乌海地震台体应变观测趋势性变化分析

熊 峰，陈立峰，查 斯，刘永梅

(内蒙古自治区地震局，内蒙古 呼和浩特 010010)

·观测分析·

乌海地震台体应变观测趋势性变化分析

熊 峰，陈立峰，查 斯，刘永梅

(内蒙古自治区地震局，内蒙古 呼和浩特 010010)

文章通过数值建模定量分析2015年4月15日内蒙古阿左旗Ms5.8地震后，乌海地震台体积式钻孔应变仪测值于2015年1月至4月破年变规律的走势。对影响体应变趋势的可能性因素“黄河海勃湾水利枢纽工程”和平整台站院落的加卸载影响，按地表荷载影响力学模型及岩层加载载荷形变机理进行计算。结果表明，“黄河海勃湾水利枢纽工程”水库蓄水引起的应变量接近体应变仪的实测应变量，水库蓄水对乌海台体应变的中短期趋势性异常变化具有较大影响。

水库蓄水；体积式应变仪测值；载荷影响

0 引言

大型水库蓄水影响生态平衡，对库区岩体也会产生影响。地壳中除由板块运动和其他构造过程引起的缓慢且稳定变化的构造应力之外，也存在瞬态和周期性的载荷作用。如固体潮汐力作用、水库水位变化产生的加卸载效应、强震发生引起的静态和动态载荷作用等，作用于断层上将会引起断层应力状态的调整，从而影响断层带上的地震活动性，导致强震提前或延迟发生[1]。水库蓄水对周边环境的影响较为复杂，从岩体力学角度分析，水体载荷的重力作用产生弹性载荷效应，导致一定的孔隙压力变化，进而改变库区及周围地区的应力场和岩土体强度[2]。在蓄水初期，随着水位的变化，水在岩石裂隙中不断渗流，孔隙压的改变主要由库水的渗透、侧压和水荷载重的联合作用引起[3-4]。水库库区地质构造、岩性、岩体和断裂力学性质及流体状态与运移特征、地下水对断层物质的软化作用，孔隙压力加卸载过程中岩石的轴向应变、径向应变和体积应变都将逐渐累积，岩石强度及变形随孔隙压力的变化表明，岩石变形的累计可能诱发、诱导地层破坏，甚至灾害性事件发生[5]。

2010年1月至2015年6月，距乌海地震台300 km内发生Ms4.0以上地震21次，最大为2015年4月15日内蒙古阿左旗Ms5.8地震。考虑水库蓄水影响断裂带上的地震活动性，重点分析距测点24.5 km的“黄河海勃湾水利枢纽工程”水库蓄水对乌海地震台体应变观测(以下简称乌海台体应变)的影响。

1 水库与测点所在地地质构造简述

乌海是鄂尔多斯古大陆的一部分，系古地中海浸区经第三次喜马拉雅山隆起而成。东部是桌子山，中部为岗德尔山，西部为五虎山，各山体均属贺兰山脉的北端余脉，三山成南北走向平行排列，中间形成两条平坦的谷地。黄河沿岗德尔山西谷流经市区，阻断了乌兰布和沙漠进入河套地区。祁连山、吕梁山、贺兰山的北端山字型脊柱构造顶部，北为临河断陷盆地，南边是银川断陷盆地，西侧是吉兰泰断陷盆地，东侧是鄂尔多斯地台，地处华北板块西北边缘，当华北地震活动高潮时，本地区的地震活动比较活跃[6]。乌海台体应变测点位于南北构造体系的北端、天山—阴山纬向的中部南侧，东西两边分别是桌子山东缘、西缘断裂，水库距桌子山西缘断裂不足10 km。第8页图1为乌海地质构造图。

2 乌海台体应变测项

2.1 观测系统

乌海地震台钻孔体积式应变仪为TJ-II型，安装在体应变观测井内，仪器探头被密封于地下基岩，通过地下线路与室内数据采集器相连，于2010年2月投入观测。钻孔体应变参数见第8页表1。

