用同相疊加方法識別定點形變數據中的降雨影響

楊學慧　常玉巧　李燕玲　應驍睿　楊海鵬　崔慶谷

1　云南省地震局，昆明市北辰大道148號，650224 2　云南省地震局云龍地震臺，大理州云龍縣虎山路180號， 672799

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用同相疊加方法識別定點形變數據中的降雨影響

楊學慧1常玉巧1李燕玲1應驍睿1楊海鵬2崔慶谷1

1云南省地震局，昆明市北辰大道148號，650224 2云南省地震局云龍地震臺，大理州云龍縣虎山路180號， 672799

分別以昆明臺、云龍臺為例，用數據同相位疊加的方法分別對形變數據中的典型圖像及其對應時段的降雨數據進行疊加，以判斷典型圖像是否與降雨有關。結果表明，昆明臺形變觀測中多次出現的同步轉折為降雨影響；而云龍臺的轉折現象則與降雨無關，其來源及屬性需要進一步研究。

形變數據；非正常變化；降雨影響；同相疊加；異常識別

自1970年通海7.8級地震以來，云南省累計發生5級以上地震243次，其中128次發生在4～9月的雨季。由于降雨和構造變動都可能引起形變觀測的非正常變化，形變記錄中反復出現的典型圖像是否與降雨有關往往難以識別[1-2]。

分析2007年以來的數字化形變觀測記錄發現，其中頻繁記錄到一些形態相同的異常現象，且伴隨強降雨的發生(表1)。本文挑選臺址基礎好、環境干擾小、數據質量高的昆明臺和云龍臺(圖1)形變觀測為研究對象，利用數據疊加的方法對形變觀測中的典型圖像進行識別。最終證明，昆明臺形變觀測中反復出現的典型非正常變化圖像屬于降雨干擾；而云龍臺的典型圖像與降雨的關系不明顯，其屬性有待進一步研究。

表1　形變轉折變化前的降雨情況

圖1　昆明臺和云龍臺臺址分布Fig.1　The distribution of Kunming station and Yunlong station

(a) 數據時段2012-07-25 03:40:00～08-14 03:40:00,轉折后34 d發生彝良M5.7、M5.6地震;(b) 數據時段2012-09-02 10:10:00～09-22 10:10:00，轉折后5個月內無對應地震;(c) 數據時段2012-09-17 07:00:00～10-07 07:00:00，轉折后5個月內無對應地震;(d) 數據時段2013-07-09 19:00:00～07-29 19:00:00，轉折后42 d發生香格里拉M5.9地震;(e) 數據時段2013-07-31 10:16:00～08-20 10:16:00，轉折后21 d發生香格里拉M5.9地震;(f) 數據時段2014-06-27 05:18:00～07-17 05:18:00，轉折后37 d發生魯甸M6.5地震;(g) 數據時段2014-07-02 02:00:00～07-22 02:00:00，轉折后32 d發生魯甸M6.5地震圖2　昆明臺伸縮儀NS向觀測數據中的典型變化Fig.2　Typical variations of extensometer at Kunming station

1　形變觀測中的典型變化圖像

昆明臺位于昆明市黑龍潭北側沖溝東部，滇東斷裂系黑龍潭-官渡斷裂附近，形變觀測洞室全長150 m，最長進深47 m。 基巖為二疊系灰巖，覆蓋層厚度約30 m，年溫變幅小于0.5 ℃，日溫變幅小于0.1 ℃。洞室設隔離保溫門7道，保溫效果較好，臺址基礎較好。伸縮儀和水管儀自架設以來工作穩定。自2007年進行數字化觀測以來，昆明臺形變觀測中反復出現相似的變化圖像。圖2為伸縮儀NS分量反復出現的上升張應變現象。

云龍臺位于紅河斷裂中段西側，臺址基巖為侏羅系細砂巖，完整且致密。形變觀測洞室全長大于300 m，覆蓋層厚度為60～100 m，年溫變幅小于0.5 ℃，日溫變幅小于0.03 ℃，保溫效果較好。伸縮儀和水管儀自2002年安裝以來，工作穩定。2009年以來，云龍臺伸縮儀測值在多次5級以上地震之前出現相似的變化圖像，其中2012年寧蒗M5.7之前的變化圖像經核實后作為短臨異常使用[3]。云龍臺伸縮儀NS向反復出現的上升張應變圖像見圖3。

(a) 數據時段2009-04-01 00:00:00～06-15 00:00:00,轉折后43 d發生姚安M6.3地震;(b) 數據時段2012-04-12 00:00:00～06-23 00:00:00，轉折后19 d發生寧蒗M5.7地震;(c) 數據時段2012-05-01 00:00:00～08-22 00:00:00，轉折后39 d發生彝良M5.7、M5.6地震;(d) 數據時段2013-06-01 00:00:00～08-20 00:00:00，轉折后34 d發生香格里拉M5.9地震;(e) 數據時段2014-05-15 00:00:00～08-20 00:00:00，轉折后27 d發生魯甸M6.5地震圖3　云龍臺伸縮儀NS向數據中的典型變化Fig.3　Typical variations of extensometer at Yunlong station

