諸暨地震臺洞體應變觀測降雨期間影響因素分析

沈 鈺，戴陳兵，闞寶祥，徐夢林，方燕勛

(浙江省地震局，浙江 杭州 310013)

0 引言

伸縮儀是精密測量地殼巖體兩點間水平距離相對變化的儀器，適用于觀測地殼應變和固體潮水平分量的連續(xù)變化，為研究地震孕育過程中水平應變的變化規(guī)律提供數(shù)據(jù)。在實際觀測中，觀測環(huán)境變化導致的地形變異?，F(xiàn)象普遍存在，其對地形變觀測資料產(chǎn)生的影響不可忽視[1]。在現(xiàn)有文獻資料中，不少學者對觀測環(huán)境變化如何影響應變觀測數(shù)據(jù)已有較深入的研究[2-4]。如，河流水位、氣壓、降雨、承壓含水層卸載、地下水位、臺站周邊荷載等因素變化對地形變的影響。在實際問題的分析研究過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，地應變觀測數(shù)據(jù)的異常變化往往是多種因素共同導致的結果，需對多種可能的影響因素進行模擬計算和綜合分析。該文針對諸暨東和地震臺洞體應變在集中降雨期間存在的觀測數(shù)據(jù)異常上升現(xiàn)象，就臺站周邊可能存在的影響因素，收集所在地區(qū)溫度、氣壓、水庫水位等資料，進行影響因素的模擬計算和機理解釋，找出主要影響因素。

1 異常情況

1.1 基本情況介紹

諸暨東和地震臺位于浙江省諸暨市東和鄉(xiāng)的一處戰(zhàn)備山洞內(nèi)，距江山-紹興大斷裂2 km。山洞地處偏僻，附近人煙稀少，無工廠、抽水等干擾源。觀測山洞進深100 m，覆蓋層厚度15 m。通過梳理歷年觀測資料，發(fā)現(xiàn)該臺洞體應變觀測在集中降雨期間普遍存在NS、EW向異常上升的現(xiàn)象(見圖1)。

圖1 集中降雨期間SS-Y伸縮儀整點值曲線圖

1.2 儀器觀測原理

伸縮儀用于觀測應變固體潮，測量地殼表面兩點的應變量[4]，則：

式中：L為原地殼表面兩點間的距離(即基線長度)；L′為變化后地殼表面兩點間的距離；ΔL為基線長度的變化量；ε為兩點間的線應變量，表征單位長度的相對變化量。ε<0時，地層兩點間的距離減小，地層處于壓縮狀態(tài)；ε>0時，地層兩點間的距離增大，地層處于擴張狀態(tài)。

設εns為正南方向的線應變，εew為正東方向的線應變，地表平面的面應變?yōu)椋?/p>

εS=εns+εew。

取地層泊松比為0.25，則體應變?yōu)椋?/p>

2 降雨量擬合分析

伸縮儀在降雨時段表現(xiàn)出NS、EW向觀測值異常上升的趨勢，統(tǒng)計區(qū)間及統(tǒng)計樣本如表1所示。

表1 降雨期間SS-Y伸縮儀應變變化統(tǒng)計表

根據(jù)表1統(tǒng)計結果，體應變每次降雨過程的平均變化量約2 062.4×10-10，為最大日變幅的7.2倍，受降雨干擾顯著；在變化時間上，未出現(xiàn)對每次降雨過程有即時的異常反映，總體表現(xiàn)為體應變變化相對降雨過程較滯后。以伸縮儀日均值計算，體應變變化開始時間較降雨開始時間平均滯后1.7 d，結束時間平均滯后1.4 d。

將計算得到的體應變變化量與觀測到的降雨量進行線性擬合，得到的線性函數(shù)為：

y=26.783×x-624.4，

式中：x為降雨量；y為線應變變化量換算得到的體應變變化量(見第23頁圖2)。擬合結果表明，該臺應變變化量與降雨量呈明顯正相關，相關系數(shù)R為0.858 4。降雨量小于23.3 mm時，應變量無明顯變化；大于23.3 mm時，應變量隨降雨量的增加而增大，降雨每增加1 mm，應變量增大26.783×10-10。

圖2 應變量與降雨量的擬合關系

3 影響因素的模擬計算與數(shù)據(jù)對比

已有文獻資料表明，應變固體潮的異常變化主要與洞室溫度、大氣壓、集中降雨、臺站周邊蓄水體荷載等變化有關。洞室溫度變化影響傳感器的材料力學性質(zhì)，對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響[6]。大氣壓變化使觀測點附近巖體受到與巖體方向垂直的應力變化，對巖體應變量產(chǎn)生影響[2]。降雨期間，雨水一部分直接入滲臺站所在山體巖層，受雨水荷載附加垂向應力，應變表現(xiàn)為壓性變化[2]。臺站周邊分布有數(shù)個水庫，降雨期間水庫水位急劇變化導致水庫荷載及周圍巖體所受壓強變化，對巖體應變量產(chǎn)生影響[3]。降雨期間，觀測山洞密封性良好，洞溫恒定，影響較小，故只選取氣壓、水庫荷載等因素進行模擬計算，并與實際觀測到的臺站體應變變化量進行對比。

