河北省地傾斜觀測資料干擾因素分析

屈 曼，侯曉真，馬 棟，陳建國，高 晨

(河北省地震局，河北 石家莊 050021)

0 引言

定點形變測量主要包括地傾斜、地應(yīng)變和重力(固體潮汐)測量。這種定點的觀測方式能夠很好地監(jiān)測地殼的連續(xù)運動情況。地傾斜觀測資料被廣泛應(yīng)用于地震監(jiān)測預(yù)報工作中。許多專家學(xué)者對地傾斜數(shù)據(jù)進行深入的分析研究。張創(chuàng)軍等[1]應(yīng)用龍門山斷裂帶區(qū)域地傾斜觀測結(jié)果分析汶川地震前地傾斜面的形變特征，探討地震的孕震機理。呂品姬等[2]搜集整理了我國定點傾斜觀測近30年來已發(fā)表的觀測成果，歸納出常用的傾斜資料處理方法，得到了傾斜前兆異常量級、傾斜異常與震中和震級的統(tǒng)計關(guān)系。牛安福[3]對地傾斜變化的突變性及與地震關(guān)系進行深入研究。曹建玲等[4]利用有限元方法，對存在復(fù)雜地形時，氣溫變化所造成的地傾斜變化量進行估算。眾多研究表明，地傾斜觀測是地震監(jiān)測預(yù)報的一種有效手段。

隨著城市化建設(shè)的飛速發(fā)展，越來越多的地傾斜觀測臺站受到了多種干擾，例如房地產(chǎn)建設(shè)、工程項目建設(shè)、人們生產(chǎn)生活影響等等。這些干擾因素對地傾斜觀測造成了直接或者間接的影響，以至于觀測曲線產(chǎn)生不同形態(tài)的畸變，影響數(shù)據(jù)的觀測質(zhì)量和分析利用，并且對地震前兆異常的識別造成了很大的困擾[5-8]。因此，為了將地傾斜觀測數(shù)據(jù)充分有效地應(yīng)用于地震分析研究中，我們必須要把各種干擾因素從觀測數(shù)據(jù)的變化中識別出來，分析和研究這些干擾因素對地傾斜觀測曲線產(chǎn)生的不同影響，也成為一項必不可少的工作。本文將河北省7個定點臺站的地傾斜觀測資料進行歸納整理，并結(jié)合臺站觀測日志、異常核實報告、臺站觀測環(huán)境實地考察以及與臺站工作人員的溝通交流，識別出不同干擾因素對不同臺站地傾斜觀測曲線造成的影響，并進行歸類總結(jié)。

1 觀測概況

目前，在地震監(jiān)測預(yù)報中，河北省應(yīng)用較多的地傾斜觀測手段主要有DSQ水管傾斜儀、SQ70D水平擺和VS垂直擺。省內(nèi)大部分VS垂直擺已更新為VP垂直擺，由于儀器更新時間短且數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量不夠好，故選用VS垂直擺。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，研究選取河北省內(nèi)7個地傾斜觀測臺站，包括懷來臺、張家口臺、赤城臺、承德臺、寬城臺、涉縣臺、永年臺，臺站分布如第18頁圖1所示。地傾斜觀測主要按照NS和EW分量進行正交垂直觀測，部分臺站設(shè)置45°斜交第三分量即NW或NE分量。每個觀測臺站的觀測情況不同，不同的觀測臺站擁有不同數(shù)量和種類的地傾斜觀測手段。臺站觀測手段信息如第18頁表1所示。

2 干擾因素分析

將河北省7個觀測臺站的地傾斜觀測資料進行歸納整理，結(jié)合臺站觀測日志、異常核實報告、臺站觀測環(huán)境實地考察以及與臺站工作人員溝通交流，河北省地傾斜干擾因素主要分為觀測系統(tǒng)類干擾、觀測環(huán)境類干擾以及氣象因素類干擾。下面逐一對各項干擾及其典型事例進行詳細分析。

2.1 觀測系統(tǒng)類

觀測系統(tǒng)類干擾主要是指由于觀測儀器、主機數(shù)采、線路等觀測系統(tǒng)故障或者觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)的變化對觀測數(shù)據(jù)造成的干擾。通過對干擾因素的歸納匯總，河北省傾斜觀測系統(tǒng)類干擾主要包括數(shù)采故障、儀器零部件老化生銹和標定干擾。

圖1 本文選取的臺站分布圖Fig.1 Selected seismic station distribution map

編號臺站測項1赤城垂直擺 NS、EW、NW2張家口水管儀 NS、EW、NW水平擺 NS、EW垂直擺 NS、EW、NW3懷來水管儀 NS、EW、NE水平擺 NS、EW垂直擺EW、NS4承德垂直擺 NS、EW5寬城水管儀NS、EW垂直擺NS、EW6涉縣水管儀 NS、EW垂直擺 NS、EW7永年水管儀 NS、EW

