SS-Y型伸縮儀環(huán)境干擾的異常研究＊

張 娜 龔燕民

1) 保定地震監(jiān)測中心站，河北保定071051

2)易縣地震臺，河北易縣071000

引言

SS-Y型伸縮儀是我國自行研制的適用于觀測地殼應(yīng)變和固體潮水平分量連續(xù)變化的儀器，目的是研究地震孕育過程中水平應(yīng)變的變化規(guī)律[1]。SS-Y型伸縮儀觀測資料不僅能反應(yīng)地殼應(yīng)變信息，而且還包括各種自然因素信息（氣壓、溫度、降雨、濕度、雷電和大風(fēng)等）[2-3]，以及各種環(huán)境干擾信息（荷載干擾、抽水干擾等）。很多學(xué)者對SS-Y型伸縮儀觀測數(shù)據(jù)受各種干擾因素的影響形態(tài)進行了異常分析[3-5]，其中樊冬等[4]對氣壓干擾進行了系統(tǒng)分析，認為伸縮儀觀測曲線與氣壓變化呈正相關(guān)；趙希磊等[6]分析環(huán)境潮濕對洞體應(yīng)變觀測儀器的危害及成因；張娜等[7]和屈曼等[8]針對伸縮儀觀測資料受周圍荷載干擾進行了模擬定量分析；楊婕等[9]發(fā)現(xiàn)在強降水影響下，山體巖石體積發(fā)生膨脹，產(chǎn)生不均勻變形，進而影響伸縮儀的變化趨勢。以往對環(huán)境干擾造成的荷載干擾的異常分析，只是針對伸縮儀觀測資料短臨時段的異常形態(tài)進行分析，本文筆者依據(jù)易縣地震臺2014—2021年伸縮儀觀測數(shù)據(jù)資料環(huán)境荷載干擾變化，利用三維模型定量分析，系統(tǒng)地總結(jié)歸納伸縮儀觀測資料受環(huán)境干擾造成的應(yīng)變量級的變化，為今后同類臺站出現(xiàn)類似異常情況提供有力依據(jù)。

1 易縣地震臺伸縮儀及周圍環(huán)境干擾概況

易縣地震臺（以下簡稱易縣臺）伸縮儀安裝在距離易縣臺1 km的易縣華蓋山的觀測硐室，此形變山洞呈北東東走向，長200 m，共有7個洞室，海拔為350 m，是19世紀50年代人工開鑿的軍隊備用山洞。形變山洞頂部覆蓋層厚約40 m，巖性底部為閃長巖，洞室洞溫13.0±0.3℃，保溫效果很好。易縣臺伸縮儀在2000年進行了更新，型號由SSY-Ⅱ型升級為SS-Y型，2013年11月29—30日進行儀器更換，將原電渦流傳感器更換為差動變壓傳感器，位移由43.79μm變?yōu)?7.1μm，共有NS、EW、NE 3個測項，儀器更換后NS測向基線長變?yōu)?0.17 m，EW測向基線長變?yōu)?5.85 m，NE測向基線長變?yōu)?5.38 m。

易縣臺SS-Y型伸縮儀觀測數(shù)據(jù)周圍主要的環(huán)境干擾是采石場、挖土及房屋荷載干擾（圖1）。

圖1 伸縮儀周圍環(huán)境干擾示意圖Fig.1 Schematic diagram of environmental disturbance around extensometer

（1）采石場概況：易縣臺形變山洞周圍共有兩處采石場。1#采石場位于易縣臺山洞東邊，距離形變山洞最近處為1.856 km，位于保定市易縣梁各莊鎮(zhèn)半壁店村，開采主要采取原始爆破形式，現(xiàn)已停止開采。2014年成立巨石礦業(yè)公司，2019年以來每天開采量為2000 t，采石量巨大；2#采石場位于易縣地震臺站北偏東10°的保定市易縣梁各莊鎮(zhèn)鳳凰臺村2 km處，2019年開始以夜間開采為主。他們以整個山體中軸為中心，山體東面主要以挖土為主，山體西面主要以采石為主。

（2）挖土及房屋荷載干擾概況：①易縣臺形變山洞北偏西177 m處新出現(xiàn)了一處別墅，2019年11月開始打地基，2020年3月開始建造，8月完工，房屋為22 m×12 m×10 m的3層別墅；② 2020年3月和8月在距離山洞洞口100 m左右進行了兩次梯田土方改造；③2021年3月8日在易縣臺形變山洞的西北方向，距離山洞大概135 m處，利用挖土機進行平整土地、植樹，歷時34天。

