浙江省地傾斜觀測(cè)常見干擾淺析

尹晶飛蘇小蕓張震峰徐夢(mèng)林

1）中國(guó)杭州310013浙江省地震局

2）中國(guó)蘭州730000甘肅省地震局

浙江省地傾斜觀測(cè)常見干擾淺析

尹晶飛1）蘇小蕓2）張震峰1）徐夢(mèng)林1）

1）中國(guó)杭州310013浙江省地震局

2）中國(guó)蘭州730000甘肅省地震局

通過對(duì)浙江省地震前兆臺(tái)網(wǎng)地殼形變觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，總結(jié)對(duì)地形變觀測(cè)影響較為普遍的兩類干擾因素特征：①通過分析測(cè)點(diǎn)周邊場(chǎng)地環(huán)境干擾，總結(jié)地表載荷對(duì)地傾斜觀測(cè)造成的數(shù)據(jù)異常變化特征；②利用臺(tái)風(fēng)通過時(shí)造成的各類自然環(huán)境變化，總結(jié)地殼形變觀測(cè)數(shù)據(jù)受氣象變化影響的特征。

地殼形變觀測(cè)；地表載荷；自然環(huán)境變化

0 引言

浙江省地處中國(guó)東南沿海長(zhǎng)江三角洲南翼，總體地形自西南向東北呈階梯狀傾斜，西南地區(qū)為千米以上群山盤結(jié)，中部地區(qū)以丘陵盆地地形為主，東北部地區(qū)為地勢(shì)較為平緩的沖擊平原。目前浙江省地震前兆臺(tái)網(wǎng)以地殼形變觀測(cè)手段為主，隨著國(guó)家前兆臺(tái)網(wǎng)“十五”項(xiàng)目、“國(guó)家背景場(chǎng)”等項(xiàng)目建設(shè)完成，浙江省地殼形變臺(tái)站逐步增多，觀測(cè)數(shù)據(jù)種類逐步完善，臺(tái)網(wǎng)布局主要圍繞浙北地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)、省內(nèi)主要深大斷裂（如余姚—麗水?dāng)嗔?、蕭山—球川斷裂、溫州?zhèn)海斷裂等）及地震活動(dòng)區(qū)來布設(shè)地震臺(tái)站。浙北地震臺(tái)分布較密集，浙中和浙南地區(qū)相對(duì)稀疏，海域布設(shè)2個(gè)臺(tái)站。

經(jīng)過多年運(yùn)行觀測(cè)，浙江省地震前兆臺(tái)網(wǎng)積累大量地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)，然而隨著城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，地殼形變觀測(cè)場(chǎng)地受到不同程度影響，且受浙江省地理氣候因素影響，每年均受到臺(tái)風(fēng)帶來的自然環(huán)境干擾。工作人員在進(jìn)行地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)分析時(shí)，需要消除由場(chǎng)地變化及自然環(huán)境影響造成的數(shù)據(jù)異常變化內(nèi)容（陳敏，2007）。因此，借助地震前兆數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺(tái)，以日常觀測(cè)工作為基礎(chǔ)，通過長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化積累，結(jié)合測(cè)點(diǎn)周邊觀測(cè)環(huán)境的調(diào)查落實(shí)，總結(jié)浙江省地形變觀測(cè)常見異常事件變化特征，為觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠應(yīng)用提供保障，并為今后出現(xiàn)相似觀測(cè)數(shù)據(jù)變化時(shí)提供一定判斷依據(jù)。

1 地表載荷干擾

1.1 海寧地震臺(tái)水平擺受基建干擾

1.1.1 觀測(cè)環(huán)境。海寧位于杭州灣北岸，屬于杭嘉湖平原區(qū)，地勢(shì)由西南向東傾斜，較為平坦。該地新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以差異性和振蕩性升降為主，在早第三紀(jì)和早更新世先后下陷，淪為海灣，接受沉積。附近有蕭山—球川深斷裂穿過，并在全新世有過活動(dòng)。海寧地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱海寧臺(tái)）測(cè)點(diǎn)位于市區(qū)西山公園，出露巖石堅(jiān)硬完整，為西湖組（D3x）的白色厚層（風(fēng)化后呈淺褐色）石英粗砂巖，節(jié)理不發(fā)育。西山山體為中厚層石英粗砂巖，且硬度較大，巖石完整性較好。洞頂覆蓋層厚約35 m，側(cè)覆約30 m，山上植被茂盛，平均高度約8 m。

