定點(diǎn)形變觀測的降雨干擾及排除方法研究

汪翠枝,張 磊,劉雙慶,周明全,劉文兵,李恩建,董洪軍

(1.天津市地震局,天津 300201;2.北京師范大學(xué),北京 100875)

定點(diǎn)形變觀測的降雨干擾及排除方法研究

汪翠枝1,張 磊1,劉雙慶1,周明全2,劉文兵1,李恩建1,董洪軍1

(1.天津市地震局,天津 300201;2.北京師范大學(xué),北京 100875)

分析了薊縣小辛莊臺形變觀測資料的降雨響應(yīng)特征,對觀測數(shù)據(jù)的非潮汐部分分別用一般距平法去年周期、K-L直線擬合方法去線性零漂等處理,再用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)法[1]對預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行排除降雨干擾計(jì)算,取得了一定的效果。

形變觀測;降雨干擾;動(dòng)態(tài)系統(tǒng)法;干擾排除

0 引言

薊縣地震臺屬全國定點(diǎn)地殼形變基本臺,是天津地區(qū)唯一的地形變觀測點(diǎn),也是首都圈中東部地區(qū)稀少的定點(diǎn)形變臺站之一。該臺形變觀測資料對華北地區(qū)中強(qiáng)以上地震具有較好的映震效能[2]。在薊縣臺小辛莊形變觀測資料的多種干擾因素中,降雨影響最為顯著,量級大,時(shí)間長,尤其是伸縮儀2個(gè)測向和水管儀EW向受影響最大,一次降雨可影響幾天到十幾天甚至更長時(shí)間。2008年8月12日的強(qiáng)降雨,使得觀測資料年變形態(tài)和趨勢發(fā)生很大改變,且持續(xù)幾個(gè)月不能恢復(fù)正常。這種大幅度變化到底是降雨干擾還是其中包含有地震前兆信息,需要對觀測資料進(jìn)行降雨干擾排除,才能對這種變化做出客觀地判斷,進(jìn)而獲取可靠的前兆變化信息。

薛禹群對地下水動(dòng)力學(xué)原理做了深入研究[3],張德涵根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)中的Darcy定律[4],建立起受地下水運(yùn)動(dòng)支配的地面沉降模型,并采用有限元法給出上述模型的數(shù)值解,目前對定點(diǎn)形變資料進(jìn)行降雨干擾定量排除研究的不多,李杰等在這方面做了一定的工作[5-7],劉序儼建立了具體的數(shù)學(xué)物理模型對降雨進(jìn)行干擾定量排除[1]。本文將借用劉序儼的動(dòng)態(tài)模型對薊縣小辛莊測點(diǎn)的定點(diǎn)形變觀測資料進(jìn)行降雨響應(yīng)計(jì)算和改正。

1 臺點(diǎn)概況

薊縣小辛莊子臺地理坐標(biāo)為(40.086°N,117.53°E),海拔高程約 100m,觀測洞深 240m,平均覆蓋厚度約80m,室內(nèi)日溫差小于0.03℃,年溫差小于0.05℃。測點(diǎn)所在的附近山體屬于陰山緯向構(gòu)造體系東部、燕山山脈東端,華北古地臺的震旦亞界沉積蓋層,主要巖性為白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r。在中厚層巖石內(nèi)可見有石灰?guī)r的壓熔構(gòu)造,說明已經(jīng)過輕微的變質(zhì)作用。山洞附近巖層比較連續(xù),沒有明顯的斷層發(fā)育,直到洞口兩邊的山溝也沒有錯(cuò)斷。巖層屬于單斜構(gòu)造,主要由中厚層的白云巖和薄層的泥質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成,各薄層間劈理都很發(fā)育,巖石破碎。

山洞附近地下水豐富,山洞以南2km處有庫容2～3m3的于橋水庫。受山勢的影響,山洞附近地下水流向是從東北向西南,當(dāng)?shù)孛磕?～18月份為雨季,有時(shí)也會在4月、5月或9月出現(xiàn)較大量的降雨。

