河北张家口地震台形变观测干扰特征分析

李 峰,宁海雯,刘燕翔,郑 毅

(河北省地震局张家口中心地震台，河北 张家口 075000)

河北张家口地震台形变观测干扰特征分析

李 峰,宁海雯,刘燕翔,郑 毅

(河北省地震局张家口中心地震台，河北 张家口 075000)

简要介绍张家口地震台形变观测概况，分析大风、气压、观测人员、雷电、雷雨及环境载荷等干扰因素对观测曲线形态的影响，得出不同干扰因素与观测曲线形态变化的对应关系，为准确识别震前异常提供参考。

形变测量；干扰因素；异常识别

1 形变观测概述

张家口地震台地处京西北、晋冀蒙交界区，位于张渤地震带与山西地震带交汇部位，地质构造复杂，断裂颇多，主要断裂有NE向的蔚县山前大断裂、桑干河断裂，EW向的狼窝沟、崇礼—赤城断裂和怀安—宣化断裂，外区有多条NW向断裂[1]。

张家口地震台(以下简称张家口台)属全国形变观测基本台(国家一类台)，观测山洞位于张家口桥东区鱼儿山山脚，台址岩性均为侏罗纪石英粗面岩和石英角砾岩，始建于1984年，进深200 m，覆盖层大于40 m，年温差小于1%℃，日温差小于5‰。目前有DSQ型水管倾斜仪、SSY型伸缩仪、TJ-Ⅰ和TJ-Ⅱ型体积应变仪、VP型垂直摆倾斜仪、SQ-70D型石英摆倾斜仪、重力仪等观测仪器，设有洞温、气压、气温、雨量等辅助测项。

张家口台各套形变仪器自运行以来，工作性能基本稳定，具有较明显的年变规律。除正常观测形态外，会出现固体潮曲线畸变，如阶跃、脉冲等[2]。为准确识别震前异常，对干扰因素引起观测曲线形态的变化进行分析研究。

2 形变观测干扰因素分析

同一干扰因素对不同观测仪器造成影响的表现形式各异。形变测量会受气象(如降雨、雷电、气压、大风等)、人为作用、环境载荷变化等诸多因素的影响[3]。一般情况下，气象因素对形变资料的影响表现出长周期、大幅度、突发性、短时期[4]；人为干扰多通过对洞室温度、洞体载荷施加影响来对仪器造成干扰，表现为曲线突变后缓慢恢复或单点突跳；洞体周边山体载荷的大变化对观测数据造成的干扰多表现为长周期缓慢变化及年变规律的改变。

2.1 大风及气压干扰

大风对倾斜观测仪器的影响一方面是由于气流扰动，在洞室密封不严的情况下，引起洞体内空气激荡，直接作用于仪器设备而影响观测数据，观测曲线表现为上下波动[4]；另一方面，强劲、持续的大风对山体施加作用力，岩体受力不断改变而影响观测数据，表现为固体潮曲线较高频率的毛刺扰动及畸变。分析得出，宽频带摆式仪器可记录更多的频率信息，曲线受强风扰动的变化幅度明显大于低频带仪器[5]；同类仪器受干扰出现变化幅度的大小主要取决于风力；同一套观测系统不同分量受干扰的程度与风向有关(见第14页图1)。

气压波动对倾斜观测干扰较小，对应变观测的影响较为明显。气压作用于地面岩石，引起岩体受力改变，在观测曲线上除表现出风扰的抖动外，还存在固体潮畸变(见第14页图2)。

2.2 观测人员进出洞室引起的干扰

张家口台于2017年3月进行水平摆“十五”仪器改造。在安装过程中，人员进出洞室对水管仪和伸缩仪的观测都造成影响。21日、23日进出的频次及人员数量较少，22日多人频繁进出洞室。如第14页图3记录的干扰曲线，分析得出：

(1) 水管仪在少量人员进洞时的干扰表现为数据单点突跳，固体潮无趋势性畸变；当多人同时进洞时，会发生阶跃变化及数据单点突跳，原因是同时受到体重负荷使地表发生倾斜和人体散热改变洞室温度、走动引起洞内空气运动的影响。

图1 受大风干扰的曲线形态Fig.1 Observation curve affected by gale

图2 体应变受气压干扰的曲线形态Fig.2 Observation curve of body strain affected by barometric pressure

