烏海地震臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)趨勢(shì)性變化分析

熊 峰，陳立峰，查 斯，劉永梅

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

·觀測(cè)分析·

烏海地震臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)趨勢(shì)性變化分析

熊 峰，陳立峰，查 斯，劉永梅

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

文章通過(guò)數(shù)值建模定量分析2015年4月15日內(nèi)蒙古阿左旗Ms5.8地震后，烏海地震臺(tái)體積式鉆孔應(yīng)變儀測(cè)值于2015年1月至4月破年變規(guī)律的走勢(shì)。對(duì)影響體應(yīng)變趨勢(shì)的可能性因素“黃河海勃灣水利樞紐工程”和平整臺(tái)站院落的加卸載影響，按地表荷載影響力學(xué)模型及巖層加載載荷形變機(jī)理進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，“黃河海勃灣水利樞紐工程”水庫(kù)蓄水引起的應(yīng)變量接近體應(yīng)變儀的實(shí)測(cè)應(yīng)變量，水庫(kù)蓄水對(duì)烏海臺(tái)體應(yīng)變的中短期趨勢(shì)性異常變化具有較大影響。

水庫(kù)蓄水；體積式應(yīng)變儀測(cè)值；載荷影響

0 引言

大型水庫(kù)蓄水影響生態(tài)平衡，對(duì)庫(kù)區(qū)巖體也會(huì)產(chǎn)生影響。地殼中除由板塊運(yùn)動(dòng)和其他構(gòu)造過(guò)程引起的緩慢且穩(wěn)定變化的構(gòu)造應(yīng)力之外，也存在瞬態(tài)和周期性的載荷作用。如固體潮汐力作用、水庫(kù)水位變化產(chǎn)生的加卸載效應(yīng)、強(qiáng)震發(fā)生引起的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷作用等，作用于斷層上將會(huì)引起斷層應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)整，從而影響斷層帶上的地震活動(dòng)性，導(dǎo)致強(qiáng)震提前或延遲發(fā)生[1]。水庫(kù)蓄水對(duì)周邊環(huán)境的影響較為復(fù)雜，從巖體力學(xué)角度分析，水體載荷的重力作用產(chǎn)生彈性載荷效應(yīng)，導(dǎo)致一定的孔隙壓力變化，進(jìn)而改變庫(kù)區(qū)及周圍地區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)和巖土體強(qiáng)度[2]。在蓄水初期，隨著水位的變化，水在巖石裂隙中不斷滲流，孔隙壓的改變主要由庫(kù)水的滲透、側(cè)壓和水荷載重的聯(lián)合作用引起[3-4]。水庫(kù)庫(kù)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、巖性、巖體和斷裂力學(xué)性質(zhì)及流體狀態(tài)與運(yùn)移特征、地下水對(duì)斷層物質(zhì)的軟化作用，孔隙壓力加卸載過(guò)程中巖石的軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變和體積應(yīng)變都將逐漸累積，巖石強(qiáng)度及變形隨孔隙壓力的變化表明，巖石變形的累計(jì)可能誘發(fā)、誘導(dǎo)地層破壞，甚至災(zāi)害性事件發(fā)生[5]。

2010年1月至2015年6月，距烏海地震臺(tái)300 km內(nèi)發(fā)生Ms4.0以上地震21次，最大為2015年4月15日內(nèi)蒙古阿左旗Ms5.8地震。考慮水庫(kù)蓄水影響斷裂帶上的地震活動(dòng)性，重點(diǎn)分析距測(cè)點(diǎn)24.5 km的“黃河海勃灣水利樞紐工程”水庫(kù)蓄水對(duì)烏海地震臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)(以下簡(jiǎn)稱烏海臺(tái)體應(yīng)變)的影響。

