SS-Y型伸缩仪环境干扰的异常研究＊

张 娜 龚燕民

1) 保定地震监测中心站，河北保定071051

2)易县地震台，河北易县071000

引言

SS-Y型伸缩仪是我国自行研制的适用于观测地壳应变和固体潮水平分量连续变化的仪器，目的是研究地震孕育过程中水平应变的变化规律[1]。SS-Y型伸缩仪观测资料不仅能反应地壳应变信息，而且还包括各种自然因素信息（气压、温度、降雨、湿度、雷电和大风等）[2-3]，以及各种环境干扰信息（荷载干扰、抽水干扰等）。很多学者对SS-Y型伸缩仪观测数据受各种干扰因素的影响形态进行了异常分析[3-5]，其中樊冬等[4]对气压干扰进行了系统分析，认为伸缩仪观测曲线与气压变化呈正相关；赵希磊等[6]分析环境潮湿对洞体应变观测仪器的危害及成因；张娜等[7]和屈曼等[8]针对伸缩仪观测资料受周围荷载干扰进行了模拟定量分析；杨婕等[9]发现在强降水影响下，山体岩石体积发生膨胀，产生不均匀变形，进而影响伸缩仪的变化趋势。以往对环境干扰造成的荷载干扰的异常分析，只是针对伸缩仪观测资料短临时段的异常形态进行分析，本文笔者依据易县地震台2014—2021年伸缩仪观测数据资料环境荷载干扰变化，利用三维模型定量分析，系统地总结归纳伸缩仪观测资料受环境干扰造成的应变量级的变化，为今后同类台站出现类似异常情况提供有力依据。

1 易县地震台伸缩仪及周围环境干扰概况

易县地震台（以下简称易县台）伸缩仪安装在距离易县台1 km的易县华盖山的观测硐室，此形变山洞呈北东东走向，长200 m，共有7个洞室，海拔为350 m，是19世纪50年代人工开凿的军队备用山洞。形变山洞顶部覆盖层厚约40 m，岩性底部为闪长岩，洞室洞温13.0±0.3℃，保温效果很好。易县台伸缩仪在2000年进行了更新，型号由SSY-Ⅱ型升级为SS-Y型，2013年11月29—30日进行仪器更换，将原电涡流传感器更换为差动变压传感器，位移由43.79μm变为37.1μm，共有NS、EW、NE 3个测项，仪器更换后NS测向基线长变为10.17 m，EW测向基线长变为15.85 m，NE测向基线长变为15.38 m。

易县台SS-Y型伸缩仪观测数据周围主要的环境干扰是采石场、挖土及房屋荷载干扰（图1）。

图1 伸缩仪周围环境干扰示意图Fig.1 Schematic diagram of environmental disturbance around extensometer

（1）采石场概况：易县台形变山洞周围共有两处采石场。1#采石场位于易县台山洞东边，距离形变山洞最近处为1.856 km，位于保定市易县梁各庄镇半壁店村，开采主要采取原始爆破形式，现已停止开采。2014年成立巨石矿业公司，2019年以来每天开采量为2000 t，采石量巨大；2#采石场位于易县地震台站北偏东10°的保定市易县梁各庄镇凤凰台村2 km处，2019年开始以夜间开采为主。他们以整个山体中轴为中心，山体东面主要以挖土为主，山体西面主要以采石为主。

（2）挖土及房屋荷载干扰概况：①易县台形变山洞北偏西177 m处新出现了一处别墅，2019年11月开始打地基，2020年3月开始建造，8月完工，房屋为22 m×12 m×10 m的3层别墅；② 2020年3月和8月在距离山洞洞口100 m左右进行了两次梯田土方改造；③2021年3月8日在易县台形变山洞的西北方向，距离山洞大概135 m处，利用挖土机进行平整土地、植树，历时34天。

2 伸缩仪观测数据环境干扰异常分析

2.1 三维模拟定量分析方法介绍

本文根据邱泽华[10]文章中的三维模型进行定量计算，即忽略载荷变化的形状和面积，只重视重量的变化，这里把采石场总采石的重量作为重量变化，计算荷载对应变观测的影响，只需对x水平方向求导即可，具体公式为：

式中，F为集中力，λ和G为拉梅常数，x，y和z为位移距离。

2.2 易县台伸缩仪观测数据异常分析

我们对2014年以来易县台SS-Y型伸缩仪观测数据受环境干扰的异常数据进行分析，并利用邱泽华[10]文章中的三维模型进行模拟定量计算，共出现5次短临异常，具体如下：间伸缩仪NS向累积上升幅度达到3 707.2×1 0−10，同洞室的水管倾斜仪NS测向出现同步异常变化，曲线持续S倾（图2）。通过对2016年与2017年易县地震台形变山洞周围环境地质图的对比，可清晰地看出，1#采石场采石量明显比以前增加了很多，特别是2012年以后整个环境被破坏的很严重。经三维模型定量计算，算得此次开采造成载荷应变量为26.2×10−8，与此次异常在同一量级上，大概相当于此次量

图2 易县地震台伸缩仪、水管仪倾斜仪2017年4月20日—5月10日观测数据分钟值曲线Fig.2 Minute value curve of extensometer and water pipe tiltmeter in Yixian Seismic Station on April 20 to May 10 in 2017

（1）易县台伸缩仪NS测向2017年4月30日观测数据01:47出现台阶，之后观测曲线持续呈拉张状态，异常变化幅度在2017年4月30日—5月6日期级的26/37。

