 ℃，洞體基巖為硅質(zhì)灰?guī)r。山體相對高度約70m，近EW走向，呈EW 緩、NS陡形狀，表層植被豐富，山體巖層多見裂隙。鄰近分布有3 口井，見表1。流體井和水化井均為構(gòu)造承壓自流井孔，總出水量約100m3／d，受降水和斷層遠(yuǎn)程補(bǔ)給，主要觀測含水層埋深58～63m。兩井系連通管結(jié)構(gòu)，主要含水層相通（后文中出現(xiàn)的“水位”均為流體井水位埋深）；抽水井為天然井泉，屬地表潛水。

表1 九江臺井孔參數(shù)表Tab.1 Parameters of the wells at Jiujiang seismic station

2 儀器觀測原理與應(yīng)變關(guān)系式

2.1 伸縮儀觀測原理

SS－Y 型伸縮儀主要用于洞體應(yīng)變固體潮及地震前兆地體應(yīng)變監(jiān)測，也可用于大型精密工程、大型建筑、大壩等方面的應(yīng)變測量。該儀器測量地殼表面兩點(diǎn)間的應(yīng)變量［11］：其中，L為原地殼表面兩點(diǎn)間的距離（即基線長），L′為變化后地殼表面兩點(diǎn)間的距離，ΔL為基線的變化量，ε為應(yīng)變量。

九江臺SS－Y 伸縮儀采用含鈮特種因瓦材料作測量基線，其膨脹系數(shù)低于0.33×10－6／℃，NS、EW 基線長分別為9.04、11.92 m，2007－08開始數(shù)字化觀測，觀測資料連續(xù)，內(nèi)在精度高。

2.2 應(yīng)變關(guān)系式

一般來說，在純壓力（或張力）作用下，物體內(nèi)部將形成正應(yīng)力，使物體發(fā)生應(yīng)變，即線應(yīng)變、面應(yīng)變和體應(yīng)變，分別以εL、εS、εV表示：

式中，L、S、V分別為物體長度、截面積和體積，ΔL、ΔS、ΔV為其改變量。

若在同一水平面內(nèi)，測得EW、NS向的線應(yīng)變?yōu)棣臠ew與εLns，則在該水平面上的面應(yīng)變?yōu)椋?/p>

上述各式中，ε＜0時表示壓縮，反之為拉張。

3 應(yīng)變異常數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

3.1 洞體溫度變化應(yīng)變響應(yīng)

九江臺洞體應(yīng)變觀測資料具有清晰的年變動態(tài)（圖1）。2009～2013年線應(yīng)變NS、EW 和洞體溫度在2～3月為低值，8～9月為高值，線應(yīng)變兩個分量分別與洞體溫度呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.7和0.85。頻譜分析表明，洞體溫度與線應(yīng)變EW 卓越周期為365.2d，線應(yīng)變NS主要周期成分為1 826和365.2d，線應(yīng)變與洞體溫度變化趨勢一致。洞體溫度年變化幅度約1.0℃，線應(yīng)變變化在10－6量級。經(jīng)計算，線應(yīng)變NS、EW 的平均線膨脹系數(shù)為1.36×10－6／℃和4.50×10－6／℃，遠(yuǎn)大于因瓦材料的線膨脹系數(shù)，線應(yīng)變兩個分量準(zhǔn)確反映了洞體應(yīng)變觀測基線長度的變化。

圖1 九江臺2009～2013年洞體應(yīng)變曲線Fig.1 Cave strain chart from 2009to 2013at Jiujiang seismic station

3.2 氣壓驟升應(yīng)變響應(yīng)

九江臺氣壓日變幅約2～3hPa，若氣壓在幾天內(nèi)上升超過10hPa，稱之為氣壓驟升，這種天氣異?，F(xiàn)象常導(dǎo)致洞體應(yīng)變的異?；?，具體表現(xiàn)為線應(yīng)變兩分量同步下降，氣壓停止上升轉(zhuǎn)而下降時，線應(yīng)變兩分量逐步恢復(fù)。統(tǒng)計了2010～2013氣壓驟升與線應(yīng)變響應(yīng)的有關(guān)參數(shù)（表2），氣壓的持續(xù)大幅升高，線應(yīng)變兩分量和面應(yīng)變均下降，應(yīng)變呈壓縮狀態(tài)。

表2 九江臺氣壓驟升與應(yīng)變異常響應(yīng)統(tǒng)計Tab.2 Statistics of air pressure and strain abnormity at Jiujiang seismic station

3.3 集中降雨應(yīng)變響應(yīng)