1 水庫(kù)與測(cè)點(diǎn)所在地地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)述

烏海是鄂爾多斯古大陸的一部分，系古地中海浸區(qū)經(jīng)第三次喜馬拉雅山隆起而成。東部是桌子山，中部為崗德?tīng)柹剑鞑繛槲寤⑸剑魃襟w均屬賀蘭山脈的北端余脈，三山成南北走向平行排列，中間形成兩條平坦的谷地。黃河沿崗德?tīng)柹轿鞴攘鹘?jīng)市區(qū)，阻斷了烏蘭布和沙漠進(jìn)入河套地區(qū)。祁連山、呂梁山、賀蘭山的北端山字型脊柱構(gòu)造頂部，北為臨河斷陷盆地，南邊是銀川斷陷盆地，西側(cè)是吉蘭泰斷陷盆地，東側(cè)是鄂爾多斯地臺(tái)，地處華北板塊西北邊緣，當(dāng)華北地震活動(dòng)高潮時(shí)，本地區(qū)的地震活動(dòng)比較活躍[6]。烏海臺(tái)體應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位于南北構(gòu)造體系的北端、天山—陰山緯向的中部南側(cè)，東西兩邊分別是桌子山東緣、西緣斷裂，水庫(kù)距桌子山西緣斷裂不足10 km。第8頁(yè)圖1為烏海地質(zhì)構(gòu)造圖。

2 烏海臺(tái)體應(yīng)變測(cè)項(xiàng)

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)

烏海地震臺(tái)鉆孔體積式應(yīng)變儀為TJ-II型，安裝在體應(yīng)變觀測(cè)井內(nèi)，儀器探頭被密封于地下基巖，通過(guò)地下線路與室內(nèi)數(shù)據(jù)采集器相連，于2010年2月投入觀測(cè)。鉆孔體應(yīng)變參數(shù)見(jiàn)第8頁(yè)表1。

圖1 烏海地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of Wuhai

儀器型號(hào)探頭深度m孔徑mm巖性孔斜度探頭方向靈敏度mV使用日期年?月TJ?II108130灰?guī)r垂直孔垂直3．97×10-92010?02

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 體應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

通過(guò)分析烏海臺(tái)鉆孔體應(yīng)變儀2010年2月以來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其年變特征主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1) 具有較明顯的年變化周期，且每年完成1個(gè)年變化周期所需的時(shí)間基本相同；(2) 年變化每年出現(xiàn)3個(gè)波峰，表現(xiàn)為年初上升，年末下降；(3)2010—2014年中1—4月的觀測(cè)數(shù)據(jù)均為上升趨勢(shì)，但2015年的該時(shí)段呈下降狀態(tài)；(4) 2015年4月15日阿左旗Ms5.8地震發(fā)生后，觀測(cè)數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)，6月10日起逐漸上升；(5)2015年僅出現(xiàn)8月17日一個(gè)波峰，打破了2010—2014年的每年3個(gè)波峰的趨勢(shì)性變化背景。圖2為烏海體應(yīng)變年變化趨勢(shì)對(duì)比。

圖2 烏海體應(yīng)變年變化趨勢(shì)對(duì)比圖Fig.2 Comparison of annual variation of body strain in Wuhai

2.2.2 潮汐因子變化分析

烏海臺(tái)鉆孔體應(yīng)變M2波潮汐因子變化曲線如第9頁(yè)圖3所示。2014年3月14日至5月18日數(shù)據(jù)采集器故障，導(dǎo)致潮汐因子曲線出現(xiàn)較大臺(tái)階變化，其他時(shí)間段M2波潮汐因子變化均正常且變化值均小于0.1，表明儀器運(yùn)行正常，測(cè)值可靠。

圖3 烏海臺(tái)體應(yīng)變M2波潮汐因子曲線Fig.3 Tidal factor of M2 of body strain in Wuhai station

3 庫(kù)區(qū)蓄水與烏海臺(tái)體應(yīng)變的關(guān)系分析

“黃河海勃灣水利樞紐工程”位于烏海臺(tái)鉆孔體應(yīng)變井北西向約24.5 km(以下簡(jiǎn)稱水庫(kù))。水庫(kù)正常蓄水位1 076.0 m，死水位1 069.0 m，水庫(kù)面積118 km2，總庫(kù)容4.87×108m3。土石壩布置在黃河左岸，壩長(zhǎng)6 371 m，頂寬7 m，最大壩高16.2 m；泄洪閘共16孔，布置在黃河主河槽中左部。2014年2月12日，黃河海勃灣水利樞紐工程分凌下閘蓄水，目前蓄水量2.48×108m3，蓄水面積80 km2，蓄水高程1 073.5 m。

