木拉提江?阿不來(lái)提 金花 毛玉劍
摘要:應(yīng)用相關(guān)性分析和小波分析方法,研究氣壓、水位與榆樹(shù)溝分量應(yīng)變之間的關(guān)系及影響機(jī)制,結(jié)果表明:(1) 水位是榆樹(shù)溝分量應(yīng)變長(zhǎng)周期變化的主要影響因素,尤其對(duì)分量應(yīng)變EW、NE向影響較顯著,表現(xiàn)為中高度線性負(fù)相關(guān);2016—2018年EW向相位滯后水位約1 d,NE向相位滯后水位約8 d;2019—2021年EW向相位滯后水位約4 d,NE向相位滯后水位約7 d;(2) 氣壓是分量應(yīng)變短周期變化的主要影響因素,EW、NW向?qū)ζ漤憫?yīng)更為靈敏,表現(xiàn)為中高度線性負(fù)相關(guān);EW向與氣壓不存在相位滯后,NW向相位滯后氣壓約55 min;(3) 小波分析結(jié)果顯示,氣壓對(duì)EW分量影響的顯著頻段為26~28min 、210~215min,對(duì)NW分量影響的顯著頻段為26~28min、211~214min。
關(guān)鍵詞:榆樹(shù)溝;分量應(yīng)變;小波分析;氣壓;水位
doi:10.16256/j.issn.1001-8956.2023.03.011
地殼在形變、應(yīng)變過(guò)程中會(huì)引發(fā)地震,因此地殼應(yīng)力應(yīng)變觀測(cè)是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的重要手段。分量式鉆孔應(yīng)變儀是記錄地殼應(yīng)變,研究地球物理過(guò)程和地球動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)觀測(cè)儀器[1],具有觀測(cè)精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、頻帶寬、安裝可靠等特點(diǎn)。本文以榆樹(shù)溝分量應(yīng)變?yōu)檠芯繉?duì)象,應(yīng)用相關(guān)性分析及小波分析方法,定量研究氣壓、水位對(duì)榆樹(shù)溝分量式鉆孔應(yīng)變的影響特征,并對(duì)影響機(jī)制進(jìn)行探討。
由于分量式鉆孔應(yīng)變建立在地殼淺層,受到水圈、大氣圈、人類(lèi)活動(dòng)等信息的影響[2]。干擾源種類(lèi)多,影響機(jī)制復(fù)雜,干擾與地震異常形態(tài)有時(shí)難以區(qū)分,給地球物理觀測(cè)異常的判定增加了難度[3]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于氣壓、水位對(duì)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料的影響做了大量研究。李國(guó)斌[4]運(yùn)用相關(guān)性分析得出固原體應(yīng)變與水位長(zhǎng)期存在高度負(fù)相關(guān),與氣壓短期存在高度正相關(guān)。邱澤華[5]在對(duì)分量鉆孔應(yīng)變臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)進(jìn)行評(píng)估時(shí),得出氣壓對(duì)分量應(yīng)變4個(gè)分量存在不同程度響應(yīng);劉琦[6]分析了44套氣壓、水位與YRY-4應(yīng)變觀測(cè)間的關(guān)系,并對(duì)應(yīng)變資料作了綜合質(zhì)量評(píng)價(jià);馬京杰[7]、李杰[8]通過(guò)對(duì)具有典型代表的7套鉆孔體應(yīng)變資料分析,發(fā)現(xiàn)氣壓是體應(yīng)變觀測(cè)關(guān)鍵影響因素;張凌空等[9]計(jì)算了寶坻、東三旗及張家口3個(gè)臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù),得出短周期氣壓增大時(shí)體應(yīng)變壓性增強(qiáng)且基本同步,長(zhǎng)周期氣壓的影響則沒(méi)有得出統(tǒng)一的結(jié)論;周龍壽[10]研究發(fā)現(xiàn)作用在地表上的氣壓波動(dòng)能夠產(chǎn)生10-9量級(jí)的地殼應(yīng)變;楊小林[11]用傳遞函數(shù)對(duì)陜西4 套體應(yīng)變與氣壓分頻進(jìn)行頻響分析,得出低頻帶(0.1~0.5 cpd) 氣壓響應(yīng)的穩(wěn)定性最好;李廣科等[12]利用相關(guān)、回歸分析對(duì)重慶庫(kù)區(qū)多套水位、氣壓與鉆孔應(yīng)變進(jìn)行相關(guān)性分析及剔除研究;郝冉[13]通過(guò)分析得出徐州臺(tái)分量應(yīng)變受降雨、抽水、雷暴干擾影響顯著;斯琴[14]通過(guò)融雪變化研究水位對(duì)分量應(yīng)變的影響,并建立回歸模型,對(duì)干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證;盧雙苓[15]、賈媛[16]利用載荷模型反演抽水對(duì)泰安臺(tái)分量應(yīng)變的影響及機(jī)制,得出抽水干擾過(guò)程的影響與抽水自身載荷相比更為顯著。
