九江地震台观测环境因素引起的洞体应变异常机理探讨

赵爱平 周红艳

1 江西省地震局，南昌市洪都北大道311号，330039

定点地形变观测结果可表示为周期应变波、构造运动、地震前断层加速扩展和观测环境等因素引起的联合变形［1－5］。目前，一般采用SS－Y 型伸缩仪进行定点台站洞体应变固体潮观测，获得的线应变固体潮观测资料可进行潮汐主应变、主方向和剪应变的计算［6－7］，从而获知台站观测场地的平面应变状态，分析区域应变场的变化和地震前兆异常。

九江台洞体应变固体潮观测受到集中降雨、气温、气压、抽水等诸多环境因素影响，笔者等［8］曾利用较短资料对该台站的洞体应变异常进行了初步研究，曾新福等［9］分析了水文、气象因素对该台站形变资料的影响。本文在前文基础上，采用九江台2008～2013年洞体应变、水位、气象及抽水实验等资料，深入分析该台站洞体应变异常响应过程、异常特征及其应变量级，并讨论应变异常的形成机制。

1 九江台观测环境概况

九江台位于赣北庐山西北侧，地理位置为东经116.01°、北纬29.65°，海拔110m。台址在大地构造上属于扬子陆块下扬子地块中部，区域构造位于庐山西北缘边缘剪切带上的夏家－威家岭左行走滑断裂带。该断裂带呈北东走向，延伸约8km，宽约1～1.5km，总体倾向320°～330°，倾角60°～70°，在中－新生代以来多次活动，继承了早第四纪时发生的断块抬升运动，并控制第四纪的分布［10］。1911－02－06在该断裂带上发生九江5.0级地震，距台址仅1.5km。

九江台形变山洞进深45 m，覆盖层厚约35 m，山洞年温差＜1.0 ℃，日温差＜0.02 ℃，洞体基岩为硅质灰岩。山体相对高度约70m，近EW走向，呈EW 缓、NS陡形状，表层植被丰富，山体岩层多见裂隙。邻近分布有3 口井，见表1。流体井和水化井均为构造承压自流井孔，总出水量约100m3／d，受降水和断层远程补给，主要观测含水层埋深58～63m。两井系连通管结构，主要含水层相通（后文中出现的“水位”均为流体井水位埋深）；抽水井为天然井泉，属地表潜水。

表1 九江台井孔参数表Tab.1 Parameters of the wells at Jiujiang seismic station

2 仪器观测原理与应变关系式

2.1 伸缩仪观测原理

SS－Y 型伸缩仪主要用于洞体应变固体潮及地震前兆地体应变监测，也可用于大型精密工程、大型建筑、大坝等方面的应变测量。该仪器测量地壳表面两点间的应变量［11］：其中，L为原地壳表面两点间的距离（即基线长），L′为变化后地壳表面两点间的距离，ΔL为基线的变化量，ε为应变量。

九江台SS－Y 伸缩仪采用含铌特种因瓦材料作测量基线，其膨胀系数低于0.33×10－6／℃，NS、EW 基线长分别为9.04、11.92 m，2007－08开始数字化观测，观测资料连续，内在精度高。

2.2 应变关系式

一般来说，在纯压力（或张力）作用下，物体内部将形成正应力，使物体发生应变，即线应变、面应变和体应变，分别以εL、εS、εV表示：

式中，L、S、V分别为物体长度、截面积和体积，ΔL、ΔS、ΔV为其改变量。

若在同一水平面内，测得EW、NS向的线应变为εLew与εLns，则在该水平面上的面应变为：

上述各式中，ε＜0时表示压缩，反之为拉张。

3 应变异常数据统计与分析

3.1 洞体温度变化应变响应

九江台洞体应变观测资料具有清晰的年变动态（图1）。2009～2013年线应变NS、EW 和洞体温度在2～3月为低值，8～9月为高值，线应变两个分量分别与洞体温度呈正相关关系，相关系数为0.7和0.85。频谱分析表明，洞体温度与线应变EW 卓越周期为365.2d，线应变NS主要周期成分为1 826和365.2d，线应变与洞体温度变化趋势一致。洞体温度年变化幅度约1.0℃，线应变变化在10－6量级。经计算，线应变NS、EW 的平均线膨胀系数为1.36×10－6／℃和4.50×10－6／℃，远大于因瓦材料的线膨胀系数，线应变两个分量准确反映了洞体应变观测基线长度的变化。