2 觀測資料的降雨響應(yīng)特征分析

薊縣小辛莊定點(diǎn)形變測點(diǎn)共有3套儀器:DSQ型水管傾斜儀、VS型垂直擺傾斜儀和SS-Y型伸縮應(yīng)變儀,各套儀器均有 EW和NS 2個(gè)測向。觀測曲線受降雨影響都表現(xiàn)出負(fù)零漂變化,表1中統(tǒng)計(jì)了2002～2008年部分降雨時(shí)形變(應(yīng)變)資料的響應(yīng)幅度、各測項(xiàng)的平均日變速率和趨動(dòng)降雨量概值,趨動(dòng)降雨量是隨著地下介質(zhì)的含水飽和度或降雨的緩急不同而發(fā)生著變化的。由表1可以看出,伸縮儀NS向?qū)涤甑捻憫?yīng)最為靈敏,水管儀 EW向和伸縮儀EW向次之,再次是水管儀NS向,垂直擺2個(gè)方向只有在強(qiáng)降雨時(shí)才會發(fā)生傾斜突變。

表2是2002～2008年每年5～9月份降雨總量和同時(shí)期各測項(xiàng)零漂量的對比統(tǒng)計(jì),從表中可以看出,降雨是形變觀測的主要影響因素,形變(應(yīng)變)量和降雨量相關(guān)性較好(伸縮儀NS向2005年6月中旬開始表現(xiàn)出張性地震前兆異常變化,因此其應(yīng)變量與同時(shí)期的降雨量表現(xiàn)出不相關(guān))。

表1 形變(應(yīng)變)觀測對降雨量的響應(yīng)表

表22002 ～2008年各年5～9月份降雨總量和各形變零漂量對比表

山體巖性主要是灰?guī)r,滲水系數(shù)為3.29×10-6m/s[8],因此雨水入滲速度較快,形變觀測對降雨尤其是暴雨響應(yīng)靈敏,當(dāng)連續(xù)降雨量超過趨動(dòng)降雨量時(shí),形變觀測受降雨的干擾變化就會同步表現(xiàn)出來。圖1是2007年和2008年5～9月形變量和降雨量的日值對比曲線,2007年5月22日降雨量40mm,卻引起了水管儀EW向西傾和伸縮儀NS向壓縮的同步變化,分析認(rèn)為,雨季初期,地下介質(zhì)干燥松軟,雨水的滲入改變了介質(zhì)密度,引起局部區(qū)域加速形變;2008年6月下旬至7月中旬的持續(xù)降雨,導(dǎo)致各測項(xiàng)均出現(xiàn)了連續(xù)緩慢的下降變化,這種變化是地下介質(zhì)密度和重力均發(fā)生改變的雙重效應(yīng);2007年6月30日降雨96mm,2008年8月12日降雨94mm,這2次降雨量相當(dāng),但是引起形變突變的幅度大不相同,第二次要比第一次大幾倍,觀測曲線第一次降雨時(shí)表現(xiàn)為先突變,幅度小,隨后再緩慢下降,且恢復(fù)較快,第二次表現(xiàn)為同步的大幅度階變,其后在低值上變化時(shí)間長,持續(xù)幾個(gè)月仍恢復(fù)不明顯。其原因從圖2中2次降雨的特點(diǎn)不難得出,第一次降雨相對分散,雨水入滲充分,地表變形緩慢;第二次降雨主要集中在0～1時(shí),大暴雨會迅速形成向南的地表徑流,加載引起快速形變。因此,降雨對形變觀測的影響與降雨時(shí)間、降雨量及降雨過程等有密切關(guān)系,降雨形式的多樣性特點(diǎn)決定了形變降雨響應(yīng)的復(fù)雜化。

圖1 2007年、2008年5～9月形變量和降雨量對比變化曲線圖

圖2 薊縣降雨量小時(shí)值圖

3 用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)法排除降雨干擾的計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 原理及模型

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)法的原理是根據(jù)降雨所引起的孔隙流體的體積變化,間接反映地塊的脹縮,即地形變,并假設(shè)地形變與體積脹縮符合虎克定律。

