西安地震臺形變觀測自然環(huán)境干擾分析

王秋寧 古云鶴

（中國西安710068陜西省地震局）

西安地震臺形變觀測自然環(huán)境干擾分析

王秋寧 古云鶴

（中國西安710068陜西省地震局）

以西安地震臺形變學科2014年、2015年觀測資料為研究對象，統(tǒng)計水管儀、伸縮儀、垂直擺等形變儀觀測數(shù)據(jù)所受干擾，分析典型自然環(huán)境干擾的影響特征及一般規(guī)律，為同類地震臺的干擾識別及相應措施制定提供參考，為觀測數(shù)據(jù)的深化應用提供依據(jù)。

前兆監(jiān)測；形變觀測；自然環(huán)境；干擾分析

0 引言

地震前兆監(jiān)測的主要目的是捕捉地震發(fā)生前的異常變化信息。在使用專業(yè)儀器進行地震前兆觀測的過程中，不可避免地受到各種干擾，這些干擾主要包括場地環(huán)境干擾、自然環(huán)境干擾和人為干擾。自然環(huán)境干擾主要包括氣壓、降水、雷電、溫濕度、氣旋、風擾等。本文重點對西安基準地震臺形變觀測資料所受自然環(huán)境干擾事件進行梳理，分析典型干擾對形變觀測數(shù)據(jù)的影響特征及規(guī)律。

1 臺站背景

1.1 臺址構(gòu)造

西安基準地震臺（以下簡稱西安臺）位于陜西省西安市長安區(qū)子午鎮(zhèn)秦嶺北麓，地殼厚度約40 km，海拔630 m，構(gòu)造上處于控制渭河斷陷盆地南界的秦嶺北緣EW向大斷裂南盤，距斷裂破碎帶約500 m。渭河斷陷盆地處于汾渭地震帶西南段，總體呈近EW向，北側(cè)是地質(zhì)構(gòu)造相對穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊，中間是渭河東西向大斷裂，南側(cè)為秦嶺造山帶，長約 400 km。渭河斷陷盆地受多期活動，盆地內(nèi)形成多個次級斷塊，差異活動顯著，活動斷裂發(fā)育（王衛(wèi)東等，2004），是控制陜西省地震活動的基本構(gòu)造帶，歷史上發(fā)生多次強震，最大地震為1556年華縣8.25級大地震，災害波及陜、甘、豫、晉、川等13個省，死亡83萬人，是世界地震史上死亡人數(shù)最多的一次地震。

1.2 觀測場地條件

西安臺形變觀測場地包括形變山洞和鉆孔應變場地。形變山洞建在秦嶺北麓近NS走向山體下，建于20世紀70年代。山體巖性為震旦紀片麻狀花崗巖，巖層產(chǎn)狀傾斜度為18°，巖質(zhì)有一定風化、破碎，裂隙較多。山洞總長72 m，其中EW向長30 m，NS向長42 m，洞頂覆蓋厚度15—25 m，東側(cè)薄，北側(cè)次之，西南側(cè)厚，洞體山頂植被以灌木叢和雜草為主。洞內(nèi)年溫差小于1.0℃，日溫差小于0.05℃。山洞主體呈“十字”形，由東側(cè)進入山洞，東西向主巷道設(shè)有3道船艙門，2道塑鋼門（圖1）。

觀測山洞安裝VS垂直擺傾斜儀、DSQ水管傾斜儀、SS-Y伸縮儀和PET潮汐重力儀，均為“十五”數(shù)字化改造后架設(shè)的數(shù)字觀測儀器，其中垂直擺、水管儀、伸縮儀均有NS和EW兩個觀測分量。此外，在山洞外安裝1套 WYY-1氣象三要素儀，可實時觀測氣溫、氣壓和降雨量。

