烏加河地震臺形變觀測異常與干擾識別

胡 瑋 馮雪東 石 偉 賈昊東 郭 偉 劉 芳

1）中國內(nèi)蒙古自治區(qū)015323 烏加河地震臺

2）中國呼和浩特010010 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局

0 引言

形變觀測是地震前兆監(jiān)測的重要組成部分，通過長時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測，可為地震預(yù)報(bào)預(yù)警、地球物理異常分析等提供可靠數(shù)據(jù)（楊曉東等，2018）。目前，前兆形變儀器已基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動化觀測。數(shù)字化形變觀測儀器，可記錄到多種干擾（如自然、人為、儀器故障和未知干擾）及地球物理事件（劉永蓮等，2010；楊紅纓等，2017）。國內(nèi)諸多學(xué)者對前兆形變觀測干擾現(xiàn)象進(jìn)行了分析，如：王梅等（2013）分析定點(diǎn)臺站受抽水、灌溉等因素干擾時(shí)，發(fā)現(xiàn)形變和應(yīng)變觀測儀器會出現(xiàn)同步變化，但量級不同；姚菲菲等（2020）對DSQ型水管儀和SS-Y 型伸縮儀長期存在的各類自然干擾進(jìn)行總結(jié)并分析了干擾產(chǎn)生的機(jī)理和特征；安全等（2021）通過功率譜概率密度函數(shù)方法，分析了內(nèi)蒙古區(qū)域地震背景噪聲水平。排查并總結(jié)各類干擾原因及特征，是前兆觀測的重要工作之一（邱鵬程等，2014）。目前，針對內(nèi)蒙古西部地區(qū)定點(diǎn)形變觀測干擾的研究較少，文中就烏加河中心地震臺（下文簡稱烏加河臺）定點(diǎn)地傾斜、應(yīng)變等前兆觀測儀器所受干擾進(jìn)行分析，總結(jié)并分析干擾規(guī)律和特征，識別并剔除干擾，給出觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量提高的建議和措施，為相關(guān)地震研究工作提供準(zhǔn)確、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 臺站概況

烏加河臺位于巴彥淖爾市，地處內(nèi)蒙古西部地區(qū)河套盆地和陰山交界地帶。烏加河臺形變山洞于1972 年開鑿，洞室進(jìn)深253 m，臺基巖性為花崗巖，完整性好，洞頂覆蓋層厚平均約189 m，室內(nèi)年平均溫度13.5 ℃，溫度日、年變化均符合“觀測規(guī)范”要求，觀測條件較好。臺站現(xiàn)配備形變觀測儀器4 套，氣象三要素儀1 套，儀器基本參數(shù)見表1，儀器布設(shè)見圖1。

圖1 烏加河臺儀器布設(shè)方位示意Fig.1 Layout of instruments at Wujiahe Seismic Station

表1 儀器參數(shù)Table 1 Instrument parameters

2 干擾分析

據(jù)前兆臺網(wǎng)（站）觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺提供的數(shù)據(jù)，2018—2020 年烏加河臺形變儀器主要受到氣壓、降雨、大風(fēng)及人為干擾，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 烏加河臺2018—2020 年形變儀器記錄干擾及地球物理事件統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of the number of interferences and geophysical events on deformation observations at Wujiahe Seismic Station during 2018-2020

2.1 氣象因素干擾分析

在干擾形變儀器觀測的自然因素中，氣象因素干擾比例較大，如：溫度干擾、濕度干擾、氣壓干擾、降雨干擾、大風(fēng)干擾等（趙小賀等，2009）。烏加河臺形變山洞內(nèi)溫度日變幅≤0.03 ℃，濕度≥80%，溫、濕度較為恒定（胡瑋等，2017），對形變儀器干擾甚小，可忽略不計(jì)，故主要分析氣壓、降雨和大風(fēng)對前兆儀器的干擾特征。

2.1.1氣壓干擾。氣壓干擾在形變觀測中較為常見。當(dāng)氣壓出現(xiàn)大幅度變化時(shí)，導(dǎo)致形變觀測資料隨之出現(xiàn)大幅畸變。烏加河臺位于內(nèi)蒙古高原西部，氣壓波動較強(qiáng)天氣較為常見，導(dǎo)致形變儀器經(jīng)常受到氣壓干擾。

