2023, Vol. 44
2) 中国山东 266034 青岛市地震监测中心
2) Qingdao Earthquake Monitoring Center, Shandong Province 266034, China
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，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。
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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) |
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表 1 青岛地区主要断裂参数 Table 1 Parameters of major faults in Qingdao region |
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。
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。
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图 2 2014—2021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 |
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表 2 2014—2021年体应变年漂移量 Table 2 Annual drift of volumetric strain from 2014 to 2021 |
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。
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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 2020 |
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。
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图 4 钻孔倾斜仪数据记录曲线 Fig.4 Data curves of borehole inclinometer |
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图 5 钻孔分量应变数据记录曲线 Fig.5 Data curves of borehole component strain |
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。
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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 |
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。
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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 stations |
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。
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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 |
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。
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图 9 青岛台体应变潮汐因子变化 Fig.9 Tidal factors of Qingdao volumetric strain |
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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 |
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）。
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。
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-1.7×10-5，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-0.53×10-5，二者量级一致，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。
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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 |
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。
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。
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