1.1.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)異常及排查。海寧觀測(cè)山洞內(nèi)布設(shè)1套SSQ-2I型水平擺傾斜儀，經(jīng)過多年連續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)該測(cè)點(diǎn)地傾斜觀測(cè)資料穩(wěn)定，近年潮汐因子變化較平穩(wěn)。2014年12月13日11時(shí)海寧臺(tái)水平擺NS、EW分量呈加速上升變化趨勢(shì)，至17日7時(shí)，兩分量均上升約1 100×10-3″，此后穩(wěn)步回落，見圖1。

圖1　2014年12月海寧臺(tái)場(chǎng)地環(huán)境干擾變化Fig.1 The change of data by space environment at Haining Seismic Station in Dec.，2014

圖2　海寧臺(tái)測(cè)點(diǎn)與干擾源位置Fig.2 The location of the interference source and observation point at Haining Seismic Station

經(jīng)過對(duì)測(cè)點(diǎn)周邊場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查發(fā)現(xiàn)，東北方向約200 m處存在一處建筑施工場(chǎng)地，面積約30 000 m2，見圖2。該工地2014年12月13日起實(shí)施地基澆筑工作，至17日大約灌注10 000 m3混凝土，重約2.5×107kg。由于此處工地距測(cè)點(diǎn)較近，因此在大幅增加其地表載荷過程中，會(huì)對(duì)海寧臺(tái)水平擺傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)造成較大影響。結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)變化形態(tài)可知，近期測(cè)點(diǎn)附近保持向東北方向傾斜的變化趨勢(shì)，而且觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化起始時(shí)間與澆筑地基時(shí)間較為吻合，因此判斷該工地大規(guī)模澆筑混凝土地基的工程是此次數(shù)據(jù)異常變化的主要原因。

1.1.3 驗(yàn)證。相對(duì)地球而言，可以將測(cè)點(diǎn)與建筑工地視為在一個(gè)水平面內(nèi)，將測(cè)點(diǎn)周邊假定為半無限空間體。由彈性理論可知，當(dāng)在邊界上有一個(gè)垂直于邊界的集中P時(shí)，其相應(yīng)位移解（熊先保，2013）為

其中：P為集中在一點(diǎn)的作用力，E為介質(zhì)彈性模量，γ為介質(zhì)泊松比，R為測(cè)點(diǎn)與壓力施加點(diǎn)間的距離，R2=z2+ r2=z2+ x2+ y2。當(dāng)假設(shè)測(cè)點(diǎn)位于地表時(shí)，z=0，考慮到μz和z在方向上的關(guān)系，將垂向位移在水平向x和y引起的地傾斜分別簡(jiǎn)化為

因當(dāng)?shù)亟橘|(zhì)為石英粗砂巖，取介質(zhì)彈性模量E=5，泊松比γ=0.13，P=2.5×107kg，x=200 m，y=200 m。經(jīng)計(jì)算，EW向、NS向引起的地傾斜幅度均為2.8″，與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好。

1.2 龍泉地震臺(tái)垂直擺受蓄水干擾

1.2.1 觀測(cè)環(huán)境。龍泉市位于浙江西南部，與福建省接壤。該市地形屬于浙南山地，地勢(shì)由西南向東北傾斜，四面環(huán)山，中間為河谷盆地。西北部為仙霞嶺山脈，東南部為洞宮山脈，其中鳳陽山黃茅尖為最高峰。年平均氣溫17.6℃，年平均降水量1 670 mm。觀測(cè)場(chǎng)址位于麗水龍泉市九姑山人防洞，山體出露大爽組（J3d）凝灰?guī)r，洞內(nèi)為灰色玻屑凝灰?guī)r，山頂出露磚紅色凝灰?guī)r，硬度高，完整性好。山洞頂覆約35 m，植被高度6—8 m，側(cè)覆大于40 m。

在地質(zhì)上，該區(qū)屬于麗水—寧波隆起三級(jí)構(gòu)造單元，麗水—寧波隆起呈NE—SW走向，區(qū)域內(nèi)為山地地形，北部有四明山和天臺(tái)山；西南部為仙霞嶺，各類盆地遍布其中。該構(gòu)造單元可進(jìn)一步劃分為4個(gè)四級(jí)構(gòu)造單元，龍泉屬于其中的龍泉—遂昌斷隆。該斷隆位于麗水—寧波隆起西南部，仙霞嶺占據(jù)整個(gè)構(gòu)造單元，是浙江省地形最高、地殼最厚地區(qū)。該區(qū)褶皺基底由陳蔡群和龍泉群組成，褶皺強(qiáng)烈，分布在斷裂包圍隆起區(qū)，中生帶褶皺構(gòu)造不發(fā)育，其中白堊系受盆地控制。斷裂構(gòu)造發(fā)育，使得該區(qū)域成為浙江省地震多發(fā)區(qū)域。按斷裂走向主要有4組，相互交切成網(wǎng)狀，其中NNE向斷裂醒目，密集成帶，集中于東南緣；次為NE向斷裂，成帶分布于龍泉附近；NW向和EW向斷裂分布比較零散。