1 觀測(cè)概況
榆樹(shù)溝觀測(cè)站位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)葛家溝村,烏魯木齊河以東,屬無(wú)人值守觀測(cè)站,臺(tái)站高程1 089 m。構(gòu)造上位于西山斷裂和博格達(dá)北緣斷裂轉(zhuǎn)換部位,觀測(cè)山洞主要由黑灰色的頁(yè)巖、板巖和灰質(zhì)砂巖互層排列構(gòu)成,巖層產(chǎn)狀基本一致。由于巖性的抗風(fēng)化差異,頁(yè)巖被侵蝕成低地和溝壑,尤其是厚層的0.8~1.2 m較抗風(fēng)化,形成突兀的巖墻和陡崖地貌,附近有較明顯的斷層破碎帶。地層傾向約為325°,巖層傾角偏大,在60°~70°之間,形成北西向陡傾的單斜山(圖1)。
增設(shè)分量式鉆孔應(yīng)變(RZB-2)觀測(cè)。榆樹(shù)溝分量應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)由井下探頭和地面主機(jī)、數(shù)采等設(shè)備組成。2014年6月28日安裝完畢,由于在山洞內(nèi)新鉆孔,鉆孔深度較淺,僅35 m,孔徑133 mm,同時(shí)安裝了溫度、氣壓、水位等輔助觀測(cè)。應(yīng)變探頭安裝深度為31~33 m,水位探頭在井下11.6 m,溫度探頭安裝深度為20 m,氣壓探頭安裝深度為18.5 m。井下探頭內(nèi)水平安裝4個(gè)位移傳感器,傳感元件采用三極板差動(dòng)式電容傳感器,其3塊平行金屬極板構(gòu)成了2個(gè)差動(dòng)變化的電容器,傳感器被安裝在井下探頭內(nèi),1#傳感器方位為N 49°E,其余2、3、4#傳感器順時(shí)針45°排列(圖2)。2014年9月試運(yùn)行觀測(cè),2015年7月1日接入新疆地震局地球物理臺(tái)網(wǎng)服務(wù)器正式運(yùn)行,儀器運(yùn)行穩(wěn)定,資料連續(xù),固體潮清晰,各分量應(yīng)變潮汐因子值相對(duì)穩(wěn)定,符合分量應(yīng)變自檢原理及形變臺(tái)站運(yùn)行細(xì)則規(guī)范要求。
2 數(shù)據(jù)分析
2.1 水位對(duì)分量應(yīng)變的影響
選取2016年1月至2021年12月榆樹(shù)溝分量應(yīng)變四分量數(shù)據(jù)與輔助觀測(cè)水位日均值為研究對(duì)象,進(jìn)行相關(guān)性分析。從變化形態(tài)上看,2016—2018年榆樹(shù)溝分量應(yīng)變NS、EW、NW分量呈趨勢(shì)性拉張,NE分量呈趨勢(shì)壓縮特征;氣壓存在年周期性變化,而水位具有年周期變化(圖3)。
氣壓、水位對(duì)分量應(yīng)變資料的影響是普遍存在的。為了更準(zhǔn)確的研究氣壓及水位對(duì)榆樹(shù)溝分量應(yīng)變的影響特征,減少人為因素、場(chǎng)地環(huán)境、觀測(cè)系統(tǒng)等對(duì)分量應(yīng)變數(shù)據(jù)造成的干擾,本文根據(jù)榆樹(shù)溝分量應(yīng)變變化形態(tài)及水位變化的分段性特征,將分量應(yīng)變、鉆孔水位及鉆孔氣壓數(shù)據(jù)分成2016-01-01—2018-12-31(第一時(shí)段)、2019-01-01—2021-12-31(第二時(shí)段)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算。
對(duì)分量應(yīng)變四個(gè)分量分別進(jìn)行擬合方式剔除趨勢(shì)變化,計(jì)算各時(shí)段氣壓、水位與分量應(yīng)變之間的相關(guān)系數(shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
計(jì)算結(jié)果表明:氣壓與分量應(yīng)變四個(gè)分量相關(guān)性差,而水位對(duì)分量應(yīng)變EW、NE向影響更為顯著,且水位對(duì)NE向的影響最大。其中第一時(shí)段二者的相關(guān)系數(shù)分別為-0.754 7、-0.798 3,第二時(shí)段相關(guān)系數(shù)分別為-0.653 3、-0.888 3(表1)。
