場地環境(荷載干擾)對地應變、地傾斜等定點形變儀器的數據變化調查

文/李鵬 張波魏 欒巒 雷潔（十堰市人民防空辦公室(地震局)）

一、引言

DSQ水管測斜儀是一種自動測量地殼傾斜變化的精密儀器。它用于測量慢傾斜變化，傾斜固體潮汐，捕獲即將發生的地震前兆信息等與地震監測有關的數據，該儀器采用了差動變壓器位移傳感器，并結合了現代微電子技術的一些新成果而設計。具有結構合理、穩定性強、可靠性強、功能齊全、使用范圍廣等特點。該儀器的基本原理是基于將連接管中的水面保持在自然水平的原理。當連接管兩端的基礎具有相對的垂直位移時，兩端的水面相對于儀表碗會發生變化。此變化成為通過浮子和位移傳感器自動記錄的電信號輸出。水面的變化會導致固定在浮子上的差動變壓器的鐵芯相對于固定在蓋板上的線圈垂直移動。這種相對運動通過位移傳感器輸出一個模擬電信號，這個電信號通過電纜在一定距離上傳輸到千分尺，然后根據需要進入前體數據采集或模擬記錄系統，使東、西、南、北用數據記錄了北端的水面變化以及“南北”和“東西”之間的高差變化。自動記錄的兩端相對高度差的變化量可以減小到相應的地面傾角。

SS-Y型伸縮應變儀將校準器、基線、位移傳感器及與它相鄰的一個金屬框架安裝于觀測墩，固定座安裝在固定墩上。使基線一端與固定座固定連接，基線由測量方向無阻力的懸吊托起?；€的另一端連接一片直徑大于2.4厘米的金屬極片上或差動變壓器線圈上，電渦流的傳感器探頭或差動變壓器的可動鐵芯固定在校準器上，我們把這一端稱為測量端。當固定墩與測量墩之間地面距離發生變化時，探頭與極片的間距也會隨之變化，位移傳感器將間距變化轉換成電壓變化，經過放大器傳輸至主機輸出。通過格值等換算、靈敏度等便可計算出相應的應變量變化。

二、測點地質構造背景

十堰地震臺地形變觀測山洞位于十堰市柳林溝，地理坐標：110.79°E，32.66°N，高程為260米。該臺站測點位于南秦嶺造山帶內部、武當隆起北部邊緣。南秦嶺造山帶之中、強地震構造帶，在公元46年曾經發生過南陽6.5級破壞性地震，公元788年曾經發生過竹山寶豐6.5級破壞性地震。除此之外，還發生過10余次中強型震，但進入現代后小震活動頻度較低，該臺對監測鄂西北及其鄰近地區的地震活動起到了重要監測作用。十堰市位于鄂西北地震構造地區，本構造地區是在前震旦紀陸殼（結晶基底）的基礎上形成再生地槽。震旦系至志留系均為炭硅質建造、砂泥質復理式及類復理系建造、局部夾堿性火山巖建造，碳酸鹽建造，經印支造山運動第一幕形成的褶皺帶。嗣后，遭受燕山地區運動和喜馬拉雅山脈運動的強烈改造，上部地殼沿北西方向——南東方向或北北西方向——南東東方向被分割分裂成許多斷塊結構，或沿斷裂帶形成一系列的拉分性質的斷陷盆地。歷史上的強震大多發生在這些斷陷盆地的邊緣地帶。

十堰市柳林溝地震形變觀測臺，觀測點山洞南北方向各有一條大型斷裂帶。鄖西——鄖縣斷裂帶在形變觀測點山洞東北方向，直線距離大約30公里。白河——谷城斷裂在山洞的西南方向，直線距離約5公里。交通便利，通信條件好（網絡可直接接入臺站）。自來水供水，市電供電。

十堰市柳林溝地震形變觀測臺測點山洞位于十堰軍分區20世紀70年代在十堰市柳林溝內（現十堰市地震局辦公樓背后山內）開挖的一個人防山洞內。山洞開挖在元古界，武當群山體內，圍巖主要為片巖，巖石較完整。觀測山洞已經山體被覆，覆蓋厚度大約30米左右。滿足水管儀和伸縮儀的安裝要求。山洞距丹江口水庫的最小距離約為30公里，距漢江約為35公里，周邊10公里的范圍內沒有水庫、1.5公里內無河流溪水。觀測點3公里范圍內無大型礦區和大型振動源，5公里的范圍內沒有采礦和爆破點，1.5公里范圍內沒有高壓線、輸變電站等其他干擾因素。

（一）測點地形變數據異常概述

十堰柳林溝2套形變觀測儀器,分別為SS-Y型洞體應變儀和DSQ型水管傾斜儀，均架設于山洞內。設備符合設計要求。工作人員嚴格按照技術規范的要求采集和處理前兆數據，處理后的數據及時報送形變臺網數據中心。儀器自2007年安裝運行。DSQ水管儀至2013年以來固體潮清晰,除年變幅外基本保持穩定。2013年中期NS分量年變特征有所變化,2017年7月初至2018年5月,NS分量出現快速北傾變化,幅度達到1039毫秒量級,同期EW分量未出現明顯異常變化。SS-Y伸縮儀NS分量自2018年3月至10月,出現快速抬升變化,幅度達到32746-10。從多年對比來看,兩套儀器本次出現的異常均已打破整體年變趨勢。

