懷來(lái)地震臺(tái)定點(diǎn)形變觀測(cè)轉(zhuǎn)折異常的調(diào)查與分析

王曰風(fēng)，張秀萍，張珊珊，屈 曼，宋曉煜，池海江，只 楠，周 亞

(1．河北省地震局張家口中心地震臺(tái)，河北 張家口 075000；2．河北省地震局預(yù)測(cè)研究中心，河北 石家莊 050021；3．河北省地震局懷來(lái)地震臺(tái)，河北 懷來(lái) 075400)

0 引言

懷來(lái)地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)懷來(lái)臺(tái))形變觀測(cè)山洞位于河北省懷來(lái)縣城北7.5 km處的存瑞鄉(xiāng)東良村附近，高程650 m。形變山洞洞體巖性為太古界桑干群混合巖化花崗片麻巖，觀測(cè)墩為蛇紋石化大理巖，洞體頂部黃土層覆蓋厚度為30～50 m。洞室的引洞長(zhǎng)70 m，洞內(nèi)安裝了6道水泥密封門(mén)，2道塑鋼門(mén)，觀測(cè)儀器采用聚乙烯泡沫板罩和塑料薄膜密封，以降低外界“小氣候”變化帶來(lái)的影響，洞室保溫條件良好，年溫差小于0.3 ℃，日溫差小于0.1 ℃。臺(tái)站觀測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)2001年“首都圈示范工程”、2008年數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)通訊專(zhuān)線(xiàn)、“九五”“十五”和2018年進(jìn)行“規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化”等建設(shè)改造后，目前初步建成了一個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目較為齊全的綜合形變觀測(cè)臺(tái)(1)河北省地震局．河北省地震臺(tái)志，2002．。

懷來(lái)臺(tái)伸縮儀EW、NE分量，水管儀、垂直擺和水平擺NS、EW分量于2020年3月12日開(kāi)始出現(xiàn)快速轉(zhuǎn)折的破年變變化，針對(duì)此異常，從觀測(cè)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、洞室環(huán)境、氣象因素等諸多方面開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查與數(shù)據(jù)異常跟蹤分析工作(2)中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司．形變學(xué)科觀測(cè)資料異常變化現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)工作報(bào)告編寫(xiě)要求(修訂)， 2014．。在此基礎(chǔ)上，對(duì)觀測(cè)資料的異常進(jìn)一步深入分析，對(duì)異常性質(zhì)做出準(zhǔn)確判定[1]。

1 異常特征簡(jiǎn)述

2020年3月12日，懷來(lái)臺(tái)伸縮儀EW、NE分量觀測(cè)曲線(xiàn)出現(xiàn)快速轉(zhuǎn)折的變化，打破2019年的年變規(guī)律，截至16日的EW、NE分量變化幅度、方向統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。NS分量變化形態(tài)與2019年基本一致(見(jiàn)第31頁(yè)圖1)。

表1 懷來(lái)臺(tái)形變異常統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of deformation anomalies at Huailai Seismic station

水管儀、垂直擺、水平擺EW分量改變?cè)瓉?lái)的E傾趨勢(shì)變化，同步呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折W傾的加速變化；NS分量改變?cè)瓉?lái)的S傾趨勢(shì)變化，同步呈現(xiàn)轉(zhuǎn)向N傾的加速變化(見(jiàn)圖1)。

2 異常調(diào)查分析

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)檢查[2]

首先,對(duì)觀測(cè)室的內(nèi)部環(huán)境、觀測(cè)技術(shù)和供電系統(tǒng)進(jìn)行檢查，包括主機(jī)箱的220伏外電壓、傳感器直流供電電壓的穩(wěn)定性、儀器工作狀態(tài)指示燈、面板顯示的通道參數(shù)、轉(zhuǎn)換參數(shù)等，檢查結(jié)果均正常；其次，查看觀測(cè)日志、標(biāo)定記錄表，未發(fā)現(xiàn)異常出現(xiàn)前2個(gè)月內(nèi)存在的儀器校準(zhǔn)事件，且最近一次儀器校準(zhǔn)結(jié)果的誤差符合規(guī)范要求，傾斜、應(yīng)變觀測(cè)儀潮汐因子與均方差均符合觀測(cè)技術(shù)的指標(biāo)要求；最后，梳理異常出現(xiàn)前3個(gè)月觀測(cè)日志、數(shù)據(jù)跟蹤分析記錄、值班日志，查閱人為進(jìn)洞干擾事件，主要有儀器校準(zhǔn)、進(jìn)洞儀器調(diào)零。期間于2020年3月12日14:58至13日20:11因UPS故障，人工復(fù)位等造成高頻瞬時(shí)干擾。上述人為干擾事件屬于常態(tài)性事件，每年每月均有發(fā)生，對(duì)觀測(cè)造成的干擾是短期、瞬時(shí)的高頻率干擾，不會(huì)帶來(lái)趨勢(shì)性的轉(zhuǎn)折變化。綜上所述，排除了儀器自身、觀測(cè)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、洞室環(huán)境等因素對(duì)形變觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

