西安地震臺(tái)形變觀測(cè)自然環(huán)境干擾分析

王秋寧 古云鶴

（中國(guó)西安710068陜西省地震局）

西安地震臺(tái)形變觀測(cè)自然環(huán)境干擾分析

王秋寧 古云鶴

（中國(guó)西安710068陜西省地震局）

以西安地震臺(tái)形變學(xué)科2014年、2015年觀測(cè)資料為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)水管儀、伸縮儀、垂直擺等形變儀觀測(cè)數(shù)據(jù)所受干擾，分析典型自然環(huán)境干擾的影響特征及一般規(guī)律，為同類(lèi)地震臺(tái)的干擾識(shí)別及相應(yīng)措施制定提供參考，為觀測(cè)數(shù)據(jù)的深化應(yīng)用提供依據(jù)。

前兆監(jiān)測(cè)；形變觀測(cè)；自然環(huán)境；干擾分析

0 引言

地震前兆監(jiān)測(cè)的主要目的是捕捉地震發(fā)生前的異常變化信息。在使用專(zhuān)業(yè)儀器進(jìn)行地震前兆觀測(cè)的過(guò)程中，不可避免地受到各種干擾，這些干擾主要包括場(chǎng)地環(huán)境干擾、自然環(huán)境干擾和人為干擾。自然環(huán)境干擾主要包括氣壓、降水、雷電、溫濕度、氣旋、風(fēng)擾等。本文重點(diǎn)對(duì)西安基準(zhǔn)地震臺(tái)形變觀測(cè)資料所受自然環(huán)境干擾事件進(jìn)行梳理，分析典型干擾對(duì)形變觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響特征及規(guī)律。

1 臺(tái)站背景

1.1 臺(tái)址構(gòu)造

西安基準(zhǔn)地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)西安臺(tái)）位于陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)子午鎮(zhèn)秦嶺北麓，地殼厚度約40 km，海拔630 m，構(gòu)造上處于控制渭河斷陷盆地南界的秦嶺北緣EW向大斷裂南盤(pán)，距斷裂破碎帶約500 m。渭河斷陷盆地處于汾渭地震帶西南段，總體呈近EW向，北側(cè)是地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊，中間是渭河?xùn)|西向大斷裂，南側(cè)為秦嶺造山帶，長(zhǎng)約 400 km。渭河斷陷盆地受多期活動(dòng)，盆地內(nèi)形成多個(gè)次級(jí)斷塊，差異活動(dòng)顯著，活動(dòng)斷裂發(fā)育（王衛(wèi)東等，2004），是控制陜西省地震活動(dòng)的基本構(gòu)造帶，歷史上發(fā)生多次強(qiáng)震，最大地震為1556年華縣8.25級(jí)大地震，災(zāi)害波及陜、甘、豫、晉、川等13個(gè)省，死亡83萬(wàn)人，是世界地震史上死亡人數(shù)最多的一次地震。

1.2 觀測(cè)場(chǎng)地條件

西安臺(tái)形變觀測(cè)場(chǎng)地包括形變山洞和鉆孔應(yīng)變場(chǎng)地。形變山洞建在秦嶺北麓近NS走向山體下，建于20世紀(jì)70年代。山體巖性為震旦紀(jì)片麻狀花崗巖，巖層產(chǎn)狀傾斜度為18°，巖質(zhì)有一定風(fēng)化、破碎，裂隙較多。山洞總長(zhǎng)72 m，其中EW向長(zhǎng)30 m，NS向長(zhǎng)42 m，洞頂覆蓋厚度15—25 m，東側(cè)薄，北側(cè)次之，西南側(cè)厚，洞體山頂植被以灌木叢和雜草為主。洞內(nèi)年溫差小于1.0℃，日溫差小于0.05℃。山洞主體呈“十字”形，由東側(cè)進(jìn)入山洞，東西向主巷道設(shè)有3道船艙門(mén)，2道塑鋼門(mén)（圖1）。

觀測(cè)山洞安裝VS垂直擺傾斜儀、DSQ水管傾斜儀、SS-Y伸縮儀和PET潮汐重力儀，均為“十五”數(shù)字化改造后架設(shè)的數(shù)字觀測(cè)儀器，其中垂直擺、水管儀、伸縮儀均有NS和EW兩個(gè)觀測(cè)分量。此外，在山洞外安裝1套 WYY-1氣象三要素儀，可實(shí)時(shí)觀測(cè)氣溫、氣壓和降雨量。

