个旧地震台VP垂直摆倾斜仪观测干扰研究

李波，陈阳，白世达，李万金

(云南省地震局个旧地震台，云南 个旧 661000)

0 引 言

地形变观测是获取地壳的微小变化、捕捉地震前兆信息的途径之一，也是做好震情跟踪工作的重要依据之一[1]。在VP垂直摆倾斜仪观测过程中，往往会受到一些外界因素的干扰，如自然环境、场地环境、人类活动等，使得观测资料出现幅度不等的异常变化，这些异常变化是地震前兆异常还是干扰，值得进一步研究总结。目前，对个旧地震台(以下简称“个旧台”)的VP垂直摆干扰分析较少，本文通过分析个旧台VP垂直摆数据的干扰因素，总结各类干扰的表现形式，建立干扰图像库，对提高数据干扰判别能力及观测资料质量具有重要意义，有利于提取较为可靠的前兆异常信息。

1 观测背景

1.1 台址构造

个旧台地处云南省东南部，隶属云南省地震局，位于北南走向的小江断裂南端和西北—东南走向的楚雄—红河断裂带的交汇部位，地处个旧断裂以南2 km，台站及周边地区的地质构造复杂，中强地震颇为频繁，地震活动水平较高。

1.2 观测洞室环境

个旧台位于个旧市宝华公园内，海拔1 791 m，VP垂直摆倾斜仪观测山洞洞体岩性为灰岩，山洞覆盖层平均厚度35 m。山洞内设置船舱门2道、塑料门5道，以减小空气流动、保持恒温。仪器洞室温度约为17.2 ℃，洞温日变幅小于0.003 ℃，年变幅小于0.1 ℃。山洞洞体干燥，全年温差变化极小，观测条件优良。

1.3 观测仪器

个旧台VP型宽频带倾斜仪于2016年1月12日安装，同年2月1日正式投入观测，有南北、东西两个分量，实现了数字化采集，可通过电脑完成仪器调零、校准等操作。个旧台具有气温、气压、降雨量等辅助观测手段。VP型宽频带倾斜仪运行以来，工作性能稳定，观测数据连续可靠。

2 干扰分析

地震前兆信息识别较为复杂，观测数据易受到自然环境、场地环境、观测系统、人类活动等因素干扰，因此区分前兆信息与各类干扰因素十分必要。

个旧台VP型宽频带倾斜仪自投入观测以来，已积累了稳定、可靠的数据。根据日常工作记录日志，从中提取具有代表性的干扰事件，建立个旧台VP垂直摆观测受降雨、雷电、蓄水池蓄水、爆破等干扰波形图像库，能有效提高VP垂直摆观测资料的可信度和可用度。

2.1 正常记录曲线

通过近年来日常观测资料分析对比，结合气象三要素，在确保无降雨、雷电、爆破、仪器故障等因素的影响下，截取2020年3月9日VP垂直摆观测分钟值曲线。由图1可知，VP垂直摆正常固体潮为光滑、噪声低的正弦曲线，且具有一定周期性；南北分量最大日变幅约为25×10-3"，东西分量最大日变幅约为29×10-3"。

图1 2020年3月9日正常固体潮曲线

2.2 降雨干扰

个旧属亚热带高原季风气候，雨水充沛，雨季为每年6～10月，大量降雨对VP垂直摆观测干扰较大。根据相关研究，降雨时一部分雨水经地表流走，另一部分则渗入山体岩石的裂缝或土层中，岩石的不规则裂缝经雨水渗透发生膨胀，孔隙间压力发生改变，使岩石产生不均匀的变形[2]。同时，孔隙与土层中水的存在，使洞体覆盖层重量产生变化，造成垂直摆观测发生倾斜变化[3]。由2021年6月30日～7月6日个旧台VP垂直摆观测分钟值曲线可知，南北分量7月2日～3日呈缓慢下降趋势，图中南北分量突跳为记录到的地震(图2)，东西分量7月1日～3日呈快速下降趋势；期间观测系统运行正常，无场地环境、人类活动等干扰因素，2021年6月30日～7月2日个旧连续强降雨，累计降雨量为123 mm，分析认为连续强降雨是导致数据下降的原因。

