大同市地傾斜變化特征及影響因素淺析

李秀英，鄧海巖，任選民

(1.大同市地震局，山西 大同 037006；2.同車公司觀測站，山西 大同 037038；3.同煤一中觀測站，山西 大同 037003)

0 引言

地傾斜觀測作為地殼形變連續(xù)觀測的一種，為地震短臨預(yù)報(bào)提供了一定的判據(jù)[1]。但在地傾斜日常觀測中，由于受氣象及其他因素的干擾，表現(xiàn)出的變化形態(tài)不盡相同。觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生畸變，淹沒了震前可能存在的信息，直接影響前兆信息的識別。文章以大同市同煤一中地傾斜1995-2017年觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)梳理20多年來的資料，結(jié)合日常工作及觀測實(shí)際，分析降雨、溫度、地下水位變化、人為干擾、周邊環(huán)境改變及觀測系統(tǒng)本身變化等干擾因素對地傾斜觀測數(shù)據(jù)的影響，為今后識別干擾、排除異常、快速捕捉震前異常信息提供參考依據(jù)。

1 大同市同煤一中觀測站基本概況

同煤一中地傾斜觀測站位于大同盆地北端西緣，系口泉山脈東側(cè)，口泉山前沖洪積扇中下部，海拔高度1 070.3 m(見第47頁圖1)。周邊地勢較為平坦，根據(jù)鄰區(qū)的工程地質(zhì)勘察資料，該地15 m深度范圍之內(nèi)，表層雜添土之下地層以粉土為主，夾有砂層。地下水位埋深約10 m左右。北西側(cè)口泉斷裂為當(dāng)?shù)刂黧w構(gòu)造。

同煤一中觀測站成立于1976年唐山大地震之后，地傾斜觀測始于1983年，在當(dāng)時的平房觀測室安裝了江蘇省無錫儀器儀表設(shè)備廠生產(chǎn)的地形變觀測設(shè)備——SQ型水管傾斜儀。由于受場地限制，只對EW向進(jìn)行布設(shè)，基線長5 m左右。1992年，隨著新地震觀測樓的投入使用，在新觀測樓一層觀測室內(nèi)重新安裝兩套水管傾斜儀，分別是SQ型水管傾斜儀及DGK-1A型靜力水準(zhǔn)儀。前者EW向布設(shè)，基線長10.14 m；后者NS向布設(shè)，基線長12.05 m。為減少冬季觀測時的不利影響，在EW、NS方向各觀測端安裝暖氣。

2 同煤一中地傾斜觀測數(shù)據(jù)變化特征

大同市同煤一中地傾斜觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、連續(xù)、可靠，多年來各測項(xiàng)連續(xù)率均在99%以上。

EW向使用的是SQ水管傾斜儀，具有較好的年變周期，日變幅最大不超過1″。年變規(guī)律在1995-2004年多呈冬春低、夏秋高，近似余弦波形的特點(diǎn)，且E傾趨勢速率相對較緩，曲線動態(tài)較平穩(wěn)；2005-2017年，年變規(guī)律發(fā)生明顯變化，呈冬春高、夏秋低的特點(diǎn)，特別是在2007年之后，E傾趨勢明顯，傾斜速率增大(見第47頁圖2)。

NS向使用的是DG-1A型水管傾斜儀，地傾斜NS向以正北方向布設(shè)，具有較好的年變周期，日變幅最大不超過1″。年變規(guī)律在1995-2006年多呈冬春高、夏秋低的特點(diǎn)，且傾斜速率平緩，曲線動態(tài)平穩(wěn)；2007-2017年，年變規(guī)律發(fā)生明顯變化，呈現(xiàn)冬春低、夏秋高，近似余弦波形的特點(diǎn)，相較于EW向年變規(guī)律發(fā)生變化晚2 a，與EW向類似的是在2007年之后，傾斜趨勢也發(fā)生明顯變化，S傾趨勢明顯，傾斜速率增大(見圖2)。

綜合分析認(rèn)為，同煤一中EW、NS兩測項(xiàng)均在2007年之后傾斜速率發(fā)生明顯改變，均呈現(xiàn)速率加大的趨勢，應(yīng)與2008年四川汶川8.0級地震、2011年日本9.0級地震前后應(yīng)力場的變化調(diào)整有關(guān)。

圖1 同煤一中地傾斜觀測站地理位置示意圖Fig.1 Sketch map of geographical location of ground tilt observation station at Tongmei No.1 Middle School

圖2 同煤一中地傾斜EW向、NS向日均值曲線圖Fig.2 Daily mean curves of ground tilt in EW and NS directions at Tongmei No.1 Middle School

