场地环境(荷载干扰)对地应变、地倾斜等定点形变仪器的数据变化调查

文/李鹏 张波魏 栾峦 雷洁（十堰市人民防空办公室(地震局)）

一、引言

DSQ水管测斜仪是一种自动测量地壳倾斜变化的精密仪器。它用于测量慢倾斜变化，倾斜固体潮汐，捕获即将发生的地震前兆信息等与地震监测有关的数据，该仪器采用了差动变压器位移传感器，并结合了现代微电子技术的一些新成果而设计。具有结构合理、稳定性强、可靠性强、功能齐全、使用范围广等特点。该仪器的基本原理是基于将连接管中的水面保持在自然水平的原理。当连接管两端的基础具有相对的垂直位移时，两端的水面相对于仪表碗会发生变化。此变化成为通过浮子和位移传感器自动记录的电信号输出。水面的变化会导致固定在浮子上的差动变压器的铁芯相对于固定在盖板上的线圈垂直移动。这种相对运动通过位移传感器输出一个模拟电信号，这个电信号通过电缆在一定距离上传输到千分尺，然后根据需要进入前体数据采集或模拟记录系统，使东、西、南、北用数据记录了北端的水面变化以及“南北”和“东西”之间的高差变化。自动记录的两端相对高度差的变化量可以减小到相应的地面倾角。

SS-Y型伸缩应变仪将校准器、基线、位移传感器及与它相邻的一个金属框架安装于观测墩，固定座安装在固定墩上。使基线一端与固定座固定连接，基线由测量方向无阻力的悬吊托起。基线的另一端连接一片直径大于2.4厘米的金属极片上或差动变压器线圈上，电涡流的传感器探头或差动变压器的可动铁芯固定在校准器上，我们把这一端称为测量端。当固定墩与测量墩之间地面距离发生变化时，探头与极片的间距也会随之变化，位移传感器将间距变化转换成电压变化，经过放大器传输至主机输出。通过格值等换算、灵敏度等便可计算出相应的应变量变化。

二、测点地质构造背景

十堰地震台地形变观测山洞位于十堰市柳林沟，地理坐标：110.79°E，32.66°N，高程为260米。该台站测点位于南秦岭造山带内部、武当隆起北部边缘。南秦岭造山带之中、强地震构造带，在公元46年曾经发生过南阳6.5级破坏性地震，公元788年曾经发生过竹山宝丰6.5级破坏性地震。除此之外，还发生过10余次中强型震，但进入现代后小震活动频度较低，该台对监测鄂西北及其邻近地区的地震活动起到了重要监测作用。十堰市位于鄂西北地震构造地区，本构造地区是在前震旦纪陆壳（结晶基底）的基础上形成再生地槽。震旦系至志留系均为炭硅质建造、砂泥质复理式及类复理系建造、局部夹碱性火山岩建造，碳酸盐建造，经印支造山运动第一幕形成的褶皱带。嗣后，遭受燕山地区运动和喜马拉雅山脉运动的强烈改造，上部地壳沿北西方向——南东方向或北北西方向——南东东方向被分割分裂成许多断块结构，或沿断裂带形成一系列的拉分性质的断陷盆地。历史上的强震大多发生在这些断陷盆地的边缘地带。

十堰市柳林沟地震形变观测台，观测点山洞南北方向各有一条大型断裂带。郧西——郧县断裂带在形变观测点山洞东北方向，直线距离大约30公里。白河——谷城断裂在山洞的西南方向，直线距离约5公里。交通便利，通信条件好（网络可直接接入台站）。自来水供水，市电供电。

十堰市柳林沟地震形变观测台测点山洞位于十堰军分区20世纪70年代在十堰市柳林沟内（现十堰市地震局办公楼背后山内）开挖的一个人防山洞内。山洞开挖在元古界，武当群山体内，围岩主要为片岩，岩石较完整。观测山洞已经山体被覆，覆盖厚度大约30米左右。满足水管仪和伸缩仪的安装要求。山洞距丹江口水库的最小距离约为30公里，距汉江约为35公里，周边10公里的范围内没有水库、1.5公里内无河流溪水。观测点3公里范围内无大型矿区和大型振动源，5公里的范围内没有采矿和爆破点，1.5公里范围内没有高压线、输变电站等其他干扰因素。

（一）测点地形变数据异常概述

十堰柳林沟2套形变观测仪器,分别为SS-Y型洞体应变仪和DSQ型水管倾斜仪，均架设于山洞内。设备符合设计要求。工作人员严格按照技术规范的要求采集和处理前兆数据，处理后的数据及时报送形变台网数据中心。仪器自2007年安装运行。DSQ水管仪至2013年以来固体潮清晰,除年变幅外基本保持稳定。2013年中期NS分量年变特征有所变化,2017年7月初至2018年5月,NS分量出现快速北倾变化,幅度达到1039毫秒量级,同期EW分量未出现明显异常变化。SS-Y伸缩仪NS分量自2018年3月至10月,出现快速抬升变化,幅度达到32746-10。从多年对比来看,两套仪器本次出现的异常均已打破整体年变趋势。