图2 个旧台VP垂直摆降雨干扰曲线

2.3 雷电干扰

雷电产生的感应磁场可在地面金属网络中产生感应电荷，高强度的感应电荷在金属网络中形成瞬间高压电场，从而对仪器内部的弱电设备进行放电[4]，VP垂直摆观测易受到雷电的强电磁干扰。

2020年4月23日个旧出现雷雨天气，VP垂直摆南北、东西分量观测曲线出现不同幅度台阶(图3)，与正常固体潮曲线明显不同，经与个旧台测震资料核实确定，当天该区域未发生地震或爆破，且值班人员确定台阶时间段台站附近雷电活动频繁，故确定个旧台南北、东西分量受雷电干扰。

图3 个旧台VP垂直摆雷电干扰曲线

2.4 蓄水池蓄水干扰

自2016年2月1日VP垂直摆倾斜仪正式投入观测以来，VP垂直摆东西分量记录曲线偶有畸变，经系统性排查，最终确定为山洞上方蓄水池蓄水影响。

个旧观测山洞位于个旧市宝华公园内半坡上，形变观测仪器安置于山洞内，个旧市自来水公司的城市居民用水宝华公园1号蓄水池位于观测山洞斜上方山坡上，1号蓄水池高程为1 810 m，距测点水平距离约23 m，与测点垂直高差约20 m，蓄水池为圆柱形，储水量约200 m3。

1号蓄水池一般处于动态平衡状态(供水和出水平衡)时，对形变观测无干扰。距1号蓄水池约500 m，垂直位置更高处建有2号蓄水池(2号蓄水池蓄水承重变化对形变无干扰)。因1号蓄水池与2号蓄水池共用一根供水管，两个蓄水池同时供水时2号蓄水池由于供水水压不够而无法供水，所以给2号蓄水池供水时需关闭1号蓄水池的进水阀，这样就打破1号蓄水池动态平衡，引起蓄水量变化，从而导致形变观测仪VP垂直摆东西分量记录曲线畸变。因2号蓄水池居民用水速度不定、抽水人员开关阀时间及时长不固定，所以影响频次为不定期，干扰幅度也有所不同。

2016年5月11日我台协同云南省地震局仪器维修人员与自来水公司工作人员到蓄水池实地调查，并与自来水公司协商一致，请自来水公司开关水阀的工作人员记录每天的开关水阀的时间，为期一个月(2016年5月13日～2016年6月12日)，整月的观测记录显示VP垂直摆实际观测曲线受干扰时段与开关水阀时间完全吻合，故明确判定个旧台VP垂直摆东西分量记录曲线畸变为蓄水池蓄水干扰。典型干扰记录曲线及开关水阀时间对比分析见图4，图中突跳为记录到的地震。通过一个月的开关水阀记录发现，当蓄水池处于动态平衡状态(进水和出水平衡)时，对VP垂直摆观测无干扰；经过协商，自来水公司通过增加水压解决2号水池供水问题，不再进行1号蓄水池进水口关阀操作，VP垂直摆观测恢复正常。

图4 个旧台VP垂直摆东西分量受蓄水池蓄水干扰曲线

图5 个旧台VP垂直摆爆破干扰曲线

2.5 爆破干扰

个旧市是以生产锡为主并生产铅、锌、铜等多种有色金属的冶金工业城市，是中外闻名的“锡都”，开采锡矿的历史有约2000年，是中国最大的产锡基地。个旧台台站周边有云锡公司所属的大屯、卡房、老厂三个矿区，三个矿区距离个旧台直线距离均在20 km以内。

日常处理数据过程中，我台注意到VP垂直摆记录曲线经常存在不明原因突跳，通过对观测系统、观测环境等逐一排查，结合台站工作人员到云锡公司核实情况及对比我台测震资料可以确定是台站周边矿区爆破干扰，爆破产生的振动能够被VP垂直摆清晰记录到。

由VP垂直摆爆破响应分钟值曲线(图5a)可见，爆破对应时刻记录曲线单点突跳；由爆破对应时刻测震仪的记录波形(图5b)可见，爆破波形周期较大，扰动频率较低，持续时间相对较短。