西安地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變場(chǎng)地位于子午臺(tái)南側(cè)約300 m，臺(tái)基為片麻狀花崗巖。鉆孔成孔深度70 m，儀器探頭安裝在地下67 m。從鉆孔巖芯采樣結(jié)果看，探頭安放位置巖石較完整、致密。觀測(cè)儀器為T(mén)J-2型體應(yīng)變觀測(cè)儀，觀測(cè)物理量為鉆孔體應(yīng)變、鉆孔水位、鉆孔氣壓等。

圖1　西安臺(tái)形變山洞平面布局Fig.1 The distribution map of mountain cave at Xi＇an Seismic Station

2 干擾分析

在地震形變觀測(cè)中，降雨、大風(fēng)、氣壓、氣溫、濕度、雷擊等氣象因素變化是導(dǎo)致觀測(cè)資料出現(xiàn)異常變化的主要原因。西安臺(tái)形變山洞覆蓋層相對(duì)較薄且裂隙較多，山洞進(jìn)深較淺，洞內(nèi)氣壓、溫度、濕度等受自然環(huán)境變化影響相對(duì)明顯，從而導(dǎo)致形變觀測(cè)受降雨、刮風(fēng)和氣壓變化干擾等自然環(huán)境因素影響。

2.1 降雨干擾

降雨是一種普遍自然現(xiàn)象，關(guān)中地區(qū)年平均降雨量約600 mm，是北方地區(qū)降雨量相對(duì)較多的地區(qū)之一。降雨干擾在地震地形變前兆觀測(cè)中是一種典型且普遍的干擾現(xiàn)象，但影響原因較為復(fù)雜。有學(xué)者認(rèn)為，降雨時(shí)，一部分雨水經(jīng)地表流走，另一部分則順巖石裂縫或土層滲透到地層，使得地表局部產(chǎn)生形變（陳敏等，2007）。通過(guò)多年觀測(cè)資料分析可知，西安臺(tái)洞體形變儀器觀測(cè)明顯受降雨干擾影響。降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間不同，干擾變化形態(tài)也不盡相同。

2.1.1 暴雨干擾。2015年8月2日，西安臺(tái)所在地區(qū)大雨，降雨量26.2 mm，3日降下罕見(jiàn)大暴雨，數(shù)小時(shí)內(nèi)降雨量達(dá)131.8 mm。從觀測(cè)資料看，2日的降雨未造成水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)明顯變化，只是在潮汐形態(tài)背景值上出現(xiàn)少量毛刺。但3日的短時(shí)集中強(qiáng)降雨造成水管儀NS、EW分量測(cè)值快速大幅度下降，其中NS分量下降約35×10-3″，EW分量下降約47×10-3″，且從觀測(cè)曲線明顯可見(jiàn)日變形態(tài)被破壞（圖2）。

大暴雨造成水管儀測(cè)值快速大幅下降的突變性拐折現(xiàn)象，主要原因是，西安臺(tái)形變山洞覆蓋層相對(duì)較薄且裂隙較多，短時(shí)間大量雨水的滲透、淤積造成山體巖石承載壓力和應(yīng)變的不平衡。從圖2可見(jiàn)，NS、EW分量觀測(cè)值均大幅下降，均向西南方向傾斜，與西安臺(tái)形變山洞山體地勢(shì)西南方向高、東北方向低一致。大量雨水快速向東北方向集中，造成該方向巖石壓力和應(yīng)變的增強(qiáng)，反映到觀測(cè)值的快速變化，表現(xiàn)在觀測(cè)曲線發(fā)生大幅下降的突變性拐折。金克儉等（1986）認(rèn)為，持續(xù)或突降大雨后，山洞地表容易積水，不但降低斷裂面摩擦強(qiáng)度，而且容易滲透到山洞內(nèi)儀器主墩和過(guò)渡墩及附近，增加荷載和巖石孔隙中的水分，降低巖石的抗壓強(qiáng)度和屈服力，進(jìn)而導(dǎo)致巖石壓力和應(yīng)變的變化，引起測(cè)值短時(shí)間內(nèi)較大幅度的加速變化。

2.1.2 持續(xù)降雨干擾。2015年6月22日至30日西安地區(qū)持續(xù)降雨，每次降雨量不大，但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，累計(jì)降雨量達(dá)148.2 mm，水管儀觀測(cè)值受降雨影響（圖3）。從圖3可見(jiàn)，NS、EW分量22日起向下傾變，呈緩慢向下趨勢(shì)，但固體潮日變形態(tài)基本未被破壞；NS分量25日后不再下降，累計(jì)下降約30×10-3″，EW分量保持趨勢(shì)下降形態(tài)，累計(jì)下降約110×10-3″。

圖3　西安臺(tái)水管儀觀測(cè)值受持續(xù)降雨干擾Fig.3 The effect by continuous rainfall interference to water tube of Xi＇an Seismic Station