3 地傾斜觀測數(shù)據(jù)影響因素分析

3.1 降雨影響

大同市年均降雨量在370 mm左右。降雨主要集中在6-9月，其他月份相對較少，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。由年降雨量直方圖圖3所示，年降雨量>400 mm的有9 a，在300～400 mm的有7 a，而<300 mm的有9 a。

從第48頁圖4可看出，該區(qū)30多年來最大降雨量主要集中在1995年、1996年。1996年7月降雨量最大，而此期間地傾斜EW向、NS向觀測值并未出現(xiàn)大的變化，觀測曲線平穩(wěn)光滑。另外，地傾斜NS向1997年出現(xiàn)大幅S傾時，同期降雨量未出現(xiàn)明顯變化。因此，認(rèn)為降雨對觀測值的影響不大。

圖3 大同市1982-2006年降雨量直方圖Fig.3 Rainfall histogram of Datong city from 1982 to 2006

3.2 地下水動態(tài)影響

大同市有3個地下水集中開采區(qū)，形成了3個明顯的地下水降落漏斗，分別為城北、城南、城西水源地降落漏斗區(qū)。同煤一中監(jiān)測站處于口泉山前沖洪積扇中下部，地下水主要來源于大氣降水和沖洪積扇上游的側(cè)向補(bǔ)給，補(bǔ)給較為充足，排泄方式主要以側(cè)向徑流和人工開采為主。同煤一中觀測站位于大同市水源地地下水降落漏斗之外(見第48頁圖5)。根據(jù)資料，所在區(qū)域地下水位埋深小于10 m，說明該區(qū)域地下水存儲狀態(tài)受人為開采影響較小。

圖4 1995-2005年降水量與地傾斜月均值曲線Fig.4 Monthly mean curves of precipitation and ground tilt from 1995 to 2005

圖5 地傾斜監(jiān)測站與D21井相對位置示意圖Fig.5 Sketch map of relative location between ground tilt monitoring station and the Well D21

(1) 水位資料選取。

D21井是山西省地質(zhì)環(huán)境中心在大同市地下水動態(tài)觀測網(wǎng)中，距同煤一中觀測站最近的一口長期觀測井，位于十里河沖洪積平原，距同煤一中監(jiān)測站南偏東約4 km處，與同煤一中監(jiān)測站處于同一水文地質(zhì)單元，水文地質(zhì)條件相同。D21水文觀測井的地下水觀測資料，可以反映同煤一中監(jiān)測站所處的地下水動態(tài)情況。該井與同煤一中地傾斜觀測站均不處在上述3個降落漏斗范圍之內(nèi)。

(2) 地傾斜資料選取。

選同煤一中地傾斜EW向、NS向資料與D21井相同時段(1995-2017年)的資料進(jìn)行對比分析(見圖6)。

圖6 同煤一中地傾斜EW、NS向與D21井水位月均值對比圖Fig.6 Contrast diagram of monthly mean water level of ground tilt in EW and NS directions and Well D21 at Tongmei No.1 Middle School

由同煤一中地傾斜EW、NS向與D21井1995-2017年月均值對比圖看出，地傾斜在1995-2006年EW、NS向曲線動態(tài)基本平穩(wěn)。2007年之后曲線動態(tài)發(fā)生明顯變化，EW向E傾趨勢明顯，速率增大；NS向S傾趨勢明顯，速率增大。地下水位除了2013-2014年有較大波動外，其他年份變化基本平穩(wěn)，且整體上水位波動平緩。地下水位在2013-2014年發(fā)生了較大幅度變化，為5.04 mm。同期地傾斜NS向、EW向都未發(fā)生顯著的變化。地傾斜NS向在1997年呈大幅S傾，地下水位在同期也未發(fā)生明顯變化。

由以上分析得出，同煤一中地傾斜的變化與地下水位動態(tài)變化均不同步。說明地下水位的變化對地傾斜的變化影響較小。

3.3 溫度影響

大同市地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，基本氣候特征是春季氣溫回升很快，平均在6.5～9.1 ℃；夏季氣溫短暫溫?zé)?，平均?9～21.8 ℃；秋季氣溫逐漸下降，平均在5.8～8.4 ℃；冬季漫長而寒冷，平均在-12.8～-6.3 ℃。

同煤一中觀測站為使觀測室兩端的溫差盡可能減小，沿EW、NS方向觀測室各安裝暖氣，使兩端溫差最大不超過1 ℃。為分析儀器兩端溫度是否對地傾斜觀測有明顯影響，采取相關(guān)分析法對此進(jìn)行討論。