地層受到載荷變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定形變。水庫(kù)載荷改變庫(kù)區(qū)的巖體應(yīng)力場(chǎng)，如果巖石的彈性模量較大(如閃長(zhǎng)巖、花崗巖、灰?guī)r等)，則易發(fā)生彈性應(yīng)變；若較小(如泥灰?guī)r、石膏等)，則易發(fā)生彈塑性應(yīng)變。烏海臺(tái)體積應(yīng)變儀探頭所處基巖為灰?guī)r，彈性模量較大，水庫(kù)蓄水加載載荷時(shí)基巖發(fā)生彈性應(yīng)變，體應(yīng)變表現(xiàn)為張性變化。圖4為不同彈性模量巖石在加卸載作用下，內(nèi)部形變模式模型；表2為不同參數(shù)條件下，水庫(kù)蓄水引起體應(yīng)變數(shù)值變化的理論值。

圖4 不同彈性模量巖石在加卸載作用下內(nèi)部形變模式模型Fig.4 Internal deformation model of rock with different elastic modulus under different loading and unloading

探頭距水庫(kù)底面深度m巖石參數(shù)彈性模量(104MPa)泊松比模擬計(jì)算理論值(10-6)5100．204．361100．354．42950．208．72950．358．85815100．2013．081100．3513．28550．2026．16150．3526．570

由地表荷載影響的力學(xué)模型[7]，從理論上定量分析水庫(kù)蓄水造成的荷載變化對(duì)烏海臺(tái)鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)的影響。根據(jù)半無(wú)限空間均布荷載模型，利用圓柱坐標(biāo)調(diào)和函數(shù)推導(dǎo)出的地面負(fù)荷對(duì)應(yīng)力應(yīng)變影響的理論模型如下：

假定負(fù)荷力垂直作用在半無(wú)限平面介質(zhì)表面，且介質(zhì)各向同性，以負(fù)荷著力點(diǎn)為圓柱坐標(biāo)系的原點(diǎn)，向下為z，水平向外為r。利用滿足圓柱坐標(biāo)的調(diào)和函數(shù)V(r、θ、z)的解[8]、傅里葉-貝塞爾積分[9]可以推出荷載對(duì)鉆孔產(chǎn)生的平面應(yīng)變，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

根據(jù)err(r,z)，ezz(r,z)，eθθ(r,z)推演出應(yīng)力σrr(r,z)，σzz(r,z)，σθθ(r,z)。

σv(r,z)=(3λ+2μ)ev(r,z)=

(4)

式(4)中：k為壓縮模量；ev(r,z)=err+ezz+eθθ，σv(r,z)=σrr+σzz+σθθ。式(1)至(4)中：P為由荷載形成的作用于坐標(biāo)原點(diǎn)并與地面垂直的集中力；r為荷載力作用點(diǎn)至參考點(diǎn)水平投影的距離；z為鉆孔深度。

式中：E為巖石的彈性模量；v為巖石的泊松系數(shù)。根據(jù)體應(yīng)變與面應(yīng)變的關(guān)系[10]，荷載對(duì)鉆孔體應(yīng)變的影響為：

荷載計(jì)算的各項(xiàng)參數(shù)如下。

蓄水造成的荷載增加量P為2.48×1011kg；水庫(kù)中心至體應(yīng)變觀測(cè)井的水平距離r為2.45×104m；體應(yīng)變探頭深度為108m，黃河水深2～12m，水庫(kù)死水位1 069m；鉆孔體應(yīng)變井口至水庫(kù)底面的高差約為93～103m，取深度z為5～15m；烏海體應(yīng)變鉆孔巖性為灰?guī)r，巖石彈性模量E為(5～10)×104MPa，泊松比v為0.2～0.35[11]。

由于未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)基巖彈性模量及泊松比的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)資料提供巖石力學(xué)參數(shù)，按照地表荷載影響的力學(xué)模型[7]及巖層加載載荷形變機(jī)理，得出蓄水階段荷載引起的體應(yīng)變變化的理論極值范圍為(-4.361～-26.570)×10-6(見(jiàn)表2)。2015年1—4月，烏海臺(tái)體應(yīng)變?cè)诳鄢€性漂移后的變化量已經(jīng)達(dá)到-3.861×10-6；平整臺(tái)站院落引起體應(yīng)變變化的理論極值范圍為(4.109～12.030)×10-10。根據(jù)荷載理論模型計(jì)算出的水庫(kù)蓄水引起的應(yīng)變量接近實(shí)際應(yīng)變量，可以確認(rèn)水庫(kù)蓄水對(duì)烏海臺(tái)體應(yīng)變的中短期異常變化有較大的影響。

