懷來地震臺定點形變觀測轉折異常的調查與分析

王曰風，張秀萍，張珊珊，屈 曼，宋曉煜，池海江，只 楠，周 亞

(1．河北省地震局張家口中心地震臺，河北 張家口 075000；2．河北省地震局預測研究中心，河北 石家莊 050021；3．河北省地震局懷來地震臺，河北 懷來 075400)

0 引言

懷來地震臺(以下簡稱懷來臺)形變觀測山洞位于河北省懷來縣城北7.5 km處的存瑞鄉東良村附近，高程650 m。形變山洞洞體巖性為太古界桑干群混合巖化花崗片麻巖，觀測墩為蛇紋石化大理巖，洞體頂部黃土層覆蓋厚度為30～50 m。洞室的引洞長70 m，洞內安裝了6道水泥密封門，2道塑鋼門，觀測儀器采用聚乙烯泡沫板罩和塑料薄膜密封，以降低外界“小氣候”變化帶來的影響，洞室保溫條件良好，年溫差小于0.3 ℃，日溫差小于0.1 ℃。臺站觀測技術經過2001年“首都圈示范工程”、2008年數據傳輸網絡通訊專線、“九五”“十五”和2018年進行“規范化標準化”等建設改造后，目前初步建成了一個觀測項目較為齊全的綜合形變觀測臺(1)河北省地震局．河北省地震臺志，2002．。

懷來臺伸縮儀EW、NE分量，水管儀、垂直擺和水平擺NS、EW分量于2020年3月12日開始出現快速轉折的破年變變化，針對此異常，從觀測系統、供電系統、洞室環境、氣象因素等諸多方面開展現場實地調查與數據異常跟蹤分析工作(2)中國地震局監測預報司．形變學科觀測資料異常變化現場核實工作報告編寫要求(修訂)， 2014．。在此基礎上，對觀測資料的異常進一步深入分析，對異常性質做出準確判定[1]。

1 異常特征簡述

2020年3月12日，懷來臺伸縮儀EW、NE分量觀測曲線出現快速轉折的變化，打破2019年的年變規律，截至16日的EW、NE分量變化幅度、方向統計結果如表1所示。NS分量變化形態與2019年基本一致(見第31頁圖1)。

表1 懷來臺形變異常統計Table 1 Statistics of deformation anomalies at Huailai Seismic station

水管儀、垂直擺、水平擺EW分量改變原來的E傾趨勢變化，同步呈現轉折W傾的加速變化；NS分量改變原來的S傾趨勢變化，同步呈現轉向N傾的加速變化(見圖1)。

2 異常調查分析

2.1 觀測系統檢查[2]

首先,對觀測室的內部環境、觀測技術和供電系統進行檢查，包括主機箱的220伏外電壓、傳感器直流供電電壓的穩定性、儀器工作狀態指示燈、面板顯示的通道參數、轉換參數等，檢查結果均正常；其次，查看觀測日志、標定記錄表，未發現異常出現前2個月內存在的儀器校準事件，且最近一次儀器校準結果的誤差符合規范要求，傾斜、應變觀測儀潮汐因子與均方差均符合觀測技術的指標要求；最后，梳理異常出現前3個月觀測日志、數據跟蹤分析記錄、值班日志，查閱人為進洞干擾事件，主要有儀器校準、進洞儀器調零。期間于2020年3月12日14:58至13日20:11因UPS故障，人工復位等造成高頻瞬時干擾。上述人為干擾事件屬于常態性事件，每年每月均有發生，對觀測造成的干擾是短期、瞬時的高頻率干擾，不會帶來趨勢性的轉折變化。綜上所述，排除了儀器自身、觀測系統、供電系統、洞室環境等因素對形變觀測數據的影響。

圖1 形變測項2019年與2020年1月至3月同期觀測對比曲線Fig.1 Comparison curve of deformation observation items in the same period from January to March of 2019 and 2020

2.2 氣象因素干擾排查

通過繪制2020年1月1日至3月16日懷來臺氣溫、氣壓、洞溫的觀測值曲線，并與此次出現異常的主測項曲線進行對比，分析其在時間、變化幅度、特征等方面是否有關聯性。第32頁圖2中方框表示異常出現時間段內各個測項的同期變化，形變山洞內的洞溫變化基本處于恒溫狀態，氣溫、氣壓輔助觀測符合正常的年變形態，且無較大幅度突升驟降的情況發生，表明在異常發生的時間段內，各輔助測項的數據變化平穩，因此，可以排除出現的群體異常是受洞溫、氣溫、氣壓等因素的影響。