图6a为2021年4月21日个旧2.5级地震(震中距10 km)VP垂直摆记录曲线，地震对应时刻记录曲线单点突跳；地震对应时刻测震仪记录到的波形可看出地震波形记录周期小(图6b)，频率高，持续时间相对较长，震相特征明显。因此，通过查看对应时刻的测震波形可以有效区分爆破和地震。

图6 2021年4月21日个旧2.5级地震同震响应

2.6 观测系统类干扰

个旧台VP倾斜仪南北分量2019年11月19日数据记录毛刺多(图7a)，故障发生后值班人员及时排查维修，发现因观测室内湿度较大，垂直摆南北分量密封不严且干燥剂使用时间过长失效，导致线路受潮严重发生故障。为解决潮湿引起的线路故障，个旧台于2020年4月9日在仪器墩上安装了密封罩，在密封罩内放置了足量的干燥剂且定期更换，防潮效果较好。

2019年3月6日南北分量通过电脑发送调零指令后调零未果(图7b)，图中高频扰动为记录到的地震。经查为调零电机故障，更换调零电机后恢复正常。

图7 观测系统干扰

2.7 人为干扰

人为干扰类型较多，如校准调零、仪器维修、日常巡检等，对VP垂直摆观测均会造成不同程度的影响，如：①2021年4月9日工作人员进山洞检修仪器，造成较长时间干扰，观测数据畸变，其中南北分量最大变幅为252.815×10-3"，东西分量最大变幅为316.966×10-3"，与正常固体潮变幅相差较大(图8a)，仪器检修完成后恢复正常；②个旧地震台于2019年9月28日对VP垂直摆进行仪器校准，观测数据受到干扰，观测曲线多次出现脉冲和坏数(图8b)。

图8 人为干扰

3 结论和认识

3.1 结 论

个旧台VP垂直摆倾斜仪自正式投入观测以来运行良好，能够清晰的记录固体潮变化，观测数据连续可靠。通过对个旧地震台VP垂直摆观测中存在的典型干扰进行分析，根据成因可分为自然环境、场地环境、观测系统、人为干扰4种类型。

(1)个旧台VP垂直摆观测受降雨、雷电等自然环境干扰。降雨是VP垂直摆观测的普遍干扰因素，许多站点均有类似记录；干扰幅度及干扰时间长短与降雨时长、强度等因素有关。对于雷电干扰，对应时刻VP垂直摆观测曲线出现大幅台阶，南北、东西分量均形成“平缓—陡降—陡升”的变化过程。

(2)个旧台VP垂直摆观测场地环境类干扰主要是台站上方蓄水池蓄水、爆破干扰；对于蓄水池蓄水干扰，自来水公司不再进行蓄水池进水口关阀操作，干扰已消除。对于爆破干扰，由于云锡公司生产需要，爆破在所难免，所以日常工作中应及时查看个旧台测震波形来区分爆破和地震，并认真填写工作日志。

(3)个旧台VP垂直摆观测观测系统类干扰主要包括线路故障、调零电机故障；对于线路受潮引起的数据畸变，个旧台已在仪器墩上安装了密封罩，在密封罩内放置了足量的干燥剂且定期更换，防潮效果较好。对于调零电机故障，个旧台配备了备用调零电机一旦发生故障及时更换，避免人工进洞调零造成长时间干扰。

(4)实际观测中，人为干扰不可避免，日常工作中如需进洞维修要提前做好准备工作，维修人员应熟悉并掌握仪器构造，尽可能的缩短维修时间。

3.2 认 识

(1)VP垂直摆观测有些干扰具有一定普遍性，如降雨、雷电等，许多台站均有记录，可学习前人的方法进一步研究或通过技术手段消除。

(2)因各台站环境不同，VP垂直摆观测干扰因素存在差异，在实际工作中要及时发现并查找干扰源，采取相应措施尽可能减少对VP垂直摆观测的影响，使观测数据更可靠。

(3)各类干扰对VP垂直摆观测均有不同程度的影响，建立各类干扰的典型特征图像库，对提高VP垂直摆观测资料质量具有重要意义。