图1 九江台2009～2013年洞体应变曲线Fig.1 Cave strain chart from 2009to 2013at Jiujiang seismic station

3.2 气压骤升应变响应

九江台气压日变幅约2～3hPa，若气压在几天内上升超过10hPa，称之为气压骤升，这种天气异常现象常导致洞体应变的异常畸变，具体表现为线应变两分量同步下降，气压停止上升转而下降时，线应变两分量逐步恢复。统计了2010～2013气压骤升与线应变响应的有关参数（表2），气压的持续大幅升高，线应变两分量和面应变均下降，应变呈压缩状态。

表2 九江台气压骤升与应变异常响应统计Tab.2 Statistics of air pressure and strain abnormity at Jiujiang seismic station

3.3 集中降雨应变响应

观测表明，九江台集中降雨时，水位和洞体应变能记录明显的异常变化。统计了2008～2013年日降雨量40mm 以上时，水位和应变响应变化的有关参数（表3）。总降雨量与面应变呈弱相关关系，拟合式为y＝26.316x－553，y为面应变（量纲为10－10），x为日降雨量（量纲为mm）。从表3可看出，持续时间相差不大的降雨类型引起的应变和水位异常幅度变化不一，离散度高，线应变两分量变化幅度亦有明显的差异，NS 大于EW。降雨开始后，水位上升，线应变两分量同步下降，降雨停止时水位和应变延续变化一定时间后亦停止变化。这些特征表明，九江台集中降雨导致的应变异常变化十分复杂，这种影响可能是多解的。

3.4 抽水应变响应

九江台洞体应变观测受抽水井抽水的影响，一般每次抽水约20min，抽水量约10m3，应变变化幅度较小。2013－07－30、31，分别进行120 min抽水实验，抽水量约60m3。结果表明，实验重复性好，两次抽水时蓄水池降深曲线和洞体应变畸变一致。抽水过程中，水位无变化，线应变NS随抽水期上升，抽水结束即上升停止，线应变EW随抽水期下降，在停止抽水后继续下降2h后停止，线应变NS 呈拉张、EW 呈压缩状态（图2）。有关的统计数据如表4。

表3 九江台集中降雨与应变异常响应统计Tab.3 Statistics of heavy rainfall and strain abnormity at Jiujiang seismic station

图2 九江台抽水实验与应变异常响应曲线Fig.2 Strain abnormity and pumping water test at Jiujiang seismic station

表4 九江台抽水与应变异常响应统计Tab.4 Statistics of pumping water and strain abnormity at Jiujiang seismic station

3.5 承压含水层卸载应变响应

2008－09－08～11－03，在流体井正北10 m 处新钻了水化井，该井孔径130 mm，井深71 m。09－23钻进第一含水层，埋深17 m，有少量水溢出，水位和应变无明显变化；10－13进入第二含水层，埋深58m，大量水涌出井管。由于水化井与流体井的连通管结构造成分压效应，承压含水层发生卸载，导致水位和应变急速变化，水位和应变同步下降；10－25达到平衡，下降停止（图3）。根据水位、应变变化速率的不同，可把这次承压含水层卸载响应过程分为3 个阶段，有关参数统计见表5。

表5 承压含水层卸载时水位与应变异常响应统计Tab.5 Statistics of strain abnormity and water level during the confined aquifer unloading at Jiujiang seismic station

图3 承压含水层卸载时水位与应变异常响应曲线（2008－10－10～11－01）Fig.3 Strain abnormity and water level chart during the confined aquifer unloading at Jiujiang seismic station（2008－10－10－11－01）

3.6 应变异常变化量级统计

从前述统计可知，台站抽水导致的应变量在10－8量级，较大降雨量和气压骤升导致的应变量在10－9～10－7，承压含水层卸载、洞体温度年变化导致的应变量量级为10－6。由于应变潮汐的应变量在10－8量级，因此，这些环境因素都能使应变固体潮观测叠加干扰，以致产生畸变，在使用应变固体潮资料时先要去除这些影响，提高信噪比。

