降雨变化对昭通中心站YRY-4钻孔应变仪的影响分析＊

彭登靖 马敏伟 秦 波 马 达

（云南省地震局昭通中心站，云南昭通 657000）

引言

YRY-4 钻孔应变仪是一种重要的地形变观测仪，有观测数据可靠、灵敏度高、固体潮记录清晰的优点，能够记录地壳内部的微弱变化，是一种使用广泛的地形变观测仪器，在记录地形变变化及监测地震前兆异常信息方面有重要意义[1]。

在雨季较为集中的夏季和秋季，云南昭通中心站YRY-4 钻孔应变仪观测数据受降雨干扰明显，降雨干扰致使观测数据曲线发生异常变化，覆盖了一些很重要的前兆异常信息。为此，定量分析降雨干扰，可以帮助我们区分干扰和异常，积累经验，为地震研究服务。目前，已有学者基于降雨对地震监测仪器的干扰进行量化分析。例如，吕琳等[2]利用形变观测数据，运用统计归纳法对武汉台形变观测与降雨参数进行定量分析；李智蓉等[3]运用数学回归模型方法，定量分析降雨对昭通地震台的影响。上述学者认为，降雨量与形变之间存在联系，当降雨量达到某临界值时，便会干扰形变仪器观测数据，降雨量与YRY-4 钻孔应变仪应变量之间呈线性对应关系。

YRY-4 钻孔应变仪观测数据受降雨干扰机理较为复杂，降雨量与应变量之间是何种对应关系？降雨影响主要来自哪些方面？这些都需要对前兆观测数据进行深入的分析与处理。因此，定量分析降雨对YRY-4 钻孔应变仪的影响，提高降雨干扰特征的认识很有必要。

本文利用昭通中心站YRY-4 钻孔应变仪2018—2021 年月变、年变观测资料，定量分析降雨对观测数据曲线产生的影响。采用统计降雨干扰事件进行线性相关性、回归性分析，拟合出降雨总量、瞬间最大值降雨量与YRY-4 钻孔应变仪应变量之间的关系。

1 台站形变及YRY-4 钻孔应变仪概况

昭通中心站地处云南省东北部（简称滇东北），这里有近南北向构造的小江断裂、峨眉—金阳断裂、汉源—甘洛断裂，北西向构造的威宁—大关马边断裂，北东向构造的巧家—五莲峰断裂、洒渔河断裂、迤车迅断裂与昭鲁断裂等断裂带。滇东北地区处于地震活跃区，台站地质构造复杂，受应变力类型作用较多，这些特点使昭通地区具备中强震孕育的环境条件。

昭通（滇东北）地处云南东北方，夏季降雨量大，持续时间长，冬季气温低，常常有降雪。台站基岩为晚古生代二叠纪玄武岩。YRY-4 钻孔应变仪安装在距离地面45 m 处，玄武岩地层，套管距离地表25 m深，在接近探头10—20 m 深处有多处掉块、破碎，探头距离地面44.7 m 深完整段处，降雨渗透较大，受降雨干扰较明显，在短临跟踪方面有很重要的作用。比如，赵琴等[4]发现钻孔应变在MS5.5 震前有异常；祁蒙等[5]利用YRY-4 钻孔应变仪开展异常核实。

昭通中心站还有水平摆、水管仪、伸缩仪、重力仪等地形变观测仪器，在地震监测和短临跟踪中可为YRY-4 钻孔应变仪受干扰情况提供辅助佐证[6]。经过长时间观测，各套形变仪器在降雨、融雪等影响下多次出现同步干扰、地震同步响应。

2 降雨对YRY-4 钻孔应变仪定量干扰分析

为研究降雨量与钻孔应变量之间的对应关系，发现YRY-4 钻孔应变仪应变量与降雨量之间可能存在的规律，以及分析降雨对YRY-4 钻孔应变仪产生干扰的原因。本节从降雨干扰论证、降雨干扰概述和定量分析降雨干扰进行论证。

