0 引言

信阳地震台（下文简称信阳台）在大地构造上位于秦岭褶皱系，该褶皱系为一长期活动的复杂构造带，带内存在太古至元古等古老变质岩系，且岩浆活动频繁。信阳台附近断裂构造较为复杂，处于一系列NW向和NE向断裂交汇处，如龟山—梅山断裂、杉树湾断裂、柳河断裂及平桥断裂。其中，龟山—梅山断裂和杉树湾断裂为切割深且长期活动的断裂；平桥断裂为第四纪以来的活动断裂，1913年2月7日信阳5级地震即发生在该断裂。同时，信阳台水管倾斜仪对邻区中小地震有较为明显的前兆异常反映：2000年1月28日湖北随州和信阳交界M_L 4.2地震前（震中距信阳台35 km），信阳台水管倾斜仪两分量均发生较为明显的异常变化（胡卫建等，2001）。2016年5月初，信阳台水管倾斜仪EW分量出现加速E倾异常变化，至2016年5月30日上升幅度达180×10^-3″。该变化是构造活动引起的地震前兆异常还是干扰所致急需核实，有必要对观测洞室环境、仪器运行状况、气象条件、周围环境等进行调查，分析并查找异常产生的原因，并确定异常性质。

1 测项简述

信阳台周边地质构造较为复杂，断裂分布见图 1。观测洞室位于该台站以东300 m，现有形变观测为数字化DSQ水管倾斜仪和SSY-Ⅱ伸缩仪，其中水管倾斜仪1978—2005年为模拟观测，2007年改为数字化观测。观测洞室山体岩性为元古代秦岭岩群石槽沟岩组（斜长）角闪片麻岩，风化程度较高，节理发育，岩石较为破碎，岩体产状为：走向NW—SE，倾向SW220°，倾角25°—30°。

观测山洞全长140 m，洞室温度年变化量小于0.5℃，日温差小于0.1℃。DSQ水管倾斜仪置于山洞进深30—75 m的通道中，其中：NS分量测线长度为20 m，方位角为0°；EW分量测线长度为20 m，方位角为240°（图 2）。EW分量西端覆盖层厚度3 m，东端覆盖厚度约15 m，NS分量两端覆盖层厚度均在15 m以上（刘建华等，2004；杨龙翔等，2014）。

2 水管倾斜仪EW分量异常

信阳台水管倾斜仪EW分量2016年5月初出现加速E倾变化，至30日上升幅度达180×10^-3″，水管倾斜仪NS分量（图 3）及伸缩仪NS分量、EW分量变化正常。

根据应变资料质量评价方法(马栋等，2013)，对信阳台水管倾斜仪EW分量2012—2016年观测数据(小时值)，使用Venedikov调和分析方法(以60天窗长、5天步长进行滑动)，计算M₂波潮汐因子及误差，对资料稳定性进行定量评价(图 4)。计算得到潮汐因子变化范围0.408 3—0.593，误差范围为0.000 8—0.012 6。因此，2012年以来信阳水管倾斜仪EW分量M₂波潮汐因子较为稳定，观测系统工作正常。

3 异常落实 3.1 观测系统检查

2016年6月23日，在武汉地震仪器研究院顾晓菲协助下，对信阳台水管倾斜仪主机、数采、传感器、通信系统、供电线路、UPS、避雷设施等进行检查，判定观测系统工作状态基本正常。同时，对密封板、保温板、标定器、水管仪钵体、水质等进行检查，结果表明，仪器工作槽封闭良好，保温性能较好；标定器等工作装置运行正常；钵体未见破裂且水中未见杂质。水管倾斜仪每年标定2次，2016年3月30日标定精度为E端0.08、W端0.05，相对误差为0.1；2016年9月30日标定精度为E端0.47、W端为0.14，相对误差为0.1。2次标定均符合地震前兆观测规范。

3.2 气象三要素检查

2016年1—7月，洞温变化幅度为0.262℃，满足台站观测要求（年变幅度小于0.3℃）；2016年信阳地区降水量偏大，特别是2016年6月21日凌晨受强对流雷雨天气影响，导致气象三要素时钟错误，无法记录20日和21日降水量。据当地气象部门资料，20日—21日信阳市降水量超100 mm。在观测数据加速上升阶段内（2016年5月1日—20日），降雨量远小于加速上升后（5月21日—6月23日），但5月21日—6月23日观测数据并未出现加速上升。因此，2016年5月以来水管仪EW分量加速上升与降雨关系不大。