西安地震臺鉆孔應變場地位于子午臺南側(cè)約300 m，臺基為片麻狀花崗巖。鉆孔成孔深度70 m，儀器探頭安裝在地下67 m。從鉆孔巖芯采樣結(jié)果看，探頭安放位置巖石較完整、致密。觀測儀器為TJ-2型體應變觀測儀，觀測物理量為鉆孔體應變、鉆孔水位、鉆孔氣壓等。

圖1　西安臺形變山洞平面布局Fig.1 The distribution map of mountain cave at Xi＇an Seismic Station

2 干擾分析

在地震形變觀測中，降雨、大風、氣壓、氣溫、濕度、雷擊等氣象因素變化是導致觀測資料出現(xiàn)異常變化的主要原因。西安臺形變山洞覆蓋層相對較薄且裂隙較多，山洞進深較淺，洞內(nèi)氣壓、溫度、濕度等受自然環(huán)境變化影響相對明顯，從而導致形變觀測受降雨、刮風和氣壓變化干擾等自然環(huán)境因素影響。

2.1 降雨干擾

降雨是一種普遍自然現(xiàn)象，關(guān)中地區(qū)年平均降雨量約600 mm，是北方地區(qū)降雨量相對較多的地區(qū)之一。降雨干擾在地震地形變前兆觀測中是一種典型且普遍的干擾現(xiàn)象，但影響原因較為復雜。有學者認為，降雨時，一部分雨水經(jīng)地表流走，另一部分則順巖石裂縫或土層滲透到地層，使得地表局部產(chǎn)生形變（陳敏等，2007）。通過多年觀測資料分析可知，西安臺洞體形變儀器觀測明顯受降雨干擾影響。降雨強度、持續(xù)時間不同，干擾變化形態(tài)也不盡相同。

2.1.1 暴雨干擾。2015年8月2日，西安臺所在地區(qū)大雨，降雨量26.2 mm，3日降下罕見大暴雨，數(shù)小時內(nèi)降雨量達131.8 mm。從觀測資料看，2日的降雨未造成水管儀觀測數(shù)據(jù)明顯變化，只是在潮汐形態(tài)背景值上出現(xiàn)少量毛刺。但3日的短時集中強降雨造成水管儀NS、EW分量測值快速大幅度下降，其中NS分量下降約35×10-3″，EW分量下降約47×10-3″，且從觀測曲線明顯可見日變形態(tài)被破壞（圖2）。

大暴雨造成水管儀測值快速大幅下降的突變性拐折現(xiàn)象，主要原因是，西安臺形變山洞覆蓋層相對較薄且裂隙較多，短時間大量雨水的滲透、淤積造成山體巖石承載壓力和應變的不平衡。從圖2可見，NS、EW分量觀測值均大幅下降，均向西南方向傾斜，與西安臺形變山洞山體地勢西南方向高、東北方向低一致。大量雨水快速向東北方向集中，造成該方向巖石壓力和應變的增強，反映到觀測值的快速變化，表現(xiàn)在觀測曲線發(fā)生大幅下降的突變性拐折。金克儉等（1986）認為，持續(xù)或突降大雨后，山洞地表容易積水，不但降低斷裂面摩擦強度，而且容易滲透到山洞內(nèi)儀器主墩和過渡墩及附近，增加荷載和巖石孔隙中的水分，降低巖石的抗壓強度和屈服力，進而導致巖石壓力和應變的變化，引起測值短時間內(nèi)較大幅度的加速變化。

2.1.2 持續(xù)降雨干擾。2015年6月22日至30日西安地區(qū)持續(xù)降雨，每次降雨量不大，但持續(xù)時間較長，累計降雨量達148.2 mm，水管儀觀測值受降雨影響（圖3）。從圖3可見，NS、EW分量22日起向下傾變，呈緩慢向下趨勢，但固體潮日變形態(tài)基本未被破壞；NS分量25日后不再下降，累計下降約30×10-3″，EW分量保持趨勢下降形態(tài)，累計下降約110×10-3″。

圖3　西安臺水管儀觀測值受持續(xù)降雨干擾Fig.3 The effect by continuous rainfall interference to water tube of Xi＇an Seismic Station