图1 乌海地质构造图Fig.1 Geological structure map of Wuhai

仪器型号探头深度m孔径mm岩性孔斜度探头方向灵敏度mV使用日期年⁃月TJ⁃II108130灰岩垂直孔垂直3．97×10-92010⁃02

2.2 数据分析

2.2.1 体应变数据分析

通过分析乌海台钻孔体应变仪2010年2月以来的观测数据，发现其年变特征主要表现在以下几个方面：(1) 具有较明显的年变化周期，且每年完成1个年变化周期所需的时间基本相同；(2) 年变化每年出现3个波峰，表现为年初上升，年末下降；(3)2010—2014年中1—4月的观测数据均为上升趋势，但2015年的该时段呈下降状态；(4) 2015年4月15日阿左旗Ms5.8地震发生后，观测数据趋于平稳，6月10日起逐渐上升；(5)2015年仅出现8月17日一个波峰，打破了2010—2014年的每年3个波峰的趋势性变化背景。图2为乌海体应变年变化趋势对比。

图2 乌海体应变年变化趋势对比图Fig.2 Comparison of annual variation of body strain in Wuhai

2.2.2 潮汐因子变化分析

乌海台钻孔体应变M2波潮汐因子变化曲线如第9页图3所示。2014年3月14日至5月18日数据采集器故障，导致潮汐因子曲线出现较大台阶变化，其他时间段M2波潮汐因子变化均正常且变化值均小于0.1，表明仪器运行正常，测值可靠。

图3 乌海台体应变M2波潮汐因子曲线Fig.3 Tidal factor of M2 of body strain in Wuhai station

3 库区蓄水与乌海台体应变的关系分析

“黄河海勃湾水利枢纽工程”位于乌海台钻孔体应变井北西向约24.5 km(以下简称水库)。水库正常蓄水位1 076.0 m，死水位1 069.0 m，水库面积118 km2，总库容4.87×108m3。土石坝布置在黄河左岸，坝长6 371 m，顶宽7 m，最大坝高16.2 m；泄洪闸共16孔，布置在黄河主河槽中左部。2014年2月12日，黄河海勃湾水利枢纽工程分凌下闸蓄水，目前蓄水量2.48×108m3，蓄水面积80 km2，蓄水高程1 073.5 m。

地层受到载荷变化时，会产生一定形变。水库载荷改变库区的岩体应力场，如果岩石的弹性模量较大(如闪长岩、花岗岩、灰岩等)，则易发生弹性应变；若较小(如泥灰岩、石膏等)，则易发生弹塑性应变。乌海台体积应变仪探头所处基岩为灰岩，弹性模量较大，水库蓄水加载载荷时基岩发生弹性应变，体应变表现为张性变化。图4为不同弹性模量岩石在加卸载作用下，内部形变模式模型；表2为不同参数条件下，水库蓄水引起体应变数值变化的理论值。

图4 不同弹性模量岩石在加卸载作用下内部形变模式模型Fig.4 Internal deformation model of rock with different elastic modulus under different loading and unloading

探头距水库底面深度m岩石参数弹性模量(104MPa)泊松比模拟计算理论值(10-6)5100．204．361100．354．42950．208．72950．358．85815100．2013．081100．3513．28550．2026．16150．3526．570

由地表荷载影响的力学模型[7]，从理论上定量分析水库蓄水造成的荷载变化对乌海台钻孔体应变观测的影响。根据半无限空间均布荷载模型，利用圆柱坐标调和函数推导出的地面负荷对应力应变影响的理论模型如下：

假定负荷力垂直作用在半无限平面介质表面，且介质各向同性，以负荷着力点为圆柱坐标系的原点，向下为z，水平向外为r。利用满足圆柱坐标的调和函数V(r、θ、z)的解[8]、傅里叶-贝塞尔积分[9]可以推出荷载对钻孔产生的平面应变，计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

