河北省地傾斜觀測資料干擾因素分析

屈 曼，侯曉真，馬 棟，陳建國，高 晨

(河北省地震局，河北 石家莊 050021)

0 引言

定點形變測量主要包括地傾斜、地應變和重力(固體潮汐)測量。這種定點的觀測方式能夠很好地監測地殼的連續運動情況。地傾斜觀測資料被廣泛應用于地震監測預報工作中。許多專家學者對地傾斜數據進行深入的分析研究。張創軍等[1]應用龍門山斷裂帶區域地傾斜觀測結果分析汶川地震前地傾斜面的形變特征，探討地震的孕震機理。呂品姬等[2]搜集整理了我國定點傾斜觀測近30年來已發表的觀測成果，歸納出常用的傾斜資料處理方法，得到了傾斜前兆異常量級、傾斜異常與震中和震級的統計關系。牛安福[3]對地傾斜變化的突變性及與地震關系進行深入研究。曹建玲等[4]利用有限元方法，對存在復雜地形時，氣溫變化所造成的地傾斜變化量進行估算。眾多研究表明，地傾斜觀測是地震監測預報的一種有效手段。

隨著城市化建設的飛速發展，越來越多的地傾斜觀測臺站受到了多種干擾，例如房地產建設、工程項目建設、人們生產生活影響等等。這些干擾因素對地傾斜觀測造成了直接或者間接的影響，以至于觀測曲線產生不同形態的畸變，影響數據的觀測質量和分析利用，并且對地震前兆異常的識別造成了很大的困擾[5-8]。因此，為了將地傾斜觀測數據充分有效地應用于地震分析研究中，我們必須要把各種干擾因素從觀測數據的變化中識別出來，分析和研究這些干擾因素對地傾斜觀測曲線產生的不同影響，也成為一項必不可少的工作。本文將河北省7個定點臺站的地傾斜觀測資料進行歸納整理，并結合臺站觀測日志、異常核實報告、臺站觀測環境實地考察以及與臺站工作人員的溝通交流，識別出不同干擾因素對不同臺站地傾斜觀測曲線造成的影響，并進行歸類總結。

1 觀測概況

目前，在地震監測預報中，河北省應用較多的地傾斜觀測手段主要有DSQ水管傾斜儀、SQ70D水平擺和VS垂直擺。省內大部分VS垂直擺已更新為VP垂直擺，由于儀器更新時間短且數據觀測質量不夠好，故選用VS垂直擺。根據觀測數據的質量，研究選取河北省內7個地傾斜觀測臺站，包括懷來臺、張家口臺、赤城臺、承德臺、寬城臺、涉縣臺、永年臺，臺站分布如第18頁圖1所示。地傾斜觀測主要按照NS和EW分量進行正交垂直觀測，部分臺站設置45°斜交第三分量即NW或NE分量。每個觀測臺站的觀測情況不同，不同的觀測臺站擁有不同數量和種類的地傾斜觀測手段。臺站觀測手段信息如第18頁表1所示。

2 干擾因素分析

將河北省7個觀測臺站的地傾斜觀測資料進行歸納整理，結合臺站觀測日志、異常核實報告、臺站觀測環境實地考察以及與臺站工作人員溝通交流，河北省地傾斜干擾因素主要分為觀測系統類干擾、觀測環境類干擾以及氣象因素類干擾。下面逐一對各項干擾及其典型事例進行詳細分析。

2.1 觀測系統類

觀測系統類干擾主要是指由于觀測儀器、主機數采、線路等觀測系統故障或者觀測系統工作狀態的變化對觀測數據造成的干擾。通過對干擾因素的歸納匯總，河北省傾斜觀測系統類干擾主要包括數采故障、儀器零部件老化生銹和標定干擾。