2.1 降雨干扰论证

为验证昭通中心站YRY-4 钻孔应变仪观测数据周期性异常变化是否为降雨干扰，本文从观测系统、观测环境两方面进行排除论证。

YRY-4 钻孔应变仪观测数据自洽检验是用于验证仪器本身是否工作正常，观测数据是否可靠的一种方法，其原理是利用地震仪器检测软件，导入YRY-4 钻孔应变仪S1、S2、S3、S4四分量观测数据，如果两分量数据相互正交之和相等，即S1+S3=S2+S4，说明仪器工作正常，如不相等则仪器故障。导入2021 年6 月YRY-4 钻孔应变仪观测数据（图1），结果表明：北南分量、东西分量之和（S1+S3）与北西分量、北东分量之和（S2+S4）相等，证明YRY-4 钻孔应变仪工作正常，观测数据可靠，基本排除仪器本身干扰的影响。

图1 自检相关系数K 值检验Fig.1 Self-check correlation coefficient K value test

YRY-4 钻孔应变仪受自然环境干扰较多，常见的为降雨、融雪等。提取2015 年以来年变观测数据，统计降雨次数发现一个共同特点：YRY-4 钻孔应变仪观测数据趋势转折异常变化基本发生在降雨较多的夏季和秋季，春季和冬季观测数据基本正常。趋势转折集中出现在每年4—9 月，统计2015 年以来降雨干扰高达300 次；其次，台站水管仪、伸缩仪、垂直摆等形变仪器在降雨量较大时也同步出现干扰，只是记录干扰情况不同，基本说明台站周围地质因降雨而发生形变，即趋势转折为降雨干扰。

2.2 降雨干扰概述

统计昭通地区2018—2021 年降雨事件共245 次，其中降雨对YRY-4 钻孔应变仪产生干扰次数达158 次。降雨大小、类型不同，对曲线形态产生的影响不同。降雨总量或瞬间最大值降雨量小于某个量值时，降雨不会对观测数据曲线形态产生影响；当降雨达到一定量时，降雨量越大，YRY-4钻孔应变仪应变量越大。为便于分析，基于YRY-4钻孔应变仪为北南、东西、北东、北西四分量数据变化是同步的，本文选取北南分量观测数据为例进行分析。

在统计的245 次降雨干扰事件中，列举了2019年4 月和2021 年10 月瞬间最大值降雨对观测曲线没有产生干扰的情况中（图2），固体潮记录清晰，受降雨干扰不明显。由于降雨总量或瞬间最大值降雨量未达到曲线形态变化临界值，共有87 次降雨未对曲线形态变化产生影响。可能因为降雨量较少，降雨持续时间较短，雨量被土质吸收、蒸发，降雨干扰与应变之间存在迟滞性所致。

图2 降雨对YRY-4 钻孔应变仪应变无干扰情况Fig.2 Rainfall does not interfere with the strain of the borehole strain gauge

当受到长时间降雨或瞬间最大值降雨干扰时，曲线走势会明显发生变化。图3a 为2020 年6 月观测数据曲线间断或连续性加速上升，仪器间断或持续向北倾斜变化；图3b 为2021 年7 月观测数据曲线间断或连续性加速下降，仪器间断或持续向南倾斜变化。可能由于降雨量较大，雨水渗透，土质吸收雨水，雨水短时间难以蒸发，地形变变化所致。

图3 降雨干扰Fig.3 Rainfall disturbance

2.3 定量分析降雨干扰

根据长时间的经验积累，降雨对YRY-4 钻孔应变仪观测数据干扰的影响大致分为两类：①一段时间积累的降雨总量；② 短时间强降雨积累的降雨量。根据降雨类型的不同，为便于分析，将 ①命名为降雨总量，② 命名为瞬间最大值降雨量。本文选取2020 年6—9 月昭通中心站气象三要素降雨量数据，对降雨总量、瞬间最大值降雨量进行定义。降雨总量是指一次降雨一段时间内所达到的降雨总量（如图4a 降雨量值图中方框范围所示），此类降雨持续时间大于10 min，两次相邻降雨时间间隔小于12 h；瞬间最大值降雨量是指单位时间内所达到的最大值降雨量（如图4a 降雨量图中箭头所示），单位时间一般小于3 min，单位时间降雨量小于40 mm。

以降雨总量、瞬间最大值降雨量为自变量，YRY-4钻孔应变仪应变量为因变量进行降雨干扰定量分析。一次累计降雨总量对应YRY-4 钻孔应变仪应变量，理论上形成相对应关系，但由于降雨干扰具有迟滞性，数据曲线趋势转折点会相应后移（图4b）。

