洱源台观测环境条件变化对形变观测数据的影响*

彭钰翔，黄麒瑾，崔庆谷

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引言

前兆观测数据的长期稳定性是地震预测及地震危险性判定的前提条件，涉及观测数据的可靠性与真实性，直接影响观测数据在中长期及短临预测中的作用(车用太，鱼金子，2013)。在云南多年的中短期预测预报及地震趋势判定中，前兆数据的破年变异常是未来地震危险性判定的重要评判依据之一(李智蓉等，2018)，需要结合历史震例对几年、甚至十几年的连续观测数据进行对比分析，这个环节需要确保前兆数据在几年甚至更长时间段内是稳定的、量化标准是一致性、数据是前后可比较的。

然而，在连续十几年的观测中，由于各种干扰因素的存在，近场环境条件的改变难以避免(哈辉，2004)。此类事件可能导致前后观测数据的不一致，如本底信号幅度增大、组分减少或增加等等。预报人员在使用这些被干扰的数据时，难以回溯识别十几年前引起数据变化的真正原因，并可能导致对未来震情的误判。长期以来，监测人员对影响观测数据的各种干扰事件进行了研究，取得了大量的研究成果，如王梅等(2004)基于山东省数字形变台的固体潮分钟值资料，讨论了气压、雷电、仪器故障、进人等干扰因素对数据的影响；孙伶俐等(2014)利用小波分析方法，研究大气环境变化各因素对湖北省形变观测数据的影响。但这些研究主要是针对临时出现的、孤立的典型干扰事件展开，没有从数据质量的长期演变过程来分析各种潜在干扰事件对观测数据的影响。鉴于此，本文以洱源地震台记录的长达12年的形变观测数据的变化过程为研究重点，分析数据质量随环境条件的改变，给出保证数据质量长期稳定的建议措施。

1 观测台站及数据的基本情况

洱源地震台观测硐室紧靠洱源盆地西边界山麓，红河断裂、鹤庆─洱源断裂、丽江─剑川断裂、龙蟠─乔后断裂以及程海断裂在此交汇(房艳国等，2015)。该区域地质背景为前奥陶纪变质岩区，区域内地热资源丰富，站点附近200 m范围内有多个温泉出水点，地热分布主要受构造活动控制(周真恒等，1995)。观测硐室自业务楼2层开辟入口，进深70 m，覆盖层厚约60 m，由于受地热控制，硐室内部温度高、湿度大，温度常年保持在25～28 ℃，相对湿度在98%以上。硐室进深70 m后，进一步开挖建成EW、SN、NE向3个形变观测室，其中，EW向观测室紧邻测震观测室。各测项平面布局如图1所示。

图1 洱源地震台各测项平面布局

洱源形变数字化观测仪器及辅助测项于2007年8月建设完成，2008年仪器进入稳定运行状态并产出可靠的观测数据。图2为2008年1月1日—2019年11月17日洱源台洞体应变NS向及硐室温度分钟值变化曲线。从图2a可以发现，洞体应变观测数据形态呈现分段特征，具体见表1，且这种数据分段特征在辅助观测的硐室温度数据中也同步出现，原因有待落实。

表1 洱源台洞体应变观测数据形态的分段特征

图2 洱源台洞体应变NS向(a)与硐室温度(b)数据变化形态Fig.2 Data of long-term cave strain observation in NS(a)and temperature of observation tunnels(b) at the Eryuan seismic station

2 硐室温度与洞体应变数据的关系分析

2.1 硐室温度年变化对洞体应变数据的影响

长期的观测实践证明，洞体应变数据主要受温度、降雨、近场载荷变化等因素的影响。其中，硐室温度变化对其影响最为普遍(高昂，2013)。因此，《地震台站建设规范——地形变台站》(DB/T8.1—2003)中对形变观测硐室温度有严格的规定，要求年温差≤0.5 ℃，日温差≤0.03 ℃。

以图2中(1)～(3)段数据为重点研究对象，分析其年变的局部特征。通过对比洞体应变与硐室温度数据的细部特征(图3)，可以发现两者变化基本同步，且变化规律极其相似，2组数据之间基本满足线性关系。图3b显示，2009年10—12月硐室温度急剧降低，降幅约为1.5 ℃，其后出现了规律的年变，该年变幅度已经不满足规范的要求。

图3 洱源台洞体应变NS向(a)与硐室温度(b)数据局部放大对比图Fig.3 Partial enlarged contrast charts between cave strain observation in NS(a)and temperature of observation tunnels(b)at the Eryuan seismic station

为确定上述判断，用2组数据做最小二乘拟合，拟合结果如图4所示。拟合结果表明，除个别干扰引起的离散点外，洞体应变记录数据y与洞体温度数据T之间满足下列线性关系：

图4 洱源台洞体应变NS向与硐室温度数据的最小二乘线性拟合结果Fig.4 Results of least square fit between cave strain observation in NS(a)and temperature of observation tunnels(b)at the Eryuan seismic station

y=aT+b

(1)

式中：a=0.208 20，b=-5.523 9。

2.2 硐室温度日变化对洞体应变数据的影响

进一步分析硐室温度对洱源台洞体应变数据的影响，从图2中数据的细部特征及表1可以发现，硐室温度的日变化在2009年10月、2019年1月10日前后有2个分界，日变幅度经历了小、大、无3个时段，对应时间段的洞体应变数据也经历了同样的3个阶段。图5从各时段分别选取了11天的观测数据进行展示。