(1) 資料選取。

同煤一中地傾斜EW、NS向與兩端溫度同時段(1995-2005年)資料如圖7、圖8所示。

圖7 同煤一中1995-2005年地傾斜EW向與觀測儀器兩端溫度及溫差月均值圖Fig.7 Monthly mean diagram of ground tilt in EW direction and temperature and temperature difference at both ends of the observing instrument at Tongmei No.1 Middle School from 1995 to 2005

圖8 同煤一中1995-2005年地傾斜NS向與觀測儀器兩端溫度及溫差月均值圖Fig.8 Monthly mean diagram of ground tilt in NS direction and temperature and temperature difference at both ends of the observing instrument at Tongmei No.1 Middle School from 1995 to 2005

(2) 方法及數(shù)據(jù)分析。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，用相關(guān)系數(shù)R的變化范圍可判斷兩者間的相關(guān)程度。當(dāng)R=0時，為完全不相關(guān)；當(dāng)0<∣R∣≤0.3時，為基本不相關(guān)；當(dāng)0.3<∣R∣≤0.5時，為弱相關(guān)；當(dāng)0.5<∣R∣≤0.8時，為較強(qiáng)相關(guān)；當(dāng)0.8<∣R∣<1時，為強(qiáng)相關(guān)；當(dāng)∣R∣=1時，為完全相關(guān)。對同煤一中1995-2005年地傾斜EW向、NS向與兩端溫度及溫差作相關(guān)分析，計(jì)算結(jié)果如表1、第50頁表2所示。

表1 同煤一中地傾斜EW向與兩端溫度TE、TW及溫差(TE-TW)日均值相關(guān)分析結(jié)果Table 1 Relative analysis results of ground tilt in EW direction with daily mean values of TE, TW and temperature difference TE-TW at both ends of Tongmei No.1 Middle School

由表1計(jì)算結(jié)果可見，同煤一中地傾斜EW向與兩端溫差(TE-TW)不相關(guān)與弱相關(guān)的年份占91%，分別是1995-2001年、2003-2005年，相關(guān)系數(shù)分別是：0.253、0.204、0.277、0.473、0.256、0.414、0.170、0.414、0.033、-0.005；較強(qiáng)(中等程度)相關(guān)的年份占9%，只有2002年，相關(guān)系數(shù)僅為0.58。

地傾斜EW向與兩端溫度TE、TW不相關(guān)與弱相關(guān)的年份占64%，分別是1995-1999年、2004-2005年，相關(guān)系數(shù)分別是：-0.043、-0.012、0.198、-0.002、0.035、0.472、-0.336；較強(qiáng)(中等程度)相關(guān)的年份占36%，分別是2000-2003年，相關(guān)系數(shù)分別是：0.527、0.527、0.524、0.533。

表2 同煤一中地傾斜NS向與兩端溫度TN、TS及溫差(TN-TS)日均值相關(guān)分析結(jié)果Table 2 Relative analysis results of ground tilt in NS direction with daily mean values of TN, TS and temperature difference (TN-TS) at both ends of Tongmei No.1 Middle School

由表2計(jì)算結(jié)果可見，同煤一中地傾斜NS向與兩端溫差(TN-TS)不相關(guān)與弱相關(guān)的年份占82%，分別是1996-2004年，相關(guān)系數(shù)分別是：0.038、0.262、0.140、0.472、0.046、0.231、-0.280、0.129、-0.152；較強(qiáng)(中等程度)相關(guān)的年份占總年數(shù)的18%，只有1995年、2005年，相關(guān)系數(shù)分別為0.553、-0.712。

地傾斜NS向與兩端溫度TN、TS變化全部呈不相關(guān)與弱相關(guān)。

另據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究，目視水管傾斜儀洞室溫差小于1 ℃時，對儀器的影響可忽略不計(jì)。

通過以上對同煤一中地傾斜EW向、NS向與兩端溫度及溫差相關(guān)系數(shù)的分析及相關(guān)文獻(xiàn)的研究表明，同煤一中地傾斜觀測受溫度影響不大。

3.4 觀測環(huán)境影響

為明確同煤一中地傾斜觀測站周邊環(huán)境是否對觀測有影響，以觀測站為中心，對四周300 m范圍的干擾源進(jìn)行調(diào)查分析。

(1) 觀測站以東以南。東偏北約150 m左右有高層建筑，該建筑為同煤地質(zhì)處家屬樓，該樓施工時間為2003年。取同煤一中2002-2003年地傾斜資料作對比分析(見第51頁圖9)。按照每年的正常施工時間為4-11月，發(fā)現(xiàn)同時段該建筑施工對地傾斜觀測的影響不大。