圖1 本文選取的臺站分布圖Fig.1 Selected seismic station distribution map

編號臺站測項1赤城垂直擺 NS、EW、NW2張家口水管儀 NS、EW、NW水平擺 NS、EW垂直擺 NS、EW、NW3懷來水管儀 NS、EW、NE水平擺 NS、EW垂直擺EW、NS4承德垂直擺 NS、EW5寬城水管儀NS、EW垂直擺NS、EW6涉縣水管儀 NS、EW垂直擺 NS、EW7永年水管儀 NS、EW

(1) 數采故障干擾。數采故障主要是數采不能正常工作或者工作狀態不穩定，造成數據產生畸變。以張家口臺為例進行分析，2015年10月17日更換數采及協轉后，垂直擺EW分量9個小時內下降達170×10-3ms，垂直擺其他兩個分量及共用同一數采的伸縮儀和體應變數據并無同步異常變化，分析可能是數采垂直擺傾斜儀EW向所在通道故障所致。在現場異常核實檢修數采時，發現數采死機，確認數采存在問題，更換新的數采后觀測曲線恢復正常形態(見圖2)。

圖2 張家口臺垂直擺觀測數采故障干擾曲線Fig.2 Disturbance curve of data acquisition failure of vertical pendulum at Zhangjiakou station

(2) 儀器零部件老化生銹干擾。儀器出現零部件老化或者生銹的情況一般都會引起觀測數據曲線的固體潮畸變，曲線變化不光滑，影響觀測數據的質量和使用。以承德臺為例，2012年2月以來承德垂直擺EW向的固體潮開始出現畸變(見圖3)，經武漢地震科學儀器研究院專家對儀器的工作狀態進行檢查，發現擺體鎢絲存在阻值增大的現象；調零底腳墊塊與墩面間有生銹現象，導致觀測曲線的固體潮出現畸變。以懷來臺為例，自2015年3月26日起，因垂直擺儀器擺體和主機嚴重老化，儀器工作狀態不穩定，曲線產生較大的緩變臺階(見第19頁圖4)。

圖3 承德臺垂直擺觀測儀器老化干擾曲線Fig.3 Disturbance curve of instrument aging of vertical pendulum at Chengde station

圖4 懷來臺垂直擺觀測儀器老化干擾曲線Fig.4 Disturbance curve of instrument aging of Vertical Pendulum at Huailai station

(3) 標定干擾。為保證觀測數據的質量及觀測儀器的正常運行，需要定期進行儀器標定。在標定過程中，觀測曲線會產生臺階變化。以涉縣垂直擺為例，垂直擺NS向2015年6月23日10:13-10:40校準儀器，產生缺數。因恰逢有氣壓波動干擾，為確保格值的準確性，此次校準結果不啟用；2015年6月24日11:12-11:40校準儀器，按缺數處理，啟用新格值，格值從00:00由0.120 1×E-3″/mV變為0.120 7×E-3″/mV。垂直擺EW向2015年6月24日08:20-08:46校準儀器，按缺數處理，啟用新格值，格值從00:00由0.070 30×E-3″/mV變為0.0705 3×E-3″/mV。在3次標定時，觀測曲線均表現為臺階變化，一般情況下，數據預處理時會將該時間段的數據進行缺數處理(見圖5)。

圖5 涉縣臺垂直擺觀測標定干擾曲線Fig.5 Disturbance curve of instrument calibration of Vertical Pendulum at Shexian station

2.2 觀測環境類

觀測環境類干擾主要指測點周圍觀測環境的變化對觀測數據造成的干擾，較常見的觀測環境干擾包括地面荷載變化、工程施工、抽蓄水等。此類干擾一般會引起觀測數據固體潮畸變、趨勢變化、速率改變等。

河北省內比較典型的觀測環境類干擾案例為張家口水管儀和永年水管儀。如圖6所示，張家口形變水管儀從2013年11月10日12時-16時出現固體潮曲線畸變現象。同時段內，在山洞口正在進行體應變鉆孔施工，距觀測儀器較近，設備在使用過程中，電壓變化及振動等方面的干擾可能是造成此次畸變的原因。永年臺水管傾斜儀NS分量2012年9月開始出現加速N傾，11月N傾速率有所減小。位于東南方向距山洞0.45 km的采石場采石時間與異常出現的時間(2012年9月—11月)基本吻合，加之各儀器墩檢測結果完整性不好，采石振動極易造成異常變化(見圖7)。

