烏海地震臺體應變觀測趨勢性變化分析

熊 峰，陳立峰，查 斯，劉永梅

(內蒙古自治區地震局，內蒙古 呼和浩特 010010)

·觀測分析·

烏海地震臺體應變觀測趨勢性變化分析

熊 峰，陳立峰，查 斯，劉永梅

(內蒙古自治區地震局，內蒙古 呼和浩特 010010)

文章通過數值建模定量分析2015年4月15日內蒙古阿左旗Ms5.8地震后，烏海地震臺體積式鉆孔應變儀測值于2015年1月至4月破年變規律的走勢。對影響體應變趨勢的可能性因素“黃河海勃灣水利樞紐工程”和平整臺站院落的加卸載影響，按地表荷載影響力學模型及巖層加載載荷形變機理進行計算。結果表明，“黃河海勃灣水利樞紐工程”水庫蓄水引起的應變量接近體應變儀的實測應變量，水庫蓄水對烏海臺體應變的中短期趨勢性異常變化具有較大影響。

水庫蓄水；體積式應變儀測值；載荷影響

0 引言

大型水庫蓄水影響生態平衡，對庫區巖體也會產生影響。地殼中除由板塊運動和其他構造過程引起的緩慢且穩定變化的構造應力之外，也存在瞬態和周期性的載荷作用。如固體潮汐力作用、水庫水位變化產生的加卸載效應、強震發生引起的靜態和動態載荷作用等，作用于斷層上將會引起斷層應力狀態的調整，從而影響斷層帶上的地震活動性，導致強震提前或延遲發生[1]。水庫蓄水對周邊環境的影響較為復雜，從巖體力學角度分析，水體載荷的重力作用產生彈性載荷效應，導致一定的孔隙壓力變化，進而改變庫區及周圍地區的應力場和巖土體強度[2]。在蓄水初期，隨著水位的變化，水在巖石裂隙中不斷滲流，孔隙壓的改變主要由庫水的滲透、側壓和水荷載重的聯合作用引起[3-4]。水庫庫區地質構造、巖性、巖體和斷裂力學性質及流體狀態與運移特征、地下水對斷層物質的軟化作用，孔隙壓力加卸載過程中巖石的軸向應變、徑向應變和體積應變都將逐漸累積，巖石強度及變形隨孔隙壓力的變化表明，巖石變形的累計可能誘發、誘導地層破壞，甚至災害性事件發生[5]。

2010年1月至2015年6月，距烏海地震臺300 km內發生Ms4.0以上地震21次，最大為2015年4月15日內蒙古阿左旗Ms5.8地震。考慮水庫蓄水影響斷裂帶上的地震活動性，重點分析距測點24.5 km的“黃河海勃灣水利樞紐工程”水庫蓄水對烏海地震臺體應變觀測(以下簡稱烏海臺體應變)的影響。

1 水庫與測點所在地地質構造簡述

烏海是鄂爾多斯古大陸的一部分，系古地中海浸區經第三次喜馬拉雅山隆起而成。東部是桌子山，中部為崗德爾山，西部為五虎山，各山體均屬賀蘭山脈的北端余脈，三山成南北走向平行排列，中間形成兩條平坦的谷地。黃河沿崗德爾山西谷流經市區，阻斷了烏蘭布和沙漠進入河套地區。祁連山、呂梁山、賀蘭山的北端山字型脊柱構造頂部，北為臨河斷陷盆地，南邊是銀川斷陷盆地，西側是吉蘭泰斷陷盆地，東側是鄂爾多斯地臺，地處華北板塊西北邊緣，當華北地震活動高潮時，本地區的地震活動比較活躍[6]。烏海臺體應變測點位于南北構造體系的北端、天山—陰山緯向的中部南側，東西兩邊分別是桌子山東緣、西緣斷裂，水庫距桌子山西緣斷裂不足10 km。第8頁圖1為烏海地質構造圖。

