青岛地震台2020年5月-2021年5月体应变趋势异常分析.pdf

2020 年 5 月至 2021 年 5 月，青岛地震台体应变观测数据年漂移量明显小于往年同期变化，基于周边监测环境、同场地其他观测手段、气象因素、其他台站测项数据、青岛 GPS 观测站数据、潮汐因子和超限率等进行分析，结果发现：台站附近小学建设地下车库进行基坑开挖，有可能对体应变观测造成影响；体应变异常为地下应变的真实反映；体应变年漂移量减小非气象因素所致，且非区域性变化；经小波分析，表明钻孔体应变数据变化趋势正常。采用 midas GTS 软件，基于有限元模型，模拟计算基坑开挖对体应变的影响量，结果显示，体应变仪探头处体应变变化量约为-1.710-5，而实际漂移量差值约为-0.5310-5，二者量级一致，仅数值稍有差别。综合判定认为，青岛地震台体应变年漂移量变小与台站附近地下车库的基坑开挖有关。关键词 体应变；趋势异常；潮汐因子；超限率分析；基坑模拟0 引言 钻孔应变观测是监测地壳形变的一种重要手段，其观测数据受到固体潮汐、气象因素、周边观测环境、观测系统以及构造活动等因素的影响（马栋等，2014）。钻孔应变测项的异常变化是否为地震前兆，需要从多角度进行数据分析，综合判断，进而得出相对合理的结论（祁蒙等，2020）。山东省地震局青岛地震台（下文简称青岛台）体应变观测数据质量较高，漂移量多年保持恒定变化。2020 年 5 月 2021 年 5 月，该台体应变观测数据年漂移量与 2014 年 5 月至 2020 年 5 月同期数据相比明显变小。为判断引起该变化的原因，采用多种手段、多种方法进行分析，提出对异常的认识。1 观测背景青岛地区由 NE 向断裂构成主要构造框架（栾光忠等，2010），断裂构造分布见图 1，地震地磁观测与研究44 卷 148具体信息见表 1。青岛台紧邻劈石口断裂和王哥庄断裂。其中，劈石口断裂总体走向约NE40，倾角 65 80，倾向 NW，其早期活动为左旋走滑，后期活动为右旋走滑，呈现多期活动构造特征（栾光忠等，2009），最后一次地表断错活动发生在中更新世中晚期，晚更新世以来没有活动迹象（潘元生等，2004）；王哥庄断裂走向 NE48，倾角 65 78，倾向 NW，具有多期活动特征，最新活动时代为中更新世中晚期，晚更新世以来没有地表断错活动。青岛台钻孔应变井孔深 66 m，孔径 130 mm，TJ-2 型体积式应变仪安装深度 55 m，具有气压、水位和钻孔温度 3 个辅助测项。据钻孔施工报告，井孔岩石性质主要为花岗岩，裂隙发育，由地表至 66 m 深处，岩体坚硬而破碎，仅在深度 58 59 m、54 55 m 处相对完整，岩石节理面与裂隙倾角近乎垂直。为井孔注水，水位约 1 min 即恢复正常，表明该钻孔水位变化除受降雨、气压等因素影响外，也受到围岩裂隙的影响。图 1 青岛地区主要断裂分布（栾光忠等，2010）Fig.1 Map of major faults in Qingdao region(Luan et al,2010)青岛地震台中生界元古界燕山期花岗岩石英二长岩地层界线地层产状实测断层推断断层桥址隧道山相家胶州即墨温泉镇红石崖马戈庄城阳沧口北九水劈石口青岛胶南胶州湾黄海MzF11F14F7F3F15F12F8F13F9F10F1F4F5F2F6MzMzMzMzPtPtPt8075836065782365355353535330505101520 km53305Pt35Mz120 20E120 30E120 40E36 30N36 2036 1036149第 2 期表 1 青岛地区主要断裂参数Table 1 Parameters of major faults in Qingdao region 断层代码断裂名称方向空间展布归属F1即墨断裂NENNE郭城即墨胶东牟即断裂带F2沧口断裂NENNE沧口即墨七口胶东牟即断裂带F3青岛山断裂ENE鲁迅公园台东不明F4劈石口断裂NE太平角海域鳌山卫胶东牟即断裂带F5王哥庄断裂NE浮山湾海域王哥庄不明F6胶南日照断裂NNE山相家日照新华夏系主压面F7郝官庄断裂ENE山相家郝官庄新华夏系东扭面F8铺集断裂ENE诸城百尺河后海庄新华夏系东扭面F9大沽河断裂NNW沿大沽河口分布新华夏系西扭面F10马山七级断裂NW马山 SE东七级与 NE 向配套断裂F11辛庄灵山卫断裂NE辛安大珠山资料认为与沧口断裂相接F12黄岛黄山断裂NE薛家岛海域唐岛湾海域NE 向断裂F13胶州断裂NEE李家营城阳新华夏系东扭面F14红石崖断裂WNW沿胶州湾 SW 岸分布新华夏系主张面F15山东头断裂NWNNW山东头村小埠东村新华夏系西扭面不明F16朝连岛大沽河断裂NW胶州湾口大沽河与 NE 向配套断裂2 观测资料异常核实2.1 观测数据趋势异常数据跟踪分析发现，2020 年 5 月 2021 年 5 月，青岛台钻孔体应变观测数据年漂移量较往年明显偏小。