大同市地裂縫三維斷層形變測(cè)量值與輔助溫度的相關(guān)分析

李秀英，鄧海巖

(1.大同市地震局，山西 大同 037006；2.同車(chē)公司觀測(cè)站，山西 大同 037038)

0 引言

山西大同市城區(qū)至少發(fā)育10條構(gòu)造地裂縫，同車(chē)公司地裂縫是唯一一條進(jìn)行全天監(jiān)測(cè)的。據(jù)文獻(xiàn)[1]的研究成果，地裂縫活動(dòng)與地震活動(dòng)作為在同一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下的不同表現(xiàn)形式，在大尺度時(shí)空上具有同步效應(yīng)。同車(chē)公司地裂縫的活動(dòng)方式表現(xiàn)為垂直沉降量最大，水平張量次之，水平扭量最小，三者的比值為10∶6∶1。

2012年同車(chē)公司地裂縫觀測(cè)站進(jìn)行數(shù)字化改造，由原來(lái)的垂向、法向二維觀測(cè)升級(jí)為垂向、法向、切向三維觀測(cè)，并在兩邊儀器墩上各布設(shè)DS18B20型數(shù)字溫度計(jì)1臺(tái)。為了解兩端輔助溫度是否對(duì)三維斷層形變測(cè)量觀測(cè)資料有影響，筆者進(jìn)行如下分析。

1 觀測(cè)站背景資料

1.1 地裂縫形成的地質(zhì)背景

房子村斷層活動(dòng)是同車(chē)公司地裂縫的深部構(gòu)造背景，同車(chē)公司地裂縫是房子村斷層在地表的直接反映，房子村斷裂又是夾在口泉斷裂和桑干河斷裂之間的次級(jí)斷裂。

口泉斷裂位于鄂爾多斯地塊與華北平原地塊交接部位，是一條重要的活動(dòng)斷裂。該斷裂作為大同盆地的北部邊界，新生代以來(lái)控制著大同盆地的形成和演化[2]。圍繞該斷裂的活動(dòng)性研究表明，口泉斷裂是一條正傾滑的活動(dòng)斷裂[3-4]。口泉斷裂所控制的大同盆地西側(cè)在歷史時(shí)期曾發(fā)生過(guò)2次6.5級(jí)地震，因此其未來(lái)地震危險(xiǎn)性備受關(guān)注[5]。

1.2 臺(tái)站基本概況

大同地裂縫觀測(cè)站位于大同盆地西北部的大同市西南部，地處十里河沖、洪積平原上，周邊地勢(shì)為西北高東南低，自然坡度約8‰，臺(tái)站基底為第四系砂、黏土交互層。同車(chē)公司地裂縫西起十里河?xùn)|岸，終止南關(guān)南街，長(zhǎng)約5.0 km，由多條北東走向、右行排列的個(gè)體地裂縫組合而成，優(yōu)勢(shì)方位北東57°，傾向南東，傾角60°～70°，表現(xiàn)為高角度活動(dòng)正斷層性質(zhì)，即地裂縫活動(dòng)是以南東盤(pán)下降為主，水平拉張為輔，并伴有左旋扭動(dòng)的張性地裂縫。觀測(cè)站就設(shè)在被同車(chē)公司地裂縫破壞的新建街8棟樓房?jī)?nèi)。

1.3 儀器安裝情況

2012年同車(chē)公司地裂縫觀測(cè)站進(jìn)行數(shù)字化改造，觀測(cè)儀器使用北京震苑迪安防災(zāi)技術(shù)研究中心(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所下屬公司)研發(fā)的“三維斷層形變觀測(cè)系統(tǒng)”(包括MD2000數(shù)據(jù)采集器、斷層水平切向分量觀測(cè)儀DLG、斷層水平法向分量觀測(cè)儀DSG、斷層分量觀測(cè)儀DFG)進(jìn)行觀測(cè)。主觀測(cè)室為北南方向，與機(jī)車(chē)廠臺(tái)地裂縫正交。測(cè)線長(zhǎng)度13 m，儀器分辨率為0.004 mm,量程為40 mm,線性度0.5%，重復(fù)性誤差為0.5%(見(jiàn)第29頁(yè)圖1)。