（二）异常分析

对于地形变仪观测的主要干扰因素，我们一般认为主要包括仪器的观测系统、内外部的气象因素和观测点周边和内部的观测环境等三类。柳林沟伸缩仪和水管仪，NS分量在出现异常后，十堰地震台及省局监测中心预报部、前兆部、维修部等，多家单位对该异常分量进行了跟踪分析，检查维修。

测点观测系统的检查:在多次通过现场调查和仪器系统检测,我们认为：（1）十堰柳林沟台伸缩仪和水管仪主机、通信系统、供电线路、传感器、供电设施等均正常运行，无异常状况出现，实时信号电压和工作电压均正常、观测数据固体潮清晰光滑；（2）槽体、密封板、保温板、等保温封闭性良好无漏水现象；（3）2017年以来两分量观测精度均在5‰以内，处于全国优等水平；月均变化在1%以内，处于稳定状态；（4）对比最近4次标定结果表明,标定误差等均符合要求，观测系统正常；（5）对形变仪器仪速率变化的计算结果和仪器实际观测数据吻合，说明仪器记录的数据变化是真实的；（6）2016年以来对仪器检修等人为干扰没有造成伸缩仪和水管仪、长趋势的改变，并且仪器周边观测山洞内部无其他人类活动干扰，可以排除人为干扰、观测失误、系统故障等影响。综合以上所述，十堰市柳林沟地震台形变仪观测系统，工作运行正常，记录到的数据变化真实可靠。

气象因素分析：通过对降雨、气压、气温数据对比分析，认为：(1)对十堰台降雨资料查询,可以看出相对2014～2016年来说，2017年的降雨量总体上偏多，但累积50mm降雨主要发生在8月份以后，在时间上要迟于7月18日异常的发生。从地质地貌来看，十堰市柳林沟山洞洞顶的覆盖层厚度约为30米，由元古界武当群片岩组成，岩石比较完整，山顶植被茂盛，近几年来没有明显的变化。同时，山洞走向与所处山脊走向大体一致，东西两端排水通畅，难以聚集大量雨水。因此基本排除本次异常是由于降雨等气象因素引起的可能性。（2）十堰台气压资料呈典型的冬高夏低的正常年变特征，2013年低以来气压年变化规律清晰，没有明显变化。十堰台的气压资料与仪器资料对比可以看出，2017年下半年气压没有明显趋势性变化，也没有见其对形变资料产生明显的异常同步干扰。(3)十堰台外部气温和山洞洞室温度与NS向资料变化相对比，变化显示出正常的年变动态，2017年曲线与往年比较呈现出正常的年变特征，2017年山洞洞室内部温度和洞室外气温未对水管仪、伸缩仪NS向的资料造成干扰。

内部观测环境调查,发现该观测点的洞室内部环境与周围观测环境进行了细致的现场调查，发现整个山洞除北向入口处留有唯一进出口外，其他洞口均用混泥土彻底密封，山洞洞室内总共建有5道通道密封门，所有密封的通道门均能正常关闭没有破损情况，能够很好地隔绝洞室外部气流进入干扰，说明洞室内密封性、保温性良好，与外界气流隔绝良好，洞室温度最大变幅为0.09度，说明洞室密封性较好，地形变仪记录未受到洞室温度的干扰。

外部观测环境调查,十堰市柳林沟台形变观测设备南侧大约150米左右处，有一处工地正在搞开发建设居住楼盘。自8月下旬开始动工，目前场地大部分已开挖平整。台站观测环境示意图，图中橙色粗线为山洞走向示意，蓝色实线为台站观测仪器布设位置，紫色虚线内为开挖范围。

（三）荷载干扰计算

针对十堰柳林沟台站附近施工开挖对观测产生的影响，采用邱泽华、马栋（邱泽华等，2004）等提出的干扰源荷载引起的倾斜变化量计算模型进行细致分析，该分析方法主要是针对倾斜仪观测数据受地面载荷引起的变化干扰，在建立三维无限半空间边界上作用集中荷载模型，可求出干扰载荷引起的倾斜变化量。计算十堰柳林沟台站西南向新挖山体的地表荷载变化对仪器的影响，本次的建筑施工所造成的倾斜影响从计算结果来看是远远大于限定指标的。因此，我们可以认为是该处施工建设的荷载变化对十堰柳林沟形变台伸缩和水管、NS分量的观测数据造成一定影响。

（四）异常情况判定

（1）十堰柳林沟形变台形变仪器观测系统工作正常运行，记录到的数据变化真实可靠。

（2）降雨资料表明，2017年10日累积50mm降雨过程主要发生在8月份，迟于异常的出现，50mm以下降雨过程在前期观测中未发现造成数据出现类似趋势性异常。台站洞室温度、气压等均未出现显著变化。

（3）经过我们现场的细致调查发现，仪器南侧的山体施工开挖位置与形变仪器最小的距离仅为150米，根据计算结果表明，仪器南侧山体外部施工建设所引起的倾斜变化量是远大于倾斜干扰的限定指标，是能够对十堰柳林沟形变台的形变观测数据造成一定的影响。

综合上述分析我们认为，伸缩仪和水管仪，自2017年7月以来出现的数据异常主要是受到仪器南侧150米处的山体开挖引起的干扰性异常。2018年10月以后外部施工结束，随之形变仪器数据恢复正常状态。