以每年 5 月至次年 4 月为周期，选取该台 2014 年 5 月至 2021 年 4 月钻孔体应变数据进行统计分析，结果见图 2、表 2，可知：2020 年 5 月至 2021 年 4 月青岛台体应变年漂移量明显小于 2014 2019 年同期变化量，曲线明显趋缓，年漂移量明显减小。05-0106-2208-1310-0411-2601-1703-1005-022014202020192018201720162015202180007000600050004000300010000200020142015年20152016年20162017年20172018年20182019年20192020年20202021年608254110621387(a)(b)日期年份体应变日均值/10-9体应变日均值/10-9图 2 20142021 年青岛台体应变日均值曲线对比(a)各年变周期同期对比曲线；(b)日均值长趋势变化曲线Fig.2 Daily average curves of Qingdao volumetric strain from 2014 to 2021岳 龙等：青岛地震台 2020 年 5 月2021 年 5 月体应变趋势异常分析地震地磁观测与研究44 卷 150表 2 20142021 年体应变年漂移量Table 2 Annual drift of volumetric strain from 2014 to 2021年份2014201520162017201820192020漂移量/10-96 9126 0066 6747 8605 3114 7689052.2 趋势异常核实为判定该趋势异常变化原因，基于周边监测环境、同场地其他观测手段、气象因素、其他台站测项数据、青岛 GPS 观测站数据、潮汐因子和超限率等进行多角度分析，对青岛台钻孔应变趋势异常进行核实。2.2.1 台站周边环境调查。调查发现，位于青岛台南偏西 60约 80 m 处的一所小学修建地下车库（图 3）。车库建于该小学操场，于 2019 年 9 进行基坑开挖，2020 年 5 月完成主体结构建设。因基坑开挖需要一定时间，土体应力释放、变形有一定滞后性，初步判断青岛台钻孔体应变趋势异常变化由此工程施工所致。2.2.2 同场地其他测项数据分析。为排除钻孔体应变观测系统因素，对观测系统进行检查，确定系统工作正常。同时为明确排除系统原因，选取青岛台钻孔分量应变仪和钻孔倾斜仪（与钻孔体应变相距约 10 m）2020 年 1 月 2021 年 5 月的观测数据（2 测项于 2020 年 1 月开始采集数据）进行对比分析，结果见图 4、图 5。图 3 施工场地位置及 2020 年 1 月施工现场Fig.3 Location of the construction site and construction site in January 2020120010008006004002001400070006000500040003000200080000100007-3004-1611-1101-0307-3004-1611-1101-03日期日期倾斜量/10-3倾斜量/10-320202021年20202021年NSEW图 4 钻孔倾斜仪数据记录曲线Fig.4 Data curves of borehole inclinometer151第 2 期由图 4 可知，钻孔倾斜数据无趋势变化。据调查，2020 年 1 月，青岛台钻孔分量应变仪探头出现故障，2020年6月更换探头后恢复正常观测，故障期间NS、NE分量数据错误，NW、EW 分量数据有少量毛刺，但日变曲线和月曲线趋势正常。因此，仅就 NW、EW 分量趋势变化进行分析，而忽略了其细节变化。由图 5 可知，2020 年 1 月至 2020 年 5 月初，分量应变观测数据日均值曲线持续向上漂移，后 NW、EW 分量同时发生趋势转折变化，时间节点与钻孔体应变一致。因此推测，体应变年漂移量变小非观测仪器系统自身原因所致，2 套观测数据的趋势变化可能为地下应变的真实反映。2.2.3 气象因素。据岳龙等（2019）的分析，青岛台体应变受气压影响较明显。为判断此次体应变趋势异常是否与气象因素有关，选取该台 2016 2021 年钻孔体应变辅助测项和流体水位观测井（与体应变钻孔相距约 7 km）测项数据进行同期对比，结果见图 6。图 5 钻孔分量应变数据记录曲线Fig.5 Data curves of borehole component strain 4.03.53.02.52.01.54.51.02.01.51.00.502.507-3004-1611-1101-03日期07-3004-1611-1101-03日期应变量/10-6更换探头EWNW应变量/10-600.5更换探头图 6 青岛台体应变及周边辅助测项数据曲线(a)辅助水位观测曲线；(b)辅助气压观测曲线；(c)辅助温度观测曲线；(d)市南区深井水位观测曲线Fig.6 Data curves of Qingdao volumetric strain and auxiliary measures