進(jìn)一步逐日滑動(dòng)計(jì)算時(shí)間窗發(fā)現(xiàn):第一時(shí)段中,EW向相位滯后水位1 d時(shí),二者相關(guān)系數(shù)為-0.754 8,NW向相位滯后水位8 d時(shí),二者相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.837 7;第二時(shí)段中,EW向相位滯后水位4 d時(shí),二者相關(guān)系數(shù)為-0.658 8,NW向相位滯后水位7 d時(shí),二者相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.899 4。水位是榆樹(shù)溝分量應(yīng)變EW與NE向年變化最主要的影響因素,均表現(xiàn)為中高度線性負(fù)相關(guān),水位對(duì)NE、EW向響應(yīng)更為靈敏,且對(duì)NE向影響大于EW向(圖3、表1)。
2.2 氣壓對(duì)分量應(yīng)變的影響
氣壓對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響表現(xiàn)為力的作用,且變化速率較快的短周期氣壓波在地層的傳播速度較快[8],本文選取榆樹(shù)溝分量應(yīng)變四分量及其輔助觀測(cè)鉆孔氣壓2021年2月1—28日觀測(cè)數(shù)據(jù)分鐘值為研究對(duì)象(圖4)。
由圖4可知,榆樹(shù)溝分量應(yīng)變NE與NW分量存在趨勢(shì)變化,但氣壓卻沒(méi)有與之一致的趨勢(shì)性關(guān)系。根據(jù)干擾成因的四個(gè)相關(guān)性原則[17],榆樹(shù)溝分量應(yīng)變NS、NE與NW分量的趨勢(shì)變化與氣壓無(wú)關(guān)。選用直線y=-936 266.225 98x+17.236 7擬合,剔除分量應(yīng)變NS向趨勢(shì)變化(圖4e),用直線y=5 707 547.671 89x-101.031 12擬合,剔除分量應(yīng)變NE向趨勢(shì)變化(圖4f),選用直線y=-6 016 642.618 3x+111.600 31擬合,剔除NW向趨勢(shì)變化(圖4g)。
為判定氣壓與榆樹(shù)溝分量應(yīng)變的關(guān)系,計(jì)算分量應(yīng)變四分量與氣壓相關(guān)系數(shù),并繪制它們的散點(diǎn)圖,經(jīng)計(jì)算,NS向、去趨勢(shì)后NS向分別與氣壓相關(guān)系數(shù)為-0.212 2,-0.260 9 (圖5a);EW向與氣壓相關(guān)系數(shù)為-0.859 6(圖5b);NE向、去趨勢(shì)后NE向分別與氣壓相關(guān)系數(shù)為-0.016 8、-0.037 9(圖5c、5d);NW向、去趨勢(shì)后NW向分別與氣壓相關(guān)系數(shù)為-0.299 3、-0.762 6(圖5e、5f)。
對(duì)比圖4、圖5及相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果可以知,氣壓與榆樹(shù)溝四個(gè)均呈負(fù)相關(guān),其中EW和NW分量去趨勢(shì)后的曲線與其具有較高線性相關(guān)性。進(jìn)一步滑動(dòng)計(jì)算時(shí)間窗,發(fā)現(xiàn)氣壓對(duì)EW分量的影響不存在相位滯后(圖6a),對(duì)NW向(去趨勢(shì))的影響存在相位滯后(圖6b),當(dāng)NW向(去趨勢(shì))相位滯后氣壓55 min時(shí),二者相關(guān)系數(shù)為 -0.778 4。由圖5、6可知,氣壓是榆樹(shù)溝分量應(yīng)變EW與NW向短周期變化最主要的影響因素,且它們之間具有準(zhǔn)線性關(guān)系。
用小波分析將原始曲線中的短期信號(hào)分離出來(lái),氣壓的影響會(huì)變得更為清晰[18]。按周期進(jìn)行劃分,可依此得到15個(gè)頻段的波形數(shù)據(jù),再將同頻段分量應(yīng)變數(shù)據(jù)和氣壓分別做相關(guān)性分析,得到各頻段應(yīng)變值與氣壓的相關(guān)系數(shù)R (表2)。氣壓對(duì)榆樹(shù)溝分量應(yīng)變EW向影響的顯著頻段為26~28,210~215min,對(duì)NW向影響的顯著頻段為26~28min,211~214min??梢钥闯鰵鈮簩?duì)EW向的影響頻段更寬且影響程度要大于NW向。
3 分析探討
3.1 氣壓變化影響及特征
氣壓對(duì)體應(yīng)變主要通過(guò)兩種途徑作用在傳感器周?chē)阂环N方式是大氣壓力以附加荷載的形式作用在地殼表面再通過(guò)傳遞作用在傳感器周?chē)?;另一種方式是通過(guò)井孔直接作用在儀器上方的水面上[19]。對(duì)承壓井來(lái)說(shuō),氣壓一方面通過(guò)井孔直接作用于井水面上,另一方面也通過(guò)上層覆地層給含水層施加一附加應(yīng)力[20]。分量應(yīng)變觀測(cè)同體應(yīng)變觀測(cè)類(lèi)似,其差動(dòng)式電容傳感器設(shè)在鉆孔底部,氣壓對(duì)分量應(yīng)變的影響主要表現(xiàn)為力的傳遞,氣壓變化使地表及巖體孔隙壓力受力發(fā)生改變。不同之處在于分量應(yīng)變四分向方位角、傳感器排列位置及周邊觀測(cè)環(huán)境差異會(huì)造成氣壓對(duì)各分量產(chǎn)生不同程度響應(yīng)。因此氣壓對(duì)榆樹(shù)溝分量應(yīng)變的影響途徑可能也是通過(guò)這兩種途徑。
