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(cè)中心站，河北保定071051

2)易縣地震臺(tái)，河北易縣071000

引言

SS-Y型伸縮儀是我國(guó)自行研制的適用于觀測(cè)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(cè)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(duì)SS-Y型伸縮儀觀測(cè)數(shù)據(jù)受各種干擾因素的影響形態(tài)進(jìn)行了異常分析[3-5]，其中樊冬等[4]對(duì)氣壓干擾進(jìn)行了系統(tǒng)分析，認(rèn)為伸縮儀觀測(cè)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(duì)洞體應(yīng)變觀測(cè)儀器的危害及成因；張娜等[7]和屈曼等[8]針對(duì)伸縮儀觀測(cè)資料受周圍荷載干擾進(jìn)行了模擬定量分析；楊婕等[9]發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)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(jìn)而影響伸縮儀的變化趨勢(shì)。以往對(duì)環(huán)境干擾造成的荷載干擾的異常分析，只是針對(duì)伸縮儀觀測(cè)資料短臨時(shí)段的異常形態(tài)進(jìn)行分析，本文筆者依據(jù)易縣地震臺(tái)2014—2021年伸縮儀觀測(cè)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(cè)資料受環(huán)境干擾造成的應(yīng)變量級(jí)的變化，為今后同類臺(tái)站出現(xiàn)類似異常情況提供有力依據(jù)。

1 易縣地震臺(tái)伸縮儀及周圍環(huán)境干擾概況

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

易縣臺(tái)SS-Y型伸縮儀觀測(cè)數(shù)據(jù)周圍主要的環(huán)境干擾是采石場(chǎng)、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(chǎng)概況：易縣臺(tái)形變山洞周圍共有兩處采石場(chǎng)。1#采石場(chǎng)位于易縣臺(tái)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(lái)每天開采量為2000 t，采石量巨大；2#采石場(chǎng)位于易縣地震臺(tái)站北偏東10°的保定市易縣梁各莊鎮(zhèn)鳳凰臺(tái)村2 km處，2019年開始以夜間開采為主。他們以整個(gè)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(tái)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(jìn)行了兩次梯田土方改造；③2021年3月8日在易縣臺(tái)形變山洞的西北方向，距離山洞大概135 m處，利用挖土機(jī)進(jìn)行平整土地、植樹，歷時(shí)34天。

2 伸縮儀觀測(cè)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(jìn)行定量計(jì)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(chǎng)總采石的重量作為重量變化，計(jì)算荷載對(duì)應(yīng)變觀測(cè)的影響，只需對(duì)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(tái)伸縮儀觀測(cè)數(shù)據(jù)異常分析

我們對(duì)2014年以來(lái)易縣臺(tái)SS-Y型伸縮儀觀測(cè)數(shù)據(jù)受環(huán)境干擾的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并利用邱澤華[10]文章中的三維模型進(jìn)行模擬定量計(jì)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(dá)到3 707.2×1 0?10，同洞室的水管傾斜儀NS測(cè)向出現(xiàn)同步異常變化，曲線持續(xù)S傾（圖2）。通過對(duì)2016年與2017年易縣地震臺(tái)形變山洞周圍環(huán)境地質(zhì)圖的對(duì)比，可清晰地看出，1#采石場(chǎng)采石量明顯比以前增加了很多，特別是2012年以后整個(gè)環(huán)境被破壞的很嚴(yán)重。經(jīng)三維模型定量計(jì)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(jí)上，大概相當(dāng)于此次量

圖2 易縣地震臺(tái)伸縮儀、水管儀傾斜儀2017年4月20日—5月10日觀測(cè)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(tái)伸縮儀NS測(cè)向2017年4月30日觀測(cè)數(shù)據(jù)01:47出現(xiàn)臺(tái)階，之后觀測(cè)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(jí)的26/37。

（2）易縣臺(tái)伸縮儀NS向自2019年11月26日起觀測(cè)曲線持續(xù)上升，呈張性變化，年變形態(tài)不同于2018年，同時(shí)段其他兩個(gè)測(cè)向未出現(xiàn)異常。2019年11月26日—12月10日伸縮儀NS向觀測(cè)數(shù)據(jù)異常累積幅度值達(dá)到304×1 0?8（圖3）。經(jīng)核實(shí)，此次易縣臺(tái)伸縮儀NS向觀測(cè)數(shù)據(jù)異常與圖1中2#采石場(chǎng)有關(guān)。通過三維模型定量計(jì)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(jí)上，大概相當(dāng)于此次量級(jí)的3/5。

