場(chǎng)地環(huán)境(荷載干擾)對(duì)地應(yīng)變、地傾斜等定點(diǎn)形變儀器的數(shù)據(jù)變化調(diào)查

文/李鵬 張波魏 欒巒 雷潔（十堰市人民防空辦公室(地震局)）

一、引言

DSQ水管測(cè)斜儀是一種自動(dòng)測(cè)量地殼傾斜變化的精密儀器。它用于測(cè)量慢傾斜變化，傾斜固體潮汐，捕獲即將發(fā)生的地震前兆信息等與地震監(jiān)測(cè)有關(guān)的數(shù)據(jù)，該儀器采用了差動(dòng)變壓器位移傳感器，并結(jié)合了現(xiàn)代微電子技術(shù)的一些新成果而設(shè)計(jì)。具有結(jié)構(gòu)合理、穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、功能齊全、使用范圍廣等特點(diǎn)。該儀器的基本原理是基于將連接管中的水面保持在自然水平的原理。當(dāng)連接管兩端的基礎(chǔ)具有相對(duì)的垂直位移時(shí)，兩端的水面相對(duì)于儀表碗會(huì)發(fā)生變化。此變化成為通過浮子和位移傳感器自動(dòng)記錄的電信號(hào)輸出。水面的變化會(huì)導(dǎo)致固定在浮子上的差動(dòng)變壓器的鐵芯相對(duì)于固定在蓋板上的線圈垂直移動(dòng)。這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)通過位移傳感器輸出一個(gè)模擬電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)通過電纜在一定距離上傳輸?shù)角Х殖?，然后根?jù)需要進(jìn)入前體數(shù)據(jù)采集或模擬記錄系統(tǒng)，使東、西、南、北用數(shù)據(jù)記錄了北端的水面變化以及“南北”和“東西”之間的高差變化。自動(dòng)記錄的兩端相對(duì)高度差的變化量可以減小到相應(yīng)的地面傾角。

SS-Y型伸縮應(yīng)變儀將校準(zhǔn)器、基線、位移傳感器及與它相鄰的一個(gè)金屬框架安裝于觀測(cè)墩，固定座安裝在固定墩上。使基線一端與固定座固定連接，基線由測(cè)量方向無阻力的懸吊托起。基線的另一端連接一片直徑大于2.4厘米的金屬極片上或差動(dòng)變壓器線圈上，電渦流的傳感器探頭或差動(dòng)變壓器的可動(dòng)鐵芯固定在校準(zhǔn)器上，我們把這一端稱為測(cè)量端。當(dāng)固定墩與測(cè)量墩之間地面距離發(fā)生變化時(shí)，探頭與極片的間距也會(huì)隨之變化，位移傳感器將間距變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，經(jīng)過放大器傳輸至主機(jī)輸出。通過格值等換算、靈敏度等便可計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)變量變化。

二、測(cè)點(diǎn)地質(zhì)構(gòu)造背景

十堰地震臺(tái)地形變觀測(cè)山洞位于十堰市柳林溝，地理坐標(biāo)：110.79°E，32.66°N，高程為260米。該臺(tái)站測(cè)點(diǎn)位于南秦嶺造山帶內(nèi)部、武當(dāng)隆起北部邊緣。南秦嶺造山帶之中、強(qiáng)地震構(gòu)造帶，在公元46年曾經(jīng)發(fā)生過南陽6.5級(jí)破壞性地震，公元788年曾經(jīng)發(fā)生過竹山寶豐6.5級(jí)破壞性地震。除此之外，還發(fā)生過10余次中強(qiáng)型震，但進(jìn)入現(xiàn)代后小震活動(dòng)頻度較低，該臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)鄂西北及其鄰近地區(qū)的地震活動(dòng)起到了重要監(jiān)測(cè)作用。十堰市位于鄂西北地震構(gòu)造地區(qū)，本構(gòu)造地區(qū)是在前震旦紀(jì)陸殼（結(jié)晶基底）的基礎(chǔ)上形成再生地槽。震旦系至志留系均為炭硅質(zhì)建造、砂泥質(zhì)復(fù)理式及類復(fù)理系建造、局部夾堿性火山巖建造，碳酸鹽建造，經(jīng)印支造山運(yùn)動(dòng)第一幕形成的褶皺帶。嗣后，遭受燕山地區(qū)運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅山脈運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈改造，上部地殼沿北西方向——南東方向或北北西方向——南東東方向被分割分裂成許多斷塊結(jié)構(gòu)，或沿?cái)嗔褞纬梢幌盗械睦中再|(zhì)的斷陷盆地。歷史上的強(qiáng)震大多發(fā)生在這些斷陷盆地的邊緣地帶。

十堰市柳林溝地震形變觀測(cè)臺(tái)，觀測(cè)點(diǎn)山洞南北方向各有一條大型斷裂帶。鄖西——鄖縣斷裂帶在形變觀測(cè)點(diǎn)山洞東北方向，直線距離大約30公里。白河——谷城斷裂在山洞的西南方向，直線距離約5公里。交通便利，通信條件好（網(wǎng)絡(luò)可直接接入臺(tái)站）。自來水供水，市電供電。