通常，烏加河地區(qū)氣壓日變幅約2—4 hPa，氣壓短時(shí)大幅變化會引起形變觀測曲線發(fā)生畸變，畸變程度與其變化幅度呈正相關(guān)。2019 年8 月9 日16 時(shí)至21 時(shí)，該地區(qū)氣壓出現(xiàn)較大幅度變化，短時(shí)幅度達(dá)3.2 hPa，對烏加河臺垂直擺、水管儀、伸縮儀、體應(yīng)變儀記錄造成干擾，見圖2，可見形變觀測曲線與氣壓變化同步性較好，且氣壓變化對體應(yīng)變儀、伸縮儀干擾尤為明顯，對垂直擺、水管儀的影響相對較小。

圖2 氣壓干擾Fig.2 Interference of air pressure

為定量分析氣壓波動對形變觀測儀器造成的干擾程度，分為2019 年8 月9 日00:00—16:00、16:00—21:00、8 月9 日21:00—8 月10 日24:00 三個(gè)時(shí)段，計(jì)算形變觀測數(shù)據(jù)與氣壓值的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表3，其中T1為未受氣壓波動干擾時(shí)段，T2為受氣壓波動干擾時(shí)段，T3為氣壓波動結(jié)束后固體潮曲線恢復(fù)正常形態(tài)時(shí)段。

表3 形變儀器數(shù)據(jù)與氣壓值的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between deformation observation data and air pressure data

（1）同一形變儀器，不同時(shí)段相關(guān)系數(shù)對比。對于同一形變儀器，T1、T3時(shí)段的相關(guān)系數(shù)較小，T2時(shí)段的相關(guān)系數(shù)較大。由此可知，在氣壓未發(fā)生較大波動時(shí)，各類形變儀器所記錄的數(shù)據(jù)主要為固體潮信息，與氣壓值相對獨(dú)立；在氣壓發(fā)生較大波動時(shí)，氣壓干擾了形變儀器正常記錄，形變觀測曲線因疊加氣壓波動信息而發(fā)生畸變，表現(xiàn)為二者的相關(guān)系數(shù)增大；當(dāng)氣壓恢復(fù)到較為平緩波動后，形變觀測數(shù)據(jù)與氣壓值的相關(guān)系數(shù)相應(yīng)降低。

（2）不同形變儀器，同一時(shí)段相關(guān)系數(shù)對比。不同儀器抗氣壓干擾能力不同，應(yīng)與儀器工作原理有關(guān)。當(dāng)氣壓在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大幅度的變化時(shí)，會造成地面負(fù)荷的增加或減小，導(dǎo)致巖石應(yīng)力發(fā)生變化，對伸縮儀和體應(yīng)變儀造成明顯干擾；而且，氣壓發(fā)生變化，使得鉆孔應(yīng)變儀內(nèi)部空氣產(chǎn)生震蕩，引起氣流擾動，改變液面壓力，傳導(dǎo)到儀器探頭上，表現(xiàn)為觀測數(shù)據(jù)與氣壓變化的同步變化。因此，應(yīng)變類儀器抗氣壓干擾的能力較弱。相較而言，水管儀由于其基線較長，管內(nèi)水的阻尼較大，表現(xiàn)在曲線上不明顯；垂直擺由于其核心部件（電容擺）被密封在鋼制套筒內(nèi)，外部氣壓變化一般不會對其造成干擾。因此，傾斜類儀器抗氣壓干擾能力較強(qiáng)。

2.1.2降雨干擾。降雨干擾是地震前兆觀測中的一種典型干擾。烏加河地區(qū)氣候類型屬于半干旱氣候，年均降雨量約200 mm，多集中于夏秋兩季。2018 年8 月31 日至9 月2 日，該地區(qū)累計(jì)降雨量103.8 mm，其中9 月1 日單日降雨量89.1 mm，達(dá)暴雨級別。此短時(shí)大暴雨造成垂直擺和水管儀觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的趨勢性變化，其中NS 向分量下降幅度較大，分別下降10.142×10-3″和9.58×10-3″，表現(xiàn)為南傾，而EW 向分量變化則不明顯（圖3）。

