浙江省地傾斜觀測常見干擾淺析

尹晶飛蘇小蕓張震峰徐夢林

1）中國杭州310013浙江省地震局

2）中國蘭州730000甘肅省地震局

浙江省地傾斜觀測常見干擾淺析

尹晶飛1）蘇小蕓2）張震峰1）徐夢林1）

1）中國杭州310013浙江省地震局

2）中國蘭州730000甘肅省地震局

通過對浙江省地震前兆臺網地殼形變觀測數據分析，總結對地形變觀測影響較為普遍的兩類干擾因素特征：①通過分析測點周邊場地環境干擾，總結地表載荷對地傾斜觀測造成的數據異常變化特征；②利用臺風通過時造成的各類自然環境變化，總結地殼形變觀測數據受氣象變化影響的特征。

地殼形變觀測；地表載荷；自然環境變化

0 引言

浙江省地處中國東南沿海長江三角洲南翼，總體地形自西南向東北呈階梯狀傾斜，西南地區為千米以上群山盤結，中部地區以丘陵盆地地形為主，東北部地區為地勢較為平緩的沖擊平原。目前浙江省地震前兆臺網以地殼形變觀測手段為主，隨著國家前兆臺網“十五”項目、“國家背景場”等項目建設完成，浙江省地殼形變臺站逐步增多，觀測數據種類逐步完善，臺網布局主要圍繞浙北地震重點監視防御區、省內主要深大斷裂（如余姚—麗水斷裂、蕭山—球川斷裂、溫州鎮海斷裂等）及地震活動區來布設地震臺站。浙北地震臺分布較密集，浙中和浙南地區相對稀疏，海域布設2個臺站。

經過多年運行觀測，浙江省地震前兆臺網積累大量地震前兆觀測數據，然而隨著城市建設的不斷推進，地殼形變觀測場地受到不同程度影響，且受浙江省地理氣候因素影響，每年均受到臺風帶來的自然環境干擾。工作人員在進行地震前兆觀測數據分析時，需要消除由場地變化及自然環境影響造成的數據異常變化內容（陳敏，2007）。因此，借助地震前兆數據跟蹤分析平臺，以日常觀測工作為基礎，通過長期觀測數據的變化積累，結合測點周邊觀測環境的調查落實，總結浙江省地形變觀測常見異常事件變化特征，為觀測數據的可靠應用提供保障，并為今后出現相似觀測數據變化時提供一定判斷依據。

1 地表載荷干擾

1.1 海寧地震臺水平擺受基建干擾

1.1.1 觀測環境。海寧位于杭州灣北岸，屬于杭嘉湖平原區，地勢由西南向東傾斜，較為平坦。該地新構造運動以差異性和振蕩性升降為主，在早第三紀和早更新世先后下陷，淪為海灣，接受沉積。附近有蕭山—球川深斷裂穿過，并在全新世有過活動。海寧地震臺（以下簡稱海寧臺）測點位于市區西山公園，出露巖石堅硬完整，為西湖組（D3x）的白色厚層（風化后呈淺褐色）石英粗砂巖，節理不發育。西山山體為中厚層石英粗砂巖，且硬度較大，巖石完整性較好。洞頂覆蓋層厚約35 m，側覆約30 m，山上植被茂盛，平均高度約8 m。

1.1.2 觀測數據異常及排查。海寧觀測山洞內布設1套SSQ-2I型水平擺傾斜儀，經過多年連續觀測，發現該測點地傾斜觀測資料穩定，近年潮汐因子變化較平穩。2014年12月13日11時海寧臺水平擺NS、EW分量呈加速上升變化趨勢，至17日7時，兩分量均上升約1 100×10-3″，此后穩步回落，見圖1。

圖1　2014年12月海寧臺場地環境干擾變化Fig.1 The change of data by space environment at Haining Seismic Station in Dec.，2014

圖2　海寧臺測點與干擾源位置Fig.2 The location of the interference source and observation point at Haining Seismic Station