輔助溫度觀測(cè)系統(tǒng)是在兩儀器墩上分別安裝2個(gè)DS18B20數(shù)字溫度傳感器T1、T2，采樣率為每小時(shí)1次，布設(shè)方式如第29頁(yè)圖2所示。

2 三維斷層形變測(cè)量與輔助溫度相關(guān)分析

2.1 相關(guān)性檢驗(yàn)分析

2012年數(shù)字化改造后，地裂縫切向DLG開(kāi)始觀測(cè)。期間，由于儀器故障頻發(fā)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺記、斷記較多。2015年11月又對(duì)儀器進(jìn)行抗干擾改造。因此，取2016年地裂縫垂直向DFG、法向DSG、切向DLG及儀器兩端輔助溫度WD1、WD2的日均值完整數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算，相關(guān)系數(shù)越大則二者的變化越一致。取顯著水平α為0.01進(jìn)行檢驗(yàn)，可確定相應(yīng)于一定顯著水平及自由度的最小相關(guān)系數(shù)R0,若R>R0，則通過(guò)檢驗(yàn)，否則未通過(guò)。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖1 觀測(cè)站儀器設(shè)備平面布置示意圖Fig.1 Layout of instrument in observation station

圖2 DFG斷層垂直形變測(cè)量?jī)x觀測(cè)原理示意圖Fig.2 Observation principle of DFG fault vertical deformation instrument

表1 地裂縫垂向、法向、切向與溫度WD1、WD2及溫差日均值相關(guān)分析Table 1 The correlation analysis of the vertical, normal, tangential deformation and temperature WD1, WD2 anddaily mean values of the temperature difference

由表1可見(jiàn)，地裂縫垂向、法向、切向測(cè)值與WD1、WD2、溫差的相關(guān)系數(shù)雖通過(guò)檢驗(yàn)，但與溫差的相關(guān)系數(shù)均很小，呈弱相關(guān)；法向、切向測(cè)值與WD1、WD2的相關(guān)系數(shù)很低，垂向的相關(guān)系數(shù)較高。因此，對(duì)地裂縫垂向觀測(cè)值與儀器兩端溫度的相關(guān)性進(jìn)行著重分析。

2.2 斷層垂直形變DFG測(cè)量值與儀器兩端溫度的相關(guān)性分析

(1) 正常年動(dòng)態(tài)。同車(chē)公司地裂縫觀測(cè)自2012年數(shù)字化改造以來(lái)，地裂縫垂向DFG活動(dòng)與地裂縫上下兩盤(pán)輔助溫度均有清晰的年變動(dòng)態(tài)。地裂縫垂直向DFG年變規(guī)律多呈夏秋低、冬春高，近似正弦波形的特點(diǎn)，日變幅在0.001～0.1 mm(見(jiàn)圖3)。

(2) 數(shù)據(jù)的可靠性。

選取觀測(cè)站數(shù)字化改造以來(lái)，2013年至2016年的完整日均值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如第30頁(yè)表2所示。

2013年方差83%均在0.001～0.006，83%均方差相當(dāng)，在0.035～0.078，小于0.1；2014年方差83%均在0.001～0.005，83%均方差相當(dāng)，在0.037～0.074波動(dòng)，小于0.1；2015年方差92%均在0.001～0.007，92%均方差相當(dāng)，在0.027～0.087，小于0.1；2016年方差92%均在0.001～0.005，92%均方差相當(dāng)，在0.021～0.071，小于0.1。4年的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，地裂縫垂向DFG月方差均在0.001～0.007，均方差相當(dāng)，都小于0.1。

