康定地震臺VP型垂直擺傾斜儀常見干擾分析

田思留，劉仕錦，袁 媛，袁 梅，劉 濤，趙 蘭

(四川省地震局康定地震中心站，四川 姑咱 651000)

VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀(以下簡稱“VP儀”)用于測量地球內部運動引起的地面傾斜變化，是進行地震前兆觀測的重要手段之一。該儀器是由中國地震局地震研究所在VS型垂直擺傾斜儀基礎上研發的一種新型垂直擺傾斜儀，在自動化程度、觀測精度、環境適應性方面較傳統地形變觀測儀器有了顯著提高，VP儀采用遠程遙控的自動調零裝置，減少了人工調零對儀器的干擾，保證了觀測數據的連續性和完整性(馬武剛等，2010)?？刀ǖ卣鹋_于2017年11月底安裝VP儀，2018年1月正式運行，儀器采樣率為1sps。VP儀自運行以來，工作性能穩定，不僅能記錄到清晰的固體潮，還能記錄到數分鐘到數秒周期的較高頻地動信號。本文對康定地震臺VP儀正式運行以來的觀測資料進行分析，并根據工作日志、氣象資料、對比臺站其他形變儀器等方法確認觀測資料存在的主要干擾因素，總結干擾形式及規律，以進一步提高日常觀測質量和異常判定的準確性。

1 觀測背景

1.1 臺站簡介

康定地震臺位于四川省甘孜藏族自治州康定市爐城鎮北郊的郭達山腳下，雅拉河由北向南從臺站門前流過。地質構造上位于鮮水河斷裂帶北東段，又處于龍門山、鮮水河、安寧河三大主干斷裂復合部位。觀測山洞位于臺站西側的郭達山山坡下，呈東西走向，頂層及兩側覆蓋厚度>60 m，洞體呈“T”字型，基巖巖性為三疊紀灰巖，巖性堅硬、致密。洞室內年溫差≤1.0 ℃，日溫差≤0.1 ℃，濕度>95%。VP型寬頻帶傾斜儀安裝在洞室內的水泥墩子上。

1.2 正常形態

康定地震臺VP儀正常記錄的觀測曲線光滑連續，有規律明顯的波形——呈兩峰兩谷日變形態，能夠清晰記錄到固體潮變化和一些典型地震事件(同震效應)(見圖1)；從正式運行以來的觀測資料來看，有一定的年變規律：在旱季為變化速率較穩定的上升變化，雨季由于觀測洞室距雅拉河和折多河較近(觀測洞室距雅拉河100 m，距折多河500 m)，儀器受河水漲落影響較大，測值波動變化大，數據漂移過快，因此造成儀器頻繁調零，數據日值呈現出冬高夏低的年變特征(見圖2)。

2 干擾因素分析

2.1 環境干擾

自然環境主要包括雨、雪、風、雷電、氣壓、溫度、濕度等與大自然密切相關的所有因素，由于垂直擺傾斜儀觀測精度較高，這些因素都可能對觀測數據造成影響(李惠玲等，2018；馬援等，2018)。由于康定地震臺缺少數字化的氣象觀測資料，筆者從康定氣象局查閱了2018年的歷史天氣，包括天氣狀況、氣溫、風力風向、年總日照時數和年總降雨量，這對判定干擾起到了一定輔助作用，但由于氣象局無法提供每日的瞬時天氣，因此無法判定急劇變化的氣象因素和瞬時天氣對觀測數據造成的干擾。

圖1 VP寬頻帶傾斜儀2018年1月觀測曲線

圖2 VP寬頻帶傾斜儀日均值及降雨量

(1)降雨和河水干擾。降雨對觀測系統和觀測數據的影響與降雨時長、降雨量及降雨過程等密切相關，康定地震臺VP儀受降雨干擾主要表現在3個方面：(1)雨水會引起地面負載發生變化：根據專家學者的相關研究，降雨時一部分雨水經地表流走，另一部分則滲入山體巖石的裂縫或土層中，巖石的不規則裂縫經雨水滲透，改變洞體地層含水率和孔隙壓力，圍巖在水的參與下出現變形(車用太等，2000)，發生膨脹，使巖石產生不均勻變形(陳敏等，2007)，且由于空隙與土層中水的存在，使洞體覆蓋層重量產生變化，造成垂直擺觀測分量發生傾斜變化(黃曉華等，2008)；(2)山洞基巖為灰巖，易滲水，洞內潮濕易積水，由于VP儀觀測精度較高，洞室環境的微小變化都會對觀測數據造成干擾；(3)康定地震臺形變山洞距離雅拉河和折多河較近，河流經過臺站地段，水流湍急，水位受季節變化影響大。在康定地區每年4～9月的雨季，河水水位上漲所產生的壓力變化會對VP儀觀測數據造成不可避免的嚴重干擾。降雨量較小和降雨過程較短時，降水造成的傾斜量相對較小，引起的變化不明顯，而大量、持續降雨則會對垂直擺產生較大干擾，雨水由地表滲入山體，繼而滲入山洞，導致洞內小氣候的改變，對觀測數據造成干擾(見圖3)，同時河水上漲更加劇數據的干擾，但由于河水水位上漲有一個過程，因此河水水位干擾具有滯后性。例如2018年6月11～13日發生強降雨時觀測數據并未有明顯變化，6月14日才開始出現NS向大幅上升，EW向大幅下降的變化(見圖4)。降雨和河水水位的雙重干擾導致數據漂移過快，觀測儀器頻繁調零，從而又造成了調零干擾。因此降雨和河水干擾對康定地震臺VP儀數據造成的影響是較大且持續時間較長的。