圖3 2018 年8 月31 日至9 月2 日降雨干擾Fig.3 Interference of rainfall during Aug.31-Sep.2,2018

降雨對形變儀器的干擾機(jī)理如下：①對于山洞覆蓋巖層裂隙較多的形變臺站，短時(shí)大量降雨致雨水進(jìn)入裂隙并存儲下來，從而打破山體巖石原有的應(yīng)力平衡，對某個(gè)方向的巖石造成壓力和應(yīng)力的變化，相應(yīng)的傾斜變化即反映到傾斜儀器上（王秋寧等，2012）；②形變山洞整體性好，覆蓋層裂隙較少，短時(shí)強(qiáng)降雨沿山勢形成徑流，進(jìn)入裂隙的雨水較少。烏加河臺即屬于此類情況，雨水徑流進(jìn)入山洞南部地勢較低區(qū)域堆積起來，形成小堰塞湖，使得山洞南側(cè)壓力增大，從而導(dǎo)致水管儀和垂直擺NS 向觀測曲線呈下降變化。

2.1.3大風(fēng)干擾。內(nèi)蒙古西部地區(qū)每年春秋兩季大風(fēng)天氣較多。大風(fēng)干擾成為影響烏加河臺形變數(shù)字化觀測的主要干擾之一，對伸縮儀和水管儀等長基線儀器的干擾尤其明顯。2019 年10 月3 日烏加河地區(qū)大幅降溫，伴有6—7 級大風(fēng)，導(dǎo)致該臺伸縮儀和水管儀觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯干擾，表現(xiàn)為在觀測曲線上疊加高頻毛刺干擾信號，數(shù)據(jù)噪聲變大，結(jié)果見圖4。2020 年12 月12 日，強(qiáng)冷空氣過境，烏加河地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)天氣，最大風(fēng)力8—9 級，對形變觀測儀器記錄造成干擾，見圖5。

圖4 2019 年10 月2 日至4 日大風(fēng)干擾Fig.4 Interference of strong wind during Oct.2-4,2019

圖5 2020 年12 月12 日大風(fēng)干擾Fig.5 Interference of strong wind on Dec.12,2020

大風(fēng)干擾機(jī)理如下：大風(fēng)作用在山體上，使得山體的受力狀態(tài)發(fā)生微小變化，由于風(fēng)向并非固定不變，導(dǎo)致山體的傾斜方向隨風(fēng)向變化而變化，這種變化疊加在伸縮儀固體潮記錄上，即表現(xiàn)為高頻信號疊加在固體潮曲線上（樊東等，2014）；大風(fēng)天氣出現(xiàn)時(shí)，由于山洞內(nèi)空氣出現(xiàn)震蕩，氣流擾動，氣壓隨之變化，作用在水管儀液面上，使液面出現(xiàn)微小震動，表現(xiàn)在曲線上即為噪聲變大。由圖4、圖5 可見，伸縮儀和水管儀NS 向干擾程度比EW 向大，這是因?yàn)椋? 套儀器NS 向基線距洞口較近（距離約70 m），而EW 向基線距離較遠(yuǎn)（約101 m）。由此可知，大風(fēng)干擾對數(shù)據(jù)的影響程度與儀器位置也有一定關(guān)系：距離洞口較遠(yuǎn)所受影響較小，反之則影響較大。

2.2 人為干擾

標(biāo)定、進(jìn)洞和調(diào)零等人為活動均會對前兆形變儀器造成干擾。水管儀和伸縮儀置于同一洞室，一套儀器受到干擾，另一套儀器會受到不同程度的影響，變化形態(tài)通常表現(xiàn)為階變、突跳和臺階等。

