云县地震台洞体形变观测干扰特征分析

何应文,王建芳，匡福江，曹白伦，段 勇，刘绍昌，喻世贤

(1.云南省地震局云县地震台，云南 云县 675803；2.云南省临沧市临翔区地震局，云南 临沧 677000)

形变观测是地震前兆观测的重要组成部分，是研究固体地球物理和探索地震信息的有效手段，目前的数字化形变观测可直接观测到地壳介质的微动态变化，捕捉地壳介质破裂前的力学变化信息(张祖胜，1991)。因此，通过分析较长时期连续观测的形变资料，捕捉地震发生前的中、短、临阶段异常变化信息，可以为地震科学研究和地震预测预报提供参考。形变观测凭借多年的观测资料积累，在记录地震前兆和地震预报方面也有一些令人满意的研究成果(杨绍富，2012)，然而形变仪器在记录地震前兆、地壳应力应变变化和地倾斜固体潮变化正常动态信息的同时，也记录了外界因素对仪器的各种干扰。近年来，国内一些学者也针对形变观测中出现的干扰形态和原因进行了许多研究，总结了自然环境、人为干扰、场地环境等因素对观测数据的影响特征(裴晓峰，1995；王梅等，2004，2013；王永刚等，2013)，但因观测环境不同，每个地震台站的干扰存在差异性，需要对具体台站及表现形式进行总结分析，形成异常干扰库，为研究人员使用观测数据进行地震预测预报或科学研究提供准确可靠的资料。云县地震台(以下简称“云县台”)形变观测数据连续性好、完整率高，但随着经济建设的发展及城市建设的扩张，公路、铁路、水库、建房等人类活动逐渐对地震观测造成干扰，面对这些干扰是不能逃避的，有必要对各种干扰因素及其表现形式与规律进行梳理汇总。本文借助地震前兆数据跟踪分析平台，以云县台形变观测数据为基础，结合测点洞室环境、观测系统、周边观测环境的调查情况，初步分析本台定点形变观测常见干扰因素及其形态变化特征，为识别地震前兆异常提供保障，并为今后日常数据处理与短临跟踪工作中能够及时排除干扰及地震预测预报提供依据。

1 台站概况

云县台位于澜沧江西部与青藏断块地区的川滇隆起部，海拔高度 1 110 km。台站的西部是龙陵—腾冲地震带，南部是耿马—澜沧地震带，东南部是思茅—普洱地震带，东北部是景东—景谷地震活跃区，台站位于几个地震活跃区的中间，是一个地震监测的敏感点。云县台台基为晚二叠纪花岗岩，覆盖层平均厚度大于40 m，山洞全长240 m，山洞水平贯通山体，仪器洞室进深140 m，山洞引洞设隔离塑料门4道，船舱门3道，以减小空气流动，保持恒温，仪器洞室温度约23.5℃，洞温日变幅小于0.002℃，年变幅小于0.1℃，相对湿度在90%左右。2007年架设DSQ型水管倾斜仪和SS-Y型伸缩仪，2012年架设VP型宽频带垂直摆，仪器墩均为大理石墩，墩位选在较完整的基岩上(何应文等，2017)。

2 观测资料干扰因素分析

2.1 自然环境因素

(1)大气降水干扰。云县台地处中国南方，雨季长、雨量多，台址基岩是风化、破碎的花岗岩，降水渗透较充分，洞内潮湿、易积水，山洞形变观测仪器易受干扰，当累积降水量大于15 mm时，倾斜仪、应变仪的测孔孔径和介质力学状态发生变化，从而引起数据干扰异常变化(何应文等，2018)。2015年1月8～11日出现连续强降雨天气，降雨量累计达92.1 mm，垂直摆、水管仪、伸缩仪3套数字化仪器的观测数据均出现相应的大幅度变化(见图1)。强降雨发生后，VP型宽频带垂直摆NS分量急速南倾，变化幅度为39.4 ms(见图1e)；EW分量急速东倾，变化幅度为49.0 ms，达到了正常变化幅度的2倍以上(见图1f)。8日14时至11日00时，降雨最为集中，连续降雨时间达33 h，降雨量达76 mm，水位的变化引起倾斜仪各分量数据出现趋势变化，SS-Y伸缩仪两分量数据出现阶跃变化，从数值上来看，出现明显阶变分量的变化幅度达到了正常变化的3倍以上，强降雨过后慢慢恢复正常形态(见1c、d)。由于降雨期间倾斜仪、应变仪运行正常，地倾斜观测曲线变化与降雨具有较强的同步性，为此确定该时间段内的干扰因素为降雨干扰。