nearby(a)(b)(c)(d)10005000-5000-51500-10日期辅助温度测项日均值/20162017年20172018年20182019年20192020年20202021年20162017年20172018年20182019年20192020年20202021年20162017年20172018年20182019年20192020年20202021年日期11-2608-1303-1005-0111-2608-1303-1005-0111-2608-1303-1005-0111-2608-1303-1005-01市南深井水位日均值/cm体应变水位日均值/cm辅助气压日均值/hPa15105201000-100400300200500-200302010605040700-1020142015年20162017年20172018年20182019年20192020年20202021年岳 龙等：青岛地震台 2020 年 5 月2021 年 5 月体应变趋势异常分析地震地磁观测与研究44 卷 152由图 6 可知，研究时段内，体应变辅助测项数据变化趋势基本一致，流体观测井水位无明显趋势变化。因此判定，青岛台钻孔体应变年漂移量减小非气象因素所致。2.2.4 其他台站同类观测数据对比分析。由上述分析推测，青岛台体应变年漂移量变小是地下应变的真实反映。为判断该异常是否为区域性群体变化，选取同位于沂沭断裂带东侧、华北地台胶辽断隆（黄永华等，2007），且距青岛台较近的莒县陵阳、莱阳体应变和荣成地震台分量应变观测数据进行对比分析，结果见图 7。由图 7 可知，莒县陵阳台（距青岛台150 km，2020 年数据质量一般，仅供参考）、莱阳台（距青岛台 106 km）体应变与青岛台体应变同期无相似趋势异常变化；荣成台分量应变（距青岛台 220 km）4 个分量在 2020 年 5月至 2021 年 5 月无趋势转折现象，仅 NW 分量趋势变缓，其他分量无明显变化，长趋势特征表明，年漂移量无明显差异。因此推断青岛台体应变趋势异常非区域性变化。图 7 周边台站体应变和分量应变日均值数据对比(a)莒县陵阳体应变；(b)莱阳体应变；(c)荣成分量应变Fig.7 Comparison of daily average data of volumetric strain and component strain of surrounding stations2.2.5 形变场分析。青岛 GPS 观测站与青岛台体应变测项直线距离约 7.5 km，选取该站2011 2021 年的数据（2016 年 1 月至 2019 年 5 月因设备原因致数据缺失）进行分析，探讨数据变化特征，其时间序列分析结果见图 8，其中(b)图为测站恢复观测后 2019 年 5 月202020192018201720162021202020192018201720162021202020192018201720162021202020192018201720162021年份11-2608-1303-1005-0111-2608-1303-1005-0120142015年20152016年20162017年20172018年20182019年20192020年20202021年20182019年20192020年20202021年日期日期25002000400035003000450015001000500-500025002000150010005000体应变日均值/10-9体应变日均值/10-9(a)(b)202020192018201720162021202020192018201720162021202020192018201720162021202020192018201720162021年份11-2608-1303-1005-0111-2608-1303-1005-0120142015年20152016年20162017年20172018年20182019年20192020年20202021年20182019年20192020年20202021年日期日期25002000400035003000450015001000500-500025002000150010005000体应变日均值/10-9体应变日均值/10-9日均值/10-8日均值/10-8日均值/10-8日均值/10-8(a)(b)(c)-223155-111578-1-229804-1149020-572135-286068-11152291304581NW分量EW分量NE分量NS分量202020192018201720162021202020192018201720162021202020192018201720162021202020192018201720162021年份11-2608-1303-1005-0111-2608-1303-1005-0120142015年20152016年20162017年20172018年20182019年