大同市地倾斜变化特征及影响因素浅析

李秀英，邓海岩，任选民

(1.大同市地震局，山西 大同 037006；2.同车公司观测站，山西 大同 037038；3.同煤一中观测站，山西 大同 037003)

0 引言

地倾斜观测作为地壳形变连续观测的一种，为地震短临预报提供了一定的判据[1]。但在地倾斜日常观测中，由于受气象及其他因素的干扰，表现出的变化形态不尽相同。观测数据产生畸变，淹没了震前可能存在的信息，直接影响前兆信息的识别。文章以大同市同煤一中地倾斜1995-2017年观测数据为基础，系统梳理20多年来的资料，结合日常工作及观测实际，分析降雨、温度、地下水位变化、人为干扰、周边环境改变及观测系统本身变化等干扰因素对地倾斜观测数据的影响，为今后识别干扰、排除异常、快速捕捉震前异常信息提供参考依据。

1 大同市同煤一中观测站基本概况

同煤一中地倾斜观测站位于大同盆地北端西缘，系口泉山脉东侧，口泉山前冲洪积扇中下部，海拔高度1 070.3 m(见第47页图1)。周边地势较为平坦，根据邻区的工程地质勘察资料，该地15 m深度范围之内，表层杂添土之下地层以粉土为主，夹有砂层。地下水位埋深约10 m左右。北西侧口泉断裂为当地主体构造。

同煤一中观测站成立于1976年唐山大地震之后，地倾斜观测始于1983年，在当时的平房观测室安装了江苏省无锡仪器仪表设备厂生产的地形变观测设备——SQ型水管倾斜仪。由于受场地限制，只对EW向进行布设，基线长5 m左右。1992年，随着新地震观测楼的投入使用，在新观测楼一层观测室内重新安装两套水管倾斜仪，分别是SQ型水管倾斜仪及DGK-1A型静力水准仪。前者EW向布设，基线长10.14 m；后者NS向布设，基线长12.05 m。为减少冬季观测时的不利影响，在EW、NS方向各观测端安装暖气。

2 同煤一中地倾斜观测数据变化特征

大同市同煤一中地倾斜观测数据稳定、连续、可靠，多年来各测项连续率均在99%以上。

EW向使用的是SQ水管倾斜仪，具有较好的年变周期，日变幅最大不超过1″。年变规律在1995-2004年多呈冬春低、夏秋高，近似余弦波形的特点，且E倾趋势速率相对较缓，曲线动态较平稳；2005-2017年，年变规律发生明显变化，呈冬春高、夏秋低的特点，特别是在2007年之后，E倾趋势明显，倾斜速率增大(见第47页图2)。

NS向使用的是DG-1A型水管倾斜仪，地倾斜NS向以正北方向布设，具有较好的年变周期，日变幅最大不超过1″。年变规律在1995-2006年多呈冬春高、夏秋低的特点，且倾斜速率平缓，曲线动态平稳；2007-2017年，年变规律发生明显变化，呈现冬春低、夏秋高，近似余弦波形的特点，相较于EW向年变规律发生变化晚2 a，与EW向类似的是在2007年之后，倾斜趋势也发生明显变化，S倾趋势明显，倾斜速率增大(见图2)。

综合分析认为，同煤一中EW、NS两测项均在2007年之后倾斜速率发生明显改变，均呈现速率加大的趋势，应与2008年四川汶川8.0级地震、2011年日本9.0级地震前后应力场的变化调整有关。

图1 同煤一中地倾斜观测站地理位置示意图Fig.1 Sketch map of geographical location of ground tilt observation station at Tongmei No.1 Middle School

图2 同煤一中地倾斜EW向、NS向日均值曲线图Fig.2 Daily mean curves of ground tilt in EW and NS directions at Tongmei No.1 Middle School

