康定地震臺VP型垂直擺傾斜儀常見干擾分析

田思留，劉仕錦，袁 媛，袁 梅，劉 濤，趙 蘭

(四川省地震局康定地震中心站，四川 姑咱 651000)

VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀(以下簡稱“VP儀”)用于測量地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)引起的地面傾斜變化，是進(jìn)行地震前兆觀測的重要手段之一。該儀器是由中國地震局地震研究所在VS型垂直擺傾斜儀基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新型垂直擺傾斜儀，在自動(dòng)化程度、觀測精度、環(huán)境適應(yīng)性方面較傳統(tǒng)地形變觀測儀器有了顯著提高，VP儀采用遠(yuǎn)程遙控的自動(dòng)調(diào)零裝置，減少了人工調(diào)零對儀器的干擾，保證了觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性(馬武剛等，2010)。康定地震臺于2017年11月底安裝VP儀，2018年1月正式運(yùn)行，儀器采樣率為1sps。VP儀自運(yùn)行以來，工作性能穩(wěn)定，不僅能記錄到清晰的固體潮，還能記錄到數(shù)分鐘到數(shù)秒周期的較高頻地動(dòng)信號。本文對康定地震臺VP儀正式運(yùn)行以來的觀測資料進(jìn)行分析，并根據(jù)工作日志、氣象資料、對比臺站其他形變儀器等方法確認(rèn)觀測資料存在的主要干擾因素，總結(jié)干擾形式及規(guī)律，以進(jìn)一步提高日常觀測質(zhì)量和異常判定的準(zhǔn)確性。

1 觀測背景

1.1 臺站簡介

康定地震臺位于四川省甘孜藏族自治州康定市爐城鎮(zhèn)北郊的郭達(dá)山腳下，雅拉河由北向南從臺站門前流過。地質(zhì)構(gòu)造上位于鮮水河斷裂帶北東段，又處于龍門山、鮮水河、安寧河三大主干斷裂復(fù)合部位。觀測山洞位于臺站西側(cè)的郭達(dá)山山坡下，呈東西走向，頂層及兩側(cè)覆蓋厚度>60 m，洞體呈“T”字型，基巖巖性為三疊紀(jì)灰?guī)r，巖性堅(jiān)硬、致密。洞室內(nèi)年溫差≤1.0 ℃，日溫差≤0.1 ℃，濕度>95%。VP型寬頻帶傾斜儀安裝在洞室內(nèi)的水泥墩子上。

1.2 正常形態(tài)

康定地震臺VP儀正常記錄的觀測曲線光滑連續(xù)，有規(guī)律明顯的波形——呈兩峰兩谷日變形態(tài)，能夠清晰記錄到固體潮變化和一些典型地震事件(同震效應(yīng))(見圖1)；從正式運(yùn)行以來的觀測資料來看，有一定的年變規(guī)律：在旱季為變化速率較穩(wěn)定的上升變化，雨季由于觀測洞室距雅拉河和折多河較近(觀測洞室距雅拉河100 m，距折多河500 m)，儀器受河水漲落影響較大，測值波動(dòng)變化大，數(shù)據(jù)漂移過快，因此造成儀器頻繁調(diào)零，數(shù)據(jù)日值呈現(xiàn)出冬高夏低的年變特征(見圖2)。

2 干擾因素分析

2.1 環(huán)境干擾

自然環(huán)境主要包括雨、雪、風(fēng)、雷電、氣壓、溫度、濕度等與大自然密切相關(guān)的所有因素，由于垂直擺傾斜儀觀測精度較高，這些因素都可能對觀測數(shù)據(jù)造成影響(李惠玲等，2018；馬援等，2018)。由于康定地震臺缺少數(shù)字化的氣象觀測資料，筆者從康定氣象局查閱了2018年的歷史天氣，包括天氣狀況、氣溫、風(fēng)力風(fēng)向、年總?cè)照諘r(shí)數(shù)和年總降雨量，這對判定干擾起到了一定輔助作用，但由于氣象局無法提供每日的瞬時(shí)天氣，因此無法判定急劇變化的氣象因素和瞬時(shí)天氣對觀測數(shù)據(jù)造成的干擾。