（二）異常分析

對于地形變儀觀測的主要干擾因素，我們一般認為主要包括儀器的觀測系統、內外部的氣象因素和觀測點周邊和內部的觀測環境等三類。柳林溝伸縮儀和水管儀，NS分量在出現異常后，十堰地震臺及省局監測中心預報部、前兆部、維修部等，多家單位對該異常分量進行了跟蹤分析，檢查維修。

測點觀測系統的檢查:在多次通過現場調查和儀器系統檢測,我們認為：（1）十堰柳林溝臺伸縮儀和水管儀主機、通信系統、供電線路、傳感器、供電設施等均正常運行，無異常狀況出現，實時信號電壓和工作電壓均正常、觀測數據固體潮清晰光滑；（2）槽體、密封板、保溫板、等保溫封閉性良好無漏水現象；（3）2017年以來兩分量觀測精度均在5‰以內，處于全國優等水平；月均變化在1%以內，處于穩定狀態；（4）對比最近4次標定結果表明,標定誤差等均符合要求，觀測系統正常；（5）對形變儀器儀速率變化的計算結果和儀器實際觀測數據吻合，說明儀器記錄的數據變化是真實的；（6）2016年以來對儀器檢修等人為干擾沒有造成伸縮儀和水管儀、長趨勢的改變，并且儀器周邊觀測山洞內部無其他人類活動干擾，可以排除人為干擾、觀測失誤、系統故障等影響。綜合以上所述，十堰市柳林溝地震臺形變儀觀測系統，工作運行正常，記錄到的數據變化真實可靠。

氣象因素分析：通過對降雨、氣壓、氣溫數據對比分析，認為：(1)對十堰臺降雨資料查詢,可以看出相對2014～2016年來說，2017年的降雨量總體上偏多，但累積50mm降雨主要發生在8月份以后，在時間上要遲于7月18日異常的發生。從地質地貌來看，十堰市柳林溝山洞洞頂的覆蓋層厚度約為30米，由元古界武當群片巖組成，巖石比較完整，山頂植被茂盛，近幾年來沒有明顯的變化。同時，山洞走向與所處山脊走向大體一致，東西兩端排水通暢，難以聚集大量雨水。因此基本排除本次異常是由于降雨等氣象因素引起的可能性。（2）十堰臺氣壓資料呈典型的冬高夏低的正常年變特征，2013年低以來氣壓年變化規律清晰，沒有明顯變化。十堰臺的氣壓資料與儀器資料對比可以看出，2017年下半年氣壓沒有明顯趨勢性變化，也沒有見其對形變資料產生明顯的異常同步干擾。(3)十堰臺外部氣溫和山洞洞室溫度與NS向資料變化相對比，變化顯示出正常的年變動態，2017年曲線與往年比較呈現出正常的年變特征，2017年山洞洞室內部溫度和洞室外氣溫未對水管儀、伸縮儀NS向的資料造成干擾。

內部觀測環境調查,發現該觀測點的洞室內部環境與周圍觀測環境進行了細致的現場調查，發現整個山洞除北向入口處留有唯一進出口外，其他洞口均用混泥土徹底密封，山洞洞室內總共建有5道通道密封門，所有密封的通道門均能正常關閉沒有破損情況，能夠很好地隔絕洞室外部氣流進入干擾，說明洞室內密封性、保溫性良好，與外界氣流隔絕良好，洞室溫度最大變幅為0.09度，說明洞室密封性較好，地形變儀記錄未受到洞室溫度的干擾。

外部觀測環境調查,十堰市柳林溝臺形變觀測設備南側大約150米左右處，有一處工地正在搞開發建設居住樓盤。自8月下旬開始動工，目前場地大部分已開挖平整。臺站觀測環境示意圖，圖中橙色粗線為山洞走向示意，藍色實線為臺站觀測儀器布設位置，紫色虛線內為開挖范圍。

（三）荷載干擾計算

針對十堰柳林溝臺站附近施工開挖對觀測產生的影響，采用邱澤華、馬棟（邱澤華等，2004）等提出的干擾源荷載引起的傾斜變化量計算模型進行細致分析，該分析方法主要是針對傾斜儀觀測數據受地面載荷引起的變化干擾，在建立三維無限半空間邊界上作用集中荷載模型，可求出干擾載荷引起的傾斜變化量。計算十堰柳林溝臺站西南向新挖山體的地表荷載變化對儀器的影響，本次的建筑施工所造成的傾斜影響從計算結果來看是遠遠大于限定指標的。因此，我們可以認為是該處施工建設的荷載變化對十堰柳林溝形變臺伸縮和水管、NS分量的觀測數據造成一定影響。

（四）異常情況判定

（1）十堰柳林溝形變臺形變儀器觀測系統工作正常運行，記錄到的數據變化真實可靠。

（2）降雨資料表明，2017年10日累積50mm降雨過程主要發生在8月份，遲于異常的出現，50mm以下降雨過程在前期觀測中未發現造成數據出現類似趨勢性異常。臺站洞室溫度、氣壓等均未出現顯著變化。

（3）經過我們現場的細致調查發現，儀器南側的山體施工開挖位置與形變儀器最小的距離僅為150米，根據計算結果表明，儀器南側山體外部施工建設所引起的傾斜變化量是遠大于傾斜干擾的限定指標，是能夠對十堰柳林溝形變臺的形變觀測數據造成一定的影響。

綜合上述分析我們認為，伸縮儀和水管儀，自2017年7月以來出現的數據異常主要是受到儀器南側150米處的山體開挖引起的干擾性異常。2018年10月以后外部施工結束，隨之形變儀器數據恢復正常狀態。