氣壓是作用在地面上的載荷,氣壓在劇烈變化時(shí)垂直方向上的壓力會(huì)被山體巖層逐步削弱吸收或轉(zhuǎn)換成水平方向的力,應(yīng)變儀器正好架設(shè)在近EW向的山洞通道內(nèi),地層壓力會(huì)相應(yīng)增大,應(yīng)變鉆孔面積會(huì)變小,EW分量與山體近垂直,印度板塊與歐亞板塊碰撞遠(yuǎn)程效應(yīng)導(dǎo)致榆樹(shù)溝觀測(cè)站受到NS向擠壓作用明顯,形成了北西向陡傾的單斜山(圖1、圖7)。因此氣壓的短周期變化對(duì)EW作用會(huì)更加顯著,傳播方式可能是通過(guò)井孔直接作用在儀器上方的水面上,文中小波分析結(jié)果正好說(shuō)明氣壓對(duì)分量應(yīng)變四分向均存在不同程度響應(yīng),其中氣壓對(duì)EW、NW向響應(yīng)更為敏感,顯著頻段由于傳感器上壓力不均勻分布也會(huì)呈現(xiàn)的不完全一致。
3.2 水位變化影響及特征
鉆孔水位實(shí)際上記錄的是壓力值,榆樹(shù)溝分量應(yīng)變鉆孔地層為灰質(zhì)砂巖(0~2.5 m),部分巖段較松軟,透水性好,水位處于距井口7~9 m范圍內(nèi)波動(dòng),北洞口距離NW向220 m處為榆樹(shù)溝康普水庫(kù)。水位的變化主要來(lái)源于地表水和地下水的水源補(bǔ)給,融雪和降雨是地下水補(bǔ)給的最主要來(lái)源,潛水主要源于大氣降水與地表水的入滲[21]。因降水具有季節(jié)周期波動(dòng),故地下水位也會(huì)出現(xiàn)周期性動(dòng)態(tài)變化[22]。另一方面,含水層之間互通,會(huì)使地下水流分布結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,孔隙水壓的分布也會(huì)隨之改變,某些未吸水飽和層吸水膨脹,致使應(yīng)變探頭四周的巖石應(yīng)力加大。本文在分段定量計(jì)算水位與分量應(yīng)變關(guān)系時(shí),發(fā)現(xiàn)每年2~4月融雪期間水位大幅上升—下降變化時(shí),長(zhǎng)期變化過(guò)程中水位對(duì)NE、EW、NW分量影響均表現(xiàn)為較好的線性相關(guān)性。
總的來(lái)說(shuō),鉆孔水位、氣壓都會(huì)對(duì)應(yīng)變場(chǎng)產(chǎn)生干擾,水位的波動(dòng)變化,對(duì)大多數(shù)具有滲透性的巖石來(lái)講,會(huì)直接造成巖石內(nèi)部孔隙、裂隙中孔隙水壓力產(chǎn)生波動(dòng),而對(duì)滲透性較差的含水層,也會(huì)因氣壓造成的含水層巖石結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生孔隙水壓力的波動(dòng),由此才能理解氣壓波動(dòng)時(shí)水位相應(yīng)的變化,再通過(guò)傳遞的方式作用在應(yīng)變傳感器周?chē)?/p>
4 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)相關(guān)分析及小波分析方法,定量研究水位、氣壓與榆樹(shù)溝分量應(yīng)變之間的關(guān)系,分析認(rèn)為:
(1) 氣壓與榆樹(shù)溝分量應(yīng)變長(zhǎng)期變化無(wú)關(guān),水位是分量應(yīng)變長(zhǎng)期變化主要影響因素,水位與NE、EW向均呈現(xiàn)中高度線性負(fù)相關(guān),且對(duì)NE向影響大于EW向;氣壓在分量應(yīng)變短周期變化中起主導(dǎo)作用,對(duì)EW、NW分量影響更為靈敏,均表現(xiàn)為中高度線性負(fù)相關(guān),且對(duì)EW向影響大于NW向,共同顯著頻段為211~214min。
(2) 蘇愷之等[19]分別以巖層傾角為0°和35°為例,計(jì)算了氣壓、水位對(duì)體應(yīng)變的干擾系數(shù),得出巖層35°傾角氣壓、水位對(duì)體應(yīng)變的干擾系數(shù)遠(yuǎn)大于巖層0°傾角。由圖1可知,榆樹(shù)溝地質(zhì)構(gòu)造屬于博格達(dá)弧型構(gòu)造的西翼,山洞開(kāi)鑿在二疊系地層構(gòu)成的中高山區(qū),山洞完全鑿建于二疊系巖層中,地層傾向325°,巖層傾角近直立,分量應(yīng)變?cè)恢脙H在31~33 m處且鉆孔為裸孔。因此,氣壓、水位對(duì)分量應(yīng)變的影響與榆樹(shù)溝觀測(cè)站巖層傾角偏大、鉆孔深度淺有較大關(guān)系。