由于圖2、圖3所示的變化圖像在多年的觀測中反復出現，且存在多測項數據同步、甚至多臺數據同步的現象，可以排除儀器干擾和近場干擾的可能[3]。

2　數據同相疊加方法

實際觀測中，定點形變觀測不僅與降雨有關，還受到氣壓、溫度、載荷和構造變動等各種因素的影響。為研究降雨與形變數據的關系，將其他影響因素作為“噪聲”處理。由于“噪聲”的存在，僅憑單次降雨往往很難看出降雨量與形變觀測之間的關系(圖4)。

圖4　昆明臺伸縮儀觀測與單次降雨數據的對比Fig.4　Comparison between extensometer data and single rainfall data at Kunming station

疊加是信號處理中消除干擾的有效方法之一[4]。其中，同相疊加是保證真正的信號得到加強、其他干擾因素削弱的關鍵環節[5-6]。本次分析需要加強的信號為出現在形變觀測中的轉折信號，而受其他因素影響產生的信號(突跳、臺階、畸變等)則屬于需要削弱的部分。為了實現同相疊加，必須對疊加前的序列進行相位校準，即以轉折點作為相位校準的基準點，選取基準點前后相同時間長度的數據，達到不同事件的相位一致，而后進行疊加。

由于圖2、圖3中的轉折現象是否與降雨有關是未知的，如果轉折現象與降雨有關，多次數據疊加之后兩者之間的相關性將變得更加明顯；反之，則疊加之后兩組數據之間將不具有明顯的相關性。本文以每一個變化圖像中轉折開始時刻為基準時刻，將多個數據序列進行疊加，對應的降雨數據也以基準時刻為標準對齊進行疊加。

2.1昆明臺形變數據、降水數據的疊加結果

將昆明臺7個典型圖像中伸縮儀測值及對應的降雨數據進行相位校準，相位校準的基準時刻見表2。

表2　昆明臺數據疊加相位校準基準時刻

將表2中的數據序列進行同相疊加。考慮到降雨的影響表現為一定時段內的綜合效應[1]，將疊加后的降雨分鐘值在長度為1 d的滑動窗內平均，然后與疊加后的形變數據進行對比，結果見圖5。

圖5　昆明臺形變觀測與降雨數據疊加結果對比Fig.5　Comparison between extensometer data superimposing results and rainfall data superimposing results at Kunming station

2.2云龍臺地應變觀測數據及降水數據的疊加結果

用相同的方法對云龍臺伸縮儀測值(圖3)、水管儀觀測及其對應時段的降雨數據進行處理。伸縮儀測值的相位校準時刻見表3。

表3　云龍臺地應變觀測及降雨數據相位校準基準時刻

將表3中的數據序列及對應時段的降雨數據進行同相疊加，結果見圖6。

圖6　云龍臺地應變疊加分析結果Fig.6　Comparison between extensometer data superimposing results and rainfall data superimposing results at Yunlong station

將云龍臺地傾斜測值及對應時段的降雨數據進行同相疊加，結果見圖7。

圖7　云龍臺傾斜觀測疊加分析結果Fig.7　Comparison between tilttide data superimposing results and rainfall data superimposing results at Yunlong station

由圖6、圖7可以看出，云龍臺伸縮儀、水管儀觀測值與降雨的相關性較弱。

3　降雨影響特征分析

從圖4可以看出，昆明臺形變觀測中出現的同步轉折與降雨有著較強的相關性，但這種相關性不是簡單的線性相關，不僅取決于當日降雨量，還與往日特別是前段時間的持續降雨量有關(表4)。當初始降雨量積累到一定程度時，形變數據發生轉折變化；當降雨量累積達到更高程度后,形變數據又可能趨于穩定。

表4　昆明臺伸縮儀觀測曲線轉折現象前3 d降雨量水平

云龍臺伸縮儀及水管儀測值與降雨的相關性較弱甚至基本不相關，其原因與兩個臺站的地質條件及環境差異有關。降雨是一種離散的、不連續的干擾因素，其對地形變的影響不是線性，且與初始條件有關，如土層的膨脹和變形、降雨對巖層的負荷等。不但與降雨量的大小和持續時間有關，還與地形地貌、地表徑流、滲透率、孔隙率以及初始含水量有密切的關系，而臺站所在地的地下水動力學和土力學參數一般是無法測量的。受干擾嚴重的臺站一般分兩類:一是臺址為粘土層或含粘土的風化巖，降雨對形變干擾的大小及特征主要受粘土含量及粘土所具有的特性制約，其干擾是通過滲透來影響地形變的。二是臺址為風化巖或裂隙發育的各種基巖，此類巖石裂隙發育，有利于降雨荷載逐漸向下傳遞[3]。降雨開始時，傳至含水層的力很快到達，水位迅速上升，但各種力達到平衡至少需要幾天。雨后，隨著孔隙水壓的不斷“擴散”下降，產生與充水時形變方向相反的形變量，但后者往往小于前者，這也是在轉折上升變化后，測值不能較快恢復至雨前水平的原因。昆明臺形變觀測山洞巖性為石灰巖(屬后者)，巖層內部發育了很多空間很大的裂隙，較云龍細砂巖顆粒空間間距小，巖層內部利于降雨荷載的傳遞，導致地傾斜和地應變產生快速變化，當力達到平衡時保持平穩狀態。且在其西北方向不到100 m有一個約1 200 m2的水潭，雨季時受降雨補充，水位快速上漲，導致應力發生急劇變化，特別是在持續強降雨的情況下變化更明顯。