經過對測點周邊場地環境調查發現，東北方向約200 m處存在一處建筑施工場地，面積約30 000 m2，見圖2。該工地2014年12月13日起實施地基澆筑工作，至17日大約灌注10 000 m3混凝土，重約2.5×107kg。由于此處工地距測點較近，因此在大幅增加其地表載荷過程中，會對海寧臺水平擺傾斜儀觀測數據造成較大影響。結合觀測數據變化形態可知，近期測點附近保持向東北方向傾斜的變化趨勢，而且觀測數據的變化起始時間與澆筑地基時間較為吻合，因此判斷該工地大規模澆筑混凝土地基的工程是此次數據異常變化的主要原因。

1.1.3 驗證。相對地球而言，可以將測點與建筑工地視為在一個水平面內，將測點周邊假定為半無限空間體。由彈性理論可知，當在邊界上有一個垂直于邊界的集中P時，其相應位移解（熊先保，2013）為

其中：P為集中在一點的作用力，E為介質彈性模量，γ為介質泊松比，R為測點與壓力施加點間的距離，R2=z2+ r2=z2+ x2+ y2。當假設測點位于地表時，z=0，考慮到μz和z在方向上的關系，將垂向位移在水平向x和y引起的地傾斜分別簡化為

因當地介質為石英粗砂巖，取介質彈性模量E=5，泊松比γ=0.13，P=2.5×107kg，x=200 m，y=200 m。經計算，EW向、NS向引起的地傾斜幅度均為2.8″，與實際觀測數據吻合較好。

1.2 龍泉地震臺垂直擺受蓄水干擾

1.2.1 觀測環境。龍泉市位于浙江西南部，與福建省接壤。該市地形屬于浙南山地，地勢由西南向東北傾斜，四面環山，中間為河谷盆地。西北部為仙霞嶺山脈，東南部為洞宮山脈，其中鳳陽山黃茅尖為最高峰。年平均氣溫17.6℃，年平均降水量1 670 mm。觀測場址位于麗水龍泉市九姑山人防洞，山體出露大爽組（J3d）凝灰巖，洞內為灰色玻屑凝灰巖，山頂出露磚紅色凝灰巖，硬度高，完整性好。山洞頂覆約35 m，植被高度6—8 m，側覆大于40 m。

在地質上，該區屬于麗水—寧波隆起三級構造單元，麗水—寧波隆起呈NE—SW走向，區域內為山地地形，北部有四明山和天臺山；西南部為仙霞嶺，各類盆地遍布其中。該構造單元可進一步劃分為4個四級構造單元，龍泉屬于其中的龍泉—遂昌斷隆。該斷隆位于麗水—寧波隆起西南部，仙霞嶺占據整個構造單元，是浙江省地形最高、地殼最厚地區。該區褶皺基底由陳蔡群和龍泉群組成，褶皺強烈，分布在斷裂包圍隆起區，中生帶褶皺構造不發育，其中白堊系受盆地控制。斷裂構造發育，使得該區域成為浙江省地震多發區域。按斷裂走向主要有4組，相互交切成網狀，其中NNE向斷裂醒目，密集成帶，集中于東南緣；次為NE向斷裂，成帶分布于龍泉附近；NW向和EW向斷裂分布比較零散。

1.2.2 數據異常及排查。龍泉臺2007年5月10日架設1套VS型垂直擺傾斜儀，儀器運行較為穩定。2014年6月28日—7月1日，垂直擺NS、EW分量改變日常變化趨勢，NS向觀測數據累積向北漂移約100″，EW向觀測數據向西漂移約110″，此后兩分量數據穩步回落，見圖3。

圖3　龍泉臺蓄水干擾變化Fig.3 The change of data by store water at Longquan Seismic Station

經對測點周邊場地環境進行調查發現，在觀測山洞西北方向約150 m處建有游泳池，容量約2 000 m3，見圖4。經確認，2014年6月28日該泳池進行1次蓄水操作，結合數據變化時間及觀測數據變化方向特點，初步判定，泳池蓄水造成測點周邊場地載荷變化，使得測點周邊地表發生向西北傾斜的趨勢變化，進而造成觀測數據趨勢發生異常變化。