圖1 形變測(cè)項(xiàng)2019年與2020年1月至3月同期觀測(cè)對(duì)比曲線(xiàn)Fig.1 Comparison curve of deformation observation items in the same period from January to March of 2019 and 2020

2.2 氣象因素干擾排查

通過(guò)繪制2020年1月1日至3月16日懷來(lái)臺(tái)氣溫、氣壓、洞溫的觀測(cè)值曲線(xiàn)，并與此次出現(xiàn)異常的主測(cè)項(xiàng)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，分析其在時(shí)間、變化幅度、特征等方面是否有關(guān)聯(lián)性。第32頁(yè)圖2中方框表示異常出現(xiàn)時(shí)間段內(nèi)各個(gè)測(cè)項(xiàng)的同期變化，形變山洞內(nèi)的洞溫變化基本處于恒溫狀態(tài)，氣溫、氣壓輔助觀測(cè)符合正常的年變形態(tài)，且無(wú)較大幅度突升驟降的情況發(fā)生，表明在異常發(fā)生的時(shí)間段內(nèi)，各輔助測(cè)項(xiàng)的數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，因此，可以排除出現(xiàn)的群體異常是受洞溫、氣溫、氣壓等因素的影響。

2.3 測(cè)點(diǎn)觀測(cè)環(huán)境調(diào)查

圍繞觀測(cè)山洞4 km范圍內(nèi)展開(kāi)觀測(cè)環(huán)境巡檢，結(jié)合之前出現(xiàn)過(guò)的典型干擾源進(jìn)行實(shí)地走訪(fǎng)勘查，主要包括工程施工、開(kāi)山采石、農(nóng)田抽水、磚廠取土等(見(jiàn)圖3)。

圖2 水管儀、伸縮儀與輔助測(cè)項(xiàng)對(duì)比曲線(xiàn)圖Fig.2 Comparison curve of water tube instrument, extensometer and auxiliary measuring items

2.3.1 山洞西南側(cè)磚廠

懷來(lái)臺(tái)伸縮儀觀測(cè)曲線(xiàn)在2010—2012年年變形態(tài)的改變主要是由于觀測(cè)山洞附近80 m處磚廠大規(guī)模取土造成，2014年該磚廠因取土破壞自然環(huán)境被政府部門(mén)責(zé)令停建，生產(chǎn)設(shè)備、工人等均已全部撤離現(xiàn)場(chǎng)。因此，排除此干擾源與此次異常的相關(guān)性。

2.3.2 群井抽水干擾

根據(jù)王曰風(fēng)等[3]對(duì)懷來(lái)臺(tái)線(xiàn)應(yīng)變觀測(cè)中抽水干擾分析的研究結(jié)果，調(diào)查臺(tái)站周邊的農(nóng)田抽水井，由于春耕春種時(shí)節(jié)未到，所有井均處于關(guān)閉狀態(tài)。每年的兩次集中抽水時(shí)段分別為4月10日至20日、7月1日至9月1日，同時(shí)，聯(lián)系周邊農(nóng)田機(jī)井管理人員，進(jìn)一步確認(rèn)尚未開(kāi)始抽水灌溉(見(jiàn)圖4)。

圖3 形變山洞周?chē)h(huán)境平面示意圖Fig.3 Plan sketch of environment around deformation cave

圖4 2016-2017年伸縮儀日均值與日抽水總量對(duì)比曲線(xiàn)Fig.4 Comparison curve between daily mean value of extensometer and daily pumping volume from 2016 to 2017