圖3 降雨導致山洞滲水觀測曲線

圖4 康定地震臺VP傾斜儀河水水位干擾曲線及降雨量

圖5 康定地震臺VP傾斜儀降雪干擾曲線級降雪量圖

(2)降雪干擾?？刀ǘ窘笛┝枯^大，積雪覆蓋引起地面負載變化，導致洞室上方的重量增加，同時雪水慢慢融化、滲透進巖石，使巖石產生變形，并導致洞室積水潮濕，給VP儀觀測造成較大干擾，但由于降雪—積雪—融雪有一個過程，因此降雪干擾具有滯后性，在降雪時表現不明顯，通常在融雪時表現明顯，2018年10月1～2日康定突降大雪，10月3日由于雪水滲透導致數據漂移過快(見圖5)。

(3)強日照干擾。康定地處高海拔地區，日照強烈，2018年全年日照時長1 646 h(據康定氣象局)，可見強日照干擾較為明顯。康定地震臺山洞建造在郭達山西面，正午過后，太陽西下，陽光直接照射在山洞上，長時間的陽光直射對儀器造成強日照干擾。由于太陽偏西后才會直射在山洞上，加上臺站儀器洞室較淺，因此此類干擾的時間段一般是在13:00左右開始，一直持續到太陽落山。干擾表現為時間較為規律，分鐘值曲線有變粗，波動變化較明顯，毛刺較多的特征。2018年10月24日為明顯的晴天，日照強烈，因此從12時左右開始，分鐘值曲線出現毛刺干擾(見圖6)；而2018年6月15日為典型的小雨加陰天，沒有日照，因此分鐘值曲線沒有毛刺干擾，曲線較光滑(見圖7、表1)。

圖6 康定地震臺VP傾斜儀強日照干擾曲線

圖7 康定地震臺VP傾斜儀無強日照干擾曲線

表1 康定市歷史天氣情況

(4)其他氣象因素干擾分析。由于附近雅康高速的修建會有爆破山體的工程，觀測人員懷疑觀測曲線變粗或呈毛刺變化為周邊爆破產生的震動干擾。通過排查，2019年4月15日18時1分和2019年4月28日18時15分在距康定地震臺直線距離約10～15 km的雅康高速修建段有爆破工作，但這兩次距離臺站較近的大型爆破工作并未造成觀測曲線變粗或者呈毛刺變化(見圖8)，因此可以排除該干擾。

圖8 2019年4月15日和4月28日爆破當日VP儀觀測曲線

大量文獻和實際觀測中都表明風、氣壓、溫度、濕度會對VP儀觀測數據造成干擾。康定地震臺VP儀運行以來，觀測數據曲線多次出現變粗或呈毛刺變化的現象，根據觀測經驗判斷，這與康定地區風、氣壓、溫度、濕度密切相關。由于康定地震臺缺少風、氣壓、濕度、溫度的觀測資料，雖然氣象局提供的歷史天氣中有風力、風向的資料，但并沒有準確說明刮風的具體時間段、氣壓變化等瞬時天氣，因此無法準確判斷觀測曲線變粗或呈毛刺變化的準確干擾源。為此，觀測人員排除了周邊其他可能造成的震動干擾，從而確定這是由康定地區的其他氣象因素所導致的(見圖9)。