1.2.3 驗證。同樣，利用彈性理論，將測點周邊假定為半無限空間體，忽略測點高程，將測點區域均視為在同一水平面內。x=200 m，y=200 m，P=2×106kg，調取當地巖石試驗資料，彈性模量E=50，泊松比γ=0.25。運用公式（2）和公式（3），計算得到NS向、EW向地傾斜量均為0.085″。可見，理論計算結果與實際觀測數值基本一致。

結合海寧臺水平擺與龍泉臺垂直擺的干擾事件可以看出，地表載荷造成的地傾斜會引起擺式儀器數據異常變化，變化幅度基本符合彈性理論計算結果。結合實際觀測結果和彈性理論，發現各分量變化特征主要取決于地表載荷的加載量和加載力與測點之間的方位距離。結果存在一定誤差，可能是因為：①計算模型中忽略了測點高程Z，且對地面載荷的實際加載量估計存在一定偏差；②計算模型將測點周邊地殼介質視為均勻彈性體，實際上介質的各項異性會造成計算的傾斜量與實際測點結果不同，甚至相差甚遠。

1.3 海岸地震臺受海潮加載

海岸地震臺地傾斜觀測資料的內在精度和外在形態，與大陸地震臺存在較大差別（鐘羽云，1998），選取2014年不同位置地震臺的觀測數據，統計各類觀測儀器的潮汐因子，見表1，可知海岸地震臺地傾斜觀測數據的日變幅度和潮汐因子均遠大于大陸臺。究其原因，海岸地震臺距海洋更近，海潮加卸載垂向壓力變化對測點周邊應力結構造成很大影響，進而改變區域內的地殼介質形態。海岸附近臺站所記錄到的地傾斜觀測中不僅包含實際地球固體潮汐變化，同時附加海潮加卸載帶來的形變潮汐變化量。結合彈性理論可知，該變化量會隨著觀測點與應力施加點距離的平方成反比，因此，隨著海岸距離的增加，海潮引起的地形變幅度減小。

圖4　龍泉臺測點與干擾源位置Fig.4 The location of the interference source and Longquan observation point

表1　定海臺、湖州臺、永嘉臺、龍泉臺各類儀器潮汐因子比較Table 1 Comparison of tidal factor with Dinghai，Huzhou，Yongjia and Longquan seismic stations

2 自然環境干擾

浙江省自然環境多變，每年夏季西太平洋形成的臺風通過時，氣象環境突變，對地傾斜觀測數據造成明顯干擾：強風造成部分地震臺擺式傾斜儀擾動；降雨和氣壓突變會影響洞體伸縮和鉆孔應變類測項。

2015年7月11日，第九號臺風“燦鴻”登陸浙江省舟山市，是中國建國以來登陸浙江省的最強臺風，選取臺風影響范圍內各地震臺觀測數據進行分析，總結各類地傾斜測項受自然環境影響的特點。

2.1 氣壓對體應變觀測影響

浙江省地震前兆臺網在東陽地震臺（以下簡稱東陽臺）、湖州地震臺（以下簡稱湖州臺）布設TJ-2型體積式鉆孔應變儀，觀測數據均較為穩定。湖州臺距舟山約250 km，山洞巖層為燕山期花崗巖體；東陽臺距舟山約220 km，巖層為紫紅色中厚層狀泥質粉砂巖，巖石硬度偏低且完整性較好。

2015年7月11日，隨著臺風經過，東陽臺和湖州臺鉆孔氣壓先后出現明顯下降，與體應變觀測數據保持較高的同步變化特性，見圖5、圖6，可見兩套儀器氣壓變化量均約2 kPa，湖州臺體應變下降約45×10-9，東陽臺體應變下降約68×10-9。

圖5　東陽臺體應變受臺風影響變化Fig.5 The change of volumetric strain data by typhoon at Dongyang Seismic Station

圖6　湖州臺體應變受臺風影響變化Fig.6 The change of volumetric strain data by typhoon at Huzhou Seismic Station

根據彈性力學可知，鉆孔在垂直方向受大氣壓直接作用，水平方向上受側向圍壓作用。考慮到鋼筒、水泥層和鉆孔巖石的復合結構，可從理論上推導大氣壓對體應變的影響模型（蘇愷之，2003）。