4 应变异常变化机理分析

4.1 应变异常变化与温度效应分析

洞体温度季节性变化规律强［12］。把洞体应变观测基线看成一种弹性材料，九江台洞体温度年变化范围很小（16.7±0.5 ℃），温度传感器位于测量基线腔体内，基线材料温度即所测量的洞体温度。该材料不会发生相变，应遵循热胀冷缩原理，使线应变NS、EW 与洞体温度线性相关。前已计算的基线热膨胀系数分别为1.36×10－6／℃和4.50×10－6／℃，而实际灰岩在常温下热膨胀系数约（3～5）×10－6／℃。可见，基线介质的热效应可以使基线介质产生实测线应变年变幅值的应变变化。而在九江台季节性周期变化里，找不出与应变年变同步并能产生如此幅值变化的其他影响因素，因此，九江台洞体应变具有的年变动态的主导原因应为洞体温度变化的温度效应，其形态规律性强，容易用线性回归方法消除。

4.2 九江台应变异常变化静力学分析

九江台观测山洞上部山体由灰岩和覆盖其上的粘土层或砂砾层组成，含较多裂隙，下部依次是较薄的潜水层及由上、下底板夹持的承压含水层构造，承压含水层厚达数米，储水量丰富。我们把九江台洞体应变观测场地抽象为一个简单的静力学模型（图4（a）），来分析线应变或面应变的异常变化，从静力学角度解释观测结果的成因。

当九江台气压骤升时，最大气压变化量可达24hPa，相当于在山体增加垂向附加应力（图4（b））。山体重力不变，其气压附加应力的增压过程导致山体受压，应变（线应变、面应变）降低。气压缓慢降低后，被测体的应变呈逆向变化，并最终恢复到气压变化前期的平衡位置。

一般认为，降雨通过岩体孔隙下渗含水层和降雨积水荷载效应影响区域应力场［13］。九江台山体为灰岩区，存在一定孔隙，为上部流体的渗入创造了条件，一部分雨水通过地表径流散失，另一部分直接入渗岩层，降雨量越大时入渗雨水量越多，直至岩层孔隙饱和，山体受雨水荷载附加垂向应力，应变表现为受压（图4（c））。当日降雨量大于某一阈值时，线应变NS、EW 同步降低，降雨结束后几天内，入渗雨水逐渐散失，直至恢复降雨前状态，应变也随之恢复。

九江台抽水井抽水试验期间总排水量约60 m3，一部分出水来自潜水面以下，一部分来自山体岩层孔隙，因此，被测体上部必然有一部分重量损失，山体受拉张，面应变上升。由于存在抽水漏斗，使补给区到井眼处水力梯度依次增大［14］，线应变EW 在抽水停止2h后达到最大变形量，表明EW 方向是主要的补给通道，介质不断失水产生收缩效应使线应变EW 一直降低。约10h后，抽水漏斗由于持续补水，线应变回到起始平衡位置（图4（d））。

在静力平衡条件下，上层山体和地层总重力由承压含水层的浮力和界面上向上的托力合力抵消。水化井自流使承压含水层发生应力卸载而静水压力减小，水位下降，山体上层产生新的附加垂向应力而使承压界面受压，线应变NS、EW 同步大幅下降，从而迫使界面增大托力使承压层受挤压变形以致发生沉降，以抵消附加垂向应力，直至达到新的平衡（图4（e））。该应变量达到10－6量级，2009～2013年水位和应变状态再也未恢复到卸载前的水平，说明该次事件发生的变形是不可逆的。

图4 九江台洞体应变观测静力学模型示意图Fig.4 Static mechanical model sketch map of the cave strain observation at Jiujiang seismic station

5 结 语

1）抽水、气压骤升、集中降雨、承压含水层卸载和洞体温度年变化因素引起的洞体应变响应在10－9～10－6量级，这些因素都能直接影响九江台应变固体潮观测；

2）九江台洞体应变年变动态主要由观测基线介质的温度效应所决定；

3）气压骤升、集中降雨、承压含水层卸载和抽水导致洞体应变异常变化的主要机制是山体附加应力的加卸载过程；

4）九江台应变观测对局部应力场有较强的敏感性，为捕捉区域应力场前兆异常变化提供了可能性。

［1］牛安福.地壳形变观测与地震前兆一般性问题的讨论［J］.国际地震动态，2007，6（342）：1－6（Niu Anfu.Some Problems on the Ground Deformation Measurements and Earthquake Precursors［J］.Recent Developments in World Seismology，2007，6（342）：1－6）

