九江地震臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)環(huán)境影響分析

趙愛平 周紅艷 羅建明

1）中國(guó)南昌330039江西省地震局

2）中國(guó)江西342600會(huì)昌地震臺(tái)

0 引言

依據(jù)連續(xù)地傾斜、地應(yīng)變等形變觀測(cè)結(jié)果，地形變可表示為周期應(yīng)變波、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地震前斷層加速擴(kuò)展和觀測(cè)環(huán)境（儀器）等因素引起的聯(lián)合變形（牛安福，2007），其中，觀測(cè)環(huán)境變化導(dǎo)致的地形變異?，F(xiàn)象是普遍存在的，弄清環(huán)境因素變化如何影響是應(yīng)用地形變資料進(jìn)行地震前兆異常分析的前提，很多研究者（劉序儼等，1991；陳敏等，2007；王曰鳳，2007；高昂，2013）提出了定點(diǎn)形變觀測(cè)存在的干擾因素、識(shí)別及排除干擾的方法。目前，采用SS-Y型伸縮儀進(jìn)行洞體應(yīng)變觀測(cè)是常見方法，洞體應(yīng)變觀測(cè)所獲得的線應(yīng)變固體潮觀測(cè)資料可進(jìn)行潮汐主應(yīng)變、主方向和剪應(yīng)變的計(jì)算（劉序儼等，1988；蔣駿等，1994），從而獲知觀測(cè)場(chǎng)地的平面應(yīng)變狀態(tài)，進(jìn)而分析區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的變化和地震前兆異常。由于SS-Y型伸縮儀具有較高的觀測(cè)靈敏度，觀測(cè)資料常記錄到多種觀測(cè)環(huán)境變化帶來的影響，大多被當(dāng)成“干擾響應(yīng)”進(jìn)行剔除，恰反映了該儀器對(duì)場(chǎng)地應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)變化的記錄能力。

九江地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱九江臺(tái)）的洞體應(yīng)變觀測(cè)亦受到諸多觀測(cè)環(huán)境變化的影響，如集中降雨、氣溫、氣壓、抽水等，隨著數(shù)字化洞體應(yīng)變資料的積累，深入分析資料的需求越來越迫切，從機(jī)理上弄清楚環(huán)境因素對(duì)洞體應(yīng)變的影響就顯得尤其重要。本文選用九江臺(tái)2008—2013年洞體應(yīng)變及觀測(cè)環(huán)境變化資料，分析洞體應(yīng)變異常形態(tài)、數(shù)值關(guān)系及其關(guān)聯(lián)性，并進(jìn)而討論應(yīng)變異常的形成機(jī)制。

1 臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境

九江地震臺(tái)位于江西省北部，地處廬山西北側(cè)，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)造位于廬山山體西北緣邊緣剪切帶的夏家—威家?guī)X左行走滑斷裂帶，該斷裂帶走向NE，延伸約8 km，寬約1—1.5 km，總體傾向320°—330°，傾角60°—70°，在中—新生代以來長(zhǎng)期多次活動(dòng)，繼承了早第四紀(jì)時(shí)發(fā)生的斷塊抬升運(yùn)動(dòng)，并控制第四紀(jì)的分布（江西地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，1993）。1911年2月6日該斷裂帶發(fā)生5.0級(jí)地震，距臺(tái)站僅1.5 km。

九江臺(tái)形變觀測(cè)山洞進(jìn)深45 m，覆蓋層厚約25 m，洞內(nèi)年溫差<1.0℃，日溫差<0.02℃，洞體基巖為硅質(zhì)灰?guī)r。觀測(cè)山體相對(duì)高度約100 m，近EW走向，山體呈EW向緩、NS向陡的形狀，表層植被豐富，山體多見巖層裂隙。形變觀測(cè)項(xiàng)附近分布4口井，見圖1和表1。九江臺(tái)伸縮儀采用含鈮特種因瓦材料做基線材料，其膨脹系數(shù)低于0.33×10-6/℃，山洞NS向基線長(zhǎng)9.04 m，EW向基線長(zhǎng)11.92 m，2007年8月開始洞體應(yīng)變數(shù)字化觀測(cè)，截至2013年底，應(yīng)變觀測(cè)資料連續(xù)、可靠，內(nèi)在精度較高。

圖1 九江臺(tái)定點(diǎn)形變觀測(cè)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 九江臺(tái)各井孔基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of the wells at Jiujiang Seismic Station