2.3.3 新增觀測(cè)環(huán)境干擾

在此次觀測(cè)場(chǎng)地周邊環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)勘查中發(fā)現(xiàn)，距離懷來(lái)臺(tái)形變觀測(cè)山洞洞口西側(cè)約80 m的點(diǎn)位處之前的2排平房被拆遷移走，經(jīng)與相關(guān)人員核實(shí)，拆除時(shí)間為2020年3月10日，拆除的磚塊已被轉(zhuǎn)移運(yùn)走，每塊磚的重量約2.5 kg，磚的總量約8萬(wàn)塊，總重量200 t，相當(dāng)于該點(diǎn)位卸載載荷重量約為200 t。拆遷的平房位置、形變山洞位置、周邊環(huán)境等如圖3、5所示。

圖5 山洞附近新增干擾源位置實(shí)景圖Fig.5 Location of new interference sources near the cave

3 異常分析

根據(jù)高亞輝等[4]《集中荷載下的巖體流變變形解析及應(yīng)用》，在彈性力學(xué)中，半空間體在邊界上受集中荷載下的布西內(nèi)斯克解為：

式中：Up為水平徑向位移；UZ為垂直向位移；ρ為半空間體內(nèi)任一深度Z處的水平徑向距離；R為半空間體內(nèi)任一深度Z處至O點(diǎn)的距離。

圖6 半空間體在邊界上受法向集中荷載Fig.6 A half space body is subjected to a concentrated normal load on its boundary

懷來(lái)臺(tái)形變觀測(cè)山洞的臺(tái)基巖性為花崗片麻巖，彈性模量E為5.2×104MPa，泊松比μ為0.17[5]，觀測(cè)點(diǎn)和載荷卸載點(diǎn)處于同一水平面內(nèi)，深度近似為0 m，載荷卸載位置與觀測(cè)點(diǎn)直線(xiàn)距離約80 m，載荷卸載位置位于觀測(cè)點(diǎn)西西南方位，由載荷模型公式計(jì)算點(diǎn)荷載徑向80 m處圓邊界點(diǎn)位所受的垂直位移UZ、水平位移變化量Up如表2所示。

表2 模型計(jì)算結(jié)果Table 2 Model calculation results

由表1的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果與表2的模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，卸載引起的水平徑向Up理論計(jì)算結(jié)果與伸縮儀EW、NE實(shí)測(cè)結(jié)果在數(shù)量級(jí)上是一致的；卸載引起的垂直向UZ理論計(jì)算結(jié)果與水管儀NS、EW、垂直擺EW、NS，水平擺NS和EW的實(shí)測(cè)結(jié)果在數(shù)量級(jí)上也是一致的。

根據(jù)上述的觀測(cè)環(huán)境干擾源調(diào)查情況，選用點(diǎn)荷載模型對(duì)周邊一定距離與范圍的任意點(diǎn)位垂直向、水平向的位移、應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)利用模型計(jì)算的理論結(jié)果與出現(xiàn)的異常幅度在數(shù)量級(jí)上基本一致，且與事件的發(fā)生時(shí)間也吻合，說(shuō)明懷來(lái)臺(tái)此次形變異常的出現(xiàn)可能與附近平房拆遷移除引起地面載荷卸載有關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)懷來(lái)臺(tái)形變觀測(cè)系統(tǒng)、洞室環(huán)境、氣象因素、測(cè)點(diǎn)周邊環(huán)境情況等實(shí)地調(diào)查，并對(duì)各種可能的影響因素從時(shí)間、干擾機(jī)理等進(jìn)行逐一分析與排除，發(fā)現(xiàn)距離山洞洞口西西南方位約80 m遠(yuǎn)的點(diǎn)位處搭建的平房拆除卸載可能與此次出現(xiàn)的異常有關(guān)。首先,在事件發(fā)生的時(shí)間上吻合；其次,進(jìn)一步選用點(diǎn)荷載模型對(duì)周邊一定范圍內(nèi)的任意點(diǎn)位垂直向、水平向的應(yīng)變、位移進(jìn)行計(jì)算，模擬計(jì)算結(jié)果與出現(xiàn)的群體異常幅度在數(shù)量級(jí)上一致，說(shuō)明懷來(lái)臺(tái)此次群體異常的出現(xiàn)與該點(diǎn)位的平房拆除移走有關(guān)。