圖3 易縣地震臺(tái)伸縮儀觀測(cè)曲線對(duì)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(tái)伸縮儀NE向自2017年1月1日起觀測(cè)曲線持續(xù)下降，2018年1月起曲線下降速率加快，趨勢(shì)呈壓縮變化。2017年1月1日—2018年6月14日伸縮儀NE向觀測(cè)數(shù)據(jù)異常累積下降幅度達(dá)到92.95×1 0?8（圖4）。經(jīng)核實(shí)，此次伸縮儀NE向觀測(cè)數(shù)據(jù)異常與圖1中1#采石場(chǎng)2017年以來(lái)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(jì)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(jí)上，大概相當(dāng)于此次量級(jí)的3/10。

圖4 易縣臺(tái)伸縮儀NE向2016—2018年觀測(cè)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(tái)伸縮儀EW向觀測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)異常累積值達(dá)697.8×1 0?10（圖5）。通過場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查，發(fā)現(xiàn)圖1中1#采石場(chǎng)在進(jìn)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(cè)數(shù)據(jù)異常的主要原因。通過三維模型定量計(jì)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(jí)上，大概相當(dāng)于此次量級(jí)的1/2。

圖5 易縣地震臺(tái)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(tái)伸縮儀NE向觀測(cè)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(lái)的觀測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)累積異常變化量達(dá)到421.89×（圖6）。通過對(duì)易縣臺(tái)伸縮儀周圍環(huán)境進(jìn)行核實(shí)，發(fā)現(xiàn)伸縮儀NE向觀測(cè)數(shù)據(jù)在2020年1月出現(xiàn)持續(xù)加速異常與易縣臺(tái)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(jì)算，算得挖土對(duì)伸縮儀NE向觀測(cè)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(tái)伸縮儀NE向2015年以來(lái)日值觀測(cè)數(shù)據(jù)圖Fig.6 Observation data of extensometer NE in Yixian Seismic Station since 2015

3 易縣臺(tái)伸縮儀觀測(cè)數(shù)據(jù)環(huán)境干擾異常特征討論

易縣地震臺(tái)SS-Y型伸縮儀三分向自2014年以來(lái)共出現(xiàn)5次異常，從這5次異常我們可以看到：①易縣臺(tái)伸縮儀NS測(cè)向2017年4月30日觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線持續(xù)呈拉張狀態(tài)與1#采石場(chǎng)荷載干擾有關(guān)；②易縣臺(tái)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(chǎng)荷載干擾有關(guān)；③易縣臺(tái)伸縮儀NE向2017年1月1日起觀測(cè)曲線持續(xù)下降異常變化與1#采石場(chǎng)荷載干擾有關(guān)；④2019年1月1日起易縣臺(tái)伸縮儀EW向觀測(cè)曲線持續(xù)上升，呈張性變化異常與1#采石場(chǎng)荷載干擾有關(guān)；⑤2020年1月起易縣臺(tái)伸縮儀NE向觀測(cè)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(tái)伸縮儀觀測(cè)數(shù)據(jù)受荷載干擾的異常特征（表1）進(jìn)行總結(jié)，可清晰地看到：

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

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

（3）荷載干擾源對(duì)伸縮儀觀測(cè)數(shù)據(jù)造成的荷載應(yīng)變量與干擾源出現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)短無(wú)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(tái)伸縮儀三分向NS測(cè)項(xiàng)、NE測(cè)項(xiàng)受到荷載干擾強(qiáng)度比EW向強(qiáng)，這主要與荷載干擾源的方向有關(guān)；

（5）易縣臺(tái)伸縮儀三分向受到荷載干擾時(shí)，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(tái)伸縮儀三分向觀測(cè)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(shí)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(duì)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(qiáng)度與模擬定量分析得到的應(yīng)變強(qiáng)度基本在同一個(gè)量級(jí)，就可以找到異常干擾源。