图3 观测人员进入山洞引起的干扰Fig.3 Interference by the observers who enter into the cave

(2) 伸缩仪在少量人员进洞时受到的影响不明显，多人进洞时会出现固体潮趋势性畸变，说明应变仪较倾斜仪抗人为进洞干扰的能力强。

2.3 雷电及雷雨干扰

雷电或雷雨对观测仪器的干扰可能是仪器供电或信号线路对雷电产生感应，使仪器供电或输出的电压信号发生变化，影响观测数据的正常形态。另外，强降雨和气压对山体产生作用力，山体载荷短期产生剧烈变化，使固体潮曲线在降雨时段出现畸变。图4可以看出，应变类仪器因雷雨产生的变化最敏感、剧烈。

图4 受雷雨干扰的曲线形态Fig.4 Observation curve affected by thunderstorm

2.4 环境载荷变化

2.4.1 观测数据异常及原因排查

张家口台水平摆仪SQ-70D多年来观测资料稳定，潮汐因子变化较平稳。2012年4月初，水平摆EW分量在西倾的趋势下发生转折，呈加速上升，截止4月底，上升约43E-3″，此后逐步恢复平稳(见图5)。

图5 张家口台水平摆受干扰影响的曲线Fig.5 Observation curve of horizontal pendulum tiltmeter at Zhangjiakou station affected by interferences

现场对仪器及标定情况进行检查发现，仪器工作状态正常，格值和灵敏度均正常。随后对台站周围的环境干扰情况进行调查(见图6)。

图6 张家口台周围可能的干扰源Fig.6 The possible interference sources around Zhangjiakou station

(1) 形变山洞西侧约1 000 m为清水河河道，河宽约150 m，2006年开始蓄水，2012年进行清淤工程。

(2) 形变山洞北侧300 m、500 m处，2009年至2014年多处新建18层的高层住宅。

张家口台的水管仪、垂直摆、伸缩仪在此期间也出现同步短期变化，但周边的怀来台、赤城台、阳原台则未记录到同步变化。经研究分析认为，这种单台各观测手段同步短期变化有可能是一些干扰因素造成，但也有可能是地壳应力局部变化所致；各观测手段曲线的变化时间不完全同步，可能是不同仪器记录的频率信息不同所致，各种仪器对应力积累的反应灵敏度不同造成变化在时间记录上的不同步[6]。

经实地考察，在曲线变化时段，山洞周围显著的环境变化仅有一项，即张家口市清水河清淤和蓄水工程。清水河清淤、蓄水河段距山洞1 000 m，施工河段分5号和6号库区，5号库区坝长123 m，河道长510 m，坝高2.7 m；6号库区坝长107 m，河道长465 m，坝高3.5 m。清淤工程于2012年2月28日开始，先将清淤河段0.60 m深的少量存水放到下游，3月20日进行大规模清淤施工，30日5号库区清淤结束，4月8日6号库区清淤结束，清淤总量1.54×105m3。清淤后，12日开始蓄水，流量1 m3/s，5月1日蓄水结束，两库区蓄水总量3.016×105m3(据张家口市清水河河道管理处)[6]。

由于清淤地点距山洞不远，在清淤导致地表载荷大幅改变的过程中，可能会对张家口台水平摆倾斜观测数据造成影响。在不确定地下地质结构的前提下，虽不能从根本上确定上述载荷变化是形变观测异常产生的原因，但依据工程和异常发生时间的同步性，结合观测数据变化形态初步认为，河道清淤是此次数据异常变化的主要原因。

2.4.2 验证

相对地球而言，假设山洞位置与施工场地在一个水平面内，将山洞周边假定为半无限空间体。由弹性理论可知，当在边界上有一个垂直于边界的集中作用力(P)时，其相应位移解为[7]：

式中：P为集中在一点的作用力；E为介质弹性模量；γ为介质泊松比；R为测点与压力施加点间的距离。因山洞所在山体岩石介质为侏罗纪石英粗面岩和石英角砾岩，取介质弹性模量为5，泊松比为0.23，则P为2.83×108kg，R为1 000 m。经计算，EW向引起的地倾斜幅度均为60E-3″，与实际观测数据较吻合。