图1 2015年1月6～13日云县台形变观测曲线及降雨量变化

图2 2014年8月24日云县台形变观测曲线与气压值

(2)气压干扰。气压也是影响形变数字化观测的因素之一，由于大气压力的剧烈变化，通过压力对上覆地层的作用引起地面负荷增减，导致岩石应力状态发生变化，从而对SS-Y型伸缩仪产生影响；对DSQ型水管仪固体潮的影响主要是由于山洞内空气震荡，引起气流扰动，从而改变仪器的液面压力，液面随之响应(张常慧等,2007)。气压影响特点主要体现为：固体潮观测曲线与短时间气压变化、气流波动强度及持续时间基本同步，很少会出现长时间的趋势性改变，各类观测仪器多分量固体潮形态同步出现短时扰动、畸变、趋势转折等变化，很少出现数据大幅度的台阶和突跳抖动情况。气压对云县台垂直摆和水管倾斜仪影响较大，对伸缩仪影响较小。如2014年8月24日垂直摆和水管仪NS、EW两分量均产生固体潮畸变，与气压变化同步(见图2)。

2.2 人为干扰

(1)进洞换图纸干扰。云县台1989年至今保留着一套SQ-70B型石英水平摆模拟观测，每日8～9时需进入山洞更换图纸，换图纸大约需要15 min，该过程主要对DSQ型水管仪的斜边分量造成干扰。由于观测人员经过洞室时间明确，干扰形态呈单点突跳状，固体潮无趋势性畸变，垂直摆单独安放，干扰较小，为此这项干扰容易识别。

(2)检修仪器干扰。观测人员进入洞室或长时间待在观测室内会导致负荷发生微量变化，人体散热使洞室温度升高，检修过程中频繁走动会引起洞内空气运动，使DSQ型水管倾斜仪两端液面气压不平衡，在观测曲线上常表现为阶跃变化及数据单点突跳，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。2016年1月19日15～19时进山洞检修仪器，调试仪器历时约3 h，对VP型宽频带垂直摆倾斜仪NS、EW两分量的观测数据产生一定影响(见图3)。

图3 云县台2016年1月19日VP型宽频带垂直摆倾斜仪观测曲线

(3)标定和调零干扰。根据观测规范及形变学科组要求，为保证形变仪器测量精度和检验其稳定性，观测人员需定期对仪器进行标定，每次间隔时间不超过180 d，每年至少标定两次，且标定一般要选择在小潮时段进行，标定前先对仪器进行调零以免在标定过程中数据超限。各类形变观测仪精度很大程度上取决于格值标定的准确性，观测资料的可靠性与格值常数的准确测定有着密切关系，因此，须按常规标定步骤和要求对系统进行标定。标定影响在观测曲线上常表现为方波型畸变，因标定前后格值变化引起测值变化，曲线会形成类似掉格的台阶图像(见图4)。仪器调零对数据产生的影响主要为单点大幅度台阶变化，较容易识别。在进行数据预处理和震情短临跟踪分析工作时，需在观测日志中做详细说明，否则容易被作为前兆异常；编写月报和年报资料时也要将标定记录和观测曲线出现异常变化的原因进行说明后再报送。