2.3 測點觀測環境調查

圍繞觀測山洞4 km范圍內展開觀測環境巡檢，結合之前出現過的典型干擾源進行實地走訪勘查，主要包括工程施工、開山采石、農田抽水、磚廠取土等(見圖3)。

圖2 水管儀、伸縮儀與輔助測項對比曲線圖Fig.2 Comparison curve of water tube instrument, extensometer and auxiliary measuring items

2.3.1 山洞西南側磚廠

懷來臺伸縮儀觀測曲線在2010—2012年年變形態的改變主要是由于觀測山洞附近80 m處磚廠大規模取土造成，2014年該磚廠因取土破壞自然環境被政府部門責令停建，生產設備、工人等均已全部撤離現場。因此，排除此干擾源與此次異常的相關性。

2.3.2 群井抽水干擾

根據王曰風等[3]對懷來臺線應變觀測中抽水干擾分析的研究結果，調查臺站周邊的農田抽水井，由于春耕春種時節未到，所有井均處于關閉狀態。每年的兩次集中抽水時段分別為4月10日至20日、7月1日至9月1日，同時，聯系周邊農田機井管理人員，進一步確認尚未開始抽水灌溉(見圖4)。

圖3 形變山洞周圍環境平面示意圖Fig.3 Plan sketch of environment around deformation cave

圖4 2016-2017年伸縮儀日均值與日抽水總量對比曲線Fig.4 Comparison curve between daily mean value of extensometer and daily pumping volume from 2016 to 2017

2.3.3 新增觀測環境干擾

在此次觀測場地周邊環境的現場勘查中發現，距離懷來臺形變觀測山洞洞口西側約80 m的點位處之前的2排平房被拆遷移走，經與相關人員核實，拆除時間為2020年3月10日，拆除的磚塊已被轉移運走，每塊磚的重量約2.5 kg，磚的總量約8萬塊，總重量200 t，相當于該點位卸載載荷重量約為200 t。拆遷的平房位置、形變山洞位置、周邊環境等如圖3、5所示。

圖5 山洞附近新增干擾源位置實景圖Fig.5 Location of new interference sources near the cave

3 異常分析

根據高亞輝等[4]《集中荷載下的巖體流變變形解析及應用》，在彈性力學中，半空間體在邊界上受集中荷載下的布西內斯克解為：

式中：Up為水平徑向位移；UZ為垂直向位移；ρ為半空間體內任一深度Z處的水平徑向距離；R為半空間體內任一深度Z處至O點的距離。

圖6 半空間體在邊界上受法向集中荷載Fig.6 A half space body is subjected to a concentrated normal load on its boundary

懷來臺形變觀測山洞的臺基巖性為花崗片麻巖，彈性模量E為5.2×104MPa，泊松比μ為0.17[5]，觀測點和載荷卸載點處于同一水平面內，深度近似為0 m，載荷卸載位置與觀測點直線距離約80 m，載荷卸載位置位于觀測點西西南方位，由載荷模型公式計算點荷載徑向80 m處圓邊界點位所受的垂直位移UZ、水平位移變化量Up如表2所示。

表2 模型計算結果Table 2 Model calculation results

由表1的實際觀測結果與表2的模型計算結果對比可知，卸載引起的水平徑向Up理論計算結果與伸縮儀EW、NE實測結果在數量級上是一致的；卸載引起的垂直向UZ理論計算結果與水管儀NS、EW、垂直擺EW、NS，水平擺NS和EW的實測結果在數量級上也是一致的。

根據上述的觀測環境干擾源調查情況，選用點荷載模型對周邊一定距離與范圍的任意點位垂直向、水平向的位移、應變進行計算，發現利用模型計算的理論結果與出現的異常幅度在數量級上基本一致，且與事件的發生時間也吻合，說明懷來臺此次形變異常的出現可能與附近平房拆遷移除引起地面載荷卸載有關。

4 結語

通過對懷來臺形變觀測系統、洞室環境、氣象因素、測點周邊環境情況等實地調查，并對各種可能的影響因素從時間、干擾機理等進行逐一分析與排除，發現距離山洞洞口西西南方位約80 m遠的點位處搭建的平房拆除卸載可能與此次出現的異常有關。首先,在事件發生的時間上吻合；其次,進一步選用點荷載模型對周邊一定范圍內的任意點位垂直向、水平向的應變、位移進行計算，模擬計算結果與出現的群體異常幅度在數量級上一致，說明懷來臺此次群體異常的出現與該點位的平房拆除移走有關。