云縣地震臺洞體形變觀測干擾特征分析

何應文,王建芳，匡福江，曹白倫，段 勇，劉紹昌，喻世賢

(1.云南省地震局云縣地震臺，云南 云縣 675803；2.云南省臨滄市臨翔區地震局，云南 臨滄 677000)

形變觀測是地震前兆觀測的重要組成部分，是研究固體地球物理和探索地震信息的有效手段，目前的數字化形變觀測可直接觀測到地殼介質的微動態變化，捕捉地殼介質破裂前的力學變化信息(張祖勝，1991)。因此，通過分析較長時期連續觀測的形變資料，捕捉地震發生前的中、短、臨階段異常變化信息，可以為地震科學研究和地震預測預報提供參考。形變觀測憑借多年的觀測資料積累，在記錄地震前兆和地震預報方面也有一些令人滿意的研究成果(楊紹富，2012)，然而形變儀器在記錄地震前兆、地殼應力應變變化和地傾斜固體潮變化正常動態信息的同時，也記錄了外界因素對儀器的各種干擾。近年來，國內一些學者也針對形變觀測中出現的干擾形態和原因進行了許多研究，總結了自然環境、人為干擾、場地環境等因素對觀測數據的影響特征(裴曉峰，1995；王梅等，2004，2013；王永剛等，2013)，但因觀測環境不同，每個地震臺站的干擾存在差異性，需要對具體臺站及表現形式進行總結分析，形成異常干擾庫，為研究人員使用觀測數據進行地震預測預報或科學研究提供準確可靠的資料。云縣地震臺(以下簡稱“云縣臺”)形變觀測數據連續性好、完整率高，但隨著經濟建設的發展及城市建設的擴張，公路、鐵路、水庫、建房等人類活動逐漸對地震觀測造成干擾，面對這些干擾是不能逃避的，有必要對各種干擾因素及其表現形式與規律進行梳理匯總。本文借助地震前兆數據跟蹤分析平臺，以云縣臺形變觀測數據為基礎，結合測點洞室環境、觀測系統、周邊觀測環境的調查情況，初步分析本臺定點形變觀測常見干擾因素及其形態變化特征，為識別地震前兆異常提供保障，并為今后日常數據處理與短臨跟蹤工作中能夠及時排除干擾及地震預測預報提供依據。

1 臺站概況

云縣臺位于瀾滄江西部與青藏斷塊地區的川滇隆起部，海拔高度 1 110 km。臺站的西部是龍陵—騰沖地震帶，南部是耿馬—瀾滄地震帶，東南部是思茅—普洱地震帶，東北部是景東—景谷地震活躍區，臺站位于幾個地震活躍區的中間，是一個地震監測的敏感點。云縣臺臺基為晚二疊紀花崗巖，覆蓋層平均厚度大于40 m，山洞全長240 m，山洞水平貫通山體，儀器洞室進深140 m，山洞引洞設隔離塑料門4道，船艙門3道，以減小空氣流動，保持恒溫，儀器洞室溫度約23.5℃，洞溫日變幅小于0.002℃，年變幅小于0.1℃，相對濕度在90%左右。2007年架設DSQ型水管傾斜儀和SS-Y型伸縮儀，2012年架設VP型寬頻帶垂直擺，儀器墩均為大理石墩，墩位選在較完整的基巖上(何應文等，2017)。

2 觀測資料干擾因素分析

2.1 自然環境因素

(1)大氣降水干擾。云縣臺地處中國南方，雨季長、雨量多，臺址基巖是風化、破碎的花崗巖，降水滲透較充分，洞內潮濕、易積水，山洞形變觀測儀器易受干擾，當累積降水量大于15 mm時，傾斜儀、應變儀的測孔孔徑和介質力學狀態發生變化，從而引起數據干擾異常變化(何應文等，2018)。2015年1月8～11日出現連續強降雨天氣，降雨量累計達92.1 mm，垂直擺、水管儀、伸縮儀3套數字化儀器的觀測數據均出現相應的大幅度變化(見圖1)。強降雨發生后，VP型寬頻帶垂直擺NS分量急速南傾，變化幅度為39.4 ms(見圖1e)；EW分量急速東傾，變化幅度為49.0 ms，達到了正常變化幅度的2倍以上(見圖1f)。8日14時至11日00時，降雨最為集中，連續降雨時間達33 h，降雨量達76 mm，水位的變化引起傾斜儀各分量數據出現趨勢變化，SS-Y伸縮儀兩分量數據出現階躍變化，從數值上來看，出現明顯階變分量的變化幅度達到了正常變化的3倍以上，強降雨過后慢慢恢復正常形態(見1c、d)。由于降雨期間傾斜儀、應變儀運行正常，地傾斜觀測曲線變化與降雨具有較強的同步性，為此確定該時間段內的干擾因素為降雨干擾。