20192020年20202021年20182019年20192020年20202021年日期日期25002000400035003000450015001000500-500025002000150010005000体应变日均值/10-9体应变日均值/10-9日均值/10-8日均值/10-8日均值/10-8日均值/10-8(a)(b)(c)-223155-111578-1-229804-1149020EW分量NE分量NS分量202020192018201720162021202020192018201720162021年份11-2608-1303-1005-0111-2608-1303-1005-0120142015年20152016年20162017年20172018年20182019年20192020年20202021年20182019年20192020年20202021年日期日期25002000400035003000450015001000500-500025002000150010005000体应变日均值/10-9体应变日均值/10-9日均值/10-8日均值/10-8日均值/10-8日均值/10-8(a)(b)(c)-223155-111578-1-229804-1149020-572135-286068-11152291304581NW分量EW分量NE分量202020192018201720162021年份11-2608-1303-1005-0111-2608-1303-1005-0120142015年20152016年20162017年20172018年20182019年20192020年20202021年20182019年20192020年20202021年日期日期25002000400035003000450015001000500-500025002000150010005000体应变日均值/10-9体应变日均值/10-9日均值/10-8日均值/10-8日均值/10-8日均值/10-81152291304581NW分量202020192018201720162021202020192018201720162021202020192018201720162021202020192018201720162021年份11-2608-1303-1005-0111-2608-1303-1005-0120142015年20152016年20162017年20172018年20182019年20192020年20202021年20182019年20192020年20202021年日期日期25002000400035003000450015001000500-500025002000150010005000体应变日均值/10-9体应变日均值/10-9日均值/10-8日均值/10-8日均值/10-8日均值/10-8(a)(b)(c)-223155-111578-1-229804-1149020-572135-286068-11152291304581NW分量EW分量NE分量NS分量153第 2 期至 2021 年 5 月的时间序列图。为获得站点长期趋势项，利用线性拟合对该时段垂直向时间序列数据进行拟合，结果见图 8(c)，可见青岛 GPS 观测站垂直向位移的变化速率约为 7.7 mm/a，与杜存鹏等（2019）连续 6 年的拟合结果相比有较大偏离，推测可能是因为，站点恢复观测时间尚短，垂直精度存在一定局限性，不能体现其长时间垂直形变。但仅分析该站点恢复观测后 2019 2021 年的 GPS 数据，发现在青岛台体应变 2020 年 5 月趋势转平期间，其 NS、EW、UD 向数据未出现明显的趋势转折变化。因此，进一步排除区域形变场变化导致青岛台钻孔体应变趋势异常的可能。图 8 青岛 GPS 观测站时间序列图(a)2011 年 1 月 2021 年 5 月；(b)2019 年 5 月 2021 年 5 月；(c)垂直向数据线性拟合Fig.8 Time series of Qingdao GPS observation station 2012-042019-062016-012012-042019-062016-012012-042019-062016-012019-012020-122019-122021-122019-012020-122019-122021-122019-012020-122019-122021-12月份NS月份EWUDNSEWUDUD(a)(b)(c)2019-052020-112020-052021-052019-11月份位移量/mm位移量/mm位移量/mm位移量/mm位移量/mm位移量/mm位移量/mm40-40-200202640-88881762380-119119-238740-3737-74100-10-20604020040200-202.2.6 青岛台体应变数据属性分析。