（2）易县台伸缩仪NS向自2019年11月26日起观测曲线持续上升，呈张性变化，年变形态不同于2018年，同时段其他两个测向未出现异常。2019年11月26日—12月10日伸缩仪NS向观测数据异常累积幅度值达到304×1 0−8（图3）。经核实，此次易县台伸缩仪NS向观测数据异常与图1中2#采石场有关。通过三维模型定量计算，算得此次开采造成载荷应变量为191× 10−8，与此次异常在同一量级上，大概相当于此次量级的3/5。

图3 易县地震台伸缩仪观测曲线对比图（11月1日—12月10日，2018和2019年）Fig.3 Comparative of observation curve of Yixian Seismic Station extensometer （November 1 to December 10，in 2018 and 2019）

（3）易县台伸缩仪NE向自2017年1月1日起观测曲线持续下降，2018年1月起曲线下降速率加快，趋势呈压缩变化。2017年1月1日—2018年6月14日伸缩仪NE向观测数据异常累积下降幅度达到92.95×1 0−8（图4）。经核实，此次伸缩仪NE向观测数据异常与图1中1#采石场2017年以来的大量石料开采造成的荷载干扰有关。通过三维模型定量计算，算得此次开采造成的载荷应变量为27×10−8，与此次异常在同一量级上，大概相当于此次量级的3/10。

图4 易县台伸缩仪NE向2016—2018年观测分钟值曲线Fig.4 Observed minute value curve of extensometer NE in Yixian Seismic Station from 2016 to 2018

（4）2019年1月1日起易县台伸缩仪EW向观测曲线持续上升，呈张性变化，而2019年3月年变形态本应呈压性变化，反而转为张性变化，直至4月才恢复正常，年变曲线形态不同于以往。2019年3月8日—4月8日伸缩仪EW向观测数据异常累积值达697.8×1 0−10（图5）。通过场地环境调查，发现图1中1#采石场在进村的材料室门口堆放了1.581×106t的石料，这些石料荷载是造成此次伸缩仪EW向观测数据异常的主要原因。通过三维模型定量计算，算得此次开采造成的载荷应变量为3.14×10−8，与此次异常在同一量级上，大概相当于此次量级的1/2。

图5 易县地震台洞体应变EW分量分钟值曲线Fig.5 Minute value curves of hole strain EW component of Yixian Seismic Station

（5）2020年1月起易县台伸缩仪NE向观测数据持续加速上升，呈拉张状态，从伸缩仪NE向2015年以来的观测数据的年变形态可以清晰地看出，2020年和2021年年变曲线形态与以往完全不同，出现异常，值得注意。2020年1月—2021年5月，伸缩仪

10−8NE向观测数据累积异常变化量达到421.89×（图6）。通过对易县台伸缩仪周围环境进行核实，发现伸缩仪NE向观测数据在2020年1月出现持续加速异常与易县台形变山洞北偏西177 m新出现的房屋基建，及2020年3月底张村民在山洞洞口西偏北方向，距离山洞洞口304 m左右的第1次梯田土方改造、2020年8月在山洞洞口正西方向，距离山洞洞口100 m左右的第2次土方改造造成的荷载有关。通过三维模型定量计算，算得挖土对伸缩仪NE向观测数据造成的应变量为0.65×10−9，3层别墅造成的荷载应变量为6.5× 10−6。

图6 易县台伸缩仪NE向2015年以来日值观测数据图Fig.6 Observation data of extensometer NE in Yixian Seismic Station since 2015

3 易县台伸缩仪观测数据环境干扰异常特征讨论

易县地震台SS-Y型伸缩仪三分向自2014年以来共出现5次异常，从这5次异常我们可以看到：①易县台伸缩仪NS测向2017年4月30日观测数据曲线持续呈拉张状态与1#采石场荷载干扰有关；②易县台伸缩仪NS向2019年11月26日年变形态出现异常变化与2#采石场荷载干扰有关；③易县台伸缩仪NE向2017年1月1日起观测曲线持续下降异常变化与1#采石场荷载干扰有关；④2019年1月1日起易县台伸缩仪EW向观测曲线持续上升，呈张性变化异常与1#采石场荷载干扰有关；⑤2020年1月起易县台伸缩仪NE向观测数据持续加速上升，呈拉张状态变化与房屋基建、土方改造荷载干扰有关。

我们将5次异常原因与易县台伸缩仪观测数据受荷载干扰的异常特征（表1）进行总结，可清晰地看到：

表1 伸缩仪观测数据受荷载干扰的异常特征Table 1 Abnormal characteristics of observed data of extensometer disturbed by load

（1）易县台形变山洞周围的荷载干扰对伸缩仪三分向都造成不同程度的异常干扰，但是异常观测曲线变化幅度不同，主要与荷载干扰量级呈正相关；

（2）荷载干扰源距伸缩仪观测洞室2 km以内才会造成易县台伸缩仪三分向观测数据的短临异常；

（3）荷载干扰源对伸缩仪观测数据造成的荷载应变量与干扰源出现的时间长短无关，只与干扰源的距离、荷载量有关，并且呈正相关；

（4）易县台伸缩仪三分向NS测项、NE测项受到荷载干扰强度比EW向强，这主要与荷载干扰源的方向有关；

（5）易县台伸缩仪三分向受到荷载干扰时，曲线异常形态基本呈拉张状态；

（6）通过三维模型模拟定量分析可以清晰地发现，模拟荷载干扰定量应变量异常大部分小于易县台伸缩仪三分向观测数据异常变化应变量，原因是模拟定量分析与荷载干扰的重量有关。实际上，我们选取的模型基本是正规体，并且介质是同一介质，这样就存在相对误差，但是我们只是为了寻找异常干扰源，只要荷载干扰造成的应变强度与模拟定量分析得到的应变强度基本在同一个量级，就可以找到异常干扰源。