2 伸縮儀觀測數(shù)據(jù)環(huán)境干擾異常分析

2.1 三維模擬定量分析方法介紹

本文根據(jù)邱澤華[10]文章中的三維模型進行定量計算，即忽略載荷變化的形狀和面積，只重視重量的變化，這里把采石場總采石的重量作為重量變化，計算荷載對應(yīng)變觀測的影響，只需對x水平方向求導(dǎo)即可，具體公式為：

式中，F(xiàn)為集中力，λ和G為拉梅常數(shù)，x，y和z為位移距離。

2.2 易縣臺伸縮儀觀測數(shù)據(jù)異常分析

我們對2014年以來易縣臺SS-Y型伸縮儀觀測數(shù)據(jù)受環(huán)境干擾的異常數(shù)據(jù)進行分析，并利用邱澤華[10]文章中的三維模型進行模擬定量計算，共出現(xiàn)5次短臨異常，具體如下：間伸縮儀NS向累積上升幅度達到3 707.2×1 0?10，同洞室的水管傾斜儀NS測向出現(xiàn)同步異常變化，曲線持續(xù)S傾（圖2）。通過對2016年與2017年易縣地震臺形變山洞周圍環(huán)境地質(zhì)圖的對比，可清晰地看出，1#采石場采石量明顯比以前增加了很多，特別是2012年以后整個環(huán)境被破壞的很嚴重。經(jīng)三維模型定量計算，算得此次開采造成載荷應(yīng)變量為26.2×10?8，與此次異常在同一量級上，大概相當于此次量

圖2 易縣地震臺伸縮儀、水管儀傾斜儀2017年4月20日—5月10日觀測數(shù)據(jù)分鐘值曲線Fig.2 Minute value curve of extensometer and water pipe tiltmeter in Yixian Seismic Station on April 20 to May 10 in 2017

（1）易縣臺伸縮儀NS測向2017年4月30日觀測數(shù)據(jù)01:47出現(xiàn)臺階，之后觀測曲線持續(xù)呈拉張狀態(tài)，異常變化幅度在2017年4月30日—5月6日期級的26/37。

（2）易縣臺伸縮儀NS向自2019年11月26日起觀測曲線持續(xù)上升，呈張性變化，年變形態(tài)不同于2018年，同時段其他兩個測向未出現(xiàn)異常。2019年11月26日—12月10日伸縮儀NS向觀測數(shù)據(jù)異常累積幅度值達到304×1 0?8（圖3）。經(jīng)核實，此次易縣臺伸縮儀NS向觀測數(shù)據(jù)異常與圖1中2#采石場有關(guān)。通過三維模型定量計算，算得此次開采造成載荷應(yīng)變量為191× 10?8，與此次異常在同一量級上，大概相當于此次量級的3/5。

圖3 易縣地震臺伸縮儀觀測曲線對比圖（11月1日—12月10日，2018和2019年）Fig.3 Comparative of observation curve of Yixian Seismic Station extensometer （November 1 to December 10，in 2018 and 2019）

（3）易縣臺伸縮儀NE向自2017年1月1日起觀測曲線持續(xù)下降，2018年1月起曲線下降速率加快，趨勢呈壓縮變化。2017年1月1日—2018年6月14日伸縮儀NE向觀測數(shù)據(jù)異常累積下降幅度達到92.95×1 0?8（圖4）。經(jīng)核實，此次伸縮儀NE向觀測數(shù)據(jù)異常與圖1中1#采石場2017年以來的大量石料開采造成的荷載干擾有關(guān)。通過三維模型定量計算，算得此次開采造成的載荷應(yīng)變量為27×10?8，與此次異常在同一量級上，大概相當于此次量級的3/10。

圖4 易縣臺伸縮儀NE向2016—2018年觀測分鐘值曲線Fig.4 Observed minute value curve of extensometer NE in Yixian Seismic Station from 2016 to 2018

（4）2019年1月1日起易縣臺伸縮儀EW向觀測曲線持續(xù)上升，呈張性變化，而2019年3月年變形態(tài)本應(yīng)呈壓性變化，反而轉(zhuǎn)為張性變化，直至4月才恢復(fù)正常，年變曲線形態(tài)不同于以往。2019年3月8日—4月8日伸縮儀EW向觀測數(shù)據(jù)異常累積值達697.8×1 0?10（圖5）。通過場地環(huán)境調(diào)查，發(fā)現(xiàn)圖1中1#采石場在進村的材料室門口堆放了1.581×106t的石料，這些石料荷載是造成此次伸縮儀EW向觀測數(shù)據(jù)異常的主要原因。通過三維模型定量計算，算得此次開采造成的載荷應(yīng)變量為3.14×10?8，與此次異常在同一量級上，大概相當于此次量級的1/2。