圖1 VP寬頻帶傾斜儀2018年1月觀測曲線

圖2 VP寬頻帶傾斜儀日均值及降雨量

(1)降雨和河水干擾。降雨對觀測系統(tǒng)和觀測數(shù)據(jù)的影響與降雨時(shí)長、降雨量及降雨過程等密切相關(guān)，康定地震臺VP儀受降雨干擾主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：(1)雨水會(huì)引起地面負(fù)載發(fā)生變化：根據(jù)專家學(xué)者的相關(guān)研究，降雨時(shí)一部分雨水經(jīng)地表流走，另一部分則滲入山體巖石的裂縫或土層中，巖石的不規(guī)則裂縫經(jīng)雨水滲透，改變洞體地層含水率和孔隙壓力，圍巖在水的參與下出現(xiàn)變形(車用太等，2000)，發(fā)生膨脹，使巖石產(chǎn)生不均勻變形(陳敏等，2007)，且由于空隙與土層中水的存在，使洞體覆蓋層重量產(chǎn)生變化，造成垂直擺觀測分量發(fā)生傾斜變化(黃曉華等，2008)；(2)山洞基巖為灰?guī)r，易滲水，洞內(nèi)潮濕易積水，由于VP儀觀測精度較高，洞室環(huán)境的微小變化都會(huì)對觀測數(shù)據(jù)造成干擾；(3)康定地震臺形變山洞距離雅拉河和折多河較近，河流經(jīng)過臺站地段，水流湍急，水位受季節(jié)變化影響大。在康定地區(qū)每年4～9月的雨季，河水水位上漲所產(chǎn)生的壓力變化會(huì)對VP儀觀測數(shù)據(jù)造成不可避免的嚴(yán)重干擾。降雨量較小和降雨過程較短時(shí)，降水造成的傾斜量相對較小，引起的變化不明顯，而大量、持續(xù)降雨則會(huì)對垂直擺產(chǎn)生較大干擾，雨水由地表滲入山體，繼而滲入山洞，導(dǎo)致洞內(nèi)小氣候的改變，對觀測數(shù)據(jù)造成干擾(見圖3)，同時(shí)河水上漲更加劇數(shù)據(jù)的干擾，但由于河水水位上漲有一個(gè)過程，因此河水水位干擾具有滯后性。例如2018年6月11～13日發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)觀測數(shù)據(jù)并未有明顯變化，6月14日才開始出現(xiàn)NS向大幅上升，EW向大幅下降的變化(見圖4)。降雨和河水水位的雙重干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)漂移過快，觀測儀器頻繁調(diào)零，從而又造成了調(diào)零干擾。因此降雨和河水干擾對康定地震臺VP儀數(shù)據(jù)造成的影響是較大且持續(xù)時(shí)間較長的。

圖3 降雨導(dǎo)致山洞滲水觀測曲線

圖4 康定地震臺VP傾斜儀河水水位干擾曲線及降雨量

圖5 康定地震臺VP傾斜儀降雪干擾曲線級降雪量圖

(2)降雪干擾?？刀ǘ窘笛┝枯^大，積雪覆蓋引起地面負(fù)載變化，導(dǎo)致洞室上方的重量增加，同時(shí)雪水慢慢融化、滲透進(jìn)巖石，使巖石產(chǎn)生變形，并導(dǎo)致洞室積水潮濕，給VP儀觀測造成較大干擾，但由于降雪—積雪—融雪有一個(gè)過程，因此降雪干擾具有滯后性，在降雪時(shí)表現(xiàn)不明顯，通常在融雪時(shí)表現(xiàn)明顯，2018年10月1～2日康定突降大雪，10月3日由于雪水滲透導(dǎo)致數(shù)據(jù)漂移過快(見圖5)。

(3)強(qiáng)日照干擾?？刀ǖ靥幐吆０蔚貐^(qū)，日照強(qiáng)烈，2018年全年日照時(shí)長1 646 h(據(jù)康定氣象局)，可見強(qiáng)日照干擾較為明顯?？刀ǖ卣鹋_山洞建造在郭達(dá)山西面，正午過后，太陽西下，陽光直接照射在山洞上，長時(shí)間的陽光直射對儀器造成強(qiáng)日照干擾。由于太陽偏西后才會(huì)直射在山洞上，加上臺站儀器洞室較淺，因此此類干擾的時(shí)間段一般是在13:00左右開始，一直持續(xù)到太陽落山。干擾表現(xiàn)為時(shí)間較為規(guī)律，分鐘值曲線有變粗，波動(dòng)變化較明顯，毛刺較多的特征。2018年10月24日為明顯的晴天，日照強(qiáng)烈，因此從12時(shí)左右開始，分鐘值曲線出現(xiàn)毛刺干擾(見圖6)；而2018年6月15日為典型的小雨加陰天，沒有日照，因此分鐘值曲線沒有毛刺干擾，曲線較光滑(見圖7、表1)。