(1) 數(shù)采故障干擾。數(shù)采故障主要是數(shù)采不能正常工作或者工作狀態(tài)不穩(wěn)定，造成數(shù)據(jù)產(chǎn)生畸變。以張家口臺為例進行分析，2015年10月17日更換數(shù)采及協(xié)轉(zhuǎn)后，垂直擺EW分量9個小時內(nèi)下降達170×10-3ms，垂直擺其他兩個分量及共用同一數(shù)采的伸縮儀和體應(yīng)變數(shù)據(jù)并無同步異常變化，分析可能是數(shù)采垂直擺傾斜儀EW向所在通道故障所致。在現(xiàn)場異常核實檢修數(shù)采時，發(fā)現(xiàn)數(shù)采死機，確認數(shù)采存在問題，更換新的數(shù)采后觀測曲線恢復(fù)正常形態(tài)(見圖2)。

圖2 張家口臺垂直擺觀測數(shù)采故障干擾曲線Fig.2 Disturbance curve of data acquisition failure of vertical pendulum at Zhangjiakou station

(2) 儀器零部件老化生銹干擾。儀器出現(xiàn)零部件老化或者生銹的情況一般都會引起觀測數(shù)據(jù)曲線的固體潮畸變，曲線變化不光滑，影響觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和使用。以承德臺為例，2012年2月以來承德垂直擺EW向的固體潮開始出現(xiàn)畸變(見圖3)，經(jīng)武漢地震科學(xué)儀器研究院專家對儀器的工作狀態(tài)進行檢查，發(fā)現(xiàn)擺體鎢絲存在阻值增大的現(xiàn)象；調(diào)零底腳墊塊與墩面間有生銹現(xiàn)象，導(dǎo)致觀測曲線的固體潮出現(xiàn)畸變。以懷來臺為例，自2015年3月26日起，因垂直擺儀器擺體和主機嚴重老化，儀器工作狀態(tài)不穩(wěn)定，曲線產(chǎn)生較大的緩變臺階(見第19頁圖4)。

圖3 承德臺垂直擺觀測儀器老化干擾曲線Fig.3 Disturbance curve of instrument aging of vertical pendulum at Chengde station

圖4 懷來臺垂直擺觀測儀器老化干擾曲線Fig.4 Disturbance curve of instrument aging of Vertical Pendulum at Huailai station

(3) 標定干擾。為保證觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量及觀測儀器的正常運行，需要定期進行儀器標定。在標定過程中，觀測曲線會產(chǎn)生臺階變化。以涉縣垂直擺為例，垂直擺NS向2015年6月23日10:13-10:40校準儀器，產(chǎn)生缺數(shù)。因恰逢有氣壓波動干擾，為確保格值的準確性，此次校準結(jié)果不啟用；2015年6月24日11:12-11:40校準儀器，按缺數(shù)處理，啟用新格值，格值從00:00由0.120 1×E-3″/mV變?yōu)?.120 7×E-3″/mV。垂直擺EW向2015年6月24日08:20-08:46校準儀器，按缺數(shù)處理，啟用新格值，格值從00:00由0.070 30×E-3″/mV變?yōu)?.0705 3×E-3″/mV。在3次標定時，觀測曲線均表現(xiàn)為臺階變化，一般情況下，數(shù)據(jù)預(yù)處理時會將該時間段的數(shù)據(jù)進行缺數(shù)處理(見圖5)。

圖5 涉縣臺垂直擺觀測標定干擾曲線Fig.5 Disturbance curve of instrument calibration of Vertical Pendulum at Shexian station

2.2 觀測環(huán)境類

觀測環(huán)境類干擾主要指測點周圍觀測環(huán)境的變化對觀測數(shù)據(jù)造成的干擾，較常見的觀測環(huán)境干擾包括地面荷載變化、工程施工、抽蓄水等。此類干擾一般會引起觀測數(shù)據(jù)固體潮畸變、趨勢變化、速率改變等。

河北省內(nèi)比較典型的觀測環(huán)境類干擾案例為張家口水管儀和永年水管儀。如圖6所示，張家口形變水管儀從2013年11月10日12時-16時出現(xiàn)固體潮曲線畸變現(xiàn)象。同時段內(nèi)，在山洞口正在進行體應(yīng)變鉆孔施工，距觀測儀器較近，設(shè)備在使用過程中，電壓變化及振動等方面的干擾可能是造成此次畸變的原因。永年臺水管傾斜儀NS分量2012年9月開始出現(xiàn)加速N傾，11月N傾速率有所減小。位于東南方向距山洞0.45 km的采石場采石時間與異常出現(xiàn)的時間(2012年9月—11月)基本吻合，加之各儀器墩檢測結(jié)果完整性不好，采石振動極易造成異常變化(見圖7)。