图5 3个时段洱源硐室温度日变幅(a～c)及其对应的洞体应变数据(d～f)

由于图5a～c中的纵坐标跨度相同(0.4 ℃)，可直接对比3个时段信号的强度：第一时段硐室温度稳定在28 ℃左右，日变幅非常微小，图5a中甚至看不到明显的日变；第二时段日变出现，变幅在0.1 ℃左右(图5b)；第三时段：日变再次消失，数据比第一阶段更稳定(图5c)。图5d～f为对应时段的洞体应变数据，其特征与硐室温度日变化幅度相同。

2.3 引起硐室温度变化的原因调查

综上所述，可以初步得出如下结论：洱源台硐室温度和洞体应变数据的日变和年变不是由构造变动引起的，可能是由环境事件引起的，具体情况需要进一步核实。

通过查阅2007—2019年的台站观测日志，没有发现引发日变幅度差异的近场环境事件。再查询《云南省地震监测志》，并开展台站现场调查，查明引起硐室温度变化的环境事件如下：

(1)2009年8月12日起，因同硐室观测的地震计受潮而故障频发，测震观测室与形变观测室共用的最外侧密封门被打开，仅保留内侧密封门，以便降低观测室的湿度，使地震计恢复正常，这导致形变观测室温度降低，并出现日变和年变。进一步分析硐室温度数据发现，2009年8月12日，由于密封门的数量减少，导致形变观测室温度下降，期间外侧密封门时而开放、时而关闭，因此，硐室温度日变时而出现、时而消失，这种状况一直持续到2009年9月15日早上9时。自2009年9月15日9时起，外侧密封门一直处于打开状态，形变观测硐室温度急剧下降，并出现清晰稳定的日变、年变，这种状态一直持续到2019年1月。

(2)2013年起，形变观测硐室温度趋势性下降，但下降原因不明，此间发生洱源MS5.5，MS5.0地震以及香格里拉MS5.9地震。

(3)2019年1月10日，由于采用了保温除湿罩，同一硐室内的地震计能够在潮湿环境下正常运行，台站人员将密封门全部关闭，硐室温度急剧上升，并稳定在27 ℃左右，硐室温度日变消失。

为方便展示，从2009—2019年硐室温度数据中提取2段，如图6所示，可以使分段特征更为明显。图6a中显示有2个分界段，用方框标识，分别为2009年8—11月以及2013年1—11月的快速下降区。2009年8—11月，打开外侧密封门除湿是导致硐室温度快速下降的主要原因。与此同时，2009年10—11月洱源台进行台站改造，将业务楼2(图1)拆除重建，拆除期间近场环境内的载荷发生巨大变化，这种变化导致洞体应变观测数据中有大幅波动叠加在下降趋势中；2013年1—11月，没有找到对应的干扰事件，但2013年3月3日发生了洱源MS5.5，4月17日发生了洱源MS5.0地震，考虑到洱源台属于温泉地热区，不排除地下构造变动引起硐室温度变化的可能(Floven，1986；陆明勇等，2004；张永仙等，2000)，因为同一地区的井水温观测在2007年宁洱MS6.4地震前出现了明显的前兆异常(刘耀炜等，2008)，具体原因需进一步研究。在图6b中，2019年1月10日开始将密封门全部关闭，硐室温度立即回升，除了2019年10月因仪器标定引起锯齿状变化外，数据整体趋于稳定，年变和日变极大减小甚至消失。

图6 洱源硐室温度数据的分段情况

2.4 其他干扰因素的核实

从图2a和7a的细部特征可以看出，洞体应变NS向观测数据有一段持续时间约8个月(2015年7月—2016年2月)的巨幅畸变，但对应时段的硐室温度并没有明显畸变，见图7b。这表明此次巨幅突变不是由硐室温度变化引起的，进一步调查得知，这期间洱源台再次进行台站改造，自2015年8月开始拆除北段业务楼2(图1)并重建，从旧楼的拆除到新楼的建成经历了一个完整的卸载和加载过程。其中，峰值点出现的时间与旧楼拆除后场地清理完成的时间基本一致，随后新楼开始建设，建筑材料运入并开始施工，观测数据开始折返。由此认为，数据的变化来自于载荷的变化。

图7 洞体应变NS向(a)与硐室温度(b)数据细节对比

3 结论

本文对2008年1月1日—2019年11月17日洱源台洞体形变及硐室温度近12年的观测数据进行分析，发现长期观测数据中存在明显的分段特征，其通过数据对比、日志追踪、现场调查等方法查找原因。结果表明：近场环境事件是导致数据发生分段的主要原因。山洞环境的不稳定，如硐室温度变化、载荷的巨大变化都可能对形变观测质量造成影响，降低观测数据在地震预测中的使用价值。因此，保持山洞条件及近场内的环境恒久稳定，是确保观测数据长期稳定和一致的重要条件。监测人员在保障仪器正常运行的同时，必须密切关注环境条件变化，并判断其对观测数据产生的影响，及时采取补救措施，以确保观测数据的客观真实。