分析上述干擾變化，認(rèn)為該階段水管儀NS、EW分量的下降是由于持續(xù)性降雨造成山洞巖石壓力和應(yīng)變的變化引起的。長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)降雨，雨水緩慢滲入山體巖石裂隙，使巖石孔隙飽含水分，并隨山體地勢(shì)形成涇流；因山洞地勢(shì)，地表和山體內(nèi)的雨水持續(xù)向東側(cè)流動(dòng)或滲透，從而造成該側(cè)壓力變大，導(dǎo)致測(cè)值曲線發(fā)生趨勢(shì)性下降；降雨停止后，土壤和巖石中的水分經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間蒸發(fā)和滲流，荷載和巖石孔隙中的水分逐漸減少，因而引起應(yīng)變逐漸緩慢地恢復(fù)（牛安福等，2002）。

2.1.3 降雨干擾事件統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)2014年8月1日至2015年6月30日降雨量大于30 mm的時(shí)段，西安臺(tái)形變觀測(cè)數(shù)據(jù)受降雨干擾產(chǎn)生變化，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可見(jiàn)，在統(tǒng)計(jì)的10次降雨中，均對(duì)水管儀和伸縮儀觀測(cè)數(shù)據(jù)造成明顯干擾影響。每次降雨，水管儀NS、EW分量和伸縮儀EW分量均呈下降趨勢(shì)，伸縮儀NS分量呈上升趨勢(shì)；降雨與形變觀測(cè)數(shù)據(jù)多為同步變化，某些時(shí)段降雨時(shí)，形變觀測(cè)數(shù)據(jù)變化滯后。由此可知，一般小降雨不會(huì)對(duì)傾斜量產(chǎn)生影響，只有當(dāng)降雨量足夠大時(shí)，才可能對(duì)傾斜量造成影響，而且降雨量越大，地形變測(cè)值變化量越大。

表1　西安臺(tái)水管儀和伸縮儀受降雨影響統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of effect by rainfall interference to water tube and extensometer of Xi′an Seismic Station

2.2 刮風(fēng)干擾

刮風(fēng)干擾是影響形變數(shù)字化觀測(cè)的主要因素之一，尤其是對(duì)長(zhǎng)條型地傾斜儀測(cè)值影響更明顯。2014年4月25日00時(shí)至17時(shí)西安臺(tái)所在地區(qū)刮4—5級(jí)大風(fēng)，導(dǎo)致水管儀和伸縮儀觀測(cè)曲線出現(xiàn)明顯抖動(dòng)，表現(xiàn)為高頻毛刺變化，觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲變大（圖4）。

圖4　西安臺(tái)形變觀測(cè)值受刮風(fēng)干擾（a）水管儀；（b）伸縮儀Fig.4 Influence of strong wind to deformation observation of Xi＇an Seismic Station

刮風(fēng)對(duì)水管傾斜儀影響主要在于，山洞內(nèi)空氣震蕩，引起氣流擾動(dòng)，從而改變儀器液面壓力，液面隨之響應(yīng)，在曲線上表現(xiàn)出上下波動(dòng)的特點(diǎn)。對(duì)伸縮儀的影響主要是，大風(fēng)作用于山洞覆蓋地層，從而改變其受力狀態(tài)，在曲線上表現(xiàn)為固體潮波動(dòng)變化。強(qiáng)風(fēng)引起山洞覆蓋層植被的快速擺動(dòng)，傳遞到植被根系，加載到山體上，從而引起應(yīng)力變化，造成地傾斜測(cè)值的快速跳動(dòng)，表現(xiàn)為觀測(cè)值曲線的正常變化背景上出現(xiàn)大量毛刺。

風(fēng)擾對(duì)形變觀測(cè)的影響具有隨機(jī)性，一般不會(huì)改變固體潮總體變化形態(tài)，顯著特征是對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線造成明顯抖動(dòng)，出現(xiàn)高頻擾動(dòng)和毛刺現(xiàn)象。大風(fēng)對(duì)長(zhǎng)條型水管傾斜儀觀測(cè)影響較大，對(duì)伸縮儀的觀測(cè)影響較小，主要是大風(fēng)以負(fù)載形式作用于安放儀器的整個(gè)山體的結(jié)果。風(fēng)力垂直作用于山體，山體隨之在傾向方向產(chǎn)生微弱變化。風(fēng)力是大范圍作用，而伸縮儀監(jiān)測(cè)局部?jī)A斜變化，因此長(zhǎng)條型水管傾斜儀記錄的傾斜變化比較明顯（雷登學(xué)等，2012）。