圖5 易縣地震臺洞體應(yīng)變EW分量分鐘值曲線Fig.5 Minute value curves of hole strain EW component of Yixian Seismic Station

（5）2020年1月起易縣臺伸縮儀NE向觀測數(shù)據(jù)持續(xù)加速上升，呈拉張狀態(tài)，從伸縮儀NE向2015年以來的觀測數(shù)據(jù)的年變形態(tài)可以清晰地看出，2020年和2021年年變曲線形態(tài)與以往完全不同，出現(xiàn)異常，值得注意。2020年1月—2021年5月，伸縮儀

10?8NE向觀測數(shù)據(jù)累積異常變化量達到421.89×（圖6）。通過對易縣臺伸縮儀周圍環(huán)境進行核實，發(fā)現(xiàn)伸縮儀NE向觀測數(shù)據(jù)在2020年1月出現(xiàn)持續(xù)加速異常與易縣臺形變山洞北偏西177 m新出現(xiàn)的房屋基建，及2020年3月底張村民在山洞洞口西偏北方向，距離山洞洞口304 m左右的第1次梯田土方改造、2020年8月在山洞洞口正西方向，距離山洞洞口100 m左右的第2次土方改造造成的荷載有關(guān)。通過三維模型定量計算，算得挖土對伸縮儀NE向觀測數(shù)據(jù)造成的應(yīng)變量為0.65×10?9，3層別墅造成的荷載應(yīng)變量為6.5× 10?6。

圖6 易縣臺伸縮儀NE向2015年以來日值觀測數(shù)據(jù)圖Fig.6 Observation data of extensometer NE in Yixian Seismic Station since 2015

3 易縣臺伸縮儀觀測數(shù)據(jù)環(huán)境干擾異常特征討論

易縣地震臺SS-Y型伸縮儀三分向自2014年以來共出現(xiàn)5次異常，從這5次異常我們可以看到：①易縣臺伸縮儀NS測向2017年4月30日觀測數(shù)據(jù)曲線持續(xù)呈拉張狀態(tài)與1#采石場荷載干擾有關(guān)；②易縣臺伸縮儀NS向2019年11月26日年變形態(tài)出現(xiàn)異常變化與2#采石場荷載干擾有關(guān)；③易縣臺伸縮儀NE向2017年1月1日起觀測曲線持續(xù)下降異常變化與1#采石場荷載干擾有關(guān)；④2019年1月1日起易縣臺伸縮儀EW向觀測曲線持續(xù)上升，呈張性變化異常與1#采石場荷載干擾有關(guān)；⑤2020年1月起易縣臺伸縮儀NE向觀測數(shù)據(jù)持續(xù)加速上升，呈拉張狀態(tài)變化與房屋基建、土方改造荷載干擾有關(guān)。

我們將5次異常原因與易縣臺伸縮儀觀測數(shù)據(jù)受荷載干擾的異常特征（表1）進行總結(jié)，可清晰地看到：

表1 伸縮儀觀測數(shù)據(jù)受荷載干擾的異常特征Table 1 Abnormal characteristics of observed data of extensometer disturbed by load

（1）易縣臺形變山洞周圍的荷載干擾對伸縮儀三分向都造成不同程度的異常干擾，但是異常觀測曲線變化幅度不同，主要與荷載干擾量級呈正相關(guān)；

（2）荷載干擾源距伸縮儀觀測洞室2 km以內(nèi)才會造成易縣臺伸縮儀三分向觀測數(shù)據(jù)的短臨異常；

（3）荷載干擾源對伸縮儀觀測數(shù)據(jù)造成的荷載應(yīng)變量與干擾源出現(xiàn)的時間長短無關(guān)，只與干擾源的距離、荷載量有關(guān)，并且呈正相關(guān)；

（4）易縣臺伸縮儀三分向NS測項、NE測項受到荷載干擾強度比EW向強，這主要與荷載干擾源的方向有關(guān)；

（5）易縣臺伸縮儀三分向受到荷載干擾時，曲線異常形態(tài)基本呈拉張狀態(tài)；

（6）通過三維模型模擬定量分析可以清晰地發(fā)現(xiàn)，模擬荷載干擾定量應(yīng)變量異常大部分小于易縣臺伸縮儀三分向觀測數(shù)據(jù)異常變化應(yīng)變量，原因是模擬定量分析與荷載干擾的重量有關(guān)。實際上，我們選取的模型基本是正規(guī)體，并且介質(zhì)是同一介質(zhì)，這樣就存在相對誤差，但是我們只是為了尋找異常干擾源，只要荷載干擾造成的應(yīng)變強度與模擬定量分析得到的應(yīng)變強度基本在同一個量級，就可以找到異常干擾源。