为进一步判断青岛台钻孔体应变异常性质，计算分析体应变潮汐因子变化，并采用小波分解进行超限率分析（邱泽华等，2012；武善艺等，2018），结果见图 9、图 10。由图 9 可知，青岛台体应变潮汐因子仅在 2018 年 12 月出现一次台阶畸变后，后直至 2021 年 10 月保持稳定，未出现较大畸变。基于邱泽华等（2012）提出的超限率分析方法，选取青岛台 2018 年 10 月至 2021 年 10月钻孔应变数据，整体分析观测曲线“毛刺”现象的变化频度和强度。利用小波分解，将体应变信号分解到第 6 层（d1 d6，d1 层对应周期 2 4 min，d2 层对应周期 4 8 min，依次类推），考察各层信号强度和超限情况。据邱泽华等（2012）周期最短的分解信号（d1层）异常出现时间最早的理论，仅分析 d1 层信号的超限率情况，为了排除地震波形导致小波岳 龙等：青岛地震台 2020 年 5 月2021 年 5 月体应变趋势异常分析地震地磁观测与研究44 卷 154分解信号出现高频异常现象，将研究时段发生的地震（被青岛台体应变观测记录到）标注在图 10（红色圆点即为地震）中。据统计，在研究时段内，青岛台体应变观测共记录地震 172次，震中距 39 18 626 km，最小震级 3.0（震中距 39 km），其余震级 5.0，最大震级 8.1（震中距 6 292 km）。202020192018201720162021202020192018201720162021年份1.9301.7281.5261.6141.3701.126O1波潮汐因子M2波潮汐因子图 9 青岛台体应变潮汐因子变化Fig.9 Tidal factors of Qingdao volumetric strain2018-10-012019-04-022019-10-032020-04-042020-10-052021-04-072021-10-082018-10-012019-04-022019-10-032020-04-042020-10-052020-10-052021-04-072021-10-082018-10-012019-04-022019-10-032020-04-042021-04-072021-10-08日期200-20120080040006004002000超限率样点数超限率强度/10-9尺度1信号/10-9图 10 青岛台体应变小波分解尺度 1（高频）信号及超限率统计曲线Fig.10 Wavelet decomposition scale 1(high frequency)signal and overrun rate statistical curve of Qingdao volumetric strain由图10可知，自2018年10月至2021年10月，青岛台体应变小波分解信号曲线无增粗、超限率强度和数量异常增多等现象。分析结果表明，该台钻孔体应变数据变化趋势无 异常。155第 2 期3 工程施工影响定量分析通过以上分析，初步判断青岛台钻孔体应变年度漂移量变小为台站附近小学在建地下车库基坑开挖所致。为了定量分析该工程对体应变观测的影响，利用有限元分析软件 midas GTS，计算基坑开挖引起的周边岩土体体应变的变化量（王海涛，2013）。由于基坑位于居民区，地表建筑物复杂，在建立模型时对地表进行了简化。根据青岛台体应变钻孔围岩力学参数，结合岩石力学性质指标的经验数据，假设花岗岩弹性模量为 40 000 MPa，内摩擦角为 60，粘聚力为 0，泊松比为 0.20，容重为 26 kN/m3。据调查，该基坑深度 10 m、长 200 m、宽60 m，体应变钻孔与基坑垂直距离约 88 m（图 3）。基坑开挖前，其地表高程与青岛台体应变井口高程相近，体应变仪探头位置比基坑底面约低 45 m。为将体应变钻孔位置纳入有限元模型，设计模型长 200 m、宽 240 m、深 60 m，单元格尺寸长宽均 5 m。基于该有限元模型，模拟计算基坑开挖对青岛台体应变观测的定量影响（图 11，图中蓝色五角星表示体应变钻孔位置），结果显示，体应变仪探头处体应变变化量约为-1.710-5，即基坑开挖引起体应变发生张性变化，而该台体应变 2020 年 5 月至 2021年 5 月漂移量与前 6 年平均漂移量差值约为-0.5310-5，二者量级一致，仅数值稍有差别。因此，认为青岛台体应变年漂移量变小与台站附近地下车库基坑开挖有关。