圖6 康定地震臺VP傾斜儀強(qiáng)日照干擾曲線

圖7 康定地震臺VP傾斜儀無強(qiáng)日照干擾曲線

表1 康定市歷史天氣情況

(4)其他氣象因素干擾分析。由于附近雅康高速的修建會(huì)有爆破山體的工程，觀測人員懷疑觀測曲線變粗或呈毛刺變化為周邊爆破產(chǎn)生的震動(dòng)干擾。通過排查，2019年4月15日18時(shí)1分和2019年4月28日18時(shí)15分在距康定地震臺直線距離約10～15 km的雅康高速修建段有爆破工作，但這兩次距離臺站較近的大型爆破工作并未造成觀測曲線變粗或者呈毛刺變化(見圖8)，因此可以排除該干擾。

圖8 2019年4月15日和4月28日爆破當(dāng)日VP儀觀測曲線

大量文獻(xiàn)和實(shí)際觀測中都表明風(fēng)、氣壓、溫度、濕度會(huì)對VP儀觀測數(shù)據(jù)造成干擾?？刀ǖ卣鹋_VP儀運(yùn)行以來，觀測數(shù)據(jù)曲線多次出現(xiàn)變粗或呈毛刺變化的現(xiàn)象，根據(jù)觀測經(jīng)驗(yàn)判斷，這與康定地區(qū)風(fēng)、氣壓、溫度、濕度密切相關(guān)。由于康定地震臺缺少風(fēng)、氣壓、濕度、溫度的觀測資料，雖然氣象局提供的歷史天氣中有風(fēng)力、風(fēng)向的資料，但并沒有準(zhǔn)確說明刮風(fēng)的具體時(shí)間段、氣壓變化等瞬時(shí)天氣，因此無法準(zhǔn)確判斷觀測曲線變粗或呈毛刺變化的準(zhǔn)確干擾源。為此，觀測人員排除了周邊其他可能造成的震動(dòng)干擾，從而確定這是由康定地區(qū)的其他氣象因素所導(dǎo)致的(見圖9)。

圖9 其他干擾因素

圖10 康定地震臺VP傾斜儀人為干擾曲線

2.2 人為干擾

觀測洞室是一個(gè)相對比較穩(wěn)定的封閉環(huán)境，當(dāng)觀測人員進(jìn)洞檢查儀器、調(diào)零、標(biāo)定儀器等，都會(huì)在洞室內(nèi)走動(dòng)、開門、關(guān)門等，破壞了洞室原有的封閉環(huán)境，造成氣流變化、負(fù)荷變化，這些都會(huì)對觀測儀器造成干擾(劉仕錦等，2007)。VP儀是網(wǎng)頁調(diào)零，人為進(jìn)入洞室操作造成的干擾、缺數(shù)相對減少，康定地震臺VS垂直擺傾斜儀和JB水平擺傾斜儀受環(huán)境影響，調(diào)零次數(shù)較多，兩套儀器調(diào)零均需要觀測人員時(shí)常進(jìn)出山洞，對VP儀造成人為干擾；同時(shí)進(jìn)洞檢修儀器、更換電機(jī)、線路改造等都會(huì)對觀測數(shù)據(jù)造成人為干擾。人為干擾主要變現(xiàn)為數(shù)據(jù)突跳和臺階(見圖10)。由于干擾數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，預(yù)處理時(shí)需進(jìn)行缺數(shù)處理，因此如果干擾時(shí)間過長，就會(huì)對數(shù)據(jù)完整率和連續(xù)率產(chǎn)生影響。從康定地震臺2018年地傾斜觀測報(bào)告中可以看出，康定VP儀缺數(shù)主要是地震超量程、標(biāo)定、調(diào)零預(yù)處理造成的。例如康定地震臺VP儀從2018年10月康定大雪后，EW分量的調(diào)零次數(shù)增加，平均4天要調(diào)一次，加之其他儀器進(jìn)洞調(diào)零造成的干擾，嚴(yán)重影響VP儀觀測數(shù)據(jù)的完整率。對2018年康定VP儀網(wǎng)頁調(diào)零和人為進(jìn)洞調(diào)零等次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，全年VP儀共有網(wǎng)頁調(diào)零NS向21次，EW向38次；VS垂直擺傾斜儀調(diào)零造成干擾NS向22次，EW向11次，因此人為干擾是VP儀的主要干擾源之一。