1.2.2 數(shù)據(jù)異常及排查。龍泉臺(tái)2007年5月10日架設(shè)1套VS型垂直擺傾斜儀，儀器運(yùn)行較為穩(wěn)定。2014年6月28日—7月1日，垂直擺NS、EW分量改變?nèi)粘Ｗ兓厔?shì)，NS向觀測(cè)數(shù)據(jù)累積向北漂移約100″，EW向觀測(cè)數(shù)據(jù)向西漂移約110″，此后兩分量數(shù)據(jù)穩(wěn)步回落，見圖3。

圖3　龍泉臺(tái)蓄水干擾變化Fig.3 The change of data by store water at Longquan Seismic Station

經(jīng)對(duì)測(cè)點(diǎn)周邊場(chǎng)地環(huán)境進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在觀測(cè)山洞西北方向約150 m處建有游泳池，容量約2 000 m3，見圖4。經(jīng)確認(rèn)，2014年6月28日該泳池進(jìn)行1次蓄水操作，結(jié)合數(shù)據(jù)變化時(shí)間及觀測(cè)數(shù)據(jù)變化方向特點(diǎn)，初步判定，泳池蓄水造成測(cè)點(diǎn)周邊場(chǎng)地載荷變化，使得測(cè)點(diǎn)周邊地表發(fā)生向西北傾斜的趨勢(shì)變化，進(jìn)而造成觀測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)發(fā)生異常變化。

1.2.3 驗(yàn)證。同樣，利用彈性理論，將測(cè)點(diǎn)周邊假定為半無限空間體，忽略測(cè)點(diǎn)高程，將測(cè)點(diǎn)區(qū)域均視為在同一水平面內(nèi)。x=200 m，y=200 m，P=2×106kg，調(diào)取當(dāng)?shù)貛r石試驗(yàn)資料，彈性模量E=50，泊松比γ=0.25。運(yùn)用公式（2）和公式（3），計(jì)算得到NS向、EW向地傾斜量均為0.085″?？梢姡碚撚?jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)值基本一致。

結(jié)合海寧臺(tái)水平擺與龍泉臺(tái)垂直擺的干擾事件可以看出，地表載荷造成的地傾斜會(huì)引起擺式儀器數(shù)據(jù)異常變化，變化幅度基本符合彈性理論計(jì)算結(jié)果。結(jié)合實(shí)際觀測(cè)結(jié)果和彈性理論，發(fā)現(xiàn)各分量變化特征主要取決于地表載荷的加載量和加載力與測(cè)點(diǎn)之間的方位距離。結(jié)果存在一定誤差，可能是因?yàn)椋孩儆?jì)算模型中忽略了測(cè)點(diǎn)高程Z，且對(duì)地面載荷的實(shí)際加載量估計(jì)存在一定偏差；②計(jì)算模型將測(cè)點(diǎn)周邊地殼介質(zhì)視為均勻彈性體，實(shí)際上介質(zhì)的各項(xiàng)異性會(huì)造成計(jì)算的傾斜量與實(shí)際測(cè)點(diǎn)結(jié)果不同，甚至相差甚遠(yuǎn)。

1.3 海岸地震臺(tái)受海潮加載

海岸地震臺(tái)地傾斜觀測(cè)資料的內(nèi)在精度和外在形態(tài)，與大陸地震臺(tái)存在較大差別（鐘羽云，1998），選取2014年不同位置地震臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各類觀測(cè)儀器的潮汐因子，見表1，可知海岸地震臺(tái)地傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)的日變幅度和潮汐因子均遠(yuǎn)大于大陸臺(tái)。究其原因，海岸地震臺(tái)距海洋更近，海潮加卸載垂向壓力變化對(duì)測(cè)點(diǎn)周邊應(yīng)力結(jié)構(gòu)造成很大影響，進(jìn)而改變區(qū)域內(nèi)的地殼介質(zhì)形態(tài)。海岸附近臺(tái)站所記錄到的地傾斜觀測(cè)中不僅包含實(shí)際地球固體潮汐變化，同時(shí)附加海潮加卸載帶來的形變潮汐變化量。結(jié)合彈性理論可知，該變化量會(huì)隨著觀測(cè)點(diǎn)與應(yīng)力施加點(diǎn)距離的平方成反比，因此，隨著海岸距離的增加，海潮引起的地形變幅度減小。