分析上述干擾變化，認為該階段水管儀NS、EW分量的下降是由于持續(xù)性降雨造成山洞巖石壓力和應變的變化引起的。長時間連續(xù)降雨，雨水緩慢滲入山體巖石裂隙，使巖石孔隙飽含水分，并隨山體地勢形成涇流；因山洞地勢，地表和山體內(nèi)的雨水持續(xù)向東側(cè)流動或滲透，從而造成該側(cè)壓力變大，導致測值曲線發(fā)生趨勢性下降；降雨停止后，土壤和巖石中的水分經(jīng)長時間蒸發(fā)和滲流，荷載和巖石孔隙中的水分逐漸減少，因而引起應變逐漸緩慢地恢復（牛安福等，2002）。

2.1.3 降雨干擾事件統(tǒng)計。統(tǒng)計2014年8月1日至2015年6月30日降雨量大于30 mm的時段，西安臺形變觀測數(shù)據(jù)受降雨干擾產(chǎn)生變化，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

從表1可見，在統(tǒng)計的10次降雨中，均對水管儀和伸縮儀觀測數(shù)據(jù)造成明顯干擾影響。每次降雨，水管儀NS、EW分量和伸縮儀EW分量均呈下降趨勢，伸縮儀NS分量呈上升趨勢；降雨與形變觀測數(shù)據(jù)多為同步變化，某些時段降雨時，形變觀測數(shù)據(jù)變化滯后。由此可知，一般小降雨不會對傾斜量產(chǎn)生影響，只有當降雨量足夠大時，才可能對傾斜量造成影響，而且降雨量越大，地形變測值變化量越大。

表1　西安臺水管儀和伸縮儀受降雨影響統(tǒng)計Table 1 Statistics of effect by rainfall interference to water tube and extensometer of Xi′an Seismic Station

2.2 刮風干擾

刮風干擾是影響形變數(shù)字化觀測的主要因素之一，尤其是對長條型地傾斜儀測值影響更明顯。2014年4月25日00時至17時西安臺所在地區(qū)刮4—5級大風，導致水管儀和伸縮儀觀測曲線出現(xiàn)明顯抖動，表現(xiàn)為高頻毛刺變化，觀測數(shù)據(jù)噪聲變大（圖4）。

圖4　西安臺形變觀測值受刮風干擾（a）水管儀；（b）伸縮儀Fig.4 Influence of strong wind to deformation observation of Xi＇an Seismic Station

刮風對水管傾斜儀影響主要在于，山洞內(nèi)空氣震蕩，引起氣流擾動，從而改變儀器液面壓力，液面隨之響應，在曲線上表現(xiàn)出上下波動的特點。對伸縮儀的影響主要是，大風作用于山洞覆蓋地層，從而改變其受力狀態(tài)，在曲線上表現(xiàn)為固體潮波動變化。強風引起山洞覆蓋層植被的快速擺動，傳遞到植被根系，加載到山體上，從而引起應力變化，造成地傾斜測值的快速跳動，表現(xiàn)為觀測值曲線的正常變化背景上出現(xiàn)大量毛刺。

風擾對形變觀測的影響具有隨機性，一般不會改變固體潮總體變化形態(tài)，顯著特征是對觀測數(shù)據(jù)曲線造成明顯抖動，出現(xiàn)高頻擾動和毛刺現(xiàn)象。大風對長條型水管傾斜儀觀測影響較大，對伸縮儀的觀測影響較小，主要是大風以負載形式作用于安放儀器的整個山體的結(jié)果。風力垂直作用于山體，山體隨之在傾向方向產(chǎn)生微弱變化。風力是大范圍作用，而伸縮儀監(jiān)測局部傾斜變化，因此長條型水管傾斜儀記錄的傾斜變化比較明顯（雷登學等，2012）。