3.2 計(jì)算及結(jié)果分析

小辛莊水管傾斜儀、垂直擺傾斜儀和伸縮應(yīng)變儀3套儀器共6個(gè)測項(xiàng),其觀測曲線的變化特點(diǎn)是:水管儀EW向、伸縮儀 EW向和NS向呈線性負(fù)零漂變化,水管儀NS向、垂直擺儀 EW向和NS向則表現(xiàn)出規(guī)律的年周期變化(圖3)。形變觀測資料中的年周期變化主要是局部地殼的一種周期性熱形變,趨勢線性變化主要是儀器的零漂反應(yīng),它們是地殼形變的一種規(guī)律性的附加效應(yīng),對形變的降雨響應(yīng)量統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生影響,因此運(yùn)用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)物理模型對資料進(jìn)行降雨干擾排除前,應(yīng)先對各測項(xiàng)資料進(jìn)行預(yù)處理,排除背景性的年周期或零漂部分。對水管儀EW向、伸縮儀EW向和NS向用 K-L最佳直線擬合方法濾除線性零漂,用一般距平方法[9]去除其他3項(xiàng)資料中的年周期變化成分,再把預(yù)處理后的數(shù)據(jù)作為 yt值進(jìn)行降雨響應(yīng)改正。

圖3 水管傾斜儀、垂直擺傾斜儀和伸縮應(yīng)變儀日均值及降雨量日值曲線圖

由于測點(diǎn)所處的山體巖性特點(diǎn),在降雨量達(dá)到測項(xiàng)的趨動(dòng)降雨量時(shí),形變(應(yīng)變)觀測會出現(xiàn)比較同步的短周期干擾畸變,因此取時(shí)延整數(shù)b=0、c=0;g取每次由降雨引起的形變量和降雨量的比值,為動(dòng)態(tài)變化值;降雨量或降雨形式不同,影響觀測資料時(shí)間 T在幾天至幾十天不等。經(jīng)過多次的參數(shù)調(diào)試,當(dāng) T取50天時(shí)(用五日均值計(jì)算時(shí),取 T=10),由降雨激勵(lì)出來的地形變值 y^t和觀測值符合效果最好。對6個(gè)測項(xiàng)觀測值的預(yù)處理數(shù)據(jù)用前述模型進(jìn)行計(jì)算,以伸縮應(yīng)變儀NS向?yàn)槔?對五日均值預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行排除降雨干擾的計(jì)算過程如圖4。

圖5是水管儀、垂直擺傾斜儀和伸縮應(yīng)變儀各測項(xiàng)用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)法排除降雨干擾的計(jì)算結(jié)果,經(jīng)過降雨改正的資料基本反映了較為真實(shí)的地殼形變信息。2006年7月4日河北文安5.1級地震前水管儀EW向東傾、垂直擺EW向西傾、垂直擺NS向南傾和伸縮儀NS向拉張的異常變化信息更為明顯;2008年3月11日河北盧龍3.9級地震前垂直擺EW向東傾和伸縮儀 EW向張性異常也更容易看出。文安地震前,伸縮儀NS向的拉張異常變化與易縣伸縮儀NS向的拉張異常相似[10]。但2008年8月12日的降雨干擾排除不理想,這次降雨改正后的剩余殘差,水管儀 EW向、NS向分別為6.0ms和3.0ms,垂直擺儀EW向、NS向分別為17.4ms和16.0ms,伸縮儀 EW向、NS向均為155×10-10。這次降雨引起的形變幅度是以往同等降雨量引起的形變量的3～7倍,一方面是因?yàn)檫@次降雨是2002～2008年7年中降雨最猛烈的一次,2h降雨量達(dá)67.2mm,據(jù)調(diào)查附近地表沒有出現(xiàn)滑坡等顯著地質(zhì)活動(dòng),分析認(rèn)為突變后恢復(fù)速度慢、改正效果不理想的原因,可能是暴雨引起了地下介質(zhì)的蠕滑。