4　結　語

同相疊加是信號處理中用來壓制干擾、突出有效信號、提高數據信噪比的方法，其關鍵環節是相位校準。以形變觀測中非正常變化的起始點作為相位校準點，可以實現觀測數據及降雨數據的同相位疊加。疊加后的結果使兩個數據序列的相關性更加明顯，用來判斷形變數據中典型圖像是否與降雨有關。結果表明，昆明臺伸縮儀及水管儀觀測數據中多次出現的同步轉折為降雨影響；而云龍臺伸縮儀測值中多次出現的轉折與降雨的相關性不大，可能與構造運動有關，其來源及屬性需要進一步研究。

致謝：感謝昆明地震臺、云龍地震臺為本文提供資料。

[1]劉序儼,張雁濱.排除形變觀測中降雨干擾的數學物理方法的研究[J].地殼形變與地震,1991, 11(1) :36-40(Liu Xuyan, Zhang Yanbin. Studies of Mathematical and Physical Method for Elimination of Precipitation Influence on Crustal Deformation Data[J].Crustal Deformation and Earthquake,1991,11(1):36-40)

[2]孫伶俐,羅俊秋,龍濤.大氣降雨對數字化地傾斜觀測干擾特征分析[J].大地測量與地球動力學, 2010,30(增刊1):105-110(Sun Lingli, Luo Junqiu, Long Tao. Analysis of Disturbance Characteristics from Rainfall[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2010,30(S1):105-110)

[3]崔慶谷,徐漪霖,楊躍文.形變觀測中短臨前兆異常的追蹤識別方法[J].大地測量與地球動力學,2014, 34(4):55-58(Cui Qinggu, Xu Yilin，Yang Yuewen. Study on the Method for Tracing and Distinguishing Premonitory Signals from Disturbances in Crustal Deformation data[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2014,34(5):55-58)

[4]王德石.噪聲中的信號檢測[M].北京：電子工業出版社, 2006(Wang Deshi. Detection of Signals in Noise[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry,2006)

[5]姜海嬌,來建成,王春勇,等.信號延時疊加提高激光雷達探測信噪比[J].光子學報,2009,38(8):1 897-1 900(Jiang Haijiao, Lai Jiancheng, Wang Chunyong,et al. Improvement of Detecting SNR of Laser Radar by Time-Delay Superimposition[J]. Acta Photonica Sinica, 2009,38(8):1 897-1 900)

[6]苑益軍,周芝旭,牛濱華,等.淺談地震資料處理中的提高信噪比處理技術[J].石油地球物理勘探,2005,40(2):168-171(Yuan Yijun, Zhou Zhixu, Niu Binhua. Briefly Talk about Processing Techniques of Improving S/N Ration in Seismic Data Processing[J]. Oil Geophysical Prospecting,2005,40(2):168-171)

About the first author:YANG Xuehui, engineer, majors in monitoring and prediction of deformation and electromagnetism, E-mail:yangxuehuiyn@163.com.

Distinguishing the Rainfall Disturbing Pattern in Crustal Deformation Recording by In-Phase Stack of Data

YANGXuehui1CHANGYuqiao1LIYanling1YINGXiaorui1YANGHaipeng2CUIQinggu1

1Earthquake Administration of Yunnan Province, 148 Beichen Road, Kunming 650224, China 2Yunlong Seismostation of Earthquake Administration of Yunnan Province,180 Hushan Road, Yunlong County, Dali 672799, China

This paper is concerned with distinguishing rainfall disturbance from tectonic deformation. We use an in-phase stack technique on crustal deformation data and corresponding rainfall data in Kunming and Yunlong stations to judge whether the patterns repeated in crustal deformation data are related with rainfall. We argue that the patterns in Kunming station support rainfall disturbance but that the patterns in Yunlong station do not.

crustal deformation data; abnormal change; rainfall disturbance; in-phase stack; premonitory signal distinguishing

2015-09-23

楊學慧，工程師，主要從事形變、電磁監測預報研究，E-mail:yangxuehuiyn@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.10.021

1671-5942(2016)010-0936-05

P315

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