河北張家口地震