3.1 氣壓因素

諸暨臺無氣壓測項，筆者與氣象部門溝通，獲得天馬山(距離臺站4 km)2015-2019年氣壓觀測日均值數(shù)據(jù)。氣壓變化導致山體受大氣荷載作用產(chǎn)生畸變[2]。氣壓增大，山體受壓，應變減小，地層呈壓縮變化；氣壓減小，山體擴張，應變增大，地層呈拉張變化。氣壓變化導致山體應變變化量的理論值由下式計算：

式中：μ為地層泊松比，取值0.25；E為山體花崗斑巖彈性模量，取值5.14×1010Pa；Δp為氣壓變化量；Δε氣壓為氣壓變化導致的體應變變化量。

臺站附近氣象臺氣壓觀測數(shù)據(jù)表明，降雨開始時，大氣壓急劇降低；隨著降雨過程結束，大氣壓逐漸回升至正常背景值(見圖3)。計算得到，降雨時氣壓變化導致的應變變化理論值為實際值的0.84%～24.88%，平均占比9.49%，表明降雨期間氣壓變化對臺站應變觀測影響較小(見表2)。

圖3 降雨期間氣壓變化

表2 降雨期間氣壓影響計算表

3.2 水庫荷載因素

臺站附近有4個較大水庫，分別為西巖水庫、金家灣水庫、新豐水庫和陳蔡水庫(見圖4)。其中，西巖水庫距臺站最近，為0.9 km；陳蔡水庫面積最大，為3.57 km2。諸暨臺伸縮儀觀測數(shù)據(jù)異常增大的現(xiàn)象通常伴隨降雨期間臺站周邊水庫水位的上漲(第24頁圖5為距離臺站最近的西巖水庫的水位值變化)。降雨期間，水庫荷載增加，導致臺站地層應力產(chǎn)生壓性變化。

圖4 臺站周邊水庫位置分布

圖5 體應變與西巖水庫水位、降雨量的對比

據(jù)邱澤華三維集中載荷模型[7]，水庫載荷變化對臺站產(chǎn)生的最大應變變化量為：

式中：F為庫容重力的變化量；x為水庫至臺站的距離；z為臺站與水庫的海拔差；E為臺站附近花崗斑巖的彈性模量，取值5.14×1010Pa；μ為地層泊松比，取值0.25；λ和G為拉梅常數(shù)。由該式計算得出，距離最近的西巖水庫降雨期間載荷變化干擾因素平均占3.60%，面積最大的陳蔡水庫平均占0.65%，表明降雨期間水庫載荷變化對臺站應變觀測影響較小(見第25頁表3)。

表3 降雨期間臺站附近水庫載荷變化干擾統(tǒng)計表

3.3 地下水位因素

降雨期間，洞體應變觀測受溫度、氣壓、水庫荷載影響均較小。由于洞體應變在降雨期間呈拉張性異常變化，故雨水滲入山體對洞體產(chǎn)生垂向壓力的解釋對諸暨臺不適用。推測降雨期間受地下水位影響較大，現(xiàn)作定量分析加以佐證。

諸暨臺目前無地下水位觀測資料。西巖水庫距臺站0.9 km，兩者均處于山地與平原的過渡地帶。上游地區(qū)海拔上千米，落差大、流速快；下游地區(qū)坡度緩、流速小(見圖6)。干旱無雨時，臺站所處地區(qū)地下水位高于下游低海拔平原地區(qū)，地下徑流方向從山地指向平原，地下潛水向低海拔地區(qū)排泄，潛水位緩慢降低；集中降雨時，臺站所處地區(qū)位于上游高海拔地區(qū)的匯水區(qū)，大量降水和流速較快的上游來水無法及時排泄到下游平原地區(qū)，臺站所處地區(qū)地下潛水位和水庫水位同步急劇上升。因臺站所處地區(qū)潛水位和西巖水庫水位均受整體地形因素的影響，在集中降雨期間，可將臺站地下潛水位的變化幅度和西巖水庫水位的變化幅度做近似處理。

圖6 臺站附近地形及水流流向圖

通過計算得到，降雨期間西巖水庫水位每上升1 m，對應臺站體應變變化平均值為1 046×10-10(見第26頁表4)。理論上，地下水位變化對地層產(chǎn)生的體應變變化量由下式計算：

表4 降雨期間SS-Y伸縮儀應變變化及西巖水庫水位變化統(tǒng)計表

式中：μ為地層泊松比，取值0.25；E為臺站山體花崗斑巖彈性模量，取值5.14×1010Pa；ρ為水的密度，取值為1×103kg/m3；g為重力加速度，取值為9.8 N/kg。可以得出，地下水位每上升1 m，引起地層體應變的理論值為953×10-10，理論值為觀測值的91.1%，兩者較為接近，說明降雨期間臺站附近西巖水庫水位變化與臺站洞體應變觀測數(shù)據(jù)異常變化的相關性較強。

