山西昔陽地震臺水平擺觀測受降雨影響的數值分析

李宏偉，劉瑞春，王　霞，呂永青，王秀文

(1.山西省地震局，山西　太原　030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西　太原　030025；3.山西省地震局昔陽地震臺，山西　昔陽　045300)

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·觀測分析·

山西昔陽地震臺水平擺觀測受降雨影響的數值分析

李宏偉1，2，劉瑞春1，2，王霞1，2，呂永青3，2，王秀文1，2

(1.山西省地震局，山西太原030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西太原030025；3.山西省地震局昔陽地震臺，山西昔陽045300)

摘要：在考察昔陽地震臺山洞覆蓋層厚度、硐室密封性及周邊環境等基礎上，采用FLAC3D數值模擬分析方法，結合研究區DEM數據和降雨量，定量分析2013年7月12日昔陽臺水平擺觀測值異常變化。考慮降雨連續性以及降雨滯后的影響，綜合分析設定最大積水區域的荷載等效為0.2 m厚度的雨水，通過計算得出，臺站所在位置向南傾斜1.419角秒，向西傾斜1.459角秒，與實際觀測值較為相符，認為本次數據變化與降雨有密切關系，非地震前兆異常。

關鍵詞：異常分析；水平擺；昔陽地震臺

0引言

洞體形變觀測受降雨影響主要通過降雨入滲和載荷變化兩種方式。當降雨速率小于入滲率時，降雨主要以入滲的方式使地表局部產生不規則形變，通過應力的傳遞進而影響儀器觀測墩。從理論上分析，該方式對洞體形變觀測的影響具有滯后時間長、影響周期久等特征；當降雨速率大于入滲率時，降雨的一部分沿地表流向積水區，給積水區域額外施加載荷，進而影響觀測墩的傾斜變化。該方式對洞體形變觀測的影響具有滯后時間短、影響周期短等特征。

在昔陽地震臺(以下簡稱昔陽臺)水平擺觀測資料的多種干擾因素中，降雨影響最為顯著，幅度大且影響時間相對較短。這種變化需要對觀測資料進行降雨的定量排除，才能作出客觀判定是否受降雨干擾，進而獲取準確的前兆變化信息[1-2]。本文以2013年7月12日昔陽臺水平擺兩方向加速傾斜變化為例，采用數值模擬的方法定量分析降雨對昔陽臺水平擺的影響。

1測點概況

昔陽臺位于太行山區昔陽縣大寨鄉小寨村，是山西測震臺網和前兆臺網在山西省東部布設的一個重要臺點。山洞開挖于奧陶系中統上馬家溝組深灰色厚層石灰巖中，所處海撥高度953 m，進深40.67m。山洞為黃土植被，覆蓋厚度12 m，從厚度看稍有欠缺。

臺址處于山西斷陷帶以東的太行山斷塊隆起區，出露的地層主要有奧陶系下統含燧石結核的白云質灰巖及白云巖；奧陶系中統泥灰巖、灰色石灰巖；石炭系上統砂巖、砂質頁巖及煤層；新生界第四系的中更新統離石黃土和上更新統馬蘭黃土[3]。

昔陽地震臺SSQ-2石英擺傾斜儀屬于十五數字化儀器，經試運行觀測，數據連續穩定，同震變化記錄清晰。但通過近三年的觀測資料發現，每年雨季兩方向均出現大幅臺階變化。

2降雨響應特征

研究表明，在洞體形變儀器中，降雨對傾斜儀的影響最為突出，通常表現為持續的加速變化，且變化幅度明顯[4]。昔陽臺洞體觀測條件相對較差，每年雨季時洞內潮濕甚至進水，2013年至2015年的3次大幅臺階變化均出現在7～8月份，且變化前均有持續降雨。其干擾對數據變化的滯后時間和影響時長都較為短暫，之后便快速恢復為變化之前的形態(見第2頁圖1)。因此，昔陽水平擺受降雨影響主要通過載荷變化的方式，而受降雨速率、降雨時長及測區周邊地理環境的影響會導致不同的載荷效應，使水平擺傾斜儀產生不同幅度、不同方向的傾斜變化。

3質點載荷模型影響規律

為合理建立模型大小，確定影響范圍，首先采用質點載荷模型分析變形的分布規律，并假定巖石是均勻且各向同性的[5]。設定三維模型大小為1 km×1 km×0.2 km，單元大小50 m×50 m×50 m，計算采用Mohr-Cloumb模型，模型表面設定為自由邊界，其他面設為固定邊界。通過對近三年降雨量的分析(見表1)，將降雨量等效為載荷的變化，考慮降雨影響的滯后性，在模型中間(200 m范圍內)加載0.5 m厚度的降雨量。圖2～圖4分別是加載后的垂直向位移云圖、平行于x方向的垂直位移剖面圖及平行于x方向的水平位移剖面圖。通過分析得出：(1) 0.5 m厚度的等效載荷影響范圍在水平方向上不超過1 km，在垂直方向上略超0.2 km；(2) 載荷集中點處垂向位移最大，垂向位移自載荷中心向x、y、z三個方向快速衰減；(3) 水平位移場在垂直方向衰減迅速，水平方向的最大位移與最大垂向位移處存在一定水平偏離。