圖4　龍泉臺(tái)測(cè)點(diǎn)與干擾源位置Fig.4 The location of the interference source and Longquan observation point

表1　定海臺(tái)、湖州臺(tái)、永嘉臺(tái)、龍泉臺(tái)各類儀器潮汐因子比較Table 1 Comparison of tidal factor with Dinghai，Huzhou，Yongjia and Longquan seismic stations

2 自然環(huán)境干擾

浙江省自然環(huán)境多變，每年夏季西太平洋形成的臺(tái)風(fēng)通過時(shí)，氣象環(huán)境突變，對(duì)地傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)造成明顯干擾：強(qiáng)風(fēng)造成部分地震臺(tái)擺式傾斜儀擾動(dòng)；降雨和氣壓突變會(huì)影響洞體伸縮和鉆孔應(yīng)變類測(cè)項(xiàng)。

2015年7月11日，第九號(hào)臺(tái)風(fēng)“燦鴻”登陸浙江省舟山市，是中國(guó)建國(guó)以來登陸浙江省的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，選取臺(tái)風(fēng)影響范圍內(nèi)各地震臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)各類地傾斜測(cè)項(xiàng)受自然環(huán)境影響的特點(diǎn)。

2.1 氣壓對(duì)體應(yīng)變觀測(cè)影響

浙江省地震前兆臺(tái)網(wǎng)在東陽地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱東陽臺(tái)）、湖州地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱湖州臺(tái)）布設(shè)TJ-2型體積式鉆孔應(yīng)變儀，觀測(cè)數(shù)據(jù)均較為穩(wěn)定。湖州臺(tái)距舟山約250 km，山洞巖層為燕山期花崗巖體；東陽臺(tái)距舟山約220 km，巖層為紫紅色中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖，巖石硬度偏低且完整性較好。

2015年7月11日，隨著臺(tái)風(fēng)經(jīng)過，東陽臺(tái)和湖州臺(tái)鉆孔氣壓先后出現(xiàn)明顯下降，與體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)保持較高的同步變化特性，見圖5、圖6，可見兩套儀器氣壓變化量均約2 kPa，湖州臺(tái)體應(yīng)變下降約45×10-9，東陽臺(tái)體應(yīng)變下降約68×10-9。

圖5　東陽臺(tái)體應(yīng)變受臺(tái)風(fēng)影響變化Fig.5 The change of volumetric strain data by typhoon at Dongyang Seismic Station

圖6　湖州臺(tái)體應(yīng)變受臺(tái)風(fēng)影響變化Fig.6 The change of volumetric strain data by typhoon at Huzhou Seismic Station

根據(jù)彈性力學(xué)可知，鉆孔在垂直方向受大氣壓直接作用，水平方向上受側(cè)向圍壓作用?？紤]到鋼筒、水泥層和鉆孔巖石的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可從理論上推導(dǎo)大氣壓對(duì)體應(yīng)變的影響模型（蘇愷之，2003）。

式中，ε為鉆孔體應(yīng)變，ΔP為氣壓變化量，b為氣壓影響系數(shù)，E為巖石彈性模量，μ為介質(zhì)泊松比。一般，傳感器所受體應(yīng)變與氣壓變化量成正比關(guān)系，而氣壓影響系數(shù)與介質(zhì)彈性模量成反比。由于測(cè)點(diǎn)周邊介質(zhì)性質(zhì)未知，暫時(shí)?。孩俸菖_(tái)花崗巖：E=3，μ=0.2，氣壓變化量ΔP=20 Pa，則ε=84.6；②東陽臺(tái)粉砂巖：E=2，μ=0.2，氣壓變化量ΔP=20 Pa，則ε=56.4?？梢姡碚摻Y(jié)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)大致在一個(gè)數(shù)量級(jí)別，誤差可能與傳感器周圍實(shí)際介質(zhì)的彈性模量和泊松比有關(guān)。