式中，ε為鉆孔體應變，ΔP為氣壓變化量，b為氣壓影響系數，E為巖石彈性模量，μ為介質泊松比。一般，傳感器所受體應變與氣壓變化量成正比關系，而氣壓影響系數與介質彈性模量成反比。由于測點周邊介質性質未知，暫時取：①湖州臺花崗巖：E=3，μ=0.2，氣壓變化量ΔP=20 Pa，則ε=84.6；②東陽臺粉砂巖：E=2，μ=0.2，氣壓變化量ΔP=20 Pa，則ε=56.4。可見，理論結算結果與實際觀測數據大致在一個數量級別，誤差可能與傳感器周圍實際介質的彈性模量和泊松比有關。

2.2 強風對擺式儀器觀測影響

浙江省地震前兆臺網配備6套VS型垂直擺傾斜儀、5套SSQ-2I型水平擺傾斜儀和1套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀。日常觀測發現，擺式傾斜儀受強風干擾主要表現為較高頻率的毛刺擾動。選取距離此次臺風較近且觀測數據質量較高的湖州、定海、紹興地震臺進行對比，結果見表2。

表2　湖州臺、定海臺、紹興臺受臺風影響變化Table 2 The change of data by typhoon at Huzhou，Dinghai and Shaoxing seismic stations

從表2可見，寬頻帶擺式儀器記錄的強風擾動幅度明顯大于低頻帶觀測儀器；而同類儀器受到的擾動幅度主要取決于干擾源的風力大小；同一套觀測系統不同分量受到強風的擾動程度主要取決與干擾源風向。

強風造成觀測數據突跳，可能是由于：強風造成觀測儀器附近植被高頻晃動，使得測點區域內巖石受力結構不斷變化，導致地傾斜數據突跳；強風引起周邊氣壓不斷突變，導致測點區域巖石受力大氣壓力改變，造成地面傾斜突變。因此，地震臺觀測系統受到強風擾動的主要因素應包括：風力大小與風向、測點周邊山體植被覆蓋情況及測點區域巖石介質的性質。

3 結束語

借助地震前兆數據跟蹤分析工作平臺，針對浙江省地震前兆臺網中長期地殼形變觀測資料進行分析，總結以下特點：測點周邊的載荷變化容易引起地傾斜觀測數據趨勢異常變化，同時表明彈性力學理論可以在地傾斜實際觀測中較好的驗證和應用；體應變觀測數據與測點周邊氣壓變化的變化成正相關關系；擺式傾斜觀測儀器則會在強風通過時表現出高頻的毛刺擾動現象。為將來對浙江區域內前兆數據處理提供參考。

陳敏，郭欣，鄭許東.重慶臺傾斜潮汐形變干擾異常與震兆異常的識別［J］.大地測量與地球動力學，2007，27：79-83.

蘇愷之，李海亮，張鈞，等.鉆孔地應變觀測新發展［M］.北京：地震出版社，2003.

熊先保，林立峰，楊婕.水管傾斜儀與擺式傾斜儀抗干擾能力分析［J］.華南地震，2013，33（2）：34-40.

鐘羽云.浙江省北部及鄰區中強地震前地傾斜異常特征及其預測意義［J］.地震地磁觀測與研究，1998，19（3）：27-32.

Abstract

Based on the analysis of the crustal deformation observation data in Zhejiang Province，we summarized the most two frequently interference of crustal deformation.By analyzing the environment interference surrounding the station，the characteristics of observation data changed by ground loading is summarized.By analyzing the natural environment changes when typhoon comes，the characteristics of observation data affected by climate change are summarized.

The analysis of usual interference in observation of crustal deformation in Zhejiang Province

Yin Jingfei1），Su Xiaoyun2），Zhang Zhenfeng1）and Xu Mengling1）
1） Earthquake Administration of Zhejiang Province，Hangzhou 310013，China
2） Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730000，China

observation of crustal deformation，ground loading，natural environment change

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.010

尹晶飛（1988—），男，江蘇丹陽人，畢業于中國地震局地球物理研究所，碩士，助理工程師，主要從事地震前兆臺網運維與數據分析工作

甘肅省地震局科技發展基金（2015Q03）