圖1　昔陽臺水平擺觀測值與月降雨量Fig.1　Observation value of horizontal pendulum of Xiyang Station and monthly rainfall

表1　臺站附近地區2013年至2015年月降雨量統計

圖2　垂直向位移云圖Fig.2　Cloud map of vertical displacement

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

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

因此，為了保證最遠的影響范圍不受模型大小限制，結合研究區地形地貌、地質條件、軟件的分析精度和儀器的觀測精度確定實際建模的三維網格大小為6 km×6 km×0.6 km，單元大小100 m×100 m×60 m，采用Mohr-Cloumb模型，模型表面設定為自由邊界，其他面設為固定邊界，在模型表面中間3 km×3 km范圍內施加不均勻載荷。

4不均勻載荷模型影響規律

4.1匯流分析

匯流分析的基本思想是以規則格網表示的DEM每點處有一個單位的水量，按照自然水流從高處流向低處的自然規律，根據區域地形的水流方向數據計算每點處所流過的水量數值，得到該區域的匯流累積量，用數值矩陣表示該區域地形每點流水累積量[6](見圖5)。分析研究區匯流累積量，首先獲取該區域30米分辨率DEM數據，并以臺站為中心裁剪6 km×6 km范圍的DEM數據，然后提取無洼地DEM數據，計算基于無洼地DEM的水流方向，最后利用該方向數據獲取匯流累積量，結果如圖6所示。

圖5　匯流累積量計算模型Fig.5　Calculation model of flow accumulation

圖6　研究區匯流累積量分析結果Fig.6　Analysis result of flow accumulation of study area

由圖6可知，在臺站東、西兩側各1km附近存在近乎平行的兩條易積水區域及南側局部存在不規則的積水區域，在降雨后短時間內載荷變化最大且垂向位移也將是最大。由質點載荷模型的變形影響規律可知，傾斜量最大值是離開最大載荷一定距離的位置，因此，從理論上分析，臺站所處的南北傾斜量應南傾分量大一些，東西傾斜量應西傾分量大一些。

4.2不均勻載荷加載分析

根據降雨響應特征，選取2013年6月1日至7月27日異常變化前后5天的降雨累積量作為不均勻載荷的輸入(見圖7)，參照質點載荷模型影響規律計算地表徑流率，綜合給定最大載荷變化量等效為0.2 m厚度的降雨，將匯流分析結果的匯流系數矩陣(只取臺站中心3 km×3 km范圍)轉化為等效載荷的變化，通過FLAC3D自帶的Fish語言編寫應力加載的循環程序，圖8是模型穩定后的垂直向位移分布圖。

圖7　2013年異常變化前日平均降雨量Fig.7　Daily average rainfall before abnormal change in 2013

圖8　不均勻載荷加載后的垂直向位移分布圖Fig.8　Distribution of vertical displacement after uneven load

經計算，臺站所在位置，向南傾斜角度為1.419角秒，向西傾斜角度為1.459角秒，實際觀測到的傾斜角度為向南傾斜1.440角秒，向西傾斜1.756角秒。實際觀測值與模型計算結果較為相符。因此，判定此次變化是受降雨影響，非地震前兆異常。

5結論

(1) 昔陽臺水平擺在眾多干擾因素中，受降雨影響最為明顯，變化幅度最為顯著。不同的降雨方式和降雨持續時間決定了對觀測值的影響形態及變化幅度，多樣化的降雨方式使水平擺觀測資料的響應特征復雜。

(2) 通過對積水區的分析，臺站附近存在不均勻積水區域，結合質點載荷模型影響規律，得出臺站所在位置向西南方向傾斜，與實際觀測結果一致。

(3) 通過不均勻模型的加載計算，臺站所在位置向南傾斜1.419角秒，向西傾斜1.459角秒，與實際觀測值較為相符。但模型計算的西傾量數值與實際觀測數值存在一定偏差，可能與局部地形差異有關。

綜上可知，昔陽臺水平擺2013年7月12日加速傾斜變化與降雨有密切關系，非地震前兆異常。

DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http://www.gscloud.cn)。

參考文獻：

[1]汪翠枝，張磊，劉雙慶，等.定點形變觀測的降雨干擾及排除方法研究[J].華北地震科學，2010，28(1)：42-47.

[2]趙小賀，盧雙苓，馮志軍，等.洞體形變數字化觀測干擾分析[J].地震地磁觀測與研究，2009，30(4)：55-62.

[3]山西省地震局.山西省地震監測志[M].北京：地震出版社，2006:158-170.

[4]丁建國，陸德明，狄梁，等.常熟臺傾斜儀降雨干擾定量分析[J].華南地震，2011，31(3)：83-88.

[5]閆偉，牛安福.陳國琴不規則載荷影響地表近場垂向位移和傾斜觀測的定量計算[J].中國地震，2015，31(2):297-307.

[6]湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程[M].北京：科學出版社，2010:429-438.

文章編號：1000-6265(2016)02-0001-04

收稿日期：2015-12-28

基金項目：山西省地震局科研項目(SBK-1509)。

第一作者簡介：李宏偉(1986—)，男，山西省大同人。2013年畢業于中國礦業大學，碩士研究生，助理工程師。

中圖分類號：P315.63

文獻標志碼：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