2 儀器觀測(cè)原理

2.1 伸縮儀觀測(cè)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(cè)，也可用于大型精密工程、大型建筑、大壩等應(yīng)變測(cè)量。該

儀器測(cè)量地殼表面兩點(diǎn)間的應(yīng)變量（呂寵吾等，2001），即

其中：L為原地殼表面兩點(diǎn)間的距離（即基線長(zhǎng)）；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為線應(yīng)變量，即單位長(zhǎng)度的相對(duì)變化量。

2.2 體應(yīng)變、面應(yīng)變與線應(yīng)變

一般，在純壓力（或張力）作用下，物體內(nèi)部將形成正應(yīng)力，這種正應(yīng)力，將給物體造成線應(yīng)變。物體長(zhǎng)度為L(zhǎng)，在外力的作用下相對(duì)于L的形變量為ΔL，則比值為線應(yīng)變；若截面積為S，在外力作用下，相對(duì)面積的變量為ΔS，則其比值為面應(yīng)變。若物體體積為V，在外力作用產(chǎn)生的體積變化為ΔV，則比值為體應(yīng)變。

若在同一水平面內(nèi)，測(cè)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)椋骸?/p>

地表處的體應(yīng)變計(jì)算公式（劉序儼等，1988）為

上述各式中，ε和θ小于0時(shí)表示壓縮，反之表示為拉張。

3 資料分析

3.1 洞體溫度與洞體應(yīng)變

洞體溫度是洞體應(yīng)變觀測(cè)的一個(gè)輔助測(cè)項(xiàng)，觀測(cè)精度為0.001℃，溫度傳感器置于觀測(cè)基線腔體內(nèi)。從圖2可見，洞體應(yīng)變與洞體溫度均有清晰的年變動(dòng)態(tài)，經(jīng)計(jì)算，線應(yīng)變NS、EW向與洞體溫度相關(guān)系數(shù)分別為0.7和0.85；溫度升高應(yīng)變?cè)龃螅世瓘垹顟B(tài)，溫度降低應(yīng)變減小，呈壓縮狀態(tài)。洞體溫度年變化幅度約1.0℃，應(yīng)變變化在10-6量級(jí)。頻譜分析結(jié)果表明，洞體溫度和線應(yīng)變EW向卓越周期為365.2天，線應(yīng)變NS向卓越周期為1 826天（5年），其365.2天的周期成分亦很明顯（圖3）。因此，洞體應(yīng)變長(zhǎng)期趨勢(shì)與洞體溫度變化相關(guān)。幾年來，線應(yīng)變NS、EW向?qū)Χ大w溫度的平均變化率為1.36×10-6/℃和4.50×10-6/℃，均遠(yuǎn)大于伸縮儀基線材料因瓦介質(zhì)的線膨脹系數(shù)，可見線應(yīng)變觀測(cè)準(zhǔn)確反映了基線長(zhǎng)度的變化。

圖2 2009—2013年洞體應(yīng)變與洞體溫度變化Fig.2 The cave strain and cave temperature from2009 to 2013 at Jiujiang Seismic Station

圖3 九江臺(tái)洞體溫度與洞體應(yīng)變頻譜分析結(jié)果Fig.3 The cave temperature and cave strain spectrumresults at Jiujiang Seismic Station

3.2 氣壓持續(xù)上升與洞體應(yīng)變

九江臺(tái)氣壓持續(xù)上升時(shí)，洞體應(yīng)變會(huì)發(fā)生畸變，表現(xiàn)為線應(yīng)變NS、EW向同步減小，氣壓停止上升開始下降時(shí)，線應(yīng)變逐步回歸以往趨勢(shì)。表2統(tǒng)計(jì)了2010—2013年氣壓上升與線應(yīng)變同步變化的有關(guān)參數(shù)，氣壓的持續(xù)上升，線應(yīng)變和體應(yīng)變下降，應(yīng)變呈壓縮變化，反之，氣壓下降，應(yīng)變呈拉張變化。氣壓每增加1 hPa時(shí)，NS、EW向線應(yīng)變和體應(yīng)變分析平均下降18.94、10.82和19.84個(gè)10-10。