圖9 其他干擾因素

圖10 康定地震臺VP傾斜儀人為干擾曲線

2.2 人為干擾

觀測洞室是一個相對比較穩定的封閉環境，當觀測人員進洞檢查儀器、調零、標定儀器等，都會在洞室內走動、開門、關門等，破壞了洞室原有的封閉環境，造成氣流變化、負荷變化，這些都會對觀測儀器造成干擾(劉仕錦等，2007)。VP儀是網頁調零，人為進入洞室操作造成的干擾、缺數相對減少，康定地震臺VS垂直擺傾斜儀和JB水平擺傾斜儀受環境影響，調零次數較多，兩套儀器調零均需要觀測人員時常進出山洞，對VP儀造成人為干擾；同時進洞檢修儀器、更換電機、線路改造等都會對觀測數據造成人為干擾。人為干擾主要變現為數據突跳和臺階(見圖10)。由于干擾數據為無效數據，預處理時需進行缺數處理，因此如果干擾時間過長，就會對數據完整率和連續率產生影響。從康定地震臺2018年地傾斜觀測報告中可以看出，康定VP儀缺數主要是地震超量程、標定、調零預處理造成的。例如康定地震臺VP儀從2018年10月康定大雪后，EW分量的調零次數增加，平均4天要調一次，加之其他儀器進洞調零造成的干擾，嚴重影響VP儀觀測數據的完整率。對2018年康定VP儀網頁調零和人為進洞調零等次數進行了統計，全年VP儀共有網頁調零NS向21次，EW向38次；VS垂直擺傾斜儀調零造成干擾NS向22次，EW向11次，因此人為干擾是VP儀的主要干擾源之一。

2.3 觀測系統干擾

VP儀運行以來，運行狀態較好、自身故障較少，2018年9月16日由于線路接觸不良引起臺階變化(見圖11)，2018年6月5日由于標定重復記錄讀數，形成階躍曲線(見圖12)。

圖11 康定地震臺VP傾斜儀觀測系統故障干擾曲線

圖12 康定地震臺VP傾斜儀標定干擾曲線

3 地球物理事件

地球物理事件主要是指因地震活動造成的觀測數據異常，引起同震變化、震后效應的事件，康定地震臺VP儀能清晰記錄到全球的大地震和周邊較小地震，且地震記錄幅度明顯比較大，觀測曲線有顯著波動和階躍變化。地震物理事件與一般干擾觀測曲線不同，垂直擺與地震儀記錄的地震波形態一致性較好(馬援等，2018年)，因此能夠容易區分同震效應和其他干擾。記錄曲線上有時大遠震的影響會持續數小時，比如2018年12月1日VP儀兩分量01:38至04:32記錄到01:29:27美國阿拉斯加7.2級地震，對曲線的影響接近3 h(見圖13)；另外一些地震發生時，當儀器自身的周期與地震面波周期接近時，會產生共振現象，造成儀器靠擺，導致數據缺測，如2018年10月31日西昌5.1級地震，引起VP儀NS向產生臺階和EW向靠擺，數據缺測40 h(見圖14)；對于周邊較小地震，觀測曲線也會表現出明顯的階躍現象(見圖15)。因此無論從記錄的地震數量還是地震對觀測曲線的影響程度來看，地球物理事件對觀測數據的影響無疑是較大的和不可忽視的。

圖13 美國阿拉斯加7.2級地震對觀測數據的影響

圖14 西昌5.1級地震對觀測數據的影響

圖15 道孚3.1級地震對觀測數據造成臺階干擾

4 討論

(1)通過對康定地震臺VP儀運行以來的觀測數據進行分析，發現VP儀主要存在降雨干擾、降雪干擾、強日照干擾、風干擾、河水水位干擾、人工干擾及觀測系統類的干擾，這與一同運行的VS垂直擺傾斜儀的干擾源一致，說明康定地震臺的觀測環境受自然環境的干擾嚴重，在日常觀測分析工作中，應充分考慮干擾異常。(2)由于康定地震臺降雨量、氣溫、氣壓等輔助觀測都是人工觀測，一天一個觀測值，在對儀器分鐘值數據進行具體分析時，不能很好地利用輔助觀測數據進行數據分析，在條件成熟時，建議升級改造輔助觀測手段?？刀ǖ貐^氣候特殊，常年存在大風，勢必會對VP儀造成干擾，但由于缺少大風等瞬時資料，從而無法準確判斷干擾源，建議增加氣象觀測手段，以期進一步排除干擾。對于折多河及雅拉河的水位變化情況沒有確切的數據來源，只能憑觀測人員的經驗，結合降雨量肉眼觀測，缺乏科學性，建議地震部門應多與當地水文氣象等部門溝通協作，獲取水文氣象資料，以進一步提高觀測數據的準確性和科學性。(3)盡管VP儀運行時間只有一年多，觀測資料有限，但基本能夠支撐對干擾源的初步識別與分析，在臺站的數據分析、干擾排除、前兆異常提取、地震預報等工作中發揮了作用。