2) 中国哈尔滨 150090 黑龙江省地震局
2) Heilongjiang Earthquake Agency, Harbin 150090, China
通河形变观测井位于哈尔滨市通河县铧子山林场,周围地形地貌特征属花岗岩类构造低山,岩性为坚硬完整的燕山期花岗岩,探头埋深85 m。2017年11月以来,每年冬季一定时段内通河体应变均出现异常变化。调查发现,距形变观测井约20 m处于2017年12月开设滑雪场对外营业(2021年冬季滑雪场未开放)。该滑雪场占地约50 000 m2,最远距离约370 m,每年11月—次年1月造雪。据统计,2017年11月26日—2018年1月5日、2018年11月21日—12月22日、2019年11月12日—12月17日和2020年11月21日—2020年12月31日,通河体应变压性变化幅度分别为308.2×10-9、299.7×10-9、341.6×10-9、271.6×10-9,异常数据达最高值后转张性变化并缓慢恢复。本文对滑雪场造雪产生的载荷进行定量计算,以明确相应时段的体应变变化是否由造雪所致。
2 载荷影响定量计算马栋等(2014)假定负荷力垂直作用在半无限平面介质的面上,且介质是各向同性的,以负荷着力点为圆柱坐标系的原点,垂直向下为z,水平向外为r。用满足圆柱坐标的调和函数V(r,θ,z)解和傅里叶—贝塞尔积分,推导载荷对钻孔应变的平面应变,则载荷影响计算公式如下
$ \begin{aligned} b= & \frac{2}{3}\left(\frac{P}{4 {\rm{ \mathsf{ π}}} \mu}\left[\frac{\lambda+2 \mu}{\lambda+\mu} \frac{z}{\left(r^2+z^2\right)^{2 / 3}}-\frac{3 z^2}{\left(r^2+z^2\right)^{5 / 2}}\right]+\right. \\ & \frac{P}{4 {\rm{ \mathsf{ π}}} \mu r^2}\left[-\frac{\mu}{\lambda+\mu}+\frac{\lambda+2 \mu}{\lambda+\mu} \frac{z}{\left(r^2+z^2\right)^{1 / 2}}-\frac{z^3}{\left(r^2+z^2\right)^{3 / 2}}\right]+ \\ & \left.\frac{P}{4 {\rm{ \mathsf{ π}}} \mu(\lambda+\mu)} \frac{1}{r^2}-\frac{P}{4 {\rm{ \mathsf{ π}}}} \frac{\lambda+2 \mu}{\mu(\lambda+\mu)} \frac{z}{r^2} \frac{1}{\left(r^2+z^2\right)^{1 / 2}}+\frac{P}{4 {\rm{ \mathsf{ π}}} \mu} \frac{z^3}{r^2} \frac{1}{\left(r^2+z^2\right)^{3 / 2}}\right) \end{aligned} $ | (1) |
式中:b为载荷对钻孔应变的理论影响数值,P为由于荷载形成的作用于坐标原点并垂直于地面的集中力;r为干扰源与测点距离;z为钻孔深度;λ = μE/[(1+μ)(1-2μ)],μ = E/[2(1+μ)],其中E为弹性模量,μ为泊松比系数。
据调查,2017—2020年通河滑雪场造雪体积分别为29 760 m3、28 730 m3、32 830 m3、27 610 m3,代入人造雪密度(约856 kg/m3),则换算P分别为25 474.56 N、24 592.88 N、28 102.48 N和23 634.16 N。查找观测井100 km以内发生ML 0.5以上的地震,利用国家地震科学数据中心的地震目录与台站记录的Pg、Sg震相到时计算杨氏模量和泊松比,得到E = 65.776 GPa、μ = 0.212 8,将z = 85 m代入式(1),计算并分析荷载、体应变与荷载距离的关系,对比曲线见图 1。
滑雪场与观测井的距离取为200 m,计算得到2017—2020年通河应变理论变化量分别为314.6×10-9、303.7×10-9、347.0×10-9、287.4×10-9,而实际体应变变化量为308.2×10-9、299.7×10-9、341.6×10-9、284.4×10-9,二者基本一致。
综上所述,通河体应变2017年以来的数据异常变化应为滑雪场造雪所致。体应变记录中含有大量地壳活动和各类干扰信息,可采用S变换,进一步明确并剔除滑雪场造雪对通河体应变的干扰,受篇幅所限,将另文分析。
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. |