圖3 2013—2016年地裂縫垂向DFG與觀測(cè)儀器兩端輔助溫度日均值變化Fig.3 Vertical DFG of the fissure and the variation of the daily mean values of temperature from 2013 to 2016

該觀測(cè)站主要的環(huán)境干擾因素為高頻振動(dòng)干擾，DFG觀測(cè)儀器具有較強(qiáng)的抗高頻振動(dòng)干擾能力，自2012年數(shù)字化改造以來(lái)，無(wú)斷記、缺記，儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定，觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠。

表2 2013年至2016年地裂縫垂向日均值與儀器兩端溫度的相關(guān)系數(shù)及方差、均方差表Table 2 The correlation coefficient of vertical daily meanvalues and temperature at both ends of the instrument, the variance and the standard deviation

3 討論分析

一般情況下，跨斷層形變觀測(cè)數(shù)據(jù)的主要成分包括：斷層構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的形變信息，表現(xiàn)形式為趨勢(shì)性變化與各種突變；氣象因素引起的年周期變化，一般為較規(guī)律的類(lèi)似于諧波的低頻分量；觀測(cè)環(huán)境荷載變化、人為因素、儀器故障、白噪聲等干擾引起的各種尖峰、突變與高頻波動(dòng)[6]。若以提取斷層形變變化及前兆異常為目的，斷層構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的形變信息參考價(jià)值較大。

根據(jù)相關(guān)研究，斷層的垂直形變變化除斷層本身運(yùn)動(dòng)外，還包含熱形變效應(yīng)即溫度的影響[7]。地裂縫垂向DFG觀測(cè)值是斷層兩盤(pán)觀測(cè)值相減的結(jié)果，在一定程度上可以抵消溫度及外界的干擾，消除儀器兩端由于共同干擾而引起的變化，但還是易受溫度的影響。觀測(cè)室溫度受室外溫度即外界溫度的影響，外界溫度的變化可以引起室內(nèi)溫度變化，進(jìn)而影響斷層高差的變化。

筆者對(duì)同車(chē)公司跨地裂縫觀測(cè)的垂直向DFG形變數(shù)據(jù)、儀器兩端輔助溫度值進(jìn)行相關(guān)分析，表明，地裂縫垂直向DFG觀測(cè)值與儀器兩端輔助溫度WD1、WD2具有很高的相關(guān)性，且呈高度負(fù)相關(guān)。溫度升高，地裂縫垂直向形變量減小，反之則增大。只有個(gè)別月份地裂縫垂直向觀測(cè)值與儀器兩端輔助溫度不相關(guān)。如，2013年4月、5月、7月、12月，2014年4月、7月、12月，2015年4月、6月，2016年4月、6月、12月。

同車(chē)公司地裂縫垂向形變觀測(cè)曲線周期趨勢(shì)變化明顯，年周期形態(tài)清晰且比較規(guī)律。對(duì)于年周期變化，普遍的認(rèn)識(shí)是氣象溫度變化直接或間接導(dǎo)致，也有學(xué)者認(rèn)為這種年周期變化主要是由斷層儀所跨巖體的熱脹冷縮造成[8],其影響機(jī)理與消除方法尚無(wú)統(tǒng)一和明確的結(jié)論，但最根本的影響因素仍是溫度變化。

4 結(jié)論與建議

(1) 地裂縫觀測(cè)的垂直向DFG、法向DSG、切向DLG三分量中，垂直向DFG受儀器兩端溫度的影響較明顯。

(2) 斷層儀觀測(cè)到的垂直形變變化是熱形變效應(yīng)及斷層運(yùn)動(dòng)信息的綜合反映，環(huán)境溫度與觀測(cè)結(jié)果具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)效應(yīng)。溫度升高，地裂縫垂直向形變量減小，反之則增大。

(3) 該觀測(cè)站地裂縫觀測(cè)受環(huán)境溫度影響較大，建議在今后的觀測(cè)環(huán)境改造中，采取措施，盡可能使環(huán)境溫度趨于恒溫。

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