觀測表明，九江臺集中降雨時，水位和洞體應(yīng)變能記錄明顯的異常變化。統(tǒng)計了2008～2013年日降雨量40mm 以上時，水位和應(yīng)變響應(yīng)變化的有關(guān)參數(shù)（表3）?？偨涤炅颗c面應(yīng)變呈弱相關(guān)關(guān)系，擬合式為y＝26.316x－553，y為面應(yīng)變（量綱為10－10），x為日降雨量（量綱為mm）。從表3可看出，持續(xù)時間相差不大的降雨類型引起的應(yīng)變和水位異常幅度變化不一，離散度高，線應(yīng)變兩分量變化幅度亦有明顯的差異，NS 大于EW。降雨開始后，水位上升，線應(yīng)變兩分量同步下降，降雨停止時水位和應(yīng)變延續(xù)變化一定時間后亦停止變化。這些特征表明，九江臺集中降雨導(dǎo)致的應(yīng)變異常變化十分復(fù)雜，這種影響可能是多解的。

3.4 抽水應(yīng)變響應(yīng)

九江臺洞體應(yīng)變觀測受抽水井抽水的影響，一般每次抽水約20min，抽水量約10m3，應(yīng)變變化幅度較小。2013－07－30、31，分別進(jìn)行120 min抽水實驗，抽水量約60m3。結(jié)果表明，實驗重復(fù)性好，兩次抽水時蓄水池降深曲線和洞體應(yīng)變畸變一致。抽水過程中，水位無變化，線應(yīng)變NS隨抽水期上升，抽水結(jié)束即上升停止，線應(yīng)變EW隨抽水期下降，在停止抽水后繼續(xù)下降2h后停止，線應(yīng)變NS 呈拉張、EW 呈壓縮狀態(tài)（圖2）。有關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4。

表3 九江臺集中降雨與應(yīng)變異常響應(yīng)統(tǒng)計Tab.3 Statistics of heavy rainfall and strain abnormity at Jiujiang seismic station

圖2 九江臺抽水實驗與應(yīng)變異常響應(yīng)曲線Fig.2 Strain abnormity and pumping water test at Jiujiang seismic station

表4 九江臺抽水與應(yīng)變異常響應(yīng)統(tǒng)計Tab.4 Statistics of pumping water and strain abnormity at Jiujiang seismic station

3.5 承壓含水層卸載應(yīng)變響應(yīng)

2008－09－08～11－03，在流體井正北10 m 處新鉆了水化井，該井孔徑130 mm，井深71 m。09－23鉆進(jìn)第一含水層，埋深17 m，有少量水溢出，水位和應(yīng)變無明顯變化；10－13進(jìn)入第二含水層，埋深58m，大量水涌出井管。由于水化井與流體井的連通管結(jié)構(gòu)造成分壓效應(yīng)，承壓含水層發(fā)生卸載，導(dǎo)致水位和應(yīng)變急速變化，水位和應(yīng)變同步下降；10－25達(dá)到平衡，下降停止（圖3）。根據(jù)水位、應(yīng)變變化速率的不同，可把這次承壓含水層卸載響應(yīng)過程分為3 個階段，有關(guān)參數(shù)統(tǒng)計見表5。

表5 承壓含水層卸載時水位與應(yīng)變異常響應(yīng)統(tǒng)計Tab.5 Statistics of strain abnormity and water level during the confined aquifer unloading at Jiujiang seismic station

圖3 承壓含水層卸載時水位與應(yīng)變異常響應(yīng)曲線（2008－10－10～11－01）Fig.3 Strain abnormity and water level chart during the confined aquifer unloading at Jiujiang seismic station（2008－10－10－11－01）

3.6 應(yīng)變異常變化量級統(tǒng)計

從前述統(tǒng)計可知，臺站抽水導(dǎo)致的應(yīng)變量在10－8量級，較大降雨量和氣壓驟升導(dǎo)致的應(yīng)變量在10－9～10－7，承壓含水層卸載、洞體溫度年變化導(dǎo)致的應(yīng)變量量級為10－6。由于應(yīng)變潮汐的應(yīng)變量在10－8量級，因此，這些環(huán)境因素都能使應(yīng)變固體潮觀測疊加干擾，以致產(chǎn)生畸變，在使用應(yīng)變固體潮資料時先要去除這些影響，提高信噪比。

4 應(yīng)變異常變化機(jī)理分析

4.1 應(yīng)變異常變化與溫度效應(yīng)分析

洞體溫度季節(jié)性變化規(guī)律強(qiáng)［12］。把洞體應(yīng)變觀測基線看成一種彈性材料，九江臺洞體溫度年變化范圍很?。?6.7±0.5 ℃），溫度傳感器位于測量基線腔體內(nèi)，基線材料溫度即所測量的洞體溫度。該材料不會發(fā)生相變，應(yīng)遵循熱脹冷縮原理，使線應(yīng)變NS、EW 與洞體溫度線性相關(guān)。前已計算的基線熱膨脹系數(shù)分別為1.36×10－6／℃和4.50×10－6／℃，而實際灰?guī)r在常溫下熱膨脹系數(shù)約（3～5）×10－6／℃?？梢?，基線介質(zhì)的熱效應(yīng)可以使基線介質(zhì)產(chǎn)生實測線應(yīng)變年變幅值的應(yīng)變變化。而在九江臺季節(jié)性周期變化里，找不出與應(yīng)變年變同步并能產(chǎn)生如此幅值變化的其他影響因素，因此，九江臺洞體應(yīng)變具有的年變動態(tài)的主導(dǎo)原因應(yīng)為洞體溫度變化的溫度效應(yīng)，其形態(tài)規(guī)律性強(qiáng)，容易用線性回歸方法消除。