圖1 2015年1月6～13日云縣臺形變觀測曲線及降雨量變化

圖2 2014年8月24日云縣臺形變觀測曲線與氣壓值

(2)氣壓干擾。氣壓也是影響形變數字化觀測的因素之一，由于大氣壓力的劇烈變化，通過壓力對上覆地層的作用引起地面負荷增減，導致巖石應力狀態發生變化，從而對SS-Y型伸縮儀產生影響；對DSQ型水管儀固體潮的影響主要是由于山洞內空氣震蕩，引起氣流擾動，從而改變儀器的液面壓力，液面隨之響應(張常慧等,2007)。氣壓影響特點主要體現為：固體潮觀測曲線與短時間氣壓變化、氣流波動強度及持續時間基本同步，很少會出現長時間的趨勢性改變，各類觀測儀器多分量固體潮形態同步出現短時擾動、畸變、趨勢轉折等變化，很少出現數據大幅度的臺階和突跳抖動情況。氣壓對云縣臺垂直擺和水管傾斜儀影響較大，對伸縮儀影響較小。如2014年8月24日垂直擺和水管儀NS、EW兩分量均產生固體潮畸變，與氣壓變化同步(見圖2)。

2.2 人為干擾

(1)進洞換圖紙干擾。云縣臺1989年至今保留著一套SQ-70B型石英水平擺模擬觀測，每日8～9時需進入山洞更換圖紙，換圖紙大約需要15 min，該過程主要對DSQ型水管儀的斜邊分量造成干擾。由于觀測人員經過洞室時間明確，干擾形態呈單點突跳狀，固體潮無趨勢性畸變，垂直擺單獨安放，干擾較小，為此這項干擾容易識別。

(2)檢修儀器干擾。觀測人員進入洞室或長時間待在觀測室內會導致負荷發生微量變化，人體散熱使洞室溫度升高，檢修過程中頻繁走動會引起洞內空氣運動，使DSQ型水管傾斜儀兩端液面氣壓不平衡，在觀測曲線上常表現為階躍變化及數據單點突跳，伸縮儀在少量人員進洞時受到的影響不明顯，多人進洞時會出現固體潮趨勢性畸變，說明應變儀較傾斜儀抗人為進洞干擾的能力強。2016年1月19日15～19時進山洞檢修儀器，調試儀器歷時約3 h，對VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀NS、EW兩分量的觀測數據產生一定影響(見圖3)。

圖3 云縣臺2016年1月19日VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀觀測曲線

(3)標定和調零干擾。根據觀測規范及形變學科組要求，為保證形變儀器測量精度和檢驗其穩定性，觀測人員需定期對儀器進行標定，每次間隔時間不超過180 d，每年至少標定兩次，且標定一般要選擇在小潮時段進行，標定前先對儀器進行調零以免在標定過程中數據超限。各類形變觀測儀精度很大程度上取決于格值標定的準確性，觀測資料的可靠性與格值常數的準確測定有著密切關系，因此，須按常規標定步驟和要求對系統進行標定。標定影響在觀測曲線上常表現為方波型畸變，因標定前后格值變化引起測值變化，曲線會形成類似掉格的臺階圖像(見圖4)。儀器調零對數據產生的影響主要為單點大幅度臺階變化，較容易識別。在進行數據預處理和震情短臨跟蹤分析工作時，需在觀測日志中做詳細說明，否則容易被作為前兆異常；編寫月報和年報資料時也要將標定記錄和觀測曲線出現異常變化的原因進行說明后再報送。