［2］陈敏，郭欣.重庆台倾斜潮汐形变干扰异常与震兆异常的识别［J］.大地测量与地球动力学，2007，27（增刊）：80－83（Chen Min，Guo Xin.Recognition of Disturbance and Seismic Anomaly from Tilt tide Deformation at Chongqing Seismostation［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，27（Supp）：80－83）

［3］高昂.山洞环境对地震观测的影响［J］.地震地磁观测与研究，2013，34（5／6）：200－203（Gao Ang.Influence of the Environment in Cave on the Seismological Observation of Seismic Station［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Reseach，2013，34（5／6）：200－203）

［4］刘序俨，张雁滨.排除形变观测数据中降水干扰的数学物理方法的研究［J］.地壳形变与地震，1991，11（1）：36－40（Liu Xuyan，Zhang Yanbin.Studies of Mathematical and Physical Method for Elimination of Precipitation Influence on Crustal Information Data［J］.Crustal Deformation and Earthquake，1991，11（1）：36－40）

［5］王曰凤，张秀萍.怀来地震台线应变观测中的干扰及消除方法［J］.地震地磁观测与研究，2007，28（2）：80－83（Wang Yuefeng，Zhang Xiuping.The Interference of Line Strain Observation in Huailai Seismic Station and Elimination Method［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Reseach，2007，28（2）：80－83）

［6］刘序俨，李平，张雁滨.地表的面应变和体应变固体潮理论值计算及其调和分析［J］.地壳形变与地震，1988（4）：354－358（Liu Xuyan，Li Ping.The Calculation and the Harmonic Analysis to the Solid Tide Theory Value of Surface Strain and Volume Strain［J］.Crustal Deformation and Earthquake，1988（4）：354－358）

［7］蒋骏，张雁滨.潮汐线应变组合观测的物理力学实质及其调和分析［J］.地球物理学报，1994，37（Supp I）：204－212（Jiang Jun，Zhang Yanbin.The Physics－Mechanical Significance of Tidal Strain Combination and Its Harmonic Analysis［J］.Acta Geophysica Sinica，1994，37（Supp I）：204－212）

［8］赵爱平，李传江，九江地震台异源流体力加卸载过程的应变分析［J］.大地测量与地球动力学，2012，32（增刊）：67－71（Zhao Aiping，Li Chuanjiang.Research on Strain from Loading and Unloading Processes of Different Fluid［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2012，32（Supp）：67－71）

［9］曾新福，汤兰荣.探讨水文、气象因素对九江台形变资料的影响［J］.防灾科技学院学报，2013，15：55－60（Zeng Xinfu，Tang Lanrong.Discussion on the Impact of Hydro－Geological and Meteorological Factors on Deformation Data in Jiujiang Province［J］.J of Institute of Disaster Prevention，2013，15：55－60）

［10］江西地质矿产勘查开发局.中华人民共和国地质图说明书：海会幅H－50－89－A［M］.1993（Jiangxi Geology and Mineral Exploration and Development Bureau.Instruction of Geologic Map of the People’s Republic of China，Haihui Picture，H－50－89－A［M］.1993）

［11］吕宠吾，孙亚强.SS－Y 型短基线伸缩仪及其标定装置［J］.地壳形变与地震，2001，21（3）：82－88（Lv Chongwu，Sun Yaqiang.Development of SS－Y Short－Based Extensometer and Its Calibrator［J］.Crustal Deformation and Earthquake，2001，21（3）：82－88）

［12］陈德福.地壳形变动力学观测与研究［M］.北京：海洋出版社，1993（Chen Defu.Observation and Study on the Crustal Deformation Dynamics［M］.Beijing：Maritime Press，1993）

［13］赵小茂，黄辅琼.“集中降雨”与浅层承压井水位及区域地震活动关系的初步研究［J］.西北地震学报，2009，31（3）：259－264（Zhao Xiaomao，Huang Fuqiong.Preliminary Study on Relationship Among the Concentrated Rainfall，Groundwater Level and Regional Seismicity［J］.Northwestern Seismological Journal，2009，31（3）：259－264）

［14］裴晓峰.抽水对蓟县台形变观测的干扰机理研究［J］.地震地磁观测与研究，1995，16（4）：75－80（Pei Xiaofeng.Study on the Mechanism of Water－Pumping Distribance to the Deformation Observation in Jixian Seismic Station［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Reseach，1995，16（4）：75－80）