山西昔阳地震台水平摆观测受降雨影响的数值分析

李宏伟，刘瑞春，王　霞，吕永青，王秀文

(1.山西省地震局，山西　太原　030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西　太原　030025；3.山西省地震局昔阳地震台，山西　昔阳　045300)



·观测分析·

山西昔阳地震台水平摆观测受降雨影响的数值分析

李宏伟1，2，刘瑞春1，2，王霞1，2，吕永青3，2，王秀文1，2

(1.山西省地震局，山西太原030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原030025；3.山西省地震局昔阳地震台，山西昔阳045300)

摘要：在考察昔阳地震台山洞覆盖层厚度、硐室密封性及周边环境等基础上，采用FLAC3D数值模拟分析方法，结合研究区DEM数据和降雨量，定量分析2013年7月12日昔阳台水平摆观测值异常变化。考虑降雨连续性以及降雨滞后的影响，综合分析设定最大积水区域的荷载等效为0.2 m厚度的雨水，通过计算得出，台站所在位置向南倾斜1.419角秒，向西倾斜1.459角秒，与实际观测值较为相符，认为本次数据变化与降雨有密切关系，非地震前兆异常。

关键词：异常分析；水平摆；昔阳地震台

0引言

洞体形变观测受降雨影响主要通过降雨入渗和载荷变化两种方式。当降雨速率小于入渗率时，降雨主要以入渗的方式使地表局部产生不规则形变，通过应力的传递进而影响仪器观测墩。从理论上分析，该方式对洞体形变观测的影响具有滞后时间长、影响周期久等特征；当降雨速率大于入渗率时，降雨的一部分沿地表流向积水区，给积水区域额外施加载荷，进而影响观测墩的倾斜变化。该方式对洞体形变观测的影响具有滞后时间短、影响周期短等特征。

在昔阳地震台(以下简称昔阳台)水平摆观测资料的多种干扰因素中，降雨影响最为显著，幅度大且影响时间相对较短。这种变化需要对观测资料进行降雨的定量排除，才能作出客观判定是否受降雨干扰，进而获取准确的前兆变化信息[1-2]。本文以2013年7月12日昔阳台水平摆两方向加速倾斜变化为例，采用数值模拟的方法定量分析降雨对昔阳台水平摆的影响。

1测点概况

昔阳台位于太行山区昔阳县大寨乡小寨村，是山西测震台网和前兆台网在山西省东部布设的一个重要台点。山洞开挖于奥陶系中统上马家沟组深灰色厚层石灰岩中，所处海拨高度953 m，进深40.67m。山洞为黄土植被，覆盖厚度12 m，从厚度看稍有欠缺。

台址处于山西断陷带以东的太行山断块隆起区，出露的地层主要有奥陶系下统含燧石结核的白云质灰岩及白云岩；奥陶系中统泥灰岩、灰色石灰岩；石炭系上统砂岩、砂质页岩及煤层；新生界第四系的中更新统离石黄土和上更新统马兰黄土[3]。

昔阳地震台SSQ-2石英摆倾斜仪属于十五数字化仪器，经试运行观测，数据连续稳定，同震变化记录清晰。但通过近三年的观测资料发现，每年雨季两方向均出现大幅台阶变化。

2降雨响应特征

研究表明，在洞体形变仪器中，降雨对倾斜仪的影响最为突出，通常表现为持续的加速变化，且变化幅度明显[4]。昔阳台洞体观测条件相对较差，每年雨季时洞内潮湿甚至进水，2013年至2015年的3次大幅台阶变化均出现在7～8月份，且变化前均有持续降雨。其干扰对数据变化的滞后时间和影响时长都较为短暂，之后便快速恢复为变化之前的形态(见第2页图1)。因此，昔阳水平摆受降雨影响主要通过载荷变化的方式，而受降雨速率、降雨时长及测区周边地理环境的影响会导致不同的载荷效应，使水平摆倾斜仪产生不同幅度、不同方向的倾斜变化。

3质点载荷模型影响规律

为合理建立模型大小，确定影响范围，首先采用质点载荷模型分析变形的分布规律，并假定岩石是均匀且各向同性的[5]。设定三维模型大小为1 km×1 km×0.2 km，单元大小50 m×50 m×50 m，计算采用Mohr-Cloumb模型，模型表面设定为自由边界，其他面设为固定边界。通过对近三年降雨量的分析(见表1)，将降雨量等效为载荷的变化，考虑降雨影响的滞后性，在模型中间(200 m范围内)加载0.5 m厚度的降雨量。图2～图4分别是加载后的垂直向位移云图、平行于x方向的垂直位移剖面图及平行于x方向的水平位移剖面图。通过分析得出：(1) 0.5 m厚度的等效载荷影响范围在水平方向上不超过1 km，在垂直方向上略超0.2 km；(2) 载荷集中点处垂向位移最大，垂向位移自载荷中心向x、y、z三个方向快速衰减；(3) 水平位移场在垂直方向衰减迅速，水平方向的最大位移与最大垂向位移处存在一定水平偏离。

图1　昔阳台水平摆观测值与月降雨量Fig.1　Observation value of horizontal pendulum of Xiyang Station and monthly rainfall

表1　台站附近地区2013年至2015年月降雨量统计

图2　垂直向位移云图Fig.2　Cloud map of vertical displacement

图3　平行于x方向的垂直位移剖面图Fig.3　Vertical displacement parallel to the X direction

图4　平行于x方向的水平位移剖面图Fig.4　Horizontal displacement parallel to the X direction

因此，为了保证最远的影响范围不受模型大小限制，结合研究区地形地貌、地质条件、软件的分析精度和仪器的观测精度确定实际建模的三维网格大小为6 km×6 km×0.6 km，单元大小100 m×100 m×60 m，采用Mohr-Cloumb模型，模型表面设定为自由边界，其他面设为固定边界，在模型表面中间3 km×3 km范围内施加不均匀载荷。