4 結(jié)論與思考

(1) 通過(guò)數(shù)值建模定量分析2015年1月以來(lái)“黃河海勃灣水利樞紐工程”水庫(kù)蓄水對(duì)烏海臺(tái)體應(yīng)變測(cè)值破年變規(guī)律形態(tài)的影響。按照地表荷載影響的力學(xué)模型及巖層加載載荷形變機(jī)理，蓄水階段荷載引起體應(yīng)變變化的理論極值范圍為(-4.361～-26.570)×10-6；平整臺(tái)站院落引起體應(yīng)變變化理論極值范圍為(4.109～12.030)×10-10；2015年1—4月，烏海臺(tái)體應(yīng)變?cè)诳鄢€性漂移后的應(yīng)變量達(dá)到-3.861×10-6。根據(jù)荷載理論模型計(jì)算出的水庫(kù)蓄水引起的應(yīng)變量接近實(shí)際應(yīng)變量，可以確認(rèn)“黃河海勃灣水利樞紐工程”水庫(kù)蓄水對(duì)烏海臺(tái)體應(yīng)變的中短期異常變化有較大的影響。

(2) 庫(kù)水載荷的加載位置對(duì)地震的觸發(fā)有重要的影響。當(dāng)庫(kù)水加載于斷層正上方或上盤時(shí)，對(duì)正斷層型的地震有促進(jìn)作用，對(duì)逆斷層型的地震有抑制作用；當(dāng)庫(kù)水載荷作用于斷層的下盤時(shí)，對(duì)于傾角較大的正斷層與逆斷層地震起到抑制作用，而對(duì)傾角很小的斷層起促進(jìn)作用，但不會(huì)造成較大的水庫(kù)地震[3]。“黃河海勃灣水利樞紐工程”與2015年4月15日內(nèi)蒙古阿左旗Ms5.8地震震中距離為54.7km，但庫(kù)水載荷在巖石裂隙中不斷滲流，孔隙壓由庫(kù)水的滲透、側(cè)壓和水荷載重的聯(lián)合作用力隨著距離增加逐漸減弱，不應(yīng)成為觸發(fā)中強(qiáng)地震的主要因素，Ms5.8地震的發(fā)生應(yīng)與斷裂帶上地震活動(dòng)性密切相關(guān)。

(3) 烏海臺(tái)體應(yīng)變數(shù)值趨勢(shì)性在2015年4月15日阿左旗Ms5.8地震后出現(xiàn)向下異常，從20日數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)平，6月10日起逐漸上升，除受蓄水工程的影響外，該地區(qū)近幾年地震活動(dòng)較強(qiáng)，不排除存在震前異常、震后恢復(fù)的特征。

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(英文摘要Analysis of The Trend of Body Strain in Wuhai Seismic Station

Xiong Feng, Chen Li-feng, Zha Si, Liu Yong-mei

(Seismological Bureau of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot, Inner Mongolia, 010010, China)

The trend of annual variation of the volume borehole strain meter in Wuhai seismic station from January to April in 2015 is analyzed by quantitative numerical modeling after the Inner Mongolia AzuoqiMs5.8 earthquake on April 15, 2015.Influences of the Yellow River Haibowan water control project and the loading and unloading during leveling yard of the station on body strain are calculated using mechanical model of surface load influenceand deformation mechanism of the rock load. The results show that the strain by the reservoir impoundmentof the Yellow River Haibowan water control project is near the measured value by body strain meter. Therefore, the reservoir impoundment has a great influence on the medium and short term trend anomaly of Wuhai body strain.

Reservoir impoundment; Volume borehole strain meter; Load effect

2016-07-10

熊 峰(1971— )，女，內(nèi)蒙古烏蘭察布市人。1998年畢業(yè)于呼和浩特教育學(xué)院，工程師。

1000-6265(2017)01-0007-04

P315.72+5

A