3.3 集中降雨與洞體應(yīng)變

九江臺(tái)日降雨量在40 mm以上時(shí)，洞體應(yīng)變記錄到明顯的異常變化。降雨開始后，經(jīng)過一定的時(shí)間延遲，水位上升，線應(yīng)變NS、EW向同步下降，直至降雨量變小，水位和洞體應(yīng)變同步停止變化。表3統(tǒng)計(jì)了2010—2013年降雨引起洞體應(yīng)變與水位同步變化情況，每降雨量1 mm，水位平均上升0.8 mm，NS、EW向線應(yīng)變與體應(yīng)變平均下降13.2、3.3和11個(gè)10-10，降雨使應(yīng)變呈壓縮變化。

表2 九江臺(tái)氣壓持續(xù)升高與應(yīng)變變化Table 2 The strain resulted in the air pressure raising at Jiujiang Seismic Station

3.4 抽水與洞體應(yīng)變

九江臺(tái)抽水井距山洞中心約20 m，我們于2013年7月30—31日分別進(jìn)行2小時(shí)抽水實(shí)驗(yàn)。兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性好，見圖4，有關(guān)數(shù)據(jù)見表4。從圖4可見，抽水實(shí)驗(yàn)時(shí)兩日線應(yīng)變NS、EW向變化趨勢(shì)一致，抽水井蓄水池的水位降深也基本一致，而流體井水位未見明顯變化。線應(yīng)變NS向隨抽水期趨勢(shì)上升，抽水結(jié)束停止上升，線應(yīng)變EW向隨抽水期下降，在停止抽水后繼續(xù)下降約2小時(shí)。可以看出，抽水時(shí)呈現(xiàn)NS向拉張、EW向壓縮的反向變化，兩者在恢復(fù)到抽水前狀態(tài)時(shí)基本同步。兩日的體應(yīng)變變化幅度接近，總體應(yīng)變呈拉張狀態(tài)。

表3 九江臺(tái)降雨時(shí)應(yīng)變與水位變化統(tǒng)計(jì)Table 3 The strain and water level resulted in the rainfalls at Jiujiang Seismic Station

圖4 九江臺(tái)抽水與應(yīng)變變化實(shí)驗(yàn)曲線

表4 九江臺(tái)抽水實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)變變化統(tǒng)計(jì)Table 4 The strain variations from the pumping water tests at Jiujiang Seismic Station

3.5 承壓含水層卸載時(shí)水位與洞體應(yīng)變

2008年9月8日起，距流體井10 m處，新鉆一口水化井，孔徑為130 mm，終孔71m，11月3日停止鉆孔。9月23日打穿第1個(gè)含水層，17—22 m，有少量水溢出，水位和線應(yīng)變無明顯變化；10月13日進(jìn)入第2個(gè)含水層，58—63 m，大量水涌出，流量可達(dá)15 t/小時(shí)，水位開始大幅下降，線應(yīng)變NS、EW向同步減小，至10月25日，水位和線應(yīng)變停止下降，見圖5。根據(jù)水位下降速率的差異，可把這次承壓含水層卸載分為突然釋放、平穩(wěn)釋放和剩余釋放3個(gè)階段，水位變化速率之比為9.66/2.95/1，而體應(yīng)變—水位速率之比為0.59/0.72/1，表明水位導(dǎo)致應(yīng)變變化是穩(wěn)定的，水位平均每下降1 mm，可引起體應(yīng)變下降12.34個(gè)10-10，見表5。承壓含水層水位下降，導(dǎo)致洞體應(yīng)變降低，即呈壓縮變化。

圖5 承壓含水層卸載引起的水位和應(yīng)變變化Fig.5 The strain and water level variations during the confi ned aquifer unloading at Jiujiang Seismic Station

表5 承壓含水層卸載引起的水位與應(yīng)變變化統(tǒng)計(jì)Table 5 The strain and water level variations resulted in unloading of the confi ned aquifer at Jiujiang Seismic Station

4 洞體應(yīng)變異常

4.1 異常量級(jí)

由九江臺(tái)觀測(cè)環(huán)境因素變化對(duì)應(yīng)變的影響分析可知，臺(tái)站抽水導(dǎo)致的應(yīng)變量在10-8量級(jí)，集中降雨和氣壓變化引起的應(yīng)變量在10-9—10-7，承壓含水層卸載和洞體溫度年變化引起的應(yīng)變量量級(jí)為10-6，根據(jù)各種環(huán)境變化引起的應(yīng)變量繪制變化范圍，見圖6。由于應(yīng)變固體潮日變幅度在10-8量級(jí)，因此，這些觀測(cè)環(huán)境因素的變化均能使應(yīng)變固體潮觀測(cè)記錄疊加干擾，導(dǎo)致固體潮發(fā)生畸變，在對(duì)該資料排除進(jìn)行異常分析時(shí)需干擾。