2 烏海臺體應變測項

2.1 觀測系統

烏海地震臺鉆孔體積式應變儀為TJ-II型，安裝在體應變觀測井內，儀器探頭被密封于地下基巖，通過地下線路與室內數據采集器相連，于2010年2月投入觀測。鉆孔體應變參數見第8頁表1。

圖1 烏海地質構造圖Fig.1 Geological structure map of Wuhai

儀器型號探頭深度m孔徑mm巖性孔斜度探頭方向靈敏度mV使用日期年?月TJ?II108130灰巖垂直孔垂直3．97×10-92010?02

2.2 數據分析

2.2.1 體應變數據分析

通過分析烏海臺鉆孔體應變儀2010年2月以來的觀測數據，發現其年變特征主要表現在以下幾個方面：(1) 具有較明顯的年變化周期，且每年完成1個年變化周期所需的時間基本相同；(2) 年變化每年出現3個波峰，表現為年初上升，年末下降；(3)2010—2014年中1—4月的觀測數據均為上升趨勢，但2015年的該時段呈下降狀態；(4) 2015年4月15日阿左旗Ms5.8地震發生后，觀測數據趨于平穩，6月10日起逐漸上升；(5)2015年僅出現8月17日一個波峰，打破了2010—2014年的每年3個波峰的趨勢性變化背景。圖2為烏海體應變年變化趨勢對比。

圖2 烏海體應變年變化趨勢對比圖Fig.2 Comparison of annual variation of body strain in Wuhai

2.2.2 潮汐因子變化分析

烏海臺鉆孔體應變M2波潮汐因子變化曲線如第9頁圖3所示。2014年3月14日至5月18日數據采集器故障，導致潮汐因子曲線出現較大臺階變化，其他時間段M2波潮汐因子變化均正常且變化值均小于0.1，表明儀器運行正常，測值可靠。

圖3 烏海臺體應變M2波潮汐因子曲線Fig.3 Tidal factor of M2 of body strain in Wuhai station

3 庫區蓄水與烏海臺體應變的關系分析

“黃河海勃灣水利樞紐工程”位于烏海臺鉆孔體應變井北西向約24.5 km(以下簡稱水庫)。水庫正常蓄水位1 076.0 m，死水位1 069.0 m，水庫面積118 km2，總庫容4.87×108m3。土石壩布置在黃河左岸，壩長6 371 m，頂寬7 m，最大壩高16.2 m；泄洪閘共16孔，布置在黃河主河槽中左部。2014年2月12日，黃河海勃灣水利樞紐工程分凌下閘蓄水，目前蓄水量2.48×108m3，蓄水面積80 km2，蓄水高程1 073.5 m。

地層受到載荷變化時，會產生一定形變。水庫載荷改變庫區的巖體應力場，如果巖石的彈性模量較大(如閃長巖、花崗巖、灰巖等)，則易發生彈性應變；若較小(如泥灰巖、石膏等)，則易發生彈塑性應變。烏海臺體積應變儀探頭所處基巖為灰巖，彈性模量較大，水庫蓄水加載載荷時基巖發生彈性應變，體應變表現為張性變化。圖4為不同彈性模量巖石在加卸載作用下，內部形變模式模型；表2為不同參數條件下，水庫蓄水引起體應變數值變化的理論值。

圖4 不同彈性模量巖石在加卸載作用下內部形變模式模型Fig.4 Internal deformation model of rock with different elastic modulus under different loading and unloading

探頭距水庫底面深度m巖石參數彈性模量(104MPa)泊松比模擬計算理論值(10-6)5100．204．361100．354．42950．208．72950．358．85815100．2013．081100．3513．28550．2026．16150．3526．570

由地表荷載影響的力學模型[7]，從理論上定量分析水庫蓄水造成的荷載變化對烏海臺鉆孔體應變觀測的影響。根據半無限空間均布荷載模型，利用圓柱坐標調和函數推導出的地面負荷對應力應變影響的理論模型如下：

假定負荷力垂直作用在半無限平面介質表面，且介質各向同性，以負荷著力點為圓柱坐標系的原點，向下為z，水平向外為r。利用滿足圓柱坐標的調和函數V(r、θ、z)的解[8]、傅里葉-貝塞爾積分[9]可以推出荷載對鉆孔產生的平面應變，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

