徐州地震台伸缩仪观测干扰分析＊

郝 冉 杨 驰刘冬冬李兰生高明智 张 岑

1)江苏省地震局徐州地震台，江苏徐州 221008

2)江苏省地震局，江苏南京 210014

引言

伸缩仪是精密测量地壳岩体两点间水平距离相对变化的仪器，适用于观测地壳应变和固体潮水平分量的连续变化，为研究地震孕育过程的水平应变的变化规律提供数据，也为地球弹性研究提供重要数据。我国自行研制了SS-Y型伸缩仪[1]。徐州地震台伸缩仪于2018年由武汉地震科学仪器研究院安装在观测山洞中，2020年开始正式观测，仪器工作状态连续稳定，所记录的固体潮清晰，同时对国内外强震具有较好的映震能力。在日常观测中除记录到的地球物理事件外，观测资料还会受到各类因素（如降雨、气压、雷电、进洞等）干扰。SS-Y型伸缩仪观测数据受各种干扰因素的影响形态的异常分析已有很多研究[2-5]。本文通过对徐州地震台伸缩仪运行至今的观测资料分析，总结出日常观测中常见的干扰现象。对降雨干扰、气压干扰的基本变化规律进行分析，以求更好地排除非地震前兆干扰，有效地增强对地震前兆异常的识别。

1 台站概况

徐州地震台是国家形变基本台，始建于1975年，位于江苏省徐州市南郊云龙山第八节东坡（34.23°N，117.17°E），海拔60 m。台站所处地貌属徐州弧形构造的一部分，主要断裂有东部NNE向的郯庐断裂带，西部NNE向的聊考断裂带，北部NWW向的丰沛断裂带和南部NWW向的符离集断裂带。废黄河断裂从市区穿过，是一条张性NWW向断裂。台站周围出露大面积基岩，节理发育，岩石产状约80°，地质年代属寒武系中统原层灰岩。徐州台伸缩仪安装在观测山洞内（图1）。

2 仪器参数和日常观测资料

2.1 仪器参数

徐州台伸缩仪利用人防山洞开展形变观测。徐州台观测山洞年温变小于0.1℃，日温变小于0.01℃，伸缩仪、水管仪观测场地周边无明显干扰，但受降雨干扰较为明显。伸缩仪NS分量进洞深300 m，基线长度为28.14 m，方位角为22.54°；EW分量进洞深350 m，基线长度为17.92 m，方位角为113.89°。

2.2 日常观测资料

徐州台伸缩仪观测稳定性强、可靠性高、观测精度高，记录到的固体潮曲线光滑连续，日变周期明显可见，日变幅在200×10-10左右（图2）。通过计算M2波潮汐因子及其绝对误差，检验其观测资料的精度和长期稳定性，可以看出数据内在质量均达到优良以上（表1）。

图1 徐州地震台山洞测项分布图Fig.1 Distribution map of cave survey itemsat Xuzhou seismic station

图2 徐州台2020年5月1—15日伸缩仪观测日变曲线Fig.2 Observational daily curve of extensometer at Xuzhou seismic station on May 1—15，2020

表1 徐州台伸缩仪潮汐因子及精度表Table 1 Factor and precision table of telescopic instrument of Xuzhou seismic station

3 自然环境干扰

3.1 降雨干扰分析

2020年1月7日12时—9日6时24分伸缩仪观测数据出现急始性的短时曲线拉伸，最大幅度分别为NS分量36.6× 10-10和 EW分量79.8×10-10，排除其他干扰因素，并结合天气变化，徐州市1月6—8日为连续降雨天气，降雨时间为1月6日0时—8日12时，降雨时间合计36 h，降雨量为33.1 mm，NS分量降雨效率为0.03，EW分量降雨效率为0.07（图3）。

图3 徐州台伸缩仪受降雨影响的观测曲线图Fig.3 Observation curve of extensometer affected by rainfall at Xuzhou seismic station