圖4 云縣臺2016年2月25日垂直擺觀測NS向調零與標定曲線

2.3 觀測場地環境干擾

云縣臺位于云縣城東南邊的山腳村，距離主城區約1.5 km，2010～2015年周邊大型基建項目較少，形變儀器安裝于具有40 m以上覆蓋層的形變觀測山洞內，觀測環境良好，受場地環境干擾較小，通過查詢觀測日志和核實數據異常，發現2013年5月4～5日在觀測儀器東南方位近700 m處，當地居民進行取高補低土石開挖組作業，對儀器造成的干擾較明顯。DSQ型水管傾斜儀NS向觀測曲線于2013年5月4～5日出現加速向北傾斜的變化，變化幅度約為100×10-3ms；SS-Y型伸縮儀NS向觀測曲線于2013年5月4～5日出現加速拉伸的變化，變化幅度約為1150E-10，施工結束后數據趨勢恢復正常(見圖5a、b)。初步分析認為：由北向南運移土石方量很大，地表環境變化顯著，荷載發生變化后導致觀測區應力場改變，使形變觀測產生不同程度的畸變，DSQ型水管傾斜儀NS向加速向北的傾斜方向與觀測場區土石由北向南移具有時間同步性，SS-Y型伸縮儀NS向加速拉伸與觀測場區荷載發生變化后導致觀測區應力場改變的方向是一致的。因此在儀器運行正常的情況下，在不確定地下地質結構的前提下，依據工程和異常發生時間的同步性和荷載由北往南移的實際，結合觀測數據變化形態，此次施工是數據異常變化的主要原因。2016年10月至今在云縣臺東南方位1.1 km處進行鐵路隧道施工，隧道總長4.2 km，截至2018年1月共挖進1.6 km，隧道設計規格為寬5.2 m，高9.5 m，每挖進一米移出的土方量約為70 m3。在此期間，隧道施工使云縣臺形變觀測山洞東南方向的巖體重力減輕，DSQ型水管傾斜儀NS、EW兩分向整體趨勢往北、西傾斜，NS向2017年變化量減小，2018年突然變大，約為年平均變化量的3倍以上，EW向2017年就迅速減小，2018年有小小的回升(見圖5c、d)。伸縮儀NS、EW兩個方向的變量曲線出現趨勢轉折的現象，但變化量不明顯(見圖5e、f)。說明愛華隧道施工對云縣臺形變觀測有一定的影響，水管傾斜表現明顯，伸縮儀影響小。

圖5 云縣臺形變觀測受荷載變化干擾原始數據與年變量曲線

2.4 觀測系統故障干擾

通過分析云縣臺自觀測以來的形變觀測資料，發現觀測系統故障主要有傳感器受潮、線路老化、數采故障、儀器靠擺和電壓不穩。其中傳感器和線路老化引起的數據變化表現為數據突跳、毛刺、曲線粗糙、噪聲大等高頻擾動；數采故障和儀器靠擺很容易判斷，數據記錄有紊亂信息、固體潮形態畸變、一條直線、缺記的現象；電壓不穩常常會導致觀測曲線出現短時間的漸變臺階(見圖6)。對因觀測系統故障引起的干擾，采用“中國地震前兆臺網數據處理軟件”做臺階、突變、缺數處理即可保證數據的連續可靠。在不確定觀測系統是哪個部件出現故障時，在核實過程中需結合云縣臺的具體情況進行分析，按照由觀測室外及室內的步驟進行排查，首先檢查配電房里的供電線路和開關，機房里的UPS、數據采集器、主機，洞室外的供電線路和信號線路，再排查洞室內的線路、放大盒、傳感器、標定棒等，這樣可以及時排除可能的干擾因素，避免人為因素造成重復干擾。

圖6 云縣臺形變觀測系統故障曲線

3 結語

通過分析云縣臺多年定點形變觀測資料，正確識別洞體傾斜和應變觀測中干擾曲線形態和原因，對研究人員使用觀測資料提供有益的幫助。(1)自然環境造成的干擾因素主要有氣壓、降雨、雷電等，干擾曲線形態表現為同步階躍、趨勢轉折、單點臺階或突跳等。其中氣壓變化對觀測數據影響相對較小，而雷電或集中連續強降雨會造成觀測數據大幅變化，因此做好防雷工作對形變觀測很重要。(2)場地環境變化干擾因素較少，且容易被識別和發現，自觀測以來在周邊進行大規模施工僅有兩次。短時間的土石開挖導致環境荷載變化會引起分鐘值觀測曲線明顯的階躍，長時間的隧道施工改變山體荷載后會引起日均值曲線產生趨勢性變化，年變量也會發生變化。(3)人為干擾和觀測系統故障干擾曲線主要表現為：數據突跳、缺數、臺階、曲線粗糙、噪聲大、固體潮畸變和紊亂。