4不均匀载荷模型影响规律

4.1汇流分析

汇流分析的基本思想是以规则格网表示的DEM每点处有一个单位的水量，按照自然水流从高处流向低处的自然规律，根据区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值，得到该区域的汇流累积量，用数值矩阵表示该区域地形每点流水累积量[6](见图5)。分析研究区汇流累积量，首先获取该区域30米分辨率DEM数据，并以台站为中心裁剪6 km×6 km范围的DEM数据，然后提取无洼地DEM数据，计算基于无洼地DEM的水流方向，最后利用该方向数据获取汇流累积量，结果如图6所示。

图5　汇流累积量计算模型Fig.5　Calculation model of flow accumulation

图6　研究区汇流累积量分析结果Fig.6　Analysis result of flow accumulation of study area

由图6可知，在台站东、西两侧各1km附近存在近乎平行的两条易积水区域及南侧局部存在不规则的积水区域，在降雨后短时间内载荷变化最大且垂向位移也将是最大。由质点载荷模型的变形影响规律可知，倾斜量最大值是离开最大载荷一定距离的位置，因此，从理论上分析，台站所处的南北倾斜量应南倾分量大一些，东西倾斜量应西倾分量大一些。

4.2不均匀载荷加载分析

根据降雨响应特征，选取2013年6月1日至7月27日异常变化前后5天的降雨累积量作为不均匀载荷的输入(见图7)，参照质点载荷模型影响规律计算地表径流率，综合给定最大载荷变化量等效为0.2 m厚度的降雨，将汇流分析结果的汇流系数矩阵(只取台站中心3 km×3 km范围)转化为等效载荷的变化，通过FLAC3D自带的Fish语言编写应力加载的循环程序，图8是模型稳定后的垂直向位移分布图。

图7　2013年异常变化前日平均降雨量Fig.7　Daily average rainfall before abnormal change in 2013

图8　不均匀载荷加载后的垂直向位移分布图Fig.8　Distribution of vertical displacement after uneven load

经计算，台站所在位置，向南倾斜角度为1.419角秒，向西倾斜角度为1.459角秒，实际观测到的倾斜角度为向南倾斜1.440角秒，向西倾斜1.756角秒。实际观测值与模型计算结果较为相符。因此，判定此次变化是受降雨影响，非地震前兆异常。

5结论

(1) 昔阳台水平摆在众多干扰因素中，受降雨影响最为明显，变化幅度最为显著。不同的降雨方式和降雨持续时间决定了对观测值的影响形态及变化幅度，多样化的降雨方式使水平摆观测资料的响应特征复杂。

(2) 通过对积水区的分析，台站附近存在不均匀积水区域，结合质点载荷模型影响规律，得出台站所在位置向西南方向倾斜，与实际观测结果一致。

(3) 通过不均匀模型的加载计算，台站所在位置向南倾斜1.419角秒，向西倾斜1.459角秒，与实际观测值较为相符。但模型计算的西倾量数值与实际观测数值存在一定偏差，可能与局部地形差异有关。

综上可知，昔阳台水平摆2013年7月12日加速倾斜变化与降雨有密切关系，非地震前兆异常。

DEM数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http://www.gscloud.cn)。

参考文献：

[1]汪翠枝，张磊，刘双庆，等.定点形变观测的降雨干扰及排除方法研究[J].华北地震科学，2010，28(1)：42-47.

[2]赵小贺，卢双苓，冯志军，等.洞体形变数字化观测干扰分析[J].地震地磁观测与研究，2009，30(4)：55-62.

[3]山西省地震局.山西省地震监测志[M].北京：地震出版社，2006:158-170.

[4]丁建国，陆德明，狄梁，等.常熟台倾斜仪降雨干扰定量分析[J].华南地震，2011，31(3)：83-88.

[5]闫伟，牛安福.陈国琴不规则载荷影响地表近场垂向位移和倾斜观测的定量计算[J].中国地震，2015，31(2):297-307.

[6]汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2010:429-438.

文章编号：1000-6265(2016)02-0001-04

收稿日期：2015-12-28

基金项目：山西省地震局科研项目(SBK-1509)。

第一作者简介：李宏伟(1986—)，男，山西省大同人。2013年毕业于中国矿业大学，硕士研究生，助理工程师。

中图分类号：P315.63

文献标志码：A

Effect of Rainfall on Observation of Horizontal Pendulum Tiltmeter in Xiyang Seismological Station

LI Hong-wei1,2, LIU Rui-chun1,2, WANG Xia1,2, LV Yong-qing2,3, WANG Xiu-wen1,2

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China; 2.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China; 3.Xiyang Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province, Xiyang, Shanxi 045300, China)

Abstract:On the basis of investigation of the thickness of the overburden, the sealing property and surrounding environment of the cave in Xiyang Seismological Station, the abnormal changes of observation value of horizontal pendulum tiltmeter on July 12, 2013 are analyzed quantitatively by using FLAC3D numerical simulation method. The analysis is combined with DEM data and rainfall in the study area. Considering the continuity and the lag of rainfall, the load of the maximum water accumulation area is set equivalent to 0.2 m thickness of the rain. It is obtained that the station location is tilt to the South for 1.419 arcsecond and tilt to the West for 1.459 arcsecond. This conclusion is consistent with the actual observed values. It is considered that the data is closely related to rainfall, but not the earthquake precursor anomaly.

Key words:Abnormal analysis; Horizontal pendulum tiltmeter; Xiyang Seismological Station