2.2 強(qiáng)風(fēng)對(duì)擺式儀器觀測(cè)影響

浙江省地震前兆臺(tái)網(wǎng)配備6套VS型垂直擺傾斜儀、5套SSQ-2I型水平擺傾斜儀和1套VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀。日常觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，擺式傾斜儀受強(qiáng)風(fēng)干擾主要表現(xiàn)為較高頻率的毛刺擾動(dòng)。選取距離此次臺(tái)風(fēng)較近且觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高的湖州、定海、紹興地震臺(tái)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。

表2　湖州臺(tái)、定海臺(tái)、紹興臺(tái)受臺(tái)風(fēng)影響變化Table 2 The change of data by typhoon at Huzhou，Dinghai and Shaoxing seismic stations

從表2可見，寬頻帶擺式儀器記錄的強(qiáng)風(fēng)擾動(dòng)幅度明顯大于低頻帶觀測(cè)儀器；而同類儀器受到的擾動(dòng)幅度主要取決于干擾源的風(fēng)力大??；同一套觀測(cè)系統(tǒng)不同分量受到強(qiáng)風(fēng)的擾動(dòng)程度主要取決與干擾源風(fēng)向。

強(qiáng)風(fēng)造成觀測(cè)數(shù)據(jù)突跳，可能是由于：強(qiáng)風(fēng)造成觀測(cè)儀器附近植被高頻晃動(dòng)，使得測(cè)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)巖石受力結(jié)構(gòu)不斷變化，導(dǎo)致地傾斜數(shù)據(jù)突跳；強(qiáng)風(fēng)引起周邊氣壓不斷突變，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)區(qū)域巖石受力大氣壓力改變，造成地面傾斜突變。因此，地震臺(tái)觀測(cè)系統(tǒng)受到強(qiáng)風(fēng)擾動(dòng)的主要因素應(yīng)包括：風(fēng)力大小與風(fēng)向、測(cè)點(diǎn)周邊山體植被覆蓋情況及測(cè)點(diǎn)區(qū)域巖石介質(zhì)的性質(zhì)。

3 結(jié)束語

借助地震前兆數(shù)據(jù)跟蹤分析工作平臺(tái)，針對(duì)浙江省地震前兆臺(tái)網(wǎng)中長(zhǎng)期地殼形變觀測(cè)資料進(jìn)行分析，總結(jié)以下特點(diǎn)：測(cè)點(diǎn)周邊的載荷變化容易引起地傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)異常變化，同時(shí)表明彈性力學(xué)理論可以在地傾斜實(shí)際觀測(cè)中較好的驗(yàn)證和應(yīng)用；體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)與測(cè)點(diǎn)周邊氣壓變化的變化成正相關(guān)關(guān)系；擺式傾斜觀測(cè)儀器則會(huì)在強(qiáng)風(fēng)通過時(shí)表現(xiàn)出高頻的毛刺擾動(dòng)現(xiàn)象。為將來對(duì)浙江區(qū)域內(nèi)前兆數(shù)據(jù)處理提供參考。

陳敏，郭欣，鄭許東.重慶臺(tái)傾斜潮汐形變干擾異常與震兆異常的識(shí)別［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2007，27：79-83.

蘇愷之，李海亮，張鈞，等.鉆孔地應(yīng)變觀測(cè)新發(fā)展［M］.北京：地震出版社，2003.

熊先保，林立峰，楊婕.水管傾斜儀與擺式傾斜儀抗干擾能力分析［J］.華南地震，2013，33（2）：34-40.

鐘羽云.浙江省北部及鄰區(qū)中強(qiáng)地震前地傾斜異常特征及其預(yù)測(cè)意義［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，1998，19（3）：27-32.

Abstract

Based on the analysis of the crustal deformation observation data in Zhejiang Province，we summarized the most two frequently interference of crustal deformation.By analyzing the environment interference surrounding the station，the characteristics of observation data changed by ground loading is summarized.By analyzing the natural environment changes when typhoon comes，the characteristics of observation data affected by climate change are summarized.

The analysis of usual interference in observation of crustal deformation in Zhejiang Province

Yin Jingfei1），Su Xiaoyun2），Zhang Zhenfeng1）and Xu Mengling1）
1） Earthquake Administration of Zhejiang Province，Hangzhou 310013，China
2） Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730000，China

observation of crustal deformation，ground loading，natural environment change

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.010

尹晶飛（1988—），男，江蘇丹陽人，畢業(yè)于中國(guó)地震局地球物理研究所，碩士，助理工程師，主要從事地震前兆臺(tái)網(wǎng)運(yùn)維與數(shù)據(jù)分析工作

甘肅省地震局科技發(fā)展基金（2015Q03）