圖4 伸縮應(yīng)變儀NS向排除降雨影響過程圖

圖5 水管儀、垂直擺傾斜儀和伸縮應(yīng)變儀先預(yù)處理后排除降雨干擾結(jié)果曲線圖

4 小結(jié)及討論

薊縣小辛莊臺定點(diǎn)形變觀測的眾多干擾因素中,降雨影響最為顯著,幅度大、時(shí)間長。不同儀器或同一儀器不同測項(xiàng)對降雨的響應(yīng)特征各不相同;同一測項(xiàng)因降雨方式不同、季節(jié)不同或地下介質(zhì)含水飽和程度不同也會表現(xiàn)出各不相同的響應(yīng)變化特點(diǎn)。因此,多樣化的降雨方式?jīng)Q定了形變觀測資料的降雨響應(yīng)特征相當(dāng)復(fù)雜。

用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)法的數(shù)學(xué)物理模型對小辛莊形變觀測數(shù)據(jù)排除降雨干擾,取得了一定的效果。經(jīng)過降雨改正后的形變資料為地震預(yù)報(bào)提供了更為可靠的前兆變化信息。

2008年8月12日降雨干擾的改正效果不理想,分析認(rèn)為,一方面可能是大暴雨引起的地下介質(zhì)蠕滑效應(yīng);另一方面,在計(jì)算中沒有考慮山體特征、入滲系數(shù)及降雨后地下水的滲入流動(dòng)、荷載變化等一系列附加效應(yīng)。因此,需要進(jìn)一步根據(jù)測點(diǎn)所處山體的地形地貌特征、地質(zhì)水文參數(shù)等建立合理的數(shù)學(xué)物理模型,才能對降雨干擾進(jìn)行更好地排除。

[1] 劉序儼,張雁濱.排除形變觀測數(shù)據(jù)中降水干擾的數(shù)學(xué)物理方法的研究[J].地殼形變與地震,1991,11(1):36-40.

[2] 汪翠枝,陳嵩,田山,等.薊縣臺地形變觀測資料映震效能研究[J].地震,2009,29(3):99-108.

[3] 薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1986.

[4] 張德涵,晁定波,徐菊生.垂直形變觀測中排除地下水干擾的數(shù)值模型[J].地殼形變與地震,1994,14(4):16-23.

[5] 李杰,劉敏,鄒鐘毅,等.數(shù)字化鉆孔體應(yīng)變干擾機(jī)理及異常分析[J].地震研究,2003,26(3):230-238.

[6] 劉輝,華天元,尚烏生.降雨對烏什臺地傾斜觀測的影響[J].內(nèi)陸地震,2000,14(4):345-349.

[7] 張軍,陳宇衛(wèi),劉澤民,等.小波分析在前兆數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].地震地磁觀測與研究,2005,26(2):43-47.

[8] 陳鵬,李正媛,劉妙龍,等.地下水位對定點(diǎn)形變觀測干擾的抽水實(shí)驗(yàn)[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué),2004,24(3):79-83.

[9] 蔣駿,李勝樂,張雁濱,等.地震前兆信息處理軟軟件系統(tǒng)[M].北京:地震出版社,2000:97-103,231-232.

[10] 蘇樹朋,史彥華,王順昌,等.文安5.1級地震前的一些前兆現(xiàn)象[J].華北地震科學(xué),2009,27(1):39-41.

Study on the Rainfall Interfere in Fixed-point Deformation Data and Eliminable Method

WANG Cui-zhi1,ZHANG Lei1,LIU Shuang-qing1,ZHOU Ming-quan2,LIU Wen-bing1,LI En-jian1,DONG Hong-jun1
(1.Earthquake Administration of Tianjin,Tianjin 300201,China;2.Beijing Normal University,Beijing 100875,China)

The rainfall response characteristic of observation data in Jinxian Xiao xinzhuang station is analyzed.Then the non-tide data is preprocessed using normal anomaly method to eliminate the annual period,using K-L line curve fitting method to eliminate the line zero point drift.Finally,the preprocessed data is recomputed to eliminate rainfall interfere using the method of dynamic system.

deformation measurement;dynamic system method;rainfall interfere;interference suppression

P315.72

A

1003-1375(2010)01-0042-06

2009-06-15

中國地震局2009年度震情跟蹤合同制定向任務(wù)(2009020401);天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(09ZCKFSF00700)

汪翠枝(1974-),女(漢族),陜西商南人,天津市地震局工程師,主要從事地形變分析預(yù)報(bào)及地震活動(dòng)性等研究.E-mail:doggyw@163.com