图4 为2020 年6—9 月钻孔应变年变曲线以及降雨总量、瞬间最大值降雨量值，矩形范围代表每次趋势转折达到的降雨总量，图4a 箭头所指代表瞬间最大值降雨量，图4b 箭头所指代表降雨导致观测数据趋势转折。利用降雨值和YRY-4 钻孔应变仪北南分量绘制同轴曲线，共记录观测曲线趋势转折前瞬间最大值降雨事件共31 次，统计部分降雨干扰事件（表1）。

表1 2018—2021 年瞬间最大值降雨量及干扰趋势统计表Table 1 Statistical table of instantaneous maximum rainfall and disturbance trend from 2018 to 2021

图4 钻孔应变北南分量、降雨总量对比分析Fig.4 Comparative analysis of North-South component of borehole strain and total rainfall

以统计次数为自变量，瞬间最大值降雨量为因变量，绘制散点图（图5）。从图5 中可看出，瞬间最大值降雨量与降雨干扰之间存在一定相关关系，瞬间最大值降雨量值大于0.4 mm 时会干扰观测曲线。

图5 瞬间最大值降雨量与降雨干扰统计散点图Fig.5 Statistical scatter plot of instantaneous maximum rainfall and rainfall disturbance

以每次观测曲线发生趋势转折点之前短时间内累计降雨量总值，统计2018—2021 年降雨干扰事件（表2）。

表2 2018—2021 年降雨总量干扰YRY-4 钻孔应变仪事件统计Table 2 Statistics of total rainfall interference with borehole strain gauge events from 2018 to 2021

以降雨总量为自变量，YRY-4 钻孔应变仪应变量为因变量绘制散点图（图6）。从图6 中可以看出，降雨对钻孔应变年变曲线干扰明显。当降雨总量小于40 mm 时，降雨不会对YRY-4 钻孔应变仪产生干扰；当降雨总量大于40 mm 时，降雨总量与应变量之间基本呈线性关系，瞬间最大值降雨量与降雨总量之间无明显相关关系。

图6 降雨总量与YRY-4 钻孔应变仪应变量散点图Fig.6 Scatter plot of total rainfall and borehole strain gauge strain

3 降雨干扰原因分析

YRY-4 钻孔应变仪受降雨干扰机理较为复杂，且降雨干扰具有迟滞性[7]，所以本文利用大量降雨干扰统计数据为依据进行研究，尽可能的了解降雨干扰的机理。经过统计数据的分析与对比认为，干扰因素主要来自两个方面。

（1）昭通中心站所处位置在凤凰山脚下，山上植被覆盖率低，土层较厚，周围地质为松软黄色土质以及流动性较强的沙土[8]，易吸收和蒸发水分，降雨量较大，土质吸收水分，短时间内水分难以蒸发，雨水渗透至土质，岩石的抗压力减弱，引起YRY-4 钻孔应变仪应变量变化。

（2）凤凰山土质负载能力变化影响。昭通地区降雨季节性变化，降雨导致土质负载增加，土质松动，断层裂缝随着土质松动不断扩大，产生非永久性形变，随着降雨量的不断增加，区域土质弹性特征和地下介质加剧变化，导致YRY-4 钻孔应变仪观测曲线发生变化。

4 结论

（1）昭通中心站YRY-4 钻孔应变仪受降雨干扰明显，遭受长时间降雨干扰时，应变量随降雨特征的变化持续或间断性加速向北和向南倾斜；当遭受短时间、少量降雨干扰时，观测固体潮清晰，数据曲线无明显变化。

（2）当降雨总量小于40 mm、瞬间最大值降雨小于0.4 mm 时，YRY-4 钻孔应变仪不受降雨干扰影响；当降雨总量大于40 mm、瞬间最大值降雨大于0.4 mm 时，由于降雨影响具有迟滞性，导致YRY-4钻孔应变仪受到降雨持续或间断性干扰，即降雨总量40 mm 是YRY-4 钻孔应变仪是否受降雨干扰影响的临界值；降雨总量与瞬间最大值降雨量之间无明显相关关系。

（3）当降雨总量达到40 mm 时，降雨总量与YRY-4 钻孔应变仪应变量之间基本呈线性关系，应变量与瞬间最大值降雨量之间无明显相关关系。

（4）YRY-4 钻孔应变仪受降雨影响的原因主要来自两个方面：一是降雨渗透影响；二是土质抗降雨负载变化影响。

（5）定量分析降雨干扰是为了区分异常和干扰积累经验，以便于及时有效的判定异常，为地震研究服务，这正是本文研究的意义所在。