3 地倾斜观测数据影响因素分析

3.1 降雨影响

大同市年均降雨量在370 mm左右。降雨主要集中在6-9月，其他月份相对较少，属于温带大陆性季风气候。由年降雨量直方图图3所示，年降雨量>400 mm的有9 a，在300～400 mm的有7 a，而<300 mm的有9 a。

从第48页图4可看出，该区30多年来最大降雨量主要集中在1995年、1996年。1996年7月降雨量最大，而此期间地倾斜EW向、NS向观测值并未出现大的变化，观测曲线平稳光滑。另外，地倾斜NS向1997年出现大幅S倾时，同期降雨量未出现明显变化。因此，认为降雨对观测值的影响不大。

图3 大同市1982-2006年降雨量直方图Fig.3 Rainfall histogram of Datong city from 1982 to 2006

3.2 地下水动态影响

大同市有3个地下水集中开采区，形成了3个明显的地下水降落漏斗，分别为城北、城南、城西水源地降落漏斗区。同煤一中监测站处于口泉山前冲洪积扇中下部，地下水主要来源于大气降水和冲洪积扇上游的侧向补给，补给较为充足，排泄方式主要以侧向径流和人工开采为主。同煤一中观测站位于大同市水源地地下水降落漏斗之外(见第48页图5)。根据资料，所在区域地下水位埋深小于10 m，说明该区域地下水存储状态受人为开采影响较小。

图4 1995-2005年降水量与地倾斜月均值曲线Fig.4 Monthly mean curves of precipitation and ground tilt from 1995 to 2005

图5 地倾斜监测站与D21井相对位置示意图Fig.5 Sketch map of relative location between ground tilt monitoring station and the Well D21

(1) 水位资料选取。

D21井是山西省地质环境中心在大同市地下水动态观测网中，距同煤一中观测站最近的一口长期观测井，位于十里河冲洪积平原，距同煤一中监测站南偏东约4 km处，与同煤一中监测站处于同一水文地质单元，水文地质条件相同。D21水文观测井的地下水观测资料，可以反映同煤一中监测站所处的地下水动态情况。该井与同煤一中地倾斜观测站均不处在上述3个降落漏斗范围之内。

(2) 地倾斜资料选取。

选同煤一中地倾斜EW向、NS向资料与D21井相同时段(1995-2017年)的资料进行对比分析(见图6)。

图6 同煤一中地倾斜EW、NS向与D21井水位月均值对比图Fig.6 Contrast diagram of monthly mean water level of ground tilt in EW and NS directions and Well D21 at Tongmei No.1 Middle School

由同煤一中地倾斜EW、NS向与D21井1995-2017年月均值对比图看出，地倾斜在1995-2006年EW、NS向曲线动态基本平稳。2007年之后曲线动态发生明显变化，EW向E倾趋势明显，速率增大；NS向S倾趋势明显，速率增大。地下水位除了2013-2014年有较大波动外，其他年份变化基本平稳，且整体上水位波动平缓。地下水位在2013-2014年发生了较大幅度变化，为5.04 mm。同期地倾斜NS向、EW向都未发生显著的变化。地倾斜NS向在1997年呈大幅S倾，地下水位在同期也未发生明显变化。

由以上分析得出，同煤一中地倾斜的变化与地下水位动态变化均不同步。说明地下水位的变化对地倾斜的变化影响较小。

3.3 温度影响

大同市地处温带大陆性季风气候区，基本气候特征是春季气温回升很快，平均在6.5～9.1 ℃；夏季气温短暂温热，平均在19～21.8 ℃；秋季气温逐渐下降，平均在5.8～8.4 ℃；冬季漫长而寒冷，平均在-12.8～-6.3 ℃。

同煤一中观测站为使观测室两端的温差尽可能减小，沿EW、NS方向观测室各安装暖气，使两端温差最大不超过1 ℃。为分析仪器两端温度是否对地倾斜观测有明显影响，采取相关分析法对此进行讨论。