图 11 基于有限元模型的基坑周边体应变场模拟结果及前视图Fig.11 Simulation results and front view of body strain field surrounding the foundation pit based on the finite element model-3.1210-8-9.8910-6-2.5510-6-4.2510-6-5.6610-6-7.0710-6-8.4810-6-1.1310-5-1.2710-5-1.4110-5-1.5510-5-1.6910-5-1.8310-5-2.1110-5-1.4410-6-2.2610-5-1.9710-50.00031.836YX63.67195.507127.3430.043.7587.5 131.25 175.04 结论对于 2020 年 5 月至 2021 年 5 月青岛台钻孔体应变漂移量减小的异常变化，通过周边监测环境调查、气象因素排查、同台不同测项数据对比、同井孔辅助测项数据对比、其他台站相应测项数据对比，通过体应变潮汐因子计算和超限率分析，初步判断该体应变异常为地下应变的真实变化，认为由台站附近小学操场在建地下车库基坑开挖所致。利用岩土分析软件 midas GTS，设计有限元模型定量计算基坑开挖造成的体应变变化量，进一步确定该台体应变异常变化由基坑开挖造成。岳 龙等：青岛地震台 2020 年 5 月2021 年 5 月体应变趋势异常分析地震地磁观测与研究44 卷 156基坑开挖会造成周边岩土体变形，但该变化过程将持续一段时间，会对青岛台钻孔体应变观测造成持续影响，为确定体应变漂移量减小趋势结束时间及后续变化，以及最终漂移量是否接近计算值，需进行持续跟踪。参考文献杜存鹏，殷海涛，曲国庆，等.山东地区近期垂直形变场精细特征分析 J.大地测量与地球动力学，2019，39（2）：117-121.黄永华，尤惠川，宋毅盛，等.山东胶东半岛地区断裂最新活动性研究 J.震灾防御技术，2007，（1）：39-49.栾光忠，王红霞，尹明泉，等.青岛城市主要断裂构造特征以及对城市地质环境的影响 J.地球学报，2010，31（1）：102-108.栾光忠，赵淑娟，王庆帅，等.青岛劈石口断裂的构造特征和现代活动性研究 J.中国海洋大学学报，2009，39（2）：299-303.马栋，陈建国，郑爽，等.荷载对钻孔应变观测影响的实例分析 J.地震研究，2014，37（1）：79-85.潘元生，侯海锋，万连初，等.2003 年 6 月青岛崂山 4 级震群序列初步分析 J.内陆地震，2004，18（1）：77-83.祁蒙，吴继炜，张岑，等.徐州地震台 2016 年 11 月 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data,Qingdao GPS observation data,tidal factors,and overrun rate analysis,the analysis showed that:The excavation of an underground garage for a nearby elementary school may have an impact on the volumetric strain observation;The volumetric strain anomaly is a true reflection of underground strain;The decrease in the annual drift of the volumetric strain is not due to meteorological factors,and the change is not regional;The wavelet analysis showed that the trend of the borehole volumetric strain data was normal.Using midas GTS software and finite element models,we simulated the impact of foundation pit excavation on the volumetric strain and found that the volumetric strain variation at the volumetric strain probe was around-1.710-5,which was consistent with the actual drift difference of around-0.5310-5,only with a slightly different numerical value.Based on the comprehensive judgment,we believe that the decrease in the annual drift of the volumetric strain data at the Qingdao Seismic Station is related to the excavation of the foundation pit near the station.Keywords：volumetric strain，trend anomaly，tidal factor，overrun rate analysis，foundation pit simulation