4.2 靜力學(xué)模型的建立

圖6 觀測(cè)環(huán)境變化引起的應(yīng)變量級(jí)范圍Fig.6 The strain magnitude ranges resulted inthe observation conditions changing

伸縮儀實(shí)質(zhì)上是對(duì)山洞里固定基線長(zhǎng)度即一維變量進(jìn)行測(cè)量，通過格值轉(zhuǎn)換計(jì)算，獲得地表的線應(yīng)變。材料的長(zhǎng)度變化，取決于材料所處熱狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)，如果該材料為含水介質(zhì)，則還與介質(zhì)含水度有關(guān)，洞體應(yīng)變觀測(cè)基線，既滿足一般材料的屬性，還應(yīng)考慮介質(zhì)含水度變化的影響。把九江臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)抽象成一個(gè)簡(jiǎn)單的靜力學(xué)模型，見圖7（a），來分析觀測(cè)環(huán)境因素變化是如何導(dǎo)致應(yīng)變異常變化的。山洞作為被測(cè)體，上部是山體，由灰?guī)r和覆蓋其上的粘土層或砂礫層組成，表層植被豐富，山體含有裂隙，被測(cè)體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(chǔ)水量豐富。根據(jù)化繁為簡(jiǎn)的處理方法，進(jìn)行某個(gè)環(huán)境因素的應(yīng)變異常分析，應(yīng)盡量選擇其他因素不變時(shí)，以消除相互影響，從靜力學(xué)角度解釋觀測(cè)結(jié)果的成因。

圖7 九江臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)靜力學(xué)模型示意Fig.7 The static mechanical model sketch map of the cave strain observation at Jiujiang Seismic Station

4.3 應(yīng)變異常變化與溫度效應(yīng)

洞體溫度受季節(jié)變化控制，太陽光輻射和地球運(yùn)動(dòng)使地殼表面和大氣的溫度發(fā)生變化，是形變觀測(cè)資料具有年變動(dòng)態(tài)的直接原因（陳德福，1993）。把山洞觀測(cè)基線看成一種彈性材料，九江臺(tái)觀測(cè)到的洞體溫度年變化范圍為（16.7±0.5）℃，溫度傳感器安置于測(cè)量基線腔體內(nèi)，基線所含介質(zhì)溫度即所測(cè)量的洞體溫度，基線介質(zhì)材料不會(huì)發(fā)生相變，應(yīng)遵循熱脹冷縮原理。相關(guān)分析和譜分析結(jié)果表明，線應(yīng)變與洞體溫度變化密切相關(guān)，經(jīng)計(jì)算，2009—2013年NS、EW向基線熱膨脹系數(shù)分別為1.36×10-6/℃和4.50×10-6/℃，而實(shí)際灰?guī)r在常溫下熱膨脹系數(shù)約（3—5）×10-6/℃，二者具有可比性，可見，基線介質(zhì)的熱效應(yīng)可以使基線介質(zhì)產(chǎn)生這種幅度變化的應(yīng)變。因此，九江臺(tái)洞體應(yīng)變具有年變動(dòng)態(tài)的直接原因是洞體溫度效應(yīng)，其形態(tài)規(guī)律性強(qiáng)，可用線性回歸辦法來消除這種環(huán)境因素帶來的影響。

4.4 體應(yīng)變異常變化與靜力效應(yīng)

由應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可知，在介質(zhì)彈性范圍內(nèi)，體應(yīng)變與體應(yīng)力有以下關(guān)系式（考慮到應(yīng)變受壓為負(fù)）

其中，θ為體應(yīng)變，Θ為體應(yīng)力，μ為泊松比，E為彈性模量，且有σx、σy、σz分別為3個(gè)方向的主應(yīng)力。給體應(yīng)力一個(gè)增量ΔΘ，會(huì)產(chǎn)生Δθ，這時(shí)有

可得

當(dāng)九江臺(tái)氣壓經(jīng)數(shù)天持續(xù)升高時(shí)，使體應(yīng)變降低，表現(xiàn)為壓縮，見圖7（b）?？梢砸暈樵谏襟w3個(gè)方向上增加同樣的主應(yīng)力，主應(yīng)力增量可以用氣壓增量表示。