2.3 觀測系統(tǒng)干擾

VP儀運(yùn)行以來，運(yùn)行狀態(tài)較好、自身故障較少，2018年9月16日由于線路接觸不良引起臺階變化(見圖11)，2018年6月5日由于標(biāo)定重復(fù)記錄讀數(shù)，形成階躍曲線(見圖12)。

圖11 康定地震臺VP傾斜儀觀測系統(tǒng)故障干擾曲線

圖12 康定地震臺VP傾斜儀標(biāo)定干擾曲線

3 地球物理事件

地球物理事件主要是指因地震活動(dòng)造成的觀測數(shù)據(jù)異常，引起同震變化、震后效應(yīng)的事件，康定地震臺VP儀能清晰記錄到全球的大地震和周邊較小地震，且地震記錄幅度明顯比較大，觀測曲線有顯著波動(dòng)和階躍變化。地震物理事件與一般干擾觀測曲線不同，垂直擺與地震儀記錄的地震波形態(tài)一致性較好(馬援等，2018年)，因此能夠容易區(qū)分同震效應(yīng)和其他干擾。記錄曲線上有時(shí)大遠(yuǎn)震的影響會(huì)持續(xù)數(shù)小時(shí)，比如2018年12月1日VP儀兩分量01:38至04:32記錄到01:29:27美國阿拉斯加7.2級地震，對曲線的影響接近3 h(見圖13)；另外一些地震發(fā)生時(shí)，當(dāng)儀器自身的周期與地震面波周期接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成儀器靠擺，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測，如2018年10月31日西昌5.1級地震，引起VP儀NS向產(chǎn)生臺階和EW向靠擺，數(shù)據(jù)缺測40 h(見圖14)；對于周邊較小地震，觀測曲線也會(huì)表現(xiàn)出明顯的階躍現(xiàn)象(見圖15)。因此無論從記錄的地震數(shù)量還是地震對觀測曲線的影響程度來看，地球物理事件對觀測數(shù)據(jù)的影響無疑是較大的和不可忽視的。

圖13 美國阿拉斯加7.2級地震對觀測數(shù)據(jù)的影響

圖14 西昌5.1級地震對觀測數(shù)據(jù)的影響

圖15 道孚3.1級地震對觀測數(shù)據(jù)造成臺階干擾

4 討論

(1)通過對康定地震臺VP儀運(yùn)行以來的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)VP儀主要存在降雨干擾、降雪干擾、強(qiáng)日照干擾、風(fēng)干擾、河水水位干擾、人工干擾及觀測系統(tǒng)類的干擾，這與一同運(yùn)行的VS垂直擺傾斜儀的干擾源一致，說明康定地震臺的觀測環(huán)境受自然環(huán)境的干擾嚴(yán)重，在日常觀測分析工作中，應(yīng)充分考慮干擾異常。(2)由于康定地震臺降雨量、氣溫、氣壓等輔助觀測都是人工觀測，一天一個(gè)觀測值，在對儀器分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析時(shí)，不能很好地利用輔助觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在條件成熟時(shí)，建議升級改造輔助觀測手段?？刀ǖ貐^(qū)氣候特殊，常年存在大風(fēng)，勢必會(huì)對VP儀造成干擾，但由于缺少大風(fēng)等瞬時(shí)資料，從而無法準(zhǔn)確判斷干擾源，建議增加氣象觀測手段，以期進(jìn)一步排除干擾。對于折多河及雅拉河的水位變化情況沒有確切的數(shù)據(jù)來源，只能憑觀測人員的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合降雨量肉眼觀測，缺乏科學(xué)性，建議地震部門應(yīng)多與當(dāng)?shù)厮臍庀蟮炔块T溝通協(xié)作，獲取水文氣象資料，以進(jìn)一步提高觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。(3)盡管VP儀運(yùn)行時(shí)間只有一年多，觀測資料有限，但基本能夠支撐對干擾源的初步識別與分析，在臺站的數(shù)據(jù)分析、干擾排除、前兆異常提取、地震預(yù)報(bào)等工作中發(fā)揮了作用。