4 干擾機理綜合分析

由模擬計算得到，降雨期間地應變主要受地下水位變化影響，氣壓和水庫荷載變化影響較小(見第26頁表5)。下面對氣壓、水庫荷載、地下水位干擾因素影響機理進行分析。

表5 降雨期間SS-Y伸縮儀影響因素統(tǒng)計

氣壓對山體表面產(chǎn)生垂直向下的壓力p大氣。降雨期間，臺站附近氣壓減小，山體擴張，地層兩點間距離增大，導致伸縮儀觀測數(shù)據(jù)增大。由氣壓因素模擬計算得到，降雨時氣壓變化引起地應變變化的理論值占地應變觀測值的9.49%。

臺站附近水庫對臺站所在地層產(chǎn)生垂直向下的載荷作用p水庫。降雨期間，水庫載荷增加，導致地層受壓，地層兩點間距離減小，伸縮儀觀測數(shù)據(jù)減小。由水庫載荷因素模擬計算得到，降雨時臺站附近水庫載荷變化引起地層壓應變的理論值占地應變觀測值的0.65%～3.60%。

降雨期間，臺站洞體應變觀測主要受地下水位上升影響。根據(jù)太沙基有效應力原理[8]，地層干旱缺水時，地層總應力由地層巖石骨架的支撐作用單獨承擔；地下潛水位上升時，地層總應力由地層孔隙水的浮托作用和地層巖石骨架的支撐作用共同承擔，即：

p總=p水+p骨架，

式中：p總為地層總應力；p水為地層孔隙水垂直向上的浮托力；p骨架為地層巖石骨架垂直向上的支撐力，為地層實際應力。降雨開始后，部分降水填充土壤包氣帶，其余降水在重力作用下滲到巖石孔隙中，地下潛水位快速上漲。地下水位上漲導致地層孔隙水的浮托力p水增大，巖石骨架的支撐力p骨架減小，巖石顆粒間排列更加松散，觀測到的地層兩點間的距離L′增大，即地應變增大，地層處于擴張狀態(tài)。由地下水位上升因素模擬計算得到，降雨期間地下水位上升引起地應變變化的理論值占地應變觀測值的91.1%。

對伸縮儀傳感器所處位置進行綜合受力分析，由于受到大氣垂直于地面向下的壓力p大氣、上覆山體向下的圍壓p上覆地層、周邊水庫對該點向下的載荷作用p水庫、地下水對地層向上的浮托力p水、巖石骨架向上的支撐力p骨架(p大氣+p上覆地層+p水庫+p水+p骨架)。降雨期間，氣壓減小，導致大氣垂直于地面向下的壓力p大氣減??；地下水位上升Δh，巖石孔隙被水充填，導致地下水對地層向上的浮托力p水增大；上覆山體向下的圍壓p上覆地層不變，周邊水庫對該點向下的載荷作用p水庫增大。故臺站所處地區(qū)地層應力p骨架減小，地殼呈拉張態(tài)勢(見圖7)。

圖7 降雨期間臺站位置受力示意圖

降水落到地表，經(jīng)包氣帶調(diào)蓄之后，補給地下潛水[9]，故降水落到地面與地下潛水位產(chǎn)生變化之間存在時間差，地應變變化開始時間滯后于降雨開始時間。當單次降雨量無法補足長時間未下雨導致的包氣帶水分虧缺時，潛水位未產(chǎn)生變化，因而并非每次降雨均導致臺站洞體應變觀測數(shù)據(jù)異常上升。降雨結束后，包氣帶和巖石孔隙中多余的降水仍不斷運移至潛水層，導致潛水位繼續(xù)上漲，直至不再自由向下運移，地應變停止變化。降雨結束后數(shù)天，隨著潛水徑流和蒸發(fā)，地下潛水位下降，地應變逐漸恢復正常。由于研究區(qū)所處山區(qū)植被覆蓋度較高，其蓄水容量較大且蒸發(fā)量較小[10]，加之處于上游高海拔地區(qū)的匯水區(qū)，大量降水和上游來水無法及時排泄到下游平原地區(qū)，導致降雨期間潛水位上漲幅度較大，對臺站洞體應變觀測影響顯著。

5 結論和討論

通過對浙江省諸暨地震臺洞體應變觀測降雨期間影響因素的研究，得出以下結論：

(1)諸暨臺洞體應變觀測資料受降雨影響較為顯著。降雨期間，該臺站應變變化量與降雨量之間呈明顯正相關，相關系數(shù)達0.858 4。

(2)諸暨臺洞體應變觀測受降雨期間氣壓、水庫荷載變化等因素影響較小，觀測數(shù)據(jù)異常上升主要與降雨期間臺站所在地區(qū)地下水位上升有關。

(3)諸暨臺地處山區(qū)，蓄水容量較大且蒸發(fā)量較小，降雨期間上游來水流速快，無法及時排泄，地下水位快速上漲，導致洞體應變觀測受降雨干擾顯著。