3.3 环境调查

信阳台形变观测山洞周围主要存在绿城百合工程建设、南湾水库、浉河、赵家湾村、信阳林业学校（下文简称林校）等工程施工影响（图 5），统计分析可知：①绿城百合施工地点位于信阳台山洞西南约500 m处，2012年底进入大规模施工开挖，2013年4月开始主体工程建设，2014年12月基本结束，与此次信阳台水管倾斜仪加速E倾时间不符，排除绿城百合施工影响；②南湾水库位于山洞西南1.2 km处，2016年4月—6月为蓄水阶段，理论上西南载荷加载将导致水管仪向W、S倾，与2016年5月水管倾斜仪加速E倾不符，排除水库影响；③浉河距山洞700 m，2016年3月—5月水位处于正常水平，排除浉河影响；④赵家湾村距山洞50 m，2013年9月20日道路施工，造成9月30日—10月4日水管仪NS向加速S倾（余尚江等，2016），而村中近期无工程建设，排除村庄影响；⑤林校位于山洞西侧约74 m，在理论干扰距离内（邱泽华等，2004），2016年4月14日至5月20日拆迁，与本次水管仪加速E倾变化时间较吻合。理论上，林校拆迁并运走建筑垃圾必然导致地面载荷降低，即水管倾斜仪W端载荷减小，E端载荷相对增大，造成水管倾斜仪加速E倾。

根据绿城百合工程建设等各项干扰与信阳台水管倾斜仪异常时间对比（图 6），初步分析认为：信阳林校拆迁可能与本次水管倾斜仪加速E倾有关。为进一步确定该影响，采取数值模拟方法进行定量计算。

4 林校拆迁倾斜变化数值模拟计算 4.1 模拟参数选取

本次模拟采用有限元法建立不规则载荷模型，原理是，对不规则载荷模型进行散点化处理，以所有散点的矢量和作为周边载荷变化引起的垂直位移量（闫伟等，2015）。有限元法是一种求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术，对于不同物理性质和数学模型问题，有限元求解法的基本步骤相同，分为前处理、求解和后处理3个阶段。

（1）前处理阶段，主要2项内容：①定义模型参数，根据现场对山洞岩性进行调查，发现山体岩性为（斜长）角闪片麻岩，风化程度较高，节理发育，岩石较为破碎，结合《公路隧道设计规范（JTG D70—2004）》，将水管倾斜仪所在山洞围岩设定为Ⅴ级，变形模量取1.5×10⁹ Pa，泊松比取0.35，密度取1 900 kg/m³；②建立区域有限元网格模型，基于Ansys软件生成三维有限元模型（图 7）。

（2）求解过程，包括设置边界条件、加卸载和求解线性等方程。边界条件的施加是三维区域前后左右面受水平向约束和底板受垂直向理想约束。考虑到林校拆迁区域为建筑拆迁，相当于一种卸载，假定为垂直方向上荷载，并且转化为节点荷载（图 8）。模拟过程的环境参数主要通过现场实际考察测量获取，包括林校拆迁建筑的高度、结构、面积及与水管仪距离（图 9）。

（3）后处理，输出节点荷载、位移，查看求解结果。

4.2 模拟计算

经过数值模拟求解，得到垂直方向的变形图（图 10），从对应的俯视图（图 11）上可以看出，水管仪处在垂向变形过渡带区域。其中，NS分量处在0.03 mm变形区域，该水管仪N端和S端几乎无形变差；EW分量位于0.03 mm和0.04 mm变形过渡区域，两端变形差约0.01 mm。根据角度转换公式：Δψ = Δh/L (rad) = 0.206265Δh/L (″)，式中Δh为水管倾斜仪东西两端变形差，单位：µm；L为水管倾斜仪EW分量测线长度，单位：m。则林校拆迁引起的水管倾斜仪EW向变化量为

$ \Delta \psi = 0.206265 \times \frac{{\left( {0.01 \times 1000} \right)}}{{20}} = 103.13 \times {10^{ - 3}}^{\prime \prime } $

2016年4—6月信阳台水管倾斜仪EW分量变化幅度为202×10^-3″，2013年和2014年同期变化量分别为120×10^-3″和97×10^-3″，2015年受浉河水量变化影响较大，不具有参考意义。因此，扣除年变影响（2013年和2014年同期变化量），2016年4—6月水管倾斜仪EW分量实际变化量在82×10^-3″—105×10^-3″，与上述模拟计算结果（103.13×10^-3″）较一致。

5 结论

针对信阳台水管仪2016年5月加速E倾异常变化，在对仪器工作状态、观测室环境、周边环境、台站其他仪器观测数据等进行详细调查并分析的基础上，从时间、空间、强度3个方面综合分析，认为2016年5月信阳台水管仪EW分量加速E倾变化主要由林校拆迁引起，主要体现在：①时间上，水管仪EW分量加速E倾与观测点西端附近林校拆迁时间具有一致性；②空间上，水管仪EW分量与林校位置较近，具有相关性；③强度上，有限元模型计算结果表明，林校拆迁引起本次水管仪EW向加速E倾的变化量与实际观测数据变化量基本一致。