大同市地裂缝三维断层形变测量值与辅助温度的相关分析

李秀英，邓海岩

(1.大同市地震局，山西 大同 037006；2.同车公司观测站，山西 大同 037038)

0 引言

山西大同市城区至少发育10条构造地裂缝，同车公司地裂缝是唯一一条进行全天监测的。据文献[1]的研究成果，地裂缝活动与地震活动作为在同一构造应力场作用下的不同表现形式，在大尺度时空上具有同步效应。同车公司地裂缝的活动方式表现为垂直沉降量最大，水平张量次之，水平扭量最小，三者的比值为10∶6∶1。

2012年同车公司地裂缝观测站进行数字化改造，由原来的垂向、法向二维观测升级为垂向、法向、切向三维观测，并在两边仪器墩上各布设DS18B20型数字温度计1台。为了解两端辅助温度是否对三维断层形变测量观测资料有影响，笔者进行如下分析。

1 观测站背景资料

1.1 地裂缝形成的地质背景

房子村断层活动是同车公司地裂缝的深部构造背景，同车公司地裂缝是房子村断层在地表的直接反映，房子村断裂又是夹在口泉断裂和桑干河断裂之间的次级断裂。

口泉断裂位于鄂尔多斯地块与华北平原地块交接部位，是一条重要的活动断裂。该断裂作为大同盆地的北部边界，新生代以来控制着大同盆地的形成和演化[2]。围绕该断裂的活动性研究表明，口泉断裂是一条正倾滑的活动断裂[3-4]。口泉断裂所控制的大同盆地西侧在历史时期曾发生过2次6.5级地震，因此其未来地震危险性备受关注[5]。

1.2 台站基本概况

大同地裂缝观测站位于大同盆地西北部的大同市西南部，地处十里河冲、洪积平原上，周边地势为西北高东南低，自然坡度约8‰，台站基底为第四系砂、黏土交互层。同车公司地裂缝西起十里河东岸，终止南关南街，长约5.0 km，由多条北东走向、右行排列的个体地裂缝组合而成，优势方位北东57°，倾向南东，倾角60°～70°，表现为高角度活动正断层性质，即地裂缝活动是以南东盘下降为主，水平拉张为辅，并伴有左旋扭动的张性地裂缝。观测站就设在被同车公司地裂缝破坏的新建街8栋楼房内。

1.3 仪器安装情况

2012年同车公司地裂缝观测站进行数字化改造，观测仪器使用北京震苑迪安防灾技术研究中心(中国地震局地壳应力研究所下属公司)研发的“三维断层形变观测系统”(包括MD2000数据采集器、断层水平切向分量观测仪DLG、断层水平法向分量观测仪DSG、断层分量观测仪DFG)进行观测。主观测室为北南方向，与机车厂台地裂缝正交。测线长度13 m，仪器分辨率为0.004 mm,量程为40 mm,线性度0.5%，重复性误差为0.5%(见第29页图1)。

辅助温度观测系统是在两仪器墩上分别安装2个DS18B20数字温度传感器T1、T2，采样率为每小时1次，布设方式如第29页图2所示。

2 三维断层形变测量与辅助温度相关分析

2.1 相关性检验分析

2012年数字化改造后，地裂缝切向DLG开始观测。期间，由于仪器故障频发，导致数据缺记、断记较多。2015年11月又对仪器进行抗干扰改造。因此，取2016年地裂缝垂直向DFG、法向DSG、切向DLG及仪器两端辅助温度WD1、WD2的日均值完整数据进行相关分析计算，相关系数越大则二者的变化越一致。取显著水平α为0.01进行检验，可确定相应于一定显著水平及自由度的最小相关系数R0,若R>R0，则通过检验，否则未通过。计算结果如表1所示。

图1 观测站仪器设备平面布置示意图Fig.1 Layout of instrument in observation station

图2 DFG断层垂直形变测量仪观测原理示意图Fig.2 Observation principle of DFG fault vertical deformation instrument

表1 地裂缝垂向、法向、切向与温度WD1、WD2及温差日均值相关分析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可见，地裂缝垂向、法向、切向测值与WD1、WD2、温差的相关系数虽通过检验，但与温差的相关系数均很小，呈弱相关；法向、切向测值与WD1、WD2的相关系数很低，垂向的相关系数较高。因此，对地裂缝垂向观测值与仪器两端温度的相关性进行着重分析。

2.2 断层垂直形变DFG测量值与仪器两端温度的相关性分析

(1) 正常年动态。同车公司地裂缝观测自2012年数字化改造以来，地裂缝垂向DFG活动与地裂缝上下两盘辅助温度均有清晰的年变动态。地裂缝垂直向DFG年变规律多呈夏秋低、冬春高，近似正弦波形的特点，日变幅在0.001～0.1 mm(见图3)。