降雨对伸缩仪影响较为明显，表现为固体潮日变曲线出现拉伸，呈张性上升趋势。特别是雨季期间长时间的强降雨导致山体积水沿土层逐渐渗入岩石的裂隙，持续一段时间后土层经雨水的渗透致山体岩石的裂隙发生膨胀，空隙间的压力发生变化。当雨水充满断层破碎带时，断层伸长，从而使得伸缩仪观测到发生的地形变变化。分析认为，降雨干扰变化主要与观测场地的地质构造和环境荷载有关，徐州地震台观测山洞位于徐州市云龙山第八节东坡，因地势原因雨水流向南侧与东侧，从而造成伸缩仪NS分量、EW分量分别观测到岩石裂缝与洞体覆盖层的缓性压力变化。

通过统计2020—2021年降雨事件中实际观测的伸缩仪的增量Δa1、Δa2、伸缩仪增量时间Δt1、Δt2、降雨量W、降雨持续时间Δt，计算获得降雨系数β=Δa/W ，降雨效率 η=β/Δt（表2）。由表2计算得出2020—2021年伸缩仪NS分量的平均降雨效率为1.63，EW分量的平均降雨效率为4.98。分析认为，EW分量降雨的响应较为灵敏，当降雨发生后雨水充分渗入山体介质，从而改变了介质密度以及重力分布，于是引起局部区域加速形变，因地势原因且仪器安装场地EW分量附近有一处相距约6 m的北南走向的裂隙，故观测到的降雨变化更为显著。通过表2统计的伸缩仪工作至今的所有降雨事件可以看出，徐州台伸缩仪受降雨干扰多发于6—9月，其平均降雨效率为5.78，少数降雨干扰发生在1—2月，其平均降雨效率为1.36，夏季降雨干扰效率更高，是冬季降雨干扰效率的4倍，原因在于夏季降雨量更大，降雨时间更集中，导致雨水渗入地下介质更充分，从而形成地下径流，故而对降雨响应更为敏感，干扰效率更高。

3.2 气压干扰分析

气压也是干扰伸缩仪观测的主要因素之一，短时间内气压的非周期变化会使伸缩仪出现固体潮畸变。导致大气压日变化的原因主要有3点：大气的运动、大气温度的变化和大气湿度的变化，主要表现为大风、降雨、雷暴，由于伸缩仪器安装在山洞内，温度、湿度恒定，故主要受到大气压强变化作用在山体上产生的形变干扰。气压作用的干扰时间一般持续较短，多为数分钟或几小时。徐州地震台伸缩仪NS分量、EW分量2020年5月17日20时5分—18日3时48分数据曲线畸变出现小幅扰动，幅度分别为：NS分量为16.42×10-10，EW分量为8.26× 10-10。经排除其他干扰因素，结合天气变化，徐州市该时段气压变化明显，气压数据由991.5 hPa升至1001.1 hPa（图4）。伸缩仪受气压干扰响应时间段与气压变化时间段基本一致，在短时间内的变化趋势也基本相同，干扰形态以宽幅震荡为主并不改变固体潮趋势，且干扰结束后固体潮立即恢复正常。由于徐州台伸缩仪自2020年正式观测至今受气压干扰事件仅此一例，尚不能判断其干扰的规律。

3.3 雨水淤积干扰分析

图4 徐州台伸缩仪受气压变化影响的观测曲线图Fig.4 Observation curve of extensometer affected by the pressure changeat Xuzhou seismic station

2021年7月14—17日徐州市为中雨天气，降雨时间合计61小时，降雨量累积达到150.8 mm，伸缩仪NS分量、EW分量2021年7月15日0时53分—17日12时36分数据曲线畸变出现大幅扰动，幅度分别为NS分量3073.8× 10-10，EW分量4456.9× 10-10。由于EW分量所在观测场地地下径流更为复杂，16日EW分量观测场地因山体内雨水径流量过大，导致排水不畅产生淤积，由于观测场地排水槽东高西低的原因，淤积的水体逐渐在伸缩仪西端汇集，数据出现回落变化。干扰特征识别：由于EW分量所在观测场地的排水口处于西端，且汇流而来的山体内出水量较大，当出现雨水无法排出时，仪器记录到短时间内淤积水体带来的压力变化，随着水体的疏通，观测曲线出现快速反弹，随后逐渐恢复正常（图5）。