圖6 張家口臺水管儀觀測施工干擾曲線Fig.6 Construction disturbance curve of water pipe instrument at Zhangjiakou station

圖7 永年臺水管儀觀測采石干擾曲線Fig.7 Quarrying disturbance curve of water pipe instrument at Yongnian station

2.3 氣象因素類

氣象因素類干擾主要是指由于氣象原因引起觀測數據的畸變，河北省常見的氣象因素干擾包括風、雨、雪、雷電、氣壓、溫度、濕度等。由于觀測條件有限，定點臺站的氣象觀測數據只包括降雨量、氣壓和溫度，其他氣象因素只能依靠臺站工作人員根據氣象變化填寫工作日志來進行對比分析。

河北省地傾斜觀測每年雨季七、八月份受降雨、雷電影響比較多。雷電干擾多數會擊壞觀測儀器，造成缺數影響；一般降雨干擾主要對觀測曲線的固體潮產生影響，表現形態主要為毛刺、固體潮畸變等。以涉縣臺為例，2017年8月15日21時—22時，由于降雨原因造成垂直擺NS向數據固體潮出現畸變(見圖8)。

圖8 涉縣臺水管儀降雨干擾對比圖Fig.8 Rainfall disturbance curve of water pipe instrument at Shexian station

有時強降雨也會對觀測數據的變化趨勢造成影響，以永年臺為例(由于數據庫中降雨量的單位有問題，圖中降雨量僅作為參考)，水管儀自2016年7月21日EW分量出現加速西傾變化、NS分量加速北傾變化，經過現場異常核實以及荷載模型計算，7月19日-20日出現強降雨天氣，造成洺河蓄水量大幅增加，導致觀測曲線趨勢發生變化(見圖9)。

圖9 永年臺水管儀降雨干擾曲線圖Fig.9 Rainfall disturbance curve of water pipe instrument at Yongnian station

氣壓干擾一般會引起觀測曲線的固體潮畸變，且二者的變化形態較一致，相關性較好。以寬城臺為例，水管儀NS向2016年4月29日14:00-19:00由于氣壓干擾，出現固體潮曲線畸變(見圖10)。

圖10 寬城臺水管儀受氣壓干擾曲線圖Fig.10 Disturbance curve of air pressure of water pipe instrument at Kuancheng station

3 結論與討論

通過對河北省地傾斜觀測數據干擾因素的歸納整理，發現觀測系統類干擾主要包括數采故障干擾、儀器零部件老化生銹干擾和標定干擾，其干擾形態主要表現為變化趨勢轉折、固體潮畸變、臺階；觀測環境類干擾主要包括地面荷載變化、工程施工、抽蓄水，其干擾形態主要表現為固體潮畸變、趨勢變化、變化速率的改變；氣象因素類干擾主要包括風、雨、雷電、氣壓等，其干擾形態主要表現為固體潮畸變、毛刺、趨勢變化。

在分析研究地傾斜觀測資料時，為提取出觀測曲線的真實變化，需要剔除各種各樣的干擾因素。不同的臺站由于地理位置不同、觀測儀器的工作狀態及安裝情況不同、基巖條件不同等，對于不同的干擾會產生不同程度的反應，曲線變化形態以及變化幅度都會有所差異[7]；對于觀測系統的干擾，可以查詢儀器維修的工作日志，進行時間相關性分析，如果在干擾時間段內未進行儀器維修，則要對觀測系統進行詳細排查，必要時邀請儀器專家協助；針對觀測環境類干擾，尤其是荷

載發生變化時，不僅要進行時間相關性分析，還應盡量使用載荷模型或者數值模擬等方法進行定量分析，將計算結果和干擾變化幅度進行一致性對比，從而確定是否完全由此類干擾影響所致[9]；對于氣象類干擾，往往時間相關性極好，一般比較容易識別。