根据err(r,z)，ezz(r,z)，eθθ(r,z)推演出应力σrr(r,z)，σzz(r,z)，σθθ(r,z)。

σv(r,z)=(3λ+2μ)ev(r,z)=

(4)

式(4)中：k为压缩模量；ev(r,z)=err+ezz+eθθ，σv(r,z)=σrr+σzz+σθθ。式(1)至(4)中：P为由荷载形成的作用于坐标原点并与地面垂直的集中力；r为荷载力作用点至参考点水平投影的距离；z为钻孔深度。

式中：E为岩石的弹性模量；v为岩石的泊松系数。根据体应变与面应变的关系[10]，荷载对钻孔体应变的影响为：

荷载计算的各项参数如下。

蓄水造成的荷载增加量P为2.48×1011kg；水库中心至体应变观测井的水平距离r为2.45×104m；体应变探头深度为108m，黄河水深2～12m，水库死水位1 069m；钻孔体应变井口至水库底面的高差约为93～103m，取深度z为5～15m；乌海体应变钻孔岩性为灰岩，岩石弹性模量E为(5～10)×104MPa，泊松比v为0.2～0.35[11]。

由于未进行现场基岩弹性模量及泊松比的实验测试，根据资料提供岩石力学参数，按照地表荷载影响的力学模型[7]及岩层加载载荷形变机理，得出蓄水阶段荷载引起的体应变变化的理论极值范围为(-4.361～-26.570)×10-6(见表2)。2015年1—4月，乌海台体应变在扣除线性漂移后的变化量已经达到-3.861×10-6；平整台站院落引起体应变变化的理论极值范围为(4.109～12.030)×10-10。根据荷载理论模型计算出的水库蓄水引起的应变量接近实际应变量，可以确认水库蓄水对乌海台体应变的中短期异常变化有较大的影响。

4 结论与思考

(1) 通过数值建模定量分析2015年1月以来“黄河海勃湾水利枢纽工程”水库蓄水对乌海台体应变测值破年变规律形态的影响。按照地表荷载影响的力学模型及岩层加载载荷形变机理，蓄水阶段荷载引起体应变变化的理论极值范围为(-4.361～-26.570)×10-6；平整台站院落引起体应变变化理论极值范围为(4.109～12.030)×10-10；2015年1—4月，乌海台体应变在扣除线性漂移后的应变量达到-3.861×10-6。根据荷载理论模型计算出的水库蓄水引起的应变量接近实际应变量，可以确认“黄河海勃湾水利枢纽工程”水库蓄水对乌海台体应变的中短期异常变化有较大的影响。

(2) 库水载荷的加载位置对地震的触发有重要的影响。当库水加载于断层正上方或上盘时，对正断层型的地震有促进作用，对逆断层型的地震有抑制作用；当库水载荷作用于断层的下盘时，对于倾角较大的正断层与逆断层地震起到抑制作用，而对倾角很小的断层起促进作用，但不会造成较大的水库地震[3]。“黄河海勃湾水利枢纽工程”与2015年4月15日内蒙古阿左旗Ms5.8地震震中距离为54.7km，但库水载荷在岩石裂隙中不断渗流，孔隙压由库水的渗透、侧压和水荷载重的联合作用力随着距离增加逐渐减弱，不应成为触发中强地震的主要因素，Ms5.8地震的发生应与断裂带上地震活动性密切相关。

(3) 乌海台体应变数值趋势性在2015年4月15日阿左旗Ms5.8地震后出现向下异常，从20日数据转平，6月10日起逐渐上升，除受蓄水工程的影响外，该地区近几年地震活动较强，不排除存在震前异常、震后恢复的特征。

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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，内蒙古乌兰察布市人。1998年毕业于呼和浩特教育学院，工程师。

1000-6265(2017)01-0007-04

P315.72+5

A