图5 徐州台伸缩仪受雨水淤积影响的观测曲线图Fig.5 Observation curve of extensometer affected by rainwater backflow at Xuzhou seismic station

4 观测系统干扰

2021年12月3日19时—24日23时59分伸缩仪EW分量观测数据整体出现先缓慢下降后加速上升的故障现象。期间12月3日19时—7日20时EW分量观测数据出现连续大幅度向下变化，固体潮清晰可见，异常变化幅度为3032.0× 10-10，约为正常日变幅的22倍；12月7日21时—13日12时EW分量观测数据出现大幅度加速上升变化，异常变化幅度为12 207.4 ，约为正常日变幅的87倍；13日13时—24日EW分量观测数据恢复为下降变化（图6）。

图6 徐州台伸缩仪2021年11月20日—2022年1月18日变化曲线Fig.6 Daily curve of extensometer at Xuzhou seismic station from November 20，2021 to January 18，2022

针对本次故障现象，12月13日对洞体应变仪观测系统进行全方面的检查，进洞检修仪器发现，仪器传感器铁芯在差动变压传感器中未居中，存在明显偏离。传感器铁芯出现 “靠边” 现象，导致铁芯与差动变压传感器未居中平行且出现摩擦，偏置的传感器铁芯在差动变压传感器中的感应面积增加，这使得感应电压在观测中大幅增加，是观测数据加速上升的主要原因。

发现此现象后对仪器进行重新居中，需要将标定板微调至适中位置，通过不断校正标定板位置使得传感器铁芯重新居中，仪器在维修后停止了急速上升的故障变化（图7）。仪器由于铁芯重新居中后，观测数据缓慢出现回落，待观测系统稳定后，观测系统恢复正常。

5 结论

日常观测中常见的干扰现象可分为自然环境干扰和观测系统干扰。

图7 徐州台伸缩仪故障维修图Fig.7 Fault maintenance diagram of extensometer at Xuzhou seismic station

降雨是徐州台伸缩仪的主要干扰源，当降雨发生后，雨水充分渗入山体介质，改变了介质密度以及重力分布，引起局部区域加速形变，表现为固体潮日变曲线出现拉伸，呈张性上升趋势。EW分量的平均降雨效率更高，是NS分量的近3倍，EW分量观测到的降雨变化更为显著，EW分量降雨的响应较为灵敏。

雨水淤积干扰较为少见，此类干扰较为典型，干扰表现为降雨干扰上升趋势中突然下降后逐步恢复至上升趋势，本质上属于载荷变化带来的影响，当出现雨水无法排出时，仪器记录到短时间内淤积水体带来的压力变化，随着水体的疏通，观测曲线出现快速反弹，随后逐渐恢复正常。

观测数据短时间大幅加速上行是传感器铁芯 “靠边” 所致，铁芯与差动变压传感器未居中平行且出现摩擦，导致感应电压在观测中大幅增加，是观测数据加速上升的主要原因。铁芯重新居中后，观测数据缓慢出现回落，观测系统恢复正常。此类观测系统干扰与前兆异常较为相似，但短时间大幅加速上升与一般异常现象有所不同，面对此类观测数据变化幅度较大的异常现象应首先考虑是否是传感器铁芯未居中造成的。

徐州地震台伸缩仪EW分量观测场地由于排水能力差，面对强降雨后山体内过大的雨水径流量，经常导致排水不畅产生淤积，由于伸缩仪的基线直接安装在基岩上，导致仪器故障率较高，目前伸缩仪观测场地亟需进行环境改造，建议依照学科组规定建立30 cm高的水泥观测墩，同时在EW分量观测场地西端开凿排水口，以提高场地排水能力，提高观测数据质量。