2013年11月，在形变山洞门口进行新体应变仪(TJ-2)安装的打孔工作，因新孔位置距山洞内各种观测仪器的直线距离只有几十米，故施工对洞内仪器产生了不同程度的影响(见第16页图7)。

图7 安装新体应变仪打孔的载荷变化对形变观测手段影响曲线图Fig.7 The observation curve of deformation observation affected by load change resulting from drilling of the new body strain installation

施工1个月，打孔深度77.8 m，岩质为变质沉积岩，有少量侵入岩，钻孔过程是用钻机旋转下钻，施工一段距离后提出钻头，取出岩心，在施工过程中一直向孔中注水以给钻头降温。从图7看出，倾斜仪对施工过程的干扰反应不明显，应变类仪器的伸缩仪和体应变对干扰反应强烈。虽然施工过程是不间断的，但从曲线来看，干扰有明显的阶段性。笔者认为这是随着钻孔深度的不断变化而产生的，说明在不同深度上的施工作业，产生的载荷变化对洞内形变仪器所在位置的岩石产生的作用力是不同的，这也从侧面映证出洞体岩石结构的不均一性，存在明显的分层结构。

3 结论与讨论

对定点形变潮汐观测中的突跳、阶变、抖动、畸变等异常分析发现，气象因素造成的影响复杂，主要表现为不同气压场引起的异常形态不同，但响应频率一致，应变观测对气压变化反应更为强烈；降雨对不同形变观测仪器产生的影响不同；短时大气温度变化对形变观测有一定影响，曲线发生抖动或暂态波动，在较低频段上有响应；工程施工、土石开挖等短时环境荷载变化会引起分钟值观测曲线明显的阶跃、抖动型实时畸变，洞体周边长期的载荷变化会使曲线产生趋势性变化，甚至改变曲线的年变规律；人员进洞、施工、仪器标定和检修等人为活动对观测曲线的影响特征明显，可直接识别。

形变测量易受多种干扰因素影响，包含气象变化、人为作用、仪器故障、环境载荷变化及未知的诸多因素，干扰形态与地震前兆形态极为相似，使得排除干扰较困难。这就要求工作人员要精心维护仪器，详实记录干扰时间和类型，总结规律，对异常作出准确的判断[8]。

[1] 陈 佳,陈建国,张跃刚,等.张家口地震台地形变数字化与模拟资料对比研究[J].地震地磁观测与研究,2006,27(6):49-56.

[2] 王 梅,李 峰,孔向阳,等.数字化形变观测干扰识别[J].大地测量与地球动力学,2004,24(1):94-98.

[3] 李国斌.银川台形变数字化观测干扰识别[J].高原地震,2006,18(1):46-51.

[4] 李希亮.山东形变固体潮数字化资料的干扰因素分析[J].高原地震,2008,20(3)：36-41.

[5] 李惠玲，程冬焱，胡玉良，等.宽频带倾斜仪及其观测影响[J].山西地震,2017(2)：16-21.

[6] 马 栋,陈建国,郑 爽,等.荷载对钻孔应变观测影响的实例分析[J].地震研究,2014(1):79-85.

[7] 熊先保,林立峰,杨 婕.水管倾斜仪与摆式倾斜仪抗干扰能力分析[J]. 华南地震,2013,33(2)：34-40.

[8] 雷登学,张建武,田 野,等. 肃南地震台形变观测资料干扰识别与排除[J].地震地磁观测与研究,2012,33(1):49-52.

InterferenceCharacteristicsofDeformationObservationofZhangjiakouSeismologicalStationinHebei

LIFeng,NINGHai-wen,LIUYan-xiang,ZHENGYi

(ZhangjiakouCentralSeismologicalStationofHebeiEarthquakeAgency,Zhangjiakou,Hebei075000,China)

The survey of deformation observation of Zhangjiakou seismological station is briefly introduced. The influences of interference factors such as gale, barometric pressure, observation personnel, lightning, thunderstorm and environment load on the observation curve are analyzed. The corresponding relationship between different interference factors and morphological changes of observation curve is obtained to provide a reference for accurate identification of anomalies before earthquake.

Deformationobservation,Interferencefactor,Identificationofanomaly

1000-6265(2017)03-0013-04

2017-04-03

河北省地震局青年基金课题项目资助(DZ20150420019)。

李 峰(1979— )，男，河北省怀安人。2008年毕业于天津大学，助理工程师。

P315.73

：A