根據err(r,z)，ezz(r,z)，eθθ(r,z)推演出應力σrr(r,z)，σzz(r,z)，σθθ(r,z)。

σv(r,z)=(3λ+2μ)ev(r,z)=

(4)

式(4)中：k為壓縮模量；ev(r,z)=err+ezz+eθθ，σv(r,z)=σrr+σzz+σθθ。式(1)至(4)中：P為由荷載形成的作用于坐標原點并與地面垂直的集中力；r為荷載力作用點至參考點水平投影的距離；z為鉆孔深度。

式中：E為巖石的彈性模量；v為巖石的泊松系數。根據體應變與面應變的關系[10]，荷載對鉆孔體應變的影響為：

荷載計算的各項參數如下。

蓄水造成的荷載增加量P為2.48×1011kg；水庫中心至體應變觀測井的水平距離r為2.45×104m；體應變探頭深度為108m，黃河水深2～12m，水庫死水位1 069m；鉆孔體應變井口至水庫底面的高差約為93～103m，取深度z為5～15m；烏海體應變鉆孔巖性為灰巖，巖石彈性模量E為(5～10)×104MPa，泊松比v為0.2～0.35[11]。

由于未進行現場基巖彈性模量及泊松比的實驗測試，根據資料提供巖石力學參數，按照地表荷載影響的力學模型[7]及巖層加載載荷形變機理，得出蓄水階段荷載引起的體應變變化的理論極值范圍為(-4.361～-26.570)×10-6(見表2)。2015年1—4月，烏海臺體應變在扣除線性漂移后的變化量已經達到-3.861×10-6；平整臺站院落引起體應變變化的理論極值范圍為(4.109～12.030)×10-10。根據荷載理論模型計算出的水庫蓄水引起的應變量接近實際應變量，可以確認水庫蓄水對烏海臺體應變的中短期異常變化有較大的影響。

4 結論與思考

(1) 通過數值建模定量分析2015年1月以來“黃河海勃灣水利樞紐工程”水庫蓄水對烏海臺體應變測值破年變規律形態的影響。按照地表荷載影響的力學模型及巖層加載載荷形變機理，蓄水階段荷載引起體應變變化的理論極值范圍為(-4.361～-26.570)×10-6；平整臺站院落引起體應變變化理論極值范圍為(4.109～12.030)×10-10；2015年1—4月，烏海臺體應變在扣除線性漂移后的應變量達到-3.861×10-6。根據荷載理論模型計算出的水庫蓄水引起的應變量接近實際應變量，可以確認“黃河海勃灣水利樞紐工程”水庫蓄水對烏海臺體應變的中短期異常變化有較大的影響。

(2) 庫水載荷的加載位置對地震的觸發有重要的影響。當庫水加載于斷層正上方或上盤時，對正斷層型的地震有促進作用，對逆斷層型的地震有抑制作用；當庫水載荷作用于斷層的下盤時，對于傾角較大的正斷層與逆斷層地震起到抑制作用，而對傾角很小的斷層起促進作用，但不會造成較大的水庫地震[3]。“黃河海勃灣水利樞紐工程”與2015年4月15日內蒙古阿左旗Ms5.8地震震中距離為54.7km，但庫水載荷在巖石裂隙中不斷滲流，孔隙壓由庫水的滲透、側壓和水荷載重的聯合作用力隨著距離增加逐漸減弱，不應成為觸發中強地震的主要因素，Ms5.8地震的發生應與斷裂帶上地震活動性密切相關。

(3) 烏海臺體應變數值趨勢性在2015年4月15日阿左旗Ms5.8地震后出現向下異常，從20日數據轉平，6月10日起逐漸上升，除受蓄水工程的影響外，該地區近幾年地震活動較強，不排除存在震前異常、震后恢復的特征。

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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，內蒙古烏蘭察布市人。1998年畢業于呼和浩特教育學院，工程師。

1000-6265(2017)01-0007-04

P315.72+5

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