2019 年9 月22 日09 時(shí)至14 時(shí)，對垂直擺、水管儀、伸縮儀進(jìn)行標(biāo)定，數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)多次脈沖和上下階躍變化（圖6）。該時(shí)段數(shù)據(jù)判定為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，預(yù)處理做缺數(shù)處理。由于伸縮儀傳感器故障，2018 年2 月12 日14 時(shí)至15 時(shí)，工作人員進(jìn)入觀測山洞調(diào)整鐵芯和套筒間隙，觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)多次脈沖和上下階躍變化，而水管儀觀測數(shù)據(jù)曲線同步出現(xiàn)干擾（圖7），數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)進(jìn)行臺階和突跳處理。

圖6 2019 年9 月22 日標(biāo)定干擾Fig.6 Interference of calibration on Sep.22,2019

圖7 2018 年2 月12 日進(jìn)洞干擾Fig.7 Interference of cave entering on Feb.12,2018

對形變儀器進(jìn)行標(biāo)定、調(diào)零等操作時(shí)，使得儀器裝置特性發(fā)生改變，觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)畸變，且變化幅度遠(yuǎn)大于其他干擾類型，易于識別。

3 地球物理事件特征

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018—2020 年，烏加河臺各類形變觀測儀器記錄地震同震響應(yīng)等地球物理事件75—208 次（表2），無火山活動記錄。其中對全球6 級以上、中國5 級以上地震，均能清晰記錄到同震響應(yīng)，且同步性較好。如：2019 年12 月15 日14 時(shí)11 分菲律賓棉蘭老島6.8 級地震（6.55°N，125.3°E，震源深度30 km，震中距4 228 km），烏加河臺垂直擺、水管儀和伸縮儀均記錄到清晰波形，且垂直擺、水管儀同震響應(yīng)更明顯（圖8）；2020 年7月23 日4 時(shí)7 分西藏那曲市尼瑪縣MS6.6 地震（33.19°N，86.81°E，震源深度10 km，震中距2 081 km），垂直擺、水管儀和伸縮儀均清晰記錄到地震波形（圖9）。

圖8 2019 年12 月15 日菲律賓棉蘭老島MS 6.8 地震同震響應(yīng)Fig.8 Co-seismic response of Phillips Mindanao MS 6.8 earthquake on Dec.15,2019

圖9 2020 年7 月23 日西藏那曲市尼瑪縣MS 6.6 地震同震響應(yīng)Fig.8 Co-seismic response of Nima County,Naqu City MS 6.6 earthquake on Jul.23,2020 in Xizang

烏加河臺形變儀器對地球物理事件產(chǎn)生同震響應(yīng)。由圖8、圖9 可知，對同一地震，水管儀和垂直擺記錄的同震響應(yīng)幅度較大，伸縮儀記錄同震響應(yīng)幅度較小。

4 結(jié)論

通過對烏加河臺形變觀測儀器典型干擾及地球物理事件特征的分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）烏加河臺形變儀器主要受氣壓、降雨和大風(fēng)等自然環(huán)境干擾和人為干擾，干擾形態(tài)有畸變、趨勢性大幅變化、噪聲大、臺階和突跳等，可通過形變觀測數(shù)據(jù)曲線變化形態(tài)，推測所受干擾類型。不同儀器對不同類型的干擾響應(yīng)程度不同。具體表現(xiàn)為：①氣壓的劇烈變化對應(yīng)變儀器干擾明顯，對傾斜儀器干擾不明顯；氣壓與應(yīng)變類儀器觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)較大，與傾斜類儀器觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)較??；②強(qiáng)降雨對傾斜儀器干擾明顯；③大風(fēng)干擾對水管儀和伸縮儀干擾明顯，主要由洞口密封性不強(qiáng)所致；④標(biāo)定、調(diào)零、進(jìn)入山洞等人為活動對形變儀器造成明顯干擾。

（2）烏加河臺形變儀器可清晰記錄全球6 級以上、中國5 級以上地球物理事件，且對于同一地震，水管儀和垂直擺同震響應(yīng)幅度較大，伸縮儀同震響應(yīng)幅度較小。

新建形變觀測山洞時(shí)，應(yīng)充分考慮臺址的地質(zhì)構(gòu)造背景及山洞覆蓋層厚度、山勢等條件，保證洞室進(jìn)深足夠深，提高洞口和洞室內(nèi)各道船艙門的密封性，可有效降低風(fēng)擾影響，提高觀測數(shù)據(jù)精度。