十堰市柳林溝地震形變觀測(cè)臺(tái)測(cè)點(diǎn)山洞位于十堰軍分區(qū)20世紀(jì)70年代在十堰市柳林溝內(nèi)（現(xiàn)十堰市地震局辦公樓背后山內(nèi)）開挖的一個(gè)人防山洞內(nèi)。山洞開挖在元古界，武當(dāng)群山體內(nèi)，圍巖主要為片巖，巖石較完整。觀測(cè)山洞已經(jīng)山體被覆，覆蓋厚度大約30米左右。滿足水管儀和伸縮儀的安裝要求。山洞距丹江口水庫的最小距離約為30公里，距漢江約為35公里，周邊10公里的范圍內(nèi)沒有水庫、1.5公里內(nèi)無河流溪水。觀測(cè)點(diǎn)3公里范圍內(nèi)無大型礦區(qū)和大型振動(dòng)源，5公里的范圍內(nèi)沒有采礦和爆破點(diǎn)，1.5公里范圍內(nèi)沒有高壓線、輸變電站等其他干擾因素。

（一）測(cè)點(diǎn)地形變數(shù)據(jù)異常概述

十堰柳林溝2套形變觀測(cè)儀器,分別為SS-Y型洞體應(yīng)變儀和DSQ型水管傾斜儀，均架設(shè)于山洞內(nèi)。設(shè)備符合設(shè)計(jì)要求。工作人員嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范的要求采集和處理前兆數(shù)據(jù)，處理后的數(shù)據(jù)及時(shí)報(bào)送形變臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心。儀器自2007年安裝運(yùn)行。DSQ水管儀至2013年以來固體潮清晰,除年變幅外基本保持穩(wěn)定。2013年中期NS分量年變特征有所變化,2017年7月初至2018年5月,NS分量出現(xiàn)快速北傾變化,幅度達(dá)到1039毫秒量級(jí),同期EW分量未出現(xiàn)明顯異常變化。SS-Y伸縮儀NS分量自2018年3月至10月,出現(xiàn)快速抬升變化,幅度達(dá)到32746-10。從多年對(duì)比來看,兩套儀器本次出現(xiàn)的異常均已打破整體年變趨勢(shì)。

（二）異常分析

對(duì)于地形變儀觀測(cè)的主要干擾因素，我們一般認(rèn)為主要包括儀器的觀測(cè)系統(tǒng)、內(nèi)外部的氣象因素和觀測(cè)點(diǎn)周邊和內(nèi)部的觀測(cè)環(huán)境等三類。柳林溝伸縮儀和水管儀，NS分量在出現(xiàn)異常后，十堰地震臺(tái)及省局監(jiān)測(cè)中心預(yù)報(bào)部、前兆部、維修部等，多家單位對(duì)該異常分量進(jìn)行了跟蹤分析，檢查維修。

測(cè)點(diǎn)觀測(cè)系統(tǒng)的檢查:在多次通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和儀器系統(tǒng)檢測(cè),我們認(rèn)為：（1）十堰柳林溝臺(tái)伸縮儀和水管儀主機(jī)、通信系統(tǒng)、供電線路、傳感器、供電設(shè)施等均正常運(yùn)行，無異常狀況出現(xiàn)，實(shí)時(shí)信號(hào)電壓和工作電壓均正常、觀測(cè)數(shù)據(jù)固體潮清晰光滑；（2）槽體、密封板、保溫板、等保溫封閉性良好無漏水現(xiàn)象；（3）2017年以來兩分量觀測(cè)精度均在5‰以內(nèi)，處于全國(guó)優(yōu)等水平；月均變化在1%以內(nèi)，處于穩(wěn)定狀態(tài)；（4）對(duì)比最近4次標(biāo)定結(jié)果表明,標(biāo)定誤差等均符合要求，觀測(cè)系統(tǒng)正常；（5）對(duì)形變儀器儀速率變化的計(jì)算結(jié)果和儀器實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合，說明儀器記錄的數(shù)據(jù)變化是真實(shí)的；（6）2016年以來對(duì)儀器檢修等人為干擾沒有造成伸縮儀和水管儀、長(zhǎng)趨勢(shì)的改變，并且儀器周邊觀測(cè)山洞內(nèi)部無其他人類活動(dòng)干擾，可以排除人為干擾、觀測(cè)失誤、系統(tǒng)故障等影響。綜合以上所述，十堰市柳林溝地震臺(tái)形變儀觀測(cè)系統(tǒng)，工作運(yùn)行正常，記錄到的數(shù)據(jù)變化真實(shí)可靠。