(2) 数据的可靠性。

选取观测站数字化改造以来，2013年至2016年的完整日均值进行计算，结果如第30页表2所示。

2013年方差83%均在0.001～0.006，83%均方差相当，在0.035～0.078，小于0.1；2014年方差83%均在0.001～0.005，83%均方差相当，在0.037～0.074波动，小于0.1；2015年方差92%均在0.001～0.007，92%均方差相当，在0.027～0.087，小于0.1；2016年方差92%均在0.001～0.005，92%均方差相当，在0.021～0.071，小于0.1。4年的观测数据表明，地裂缝垂向DFG月方差均在0.001～0.007，均方差相当，都小于0.1。

图3 2013—2016年地裂缝垂向DFG与观测仪器两端辅助温度日均值变化Fig.3 Vertical DFG of the fissure and the variation of the daily mean values of temperature from 2013 to 2016

该观测站主要的环境干扰因素为高频振动干扰，DFG观测仪器具有较强的抗高频振动干扰能力，自2012年数字化改造以来，无断记、缺记，仪器工作状态稳定，观测数据可靠。

表2 2013年至2016年地裂缝垂向日均值与仪器两端温度的相关系数及方差、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 讨论分析

一般情况下，跨断层形变观测数据的主要成分包括：断层构造活动产生的形变信息，表现形式为趋势性变化与各种突变；气象因素引起的年周期变化，一般为较规律的类似于谐波的低频分量；观测环境荷载变化、人为因素、仪器故障、白噪声等干扰引起的各种尖峰、突变与高频波动[6]。若以提取断层形变变化及前兆异常为目的，断层构造活动产生的形变信息参考价值较大。

根据相关研究，断层的垂直形变变化除断层本身运动外，还包含热形变效应即温度的影响[7]。地裂缝垂向DFG观测值是断层两盘观测值相减的结果，在一定程度上可以抵消温度及外界的干扰，消除仪器两端由于共同干扰而引起的变化，但还是易受温度的影响。观测室温度受室外温度即外界温度的影响，外界温度的变化可以引起室内温度变化，进而影响断层高差的变化。

笔者对同车公司跨地裂缝观测的垂直向DFG形变数据、仪器两端辅助温度值进行相关分析，表明，地裂缝垂直向DFG观测值与仪器两端辅助温度WD1、WD2具有很高的相关性，且呈高度负相关。温度升高，地裂缝垂直向形变量减小，反之则增大。只有个别月份地裂缝垂直向观测值与仪器两端辅助温度不相关。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。

同车公司地裂缝垂向形变观测曲线周期趋势变化明显，年周期形态清晰且比较规律。对于年周期变化，普遍的认识是气象温度变化直接或间接导致，也有学者认为这种年周期变化主要是由断层仪所跨岩体的热胀冷缩造成[8],其影响机理与消除方法尚无统一和明确的结论，但最根本的影响因素仍是温度变化。

4 结论与建议

(1) 地裂缝观测的垂直向DFG、法向DSG、切向DLG三分量中，垂直向DFG受仪器两端温度的影响较明显。

(2) 断层仪观测到的垂直形变变化是热形变效应及断层运动信息的综合反映，环境温度与观测结果具有较强的负相关效应。温度升高，地裂缝垂直向形变量减小，反之则增大。

(3) 该观测站地裂缝观测受环境温度影响较大，建议在今后的观测环境改造中，采取措施，尽可能使环境温度趋于恒温。

[1] 刘玉海，陈志新，刑集善，等.大同机车工厂及邻区地裂缝研究[M].西安：陕西科学技术出版社，1991.

[2] 国家地震局“鄂尔多斯周缘活动断裂系”课题组.鄂尔多斯周缘活动断裂系[M].北京：地震出版社，1988.

[3] 谢新生，江娃利，王 瑞，等.山西大同盆地口泉断裂全新世古地震活动[J].地震地质，2003，25(3)：359-374.

[4] 徐伟，刘旭东，张世民.口泉断裂中段晚第四纪以来断错地貌及滑动速率确定[J].地震地质，2011，33(2)：336-346.

[5] 徐锡伟.山西地堑系的新构造活动特征及其形成机制[D].北京：国家地震局地质研究所，1989.

[6] 李惠玲，程冬焱，胡玉良，等.宽频带倾斜仪及其观测干扰因素分析[J].山西地震，2017(2)：16-21.

[7] 李杰，马玉香.MD数字化断层形变测量仪资料的应用分析[J].地壳形变与地震，2001，21(4)：95-105.

[8] 张毅光，张瑞云.新疆DSJ型水平断层活动测量仪年变规律的研究[J].内陆地震，1998，12(2)：142-146.