(1) 资料选取。

同煤一中地倾斜EW、NS向与两端温度同时段(1995-2005年)资料如图7、图8所示。

图7 同煤一中1995-2005年地倾斜EW向与观测仪器两端温度及温差月均值图Fig.7 Monthly mean diagram of ground tilt in EW direction and temperature and temperature difference at both ends of the observing instrument at Tongmei No.1 Middle School from 1995 to 2005

图8 同煤一中1995-2005年地倾斜NS向与观测仪器两端温度及温差月均值图Fig.8 Monthly mean diagram of ground tilt in NS direction and temperature and temperature difference at both ends of the observing instrument at Tongmei No.1 Middle School from 1995 to 2005

(2) 方法及数据分析。

根据文献[2]，用相关系数R的变化范围可判断两者间的相关程度。当R=0时，为完全不相关；当0<∣R∣≤0.3时，为基本不相关；当0.3<∣R∣≤0.5时，为弱相关；当0.5<∣R∣≤0.8时，为较强相关；当0.8<∣R∣<1时，为强相关；当∣R∣=1时，为完全相关。对同煤一中1995-2005年地倾斜EW向、NS向与两端温度及温差作相关分析，计算结果如表1、第50页表2所示。

表1 同煤一中地倾斜EW向与两端温度TE、TW及温差(TE-TW)日均值相关分析结果Table 1 Relative analysis results of ground tilt in EW direction with daily mean values of TE, TW and temperature difference TE-TW at both ends of Tongmei No.1 Middle School

由表1计算结果可见，同煤一中地倾斜EW向与两端温差(TE-TW)不相关与弱相关的年份占91%，分别是1995-2001年、2003-2005年，相关系数分别是：0.253、0.204、0.277、0.473、0.256、0.414、0.170、0.414、0.033、-0.005；较强(中等程度)相关的年份占9%，只有2002年，相关系数仅为0.58。

地倾斜EW向与两端温度TE、TW不相关与弱相关的年份占64%，分别是1995-1999年、2004-2005年，相关系数分别是：-0.043、-0.012、0.198、-0.002、0.035、0.472、-0.336；较强(中等程度)相关的年份占36%，分别是2000-2003年，相关系数分别是：0.527、0.527、0.524、0.533。

表2 同煤一中地倾斜NS向与两端温度TN、TS及温差(TN-TS)日均值相关分析结果Table 2 Relative analysis results of ground tilt in NS direction with daily mean values of TN, TS and temperature difference (TN-TS) at both ends of Tongmei No.1 Middle School

由表2计算结果可见，同煤一中地倾斜NS向与两端温差(TN-TS)不相关与弱相关的年份占82%，分别是1996-2004年，相关系数分别是：0.038、0.262、0.140、0.472、0.046、0.231、-0.280、0.129、-0.152；较强(中等程度)相关的年份占总年数的18%，只有1995年、2005年，相关系数分别为0.553、-0.712。

地倾斜NS向与两端温度TN、TS变化全部呈不相关与弱相关。

另据文献[3]的研究，目视水管倾斜仪洞室温差小于1 ℃时，对仪器的影响可忽略不计。

通过以上对同煤一中地倾斜EW向、NS向与两端温度及温差相关系数的分析及相关文献的研究表明，同煤一中地倾斜观测受温度影响不大。

3.4 观测环境影响

为明确同煤一中地倾斜观测站周边环境是否对观测有影响，以观测站为中心，对四周300 m范围的干扰源进行调查分析。

(1) 观测站以东以南。东偏北约150 m左右有高层建筑，该建筑为同煤地质处家属楼，该楼施工时间为2003年。取同煤一中2002-2003年地倾斜资料作对比分析(见第51页图9)。按照每年的正常施工时间为4-11月，发现同时段该建筑施工对地倾斜观测的影响不大。

按上述方法，对观测站以南约300 m左右的多层建筑(同煤一中南教学楼)的施工进行分析，结果是对地倾斜观测的影响也不大。

(2) 观测站西南方向。约150 m处有多层建筑为同煤一中体育馆，该建筑施工时间为2008年。取同煤一中2007-2008年地倾斜资料作对比分析发现(见第51页图10)，按照每年的正常施工时间为4-11月，该建筑施工对地倾斜观测的影响不大。