氣象因素分析：通過對(duì)降雨、氣壓、氣溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析，認(rèn)為：(1)對(duì)十堰臺(tái)降雨資料查詢,可以看出相對(duì)2014～2016年來說，2017年的降雨量總體上偏多，但累積50mm降雨主要發(fā)生在8月份以后，在時(shí)間上要遲于7月18日異常的發(fā)生。從地質(zhì)地貌來看，十堰市柳林溝山洞洞頂?shù)母采w層厚度約為30米，由元古界武當(dāng)群片巖組成，巖石比較完整，山頂植被茂盛，近幾年來沒有明顯的變化。同時(shí)，山洞走向與所處山脊走向大體一致，東西兩端排水通暢，難以聚集大量雨水。因此基本排除本次異常是由于降雨等氣象因素引起的可能性。（2）十堰臺(tái)氣壓資料呈典型的冬高夏低的正常年變特征，2013年低以來氣壓年變化規(guī)律清晰，沒有明顯變化。十堰臺(tái)的氣壓資料與儀器資料對(duì)比可以看出，2017年下半年氣壓沒有明顯趨勢(shì)性變化，也沒有見其對(duì)形變資料產(chǎn)生明顯的異常同步干擾。(3)十堰臺(tái)外部氣溫和山洞洞室溫度與NS向資料變化相對(duì)比，變化顯示出正常的年變動(dòng)態(tài)，2017年曲線與往年比較呈現(xiàn)出正常的年變特征，2017年山洞洞室內(nèi)部溫度和洞室外氣溫未對(duì)水管儀、伸縮儀NS向的資料造成干擾。

內(nèi)部觀測(cè)環(huán)境調(diào)查,發(fā)現(xiàn)該觀測(cè)點(diǎn)的洞室內(nèi)部環(huán)境與周圍觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行了細(xì)致的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)整個(gè)山洞除北向入口處留有唯一進(jìn)出口外，其他洞口均用混泥土徹底密封，山洞洞室內(nèi)總共建有5道通道密封門，所有密封的通道門均能正常關(guān)閉沒有破損情況，能夠很好地隔絕洞室外部氣流進(jìn)入干擾，說明洞室內(nèi)密封性、保溫性良好，與外界氣流隔絕良好，洞室溫度最大變幅為0.09度，說明洞室密封性較好，地形變儀記錄未受到洞室溫度的干擾。

外部觀測(cè)環(huán)境調(diào)查,十堰市柳林溝臺(tái)形變觀測(cè)設(shè)備南側(cè)大約150米左右處，有一處工地正在搞開發(fā)建設(shè)居住樓盤。自8月下旬開始動(dòng)工，目前場(chǎng)地大部分已開挖平整。臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境示意圖，圖中橙色粗線為山洞走向示意，藍(lán)色實(shí)線為臺(tái)站觀測(cè)儀器布設(shè)位置，紫色虛線內(nèi)為開挖范圍。

（三）荷載干擾計(jì)算

針對(duì)十堰柳林溝臺(tái)站附近施工開挖對(duì)觀測(cè)產(chǎn)生的影響，采用邱澤華、馬棟（邱澤華等，2004）等提出的干擾源荷載引起的傾斜變化量計(jì)算模型進(jìn)行細(xì)致分析，該分析方法主要是針對(duì)傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)受地面載荷引起的變化干擾，在建立三維無限半空間邊界上作用集中荷載模型，可求出干擾載荷引起的傾斜變化量。計(jì)算十堰柳林溝臺(tái)站西南向新挖山體的地表荷載變化對(duì)儀器的影響，本次的建筑施工所造成的傾斜影響從計(jì)算結(jié)果來看是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于限定指標(biāo)的。因此，我們可以認(rèn)為是該處施工建設(shè)的荷載變化對(duì)十堰柳林溝形變臺(tái)伸縮和水管、NS分量的觀測(cè)數(shù)據(jù)造成一定影響。

（四）異常情況判定

（1）十堰柳林溝形變臺(tái)形變儀器觀測(cè)系統(tǒng)工作正常運(yùn)行，記錄到的數(shù)據(jù)變化真實(shí)可靠。

（2）降雨資料表明，2017年10日累積50mm降雨過程主要發(fā)生在8月份，遲于異常的出現(xiàn)，50mm以下降雨過程在前期觀測(cè)中未發(fā)現(xiàn)造成數(shù)據(jù)出現(xiàn)類似趨勢(shì)性異常。臺(tái)站洞室溫度、氣壓等均未出現(xiàn)顯著變化。

（3）經(jīng)過我們現(xiàn)場(chǎng)的細(xì)致調(diào)查發(fā)現(xiàn)，儀器南側(cè)的山體施工開挖位置與形變儀器最小的距離僅為150米，根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，儀器南側(cè)山體外部施工建設(shè)所引起的傾斜變化量是遠(yuǎn)大于傾斜干擾的限定指標(biāo)，是能夠?qū)κ吡譁闲巫兣_(tái)的形變觀測(cè)數(shù)據(jù)造成一定的影響。

綜合上述分析我們認(rèn)為，伸縮儀和水管儀，自2017年7月以來出現(xiàn)的數(shù)據(jù)異常主要是受到儀器南側(cè)150米處的山體開挖引起的干擾性異常。2018年10月以后外部施工結(jié)束，隨之形變儀器數(shù)據(jù)恢復(fù)正常狀態(tài)。