4.2 九江臺應(yīng)變異常變化靜力學(xué)分析

九江臺觀測山洞上部山體由灰?guī)r和覆蓋其上的粘土層或砂礫層組成，含較多裂隙，下部依次是較薄的潛水層及由上、下底板夾持的承壓含水層構(gòu)造，承壓含水層厚達(dá)數(shù)米，儲水量豐富。我們把九江臺洞體應(yīng)變觀測場地抽象為一個簡單的靜力學(xué)模型（圖4（a）），來分析線應(yīng)變或面應(yīng)變的異常變化，從靜力學(xué)角度解釋觀測結(jié)果的成因。

當(dāng)九江臺氣壓驟升時，最大氣壓變化量可達(dá)24hPa，相當(dāng)于在山體增加垂向附加應(yīng)力（圖4（b））。山體重力不變，其氣壓附加應(yīng)力的增壓過程導(dǎo)致山體受壓，應(yīng)變（線應(yīng)變、面應(yīng)變）降低。氣壓緩慢降低后，被測體的應(yīng)變呈逆向變化，并最終恢復(fù)到氣壓變化前期的平衡位置。

一般認(rèn)為，降雨通過巖體孔隙下滲含水層和降雨積水荷載效應(yīng)影響區(qū)域應(yīng)力場［13］。九江臺山體為灰?guī)r區(qū)，存在一定孔隙，為上部流體的滲入創(chuàng)造了條件，一部分雨水通過地表徑流散失，另一部分直接入滲巖層，降雨量越大時入滲雨水量越多，直至巖層孔隙飽和，山體受雨水荷載附加垂向應(yīng)力，應(yīng)變表現(xiàn)為受壓（圖4（c））。當(dāng)日降雨量大于某一閾值時，線應(yīng)變NS、EW 同步降低，降雨結(jié)束后幾天內(nèi)，入滲雨水逐漸散失，直至恢復(fù)降雨前狀態(tài)，應(yīng)變也隨之恢復(fù)。

九江臺抽水井抽水試驗期間總排水量約60 m3，一部分出水來自潛水面以下，一部分來自山體巖層孔隙，因此，被測體上部必然有一部分重量損失，山體受拉張，面應(yīng)變上升。由于存在抽水漏斗，使補(bǔ)給區(qū)到井眼處水力梯度依次增大［14］，線應(yīng)變EW 在抽水停止2h后達(dá)到最大變形量，表明EW 方向是主要的補(bǔ)給通道，介質(zhì)不斷失水產(chǎn)生收縮效應(yīng)使線應(yīng)變EW 一直降低。約10h后，抽水漏斗由于持續(xù)補(bǔ)水，線應(yīng)變回到起始平衡位置（圖4（d））。

在靜力平衡條件下，上層山體和地層總重力由承壓含水層的浮力和界面上向上的托力合力抵消。水化井自流使承壓含水層發(fā)生應(yīng)力卸載而靜水壓力減小，水位下降，山體上層產(chǎn)生新的附加垂向應(yīng)力而使承壓界面受壓，線應(yīng)變NS、EW 同步大幅下降，從而迫使界面增大托力使承壓層受擠壓變形以致發(fā)生沉降，以抵消附加垂向應(yīng)力，直至達(dá)到新的平衡（圖4（e））。該應(yīng)變量達(dá)到10－6量級，2009～2013年水位和應(yīng)變狀態(tài)再也未恢復(fù)到卸載前的水平，說明該次事件發(fā)生的變形是不可逆的。

圖4 九江臺洞體應(yīng)變觀測靜力學(xué)模型示意圖Fig.4 Static mechanical model sketch map of the cave strain observation at Jiujiang seismic station

5 結(jié) 語

1）抽水、氣壓驟升、集中降雨、承壓含水層卸載和洞體溫度年變化因素引起的洞體應(yīng)變響應(yīng)在10－9～10－6量級，這些因素都能直接影響九江臺應(yīng)變固體潮觀測；

2）九江臺洞體應(yīng)變年變動態(tài)主要由觀測基線介質(zhì)的溫度效應(yīng)所決定；

3）氣壓驟升、集中降雨、承壓含水層卸載和抽水導(dǎo)致洞體應(yīng)變異常變化的主要機(jī)制是山體附加應(yīng)力的加卸載過程；

4）九江臺應(yīng)變觀測對局部應(yīng)力場有較強(qiáng)的敏感性，為捕捉區(qū)域應(yīng)力場前兆異常變化提供了可能性。

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