(3) 观测站西北方向。约150 m左右，有多层建筑为同大科技研究院，该建筑施工时间为2000年。取同煤一中同时段地倾斜资料做对比分析发现(见第51页图11)，按照每年正常施工时间为4-11月，该建筑施工对地倾斜观测的影响不大。

(4) 观测站西北方向。约500 m左右，有高层建筑为同煤集团办公楼，该楼建筑施工时间为2000年。取同煤一中地倾斜资料做对比分析发现(见图11)，按照每年正常施工时间为4-11月，该建筑施工对地倾斜观测的影响不大。

(5) 观测站正北方向。200 m处有高层建筑商业楼明都广场，该楼建筑施工时间为2008年。取同煤一中地倾斜资料做对比分析发现(见图10)，按照每年的正常施工时间为4-11月，该建筑施工对地倾斜观测的影响不大。

(6) 观测站东偏北方向。约50m处，2005年7月13日该处挖一地下车库，造成地倾斜EW向7月24日-25日西倾幅度加大，累计西倾幅度4.637″(见第51页图12)。

3.5 人为影响

仪器维护。地倾斜观测由于连通管仪器工作较长时间后，液体蒸发，液体位会慢慢降低，就必须加液。当观测人员给一端加液时，两端液体的密度会产生微小差异，使曲线产生突跳。为避免观测数据产生突跳干扰，观测人员采取了两端同时加液的方法，以消除人为影响(见第51页图13)。

3.6 仪器性能

DG-1A型静力水准仪及SQ型水管倾斜仪，均是一种多测头的连通器，采用水平面作为垂直形变观测基准。仪器墩上安置法兰盘，钵体置于法兰盘之上，用玻璃管连通，里面灌注蒸馏水。通过螺杆调整法兰盘高度，改变钵体高度，通过控制蒸馏水的灌入量和调整钵体高度，使各观测端初始钵体内水柱高度合适，并基本保持一致。在日常观测中，通过螺旋测距仪观测钵体内水柱高度的变化。此类仪器结构简单、稳定性好、目视读数、抗干扰能力强，是反映地倾斜长趋势变化的一种较好仪器。

图9 同煤一中2002-2003年地倾斜观测EW、NS向日均值变化图Fig.9 Daily mean value variation diagram of ground tilt observation in EW and NS directions at Tongmei No.1 Middle School from 2002 to 2003

图10 同煤一中2007-2008年地倾斜观测EW、NS向日均值图Fig.10 Daily mean value diagram of ground tilt observation in EW and NS directions at Tongmei No.1 Middle School from 2007 to 2008

4 结论

通过以上分析，得出如下结论。

(1) 同煤一中地倾斜观测数据稳定、连续、可靠，周期变化明显，具有清晰的年动态，日变幅最大不超过1″。

图11 同煤一中2000年地倾斜EW、NS向日均值图Fig.11 Daily mean value diagram of ground tilt in EW and NS directions in 2000 at Tongmei No.1 Middle School

图12 同煤一中2005年地倾斜EW向日均值图Fig.12 Daily mean value diagram of ground tilt in EW direction in 2005 at Tongmei No.1 Middle School

图13 地倾斜垂向DFG日均值曲线图Fig.13 Daily mean value curve of vertical ground tilt DFG

(2) 同煤一中地倾斜观测数据受降雨、温度、地下水等自然因素变化影响不大，100 m外观测环境的变化(建筑工程)对观测影响不大，而100 m之内较大的人为施工对观测会造成一定的影响，随着施工结束，干扰因素也会随之消失。人为加液造成的干扰，可以通过两端同时加的方法排除。因此，平时填好工作日志，就容易辨别异常原因，有效识别干扰，为快速捕捉震前异常信息提供参考依据。