按上述方法，對觀測站以南約300 m左右的多層建筑(同煤一中南教學(xué)樓)的施工進(jìn)行分析，結(jié)果是對地傾斜觀測的影響也不大。

(2) 觀測站西南方向。約150 m處有多層建筑為同煤一中體育館，該建筑施工時間為2008年。取同煤一中2007-2008年地傾斜資料作對比分析發(fā)現(xiàn)(見第51頁圖10)，按照每年的正常施工時間為4-11月，該建筑施工對地傾斜觀測的影響不大。

(3) 觀測站西北方向。約150 m左右，有多層建筑為同大科技研究院，該建筑施工時間為2000年。取同煤一中同時段地傾斜資料做對比分析發(fā)現(xiàn)(見第51頁圖11)，按照每年正常施工時間為4-11月，該建筑施工對地傾斜觀測的影響不大。

(4) 觀測站西北方向。約500 m左右，有高層建筑為同煤集團(tuán)辦公樓，該樓建筑施工時間為2000年。取同煤一中地傾斜資料做對比分析發(fā)現(xiàn)(見圖11)，按照每年正常施工時間為4-11月，該建筑施工對地傾斜觀測的影響不大。

(5) 觀測站正北方向。200 m處有高層建筑商業(yè)樓明都廣場，該樓建筑施工時間為2008年。取同煤一中地傾斜資料做對比分析發(fā)現(xiàn)(見圖10)，按照每年的正常施工時間為4-11月，該建筑施工對地傾斜觀測的影響不大。

(6) 觀測站東偏北方向。約50m處，2005年7月13日該處挖一地下車庫，造成地傾斜EW向7月24日-25日西傾幅度加大，累計(jì)西傾幅度4.637″(見第51頁圖12)。

3.5 人為影響

儀器維護(hù)。地傾斜觀測由于連通管儀器工作較長時間后，液體蒸發(fā)，液體位會慢慢降低，就必須加液。當(dāng)觀測人員給一端加液時，兩端液體的密度會產(chǎn)生微小差異，使曲線產(chǎn)生突跳。為避免觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生突跳干擾，觀測人員采取了兩端同時加液的方法，以消除人為影響(見第51頁圖13)。

3.6 儀器性能

DG-1A型靜力水準(zhǔn)儀及SQ型水管傾斜儀，均是一種多測頭的連通器，采用水平面作為垂直形變觀測基準(zhǔn)。儀器墩上安置法蘭盤，缽體置于法蘭盤之上，用玻璃管連通，里面灌注蒸餾水。通過螺桿調(diào)整法蘭盤高度，改變缽體高度，通過控制蒸餾水的灌入量和調(diào)整缽體高度，使各觀測端初始缽體內(nèi)水柱高度合適，并基本保持一致。在日常觀測中，通過螺旋測距儀觀測缽體內(nèi)水柱高度的變化。此類儀器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、目視讀數(shù)、抗干擾能力強(qiáng)，是反映地傾斜長趨勢變化的一種較好儀器。

圖9 同煤一中2002-2003年地傾斜觀測EW、NS向日均值變化圖Fig.9 Daily mean value variation diagram of ground tilt observation in EW and NS directions at Tongmei No.1 Middle School from 2002 to 2003

圖10 同煤一中2007-2008年地傾斜觀測EW、NS向日均值圖Fig.10 Daily mean value diagram of ground tilt observation in EW and NS directions at Tongmei No.1 Middle School from 2007 to 2008

4 結(jié)論

通過以上分析，得出如下結(jié)論。

(1) 同煤一中地傾斜觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、連續(xù)、可靠，周期變化明顯，具有清晰的年動態(tài)，日變幅最大不超過1″。

圖11 同煤一中2000年地傾斜EW、NS向日均值圖Fig.11 Daily mean value diagram of ground tilt in EW and NS directions in 2000 at Tongmei No.1 Middle School

圖12 同煤一中2005年地傾斜EW向日均值圖Fig.12 Daily mean value diagram of ground tilt in EW direction in 2005 at Tongmei No.1 Middle School

圖13 地傾斜垂向DFG日均值曲線圖Fig.13 Daily mean value curve of vertical ground tilt DFG

(2) 同煤一中地傾斜觀測數(shù)據(jù)受降雨、溫度、地下水等自然因素變化影響不大，100 m外觀測環(huán)境的變化(建筑工程)對觀測影響不大，而100 m之內(nèi)較大的人為施工對觀測會造成一定的影響，隨著施工結(jié)束，干擾因素也會隨之消失。人為加液造成的干擾，可以通過兩端同時加的方法排除。因此，平時填好工作日志，就容易辨別異常原因，有效識別干擾，為快速捕捉震前異常信息提供參考依據(jù)。