一般認(rèn)為，降雨時(shí)通過巖體節(jié)理或裂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(chǎng)（趙小茂等，2009）。九江臺(tái)山體為灰?guī)r區(qū)，存在較多的裂隙或孔隙，為上部流體的滲入創(chuàng)造了條件，雨水一部分通過地表徑流散失，一部分直接入滲山體巖層，被測(cè)體受雨水荷載附加垂向應(yīng)力，應(yīng)變表現(xiàn)為受壓，見圖7（c）?？紤]山體承受降水面積為50×50 m2，觀測(cè)基線NS、EW向分別長(zhǎng)9.04、11.92 m，山體降水20%為有效水體，其余通過地表徑流散失，且僅考慮垂向作用力。

九江臺(tái)抽水井是泉水井，抽水試驗(yàn)期間兩個(gè)小時(shí)排水量約60 m3，一部分出水來自潛水面以下，一部分應(yīng)來自山體巖層孔隙，被測(cè)體上部必然有一部分重量損失。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，線應(yīng)變EW向在抽水停止2小時(shí)后才達(dá)到最大變形量，表明EW基線方向是主要的補(bǔ)給通道，續(xù)補(bǔ)過程顯然是基線介質(zhì)不斷失水的過程，失水后的收縮效應(yīng)使線應(yīng)變EW從抽水開始后一直下降。抽水過程中體應(yīng)變上升，表明被測(cè)體綜合表現(xiàn)為受拉張影響，見圖7（d）?？紤]總排出水量的50%來自于山體，被測(cè)體以20×20 m2計(jì)算體應(yīng)力面積，并僅考慮垂向作用力。

因新鉆井承壓含水層逐步發(fā)生應(yīng)力卸載，上層山體和地層總的重力由承壓含水層的浮力和界面上向上的托力合力抵消，從而達(dá)到靜力平衡。隨著承壓含水層卸載，靜水壓力減小，向上托力降低，上層不斷產(chǎn)生新的附加垂向作用力，被測(cè)體受附加垂直向應(yīng)力的作用而受壓，應(yīng)變大幅降低，見圖7（e）。用承壓含水層靜水壓變化來計(jì)算體應(yīng)力，與氣壓效應(yīng)類似，體應(yīng)力應(yīng)為3個(gè)方向相同的附加應(yīng)力。

對(duì)于九江臺(tái)灰?guī)r地區(qū)，取μ=0.29，E=3.71×1010Pa。采用式（6），按上述模型參數(shù)分別對(duì)氣壓、降雨、抽水和承壓含水層卸載引起的體應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表6，表中的綜合結(jié)果為各種觀測(cè)環(huán)境因素變化引起應(yīng)變變化的實(shí)測(cè)與理論計(jì)算均值及其方差，越接近1表明與理論計(jì)算越接近。

表6 九江臺(tái)觀測(cè)環(huán)境變化引起的體應(yīng)變理論與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)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，應(yīng)用彈性介質(zhì)靜力學(xué)模型可以較好地解釋洞體應(yīng)變狀態(tài)問題（壓縮或拉張）。在定量計(jì)算方面，氣壓和降雨導(dǎo)致的體應(yīng)變較符合觀測(cè)結(jié)果，而抽水和承壓含水層卸載引起的體應(yīng)變有一定差距，可能與采用的模型有關(guān)，可進(jìn)一步采用含流體的介質(zhì)模型深入研究。

5 結(jié)論

（1）獲得九江臺(tái)洞體應(yīng)變受抽水、集中降雨、氣壓上升、承壓含水層卸載和洞體溫度年變化因素影響的應(yīng)變異常數(shù)量級(jí)的認(rèn)識(shí)，這些因素能直接影響應(yīng)變固體潮觀測(cè)。

（2）九江臺(tái)洞體溫度年變化主要通過熱脹冷縮效應(yīng)影響洞體應(yīng)變；氣壓上升、集中降雨和承壓含水層卸載主要通過被測(cè)體上部附加應(yīng)力加載引起應(yīng)變的下降，抽水過程則是上部附加應(yīng)力卸載引起應(yīng)變的上升。

（3）九江臺(tái)抽水、降雨和氣壓變化引起的應(yīng)變量較小，在短期內(nèi)得以恢復(fù)；而承壓含水層卸載引起的應(yīng)變量巨大，區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)重新進(jìn)行了調(diào)整。

衷心感謝周克昌研究員和何案華副研究員的精心指導(dǎo)和幫助。

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