(3) 觀測(cè)實(shí)踐證明,榆樹(shù)溝分量應(yīng)變的主要干擾因素是氣壓波動(dòng)、融雪及降雨的影響,這些干擾既有大面積的效應(yīng),也有局部的效應(yīng),其產(chǎn)生的干擾幅度及特征與觀測(cè)原理、觀測(cè)環(huán)境及鉆孔工藝有較大的關(guān)系。
(4) 氣壓對(duì)分量應(yīng)變影響方式可能是氣壓通過(guò)井孔直接作用在儀器上方的水面上,再通過(guò)傳遞的方式作用在傳感器周?chē)?。水位的影響方式主要是融雪、降雨等地表水的滲入、地下水補(bǔ)給以及氣壓附加應(yīng)力造成的含水層巖石結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生孔隙水壓力的波動(dòng)變化。
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CHARACTERISTICS AND MECHANISM RESEARCH
ON INFLUENCE OF AIR PRESSURE AND WATER
LEVEL ON COMPONENT STRAIN
OF YUSHUGOU
Mulatijiang Abulaiti, JIN Hua, MAO Yu-jian
( Earthquake Agency of Xinjiang Uighur Autonomous Region,Urumqi 830011,Xinjiang ,China)
Abstract: By applying correlation analysis and wavelet analysis methods, the relationship and influencing mechanism between air pressure, water level, and Yushugou component strain were studied. The results showed that: (1) water level is the main influencing factor for the long-term variation of Yushugou component strain, especially for the EW and NE directions of component strain, which have a significant impact, showing a medium to high linear negative correlation; From 2016 to 2018, the phase lag water level in the EW direction was about 1 d, and the phase lag water level in the NW direction was about 8 d; From 2019 to 2021, the phase lag water level in the EW direction is about 4 days, and the phase lag water level in the NW direction is about 7 days; (2) Air pressure is the main influencing factor for the short-term variation of component strain, and the EW and NW directions are more sensitive to its response, exhibiting a medium to high linear negative correlation; There is no phase lag between the EW direction and the air pressure, while the NW direction has a phase lag of about 55 minutes for the air pressure; (3) The wavelet analysis results show that the significant frequency bands of the influence of air pressure on the EW component are 26~28min and 210~215min, and the significant frequency bands of the influence on the NW component are 26~28min and 211~214min.
Key words: Yushugou;Borehole component strain;Wavelet analysis method;Atmospheric pressure;Water level