圖6 張家口臺水管儀觀測施工干擾曲線Fig.6 Construction disturbance curve of water pipe instrument at Zhangjiakou station

圖7 永年臺水管儀觀測采石干擾曲線Fig.7 Quarrying disturbance curve of water pipe instrument at Yongnian station

2.3 氣象因素類

氣象因素類干擾主要是指由于氣象原因引起觀測數(shù)據(jù)的畸變，河北省常見的氣象因素干擾包括風、雨、雪、雷電、氣壓、溫度、濕度等。由于觀測條件有限，定點臺站的氣象觀測數(shù)據(jù)只包括降雨量、氣壓和溫度，其他氣象因素只能依靠臺站工作人員根據(jù)氣象變化填寫工作日志來進行對比分析。

河北省地傾斜觀測每年雨季七、八月份受降雨、雷電影響比較多。雷電干擾多數(shù)會擊壞觀測儀器，造成缺數(shù)影響；一般降雨干擾主要對觀測曲線的固體潮產(chǎn)生影響，表現(xiàn)形態(tài)主要為毛刺、固體潮畸變等。以涉縣臺為例，2017年8月15日21時—22時，由于降雨原因造成垂直擺NS向數(shù)據(jù)固體潮出現(xiàn)畸變(見圖8)。

圖8 涉縣臺水管儀降雨干擾對比圖Fig.8 Rainfall disturbance curve of water pipe instrument at Shexian station

有時強降雨也會對觀測數(shù)據(jù)的變化趨勢造成影響，以永年臺為例(由于數(shù)據(jù)庫中降雨量的單位有問題，圖中降雨量僅作為參考)，水管儀自2016年7月21日EW分量出現(xiàn)加速西傾變化、NS分量加速北傾變化，經(jīng)過現(xiàn)場異常核實以及荷載模型計算，7月19日-20日出現(xiàn)強降雨天氣，造成洺河蓄水量大幅增加，導(dǎo)致觀測曲線趨勢發(fā)生變化(見圖9)。

圖9 永年臺水管儀降雨干擾曲線圖Fig.9 Rainfall disturbance curve of water pipe instrument at Yongnian station

氣壓干擾一般會引起觀測曲線的固體潮畸變，且二者的變化形態(tài)較一致，相關(guān)性較好。以寬城臺為例，水管儀NS向2016年4月29日14:00-19:00由于氣壓干擾，出現(xiàn)固體潮曲線畸變(見圖10)。

圖10 寬城臺水管儀受氣壓干擾曲線圖Fig.10 Disturbance curve of air pressure of water pipe instrument at Kuancheng station

3 結(jié)論與討論

通過對河北省地傾斜觀測數(shù)據(jù)干擾因素的歸納整理，發(fā)現(xiàn)觀測系統(tǒng)類干擾主要包括數(shù)采故障干擾、儀器零部件老化生銹干擾和標定干擾，其干擾形態(tài)主要表現(xiàn)為變化趨勢轉(zhuǎn)折、固體潮畸變、臺階；觀測環(huán)境類干擾主要包括地面荷載變化、工程施工、抽蓄水，其干擾形態(tài)主要表現(xiàn)為固體潮畸變、趨勢變化、變化速率的改變；氣象因素類干擾主要包括風、雨、雷電、氣壓等，其干擾形態(tài)主要表現(xiàn)為固體潮畸變、毛刺、趨勢變化。

在分析研究地傾斜觀測資料時，為提取出觀測曲線的真實變化，需要剔除各種各樣的干擾因素。不同的臺站由于地理位置不同、觀測儀器的工作狀態(tài)及安裝情況不同、基巖條件不同等，對于不同的干擾會產(chǎn)生不同程度的反應(yīng)，曲線變化形態(tài)以及變化幅度都會有所差異[7]；對于觀測系統(tǒng)的干擾，可以查詢儀器維修的工作日志，進行時間相關(guān)性分析，如果在干擾時間段內(nèi)未進行儀器維修，則要對觀測系統(tǒng)進行詳細排查，必要時邀請儀器專家協(xié)助；針對觀測環(huán)境類干擾，尤其是荷

載發(fā)生變化時，不僅要進行時間相關(guān)性分析，還應(yīng)盡量使用載荷模型或者數(shù)值模擬等方法進行定量分析，將計算結(jié)果和干擾變化幅度進行一致性對比，從而確定是否完全由此類干擾影響所致[9]；對于氣象類干擾，往往時間相關(guān)性極好，一般比較容易識別。