2.3氣壓干擾

氣壓對形變觀測干擾比較普遍。2014年6月16日23時—6月17日03時，西安地區(qū)氣壓出現(xiàn)劇烈變化，西安臺垂直擺、水管儀、鉆孔體應變儀受到干擾，影響曲線見圖5。

圖5　西安臺形變觀測氣壓變化干擾（a）垂直擺；（b） 水管儀；（c）體應變；（d）氣壓Fig.5 Influence of air pressure variation to deformation observation of Xi＇an Seismic Station

從圖5可見，氣壓對地傾斜儀、地應變儀的影響具有較好的時間同步性，但垂直擺、水管儀等地傾斜儀受氣壓干擾幅度較小，體應變則受影響較大。從圖5可以看出，在氣壓值發(fā)生劇烈變化時段（16日23時至17日03時），垂直擺和水管儀觀測曲線會產(chǎn)生小幅度的固體潮畸變，而體應變曲線的變化幅度相對，且變化形態(tài)與氣壓變化基本一致。

分析認為，當鉆孔氣壓升高時，孔隙壓力增大，體應變測值同步變大；當氣壓下降時，孔隙壓力降低，體應變測值同步變小。氣壓影響主要以載荷方式作用，造成地面負荷的增減，導致巖石應力變化，而氣壓波動作用于上層地層和巖石孔隙水體，從而對體應變固體潮觀測產(chǎn)生影響。這是因為：鉆孔內(nèi)空氣震蕩，引起氣流擾動，從而改變體應變儀探頭周圍液體液面壓力，使液面隨之響應，在形變觀測數(shù)據(jù)曲線上表現(xiàn)為上下波動的特點。

3 結(jié)論

通過以上對西安地震臺形變觀測典型自然環(huán)境干擾事件分析，得到以下認識：①西安臺地傾斜、洞體應變、鉆孔應變等形變測項主要受風擾、降水、氣壓等影響；②降雨影響與降雨時間、強度有關(guān)，是形變觀測的普遍和典型干擾，集中強降雨會造成形變測值大幅變化；③大風會導致形變儀器觀測曲線噪聲變大，但一般不會影響固體潮等基本形態(tài)，且對長條型地傾斜儀干擾較大，對擺式傾斜儀觀測影響較??；④垂直擺、水管儀等洞室形變觀測儀器受氣壓干擾影響較小，鉆孔體應變儀受氣壓干擾影響較大；氣壓劇烈變化時，垂直擺和水管儀測值曲線會產(chǎn)生小的固體潮畸變，而鉆孔應變儀則產(chǎn)生較明顯的同步趨勢變化；⑤山洞的巖性條件、覆蓋層厚度、洞室深度、山洞密閉性等基礎(chǔ)條件，直接決定洞室形變觀測受自然環(huán)境干擾程度。因此，在選址和建設(shè)形變觀測山洞時，既要考慮臺址的地質(zhì)構(gòu)造背景，又要考慮山體的高差、厚度、山勢等地形地貌特征及臺基巖性條件，而且新建山洞應盡量加大洞室深度，并做好保溫、防潮等抗自然環(huán)境干擾等措施。

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Abstract

By analyzing deformation observation data of Xi＇an Seismic Station from the year 2014 to 2015，all kinds of interference to observation instrument，such as water tube tiltmeter，extensometer and vertical pendulum tiltmeter，what would be caused by natural environment，are summarized in this paper.The influence characteristics and general rules of several typical natural environment interference factors on the deformation observation data were found.At the end，same suggestion of anti-interference measures，that will provide the reference for the same kind of interference identification and deepening application of deformation observation data are given.

The interference analysis of natural environment on deformation observation of Xi′an Seismic Station

Wang Qiuning and GuYunhe
（Earthquake Administration of Shaanxi Province，Xi＇an 710068，China）

earthquake precursor monitoring，deformation observation，natural environment，interference analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.012

王秋寧（1973—），女，工程師，主要從事陜西地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理工作。E-mail：sxtwzhx@163.com