图4 云县台2016年2月25日垂直摆观测NS向调零与标定曲线

2.3 观测场地环境干扰

云县台位于云县城东南边的山脚村，距离主城区约1.5 km，2010～2015年周边大型基建项目较少，形变仪器安装于具有40 m以上覆盖层的形变观测山洞内，观测环境良好，受场地环境干扰较小，通过查询观测日志和核实数据异常，发现2013年5月4～5日在观测仪器东南方位近700 m处，当地居民进行取高补低土石开挖组作业，对仪器造成的干扰较明显。DSQ型水管倾斜仪NS向观测曲线于2013年5月4～5日出现加速向北倾斜的变化，变化幅度约为100×10-3ms；SS-Y型伸缩仪NS向观测曲线于2013年5月4～5日出现加速拉伸的变化，变化幅度约为1150E-10，施工结束后数据趋势恢复正常(见图5a、b)。初步分析认为：由北向南运移土石方量很大，地表环境变化显著，荷载发生变化后导致观测区应力场改变，使形变观测产生不同程度的畸变，DSQ型水管倾斜仪NS向加速向北的倾斜方向与观测场区土石由北向南移具有时间同步性，SS-Y型伸缩仪NS向加速拉伸与观测场区荷载发生变化后导致观测区应力场改变的方向是一致的。因此在仪器运行正常的情况下，在不确定地下地质结构的前提下，依据工程和异常发生时间的同步性和荷载由北往南移的实际，结合观测数据变化形态，此次施工是数据异常变化的主要原因。2016年10月至今在云县台东南方位1.1 km处进行铁路隧道施工，隧道总长4.2 km，截至2018年1月共挖进1.6 km，隧道设计规格为宽5.2 m，高9.5 m，每挖进一米移出的土方量约为70 m3。在此期间，隧道施工使云县台形变观测山洞东南方向的岩体重力减轻，DSQ型水管倾斜仪NS、EW两分向整体趋势往北、西倾斜，NS向2017年变化量减小，2018年突然变大，约为年平均变化量的3倍以上，EW向2017年就迅速减小，2018年有小小的回升(见图5c、d)。伸缩仪NS、EW两个方向的变量曲线出现趋势转折的现象，但变化量不明显(见图5e、f)。说明爱华隧道施工对云县台形变观测有一定的影响，水管倾斜表现明显，伸缩仪影响小。

图5 云县台形变观测受荷载变化干扰原始数据与年变量曲线

2.4 观测系统故障干扰

通过分析云县台自观测以来的形变观测资料，发现观测系统故障主要有传感器受潮、线路老化、数采故障、仪器靠摆和电压不稳。其中传感器和线路老化引起的数据变化表现为数据突跳、毛刺、曲线粗糙、噪声大等高频扰动；数采故障和仪器靠摆很容易判断，数据记录有紊乱信息、固体潮形态畸变、一条直线、缺记的现象；电压不稳常常会导致观测曲线出现短时间的渐变台阶(见图6)。对因观测系统故障引起的干扰，采用“中国地震前兆台网数据处理软件”做台阶、突变、缺数处理即可保证数据的连续可靠。在不确定观测系统是哪个部件出现故障时，在核实过程中需结合云县台的具体情况进行分析，按照由观测室外及室内的步骤进行排查，首先检查配电房里的供电线路和开关，机房里的UPS、数据采集器、主机，洞室外的供电线路和信号线路，再排查洞室内的线路、放大盒、传感器、标定棒等，这样可以及时排除可能的干扰因素，避免人为因素造成重复干扰。

图6 云县台形变观测系统故障曲线

3 结语

通过分析云县台多年定点形变观测资料，正确识别洞体倾斜和应变观测中干扰曲线形态和原因，对研究人员使用观测资料提供有益的帮助。(1)自然环境造成的干扰因素主要有气压、降雨、雷电等，干扰曲线形态表现为同步阶跃、趋势转折、单点台阶或突跳等。其中气压变化对观测数据影响相对较小，而雷电或集中连续强降雨会造成观测数据大幅变化，因此做好防雷工作对形变观测很重要。(2)场地环境变化干扰因素较少，且容易被识别和发现，自观测以来在周边进行大规模施工仅有两次。短时间的土石开挖导致环境荷载变化会引起分钟值观测曲线明显的阶跃，长时间的隧道施工改变山体荷载后会引起日均值曲线产生趋势性变化，年变量也会发生变化。(3)人为干扰和观测系统故障干扰曲线主要表现为：数据突跳、缺数、台阶、曲线粗糙、噪声大、固体潮畸变和紊乱。