2.3氣壓干擾

氣壓對(duì)形變觀測(cè)干擾比較普遍。2014年6月16日23時(shí)—6月17日03時(shí)，西安地區(qū)氣壓出現(xiàn)劇烈變化，西安臺(tái)垂直擺、水管儀、鉆孔體應(yīng)變儀受到干擾，影響曲線見(jiàn)圖5。

圖5　西安臺(tái)形變觀測(cè)氣壓變化干擾（a）垂直擺；（b） 水管儀；（c）體應(yīng)變；（d）氣壓Fig.5 Influence of air pressure variation to deformation observation of Xi＇an Seismic Station

從圖5可見(jiàn)，氣壓對(duì)地傾斜儀、地應(yīng)變儀的影響具有較好的時(shí)間同步性，但垂直擺、水管儀等地傾斜儀受氣壓干擾幅度較小，體應(yīng)變則受影響較大。從圖5可以看出，在氣壓值發(fā)生劇烈變化時(shí)段（16日23時(shí)至17日03時(shí)），垂直擺和水管儀觀測(cè)曲線會(huì)產(chǎn)生小幅度的固體潮畸變，而體應(yīng)變曲線的變化幅度相對(duì)，且變化形態(tài)與氣壓變化基本一致。

分析認(rèn)為，當(dāng)鉆孔氣壓升高時(shí)，孔隙壓力增大，體應(yīng)變測(cè)值同步變大；當(dāng)氣壓下降時(shí)，孔隙壓力降低，體應(yīng)變測(cè)值同步變小。氣壓影響主要以載荷方式作用，造成地面負(fù)荷的增減，導(dǎo)致巖石應(yīng)力變化，而氣壓波動(dòng)作用于上層地層和巖石孔隙水體，從而對(duì)體應(yīng)變固體潮觀測(cè)產(chǎn)生影響。這是因?yàn)椋恒@孔內(nèi)空氣震蕩，引起氣流擾動(dòng)，從而改變體應(yīng)變儀探頭周?chē)后w液面壓力，使液面隨之響應(yīng)，在形變觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線上表現(xiàn)為上下波動(dòng)的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)西安地震臺(tái)形變觀測(cè)典型自然環(huán)境干擾事件分析，得到以下認(rèn)識(shí)：①西安臺(tái)地傾斜、洞體應(yīng)變、鉆孔應(yīng)變等形變測(cè)項(xiàng)主要受風(fēng)擾、降水、氣壓等影響；②降雨影響與降雨時(shí)間、強(qiáng)度有關(guān)，是形變觀測(cè)的普遍和典型干擾，集中強(qiáng)降雨會(huì)造成形變測(cè)值大幅變化；③大風(fēng)會(huì)導(dǎo)致形變儀器觀測(cè)曲線噪聲變大，但一般不會(huì)影響固體潮等基本形態(tài)，且對(duì)長(zhǎng)條型地傾斜儀干擾較大，對(duì)擺式傾斜儀觀測(cè)影響較??；④垂直擺、水管儀等洞室形變觀測(cè)儀器受氣壓干擾影響較小，鉆孔體應(yīng)變儀受氣壓干擾影響較大；氣壓劇烈變化時(shí)，垂直擺和水管儀測(cè)值曲線會(huì)產(chǎn)生小的固體潮畸變，而鉆孔應(yīng)變儀則產(chǎn)生較明顯的同步趨勢(shì)變化；⑤山洞的巖性條件、覆蓋層厚度、洞室深度、山洞密閉性等基礎(chǔ)條件，直接決定洞室形變觀測(cè)受自然環(huán)境干擾程度。因此，在選址和建設(shè)形變觀測(cè)山洞時(shí)，既要考慮臺(tái)址的地質(zhì)構(gòu)造背景，又要考慮山體的高差、厚度、山勢(shì)等地形地貌特征及臺(tái)基巖性條件，而且新建山洞應(yīng)盡量加大洞室深度，并做好保溫、防潮等抗自然環(huán)境干擾等措施。

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Abstract

By analyzing deformation observation data of Xi＇an Seismic Station from the year 2014 to 2015，all kinds of interference to observation instrument，such as water tube tiltmeter，extensometer and vertical pendulum tiltmeter，what would be caused by natural environment，are summarized in this paper.The influence characteristics and general rules of several typical natural environment interference factors on the deformation observation data were found.At the end，same suggestion of anti-interference measures，that will provide the reference for the same kind of interference identification and deepening application of deformation observation data are given.

The interference analysis of natural environment on deformation observation of Xi′an Seismic Station

Wang Qiuning and GuYunhe
（Earthquake Administration of Shaanxi Province，Xi＇an 710068，China）

earthquake precursor monitoring，deformation observation，natural environment，interference analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.012

王秋寧（1973—），女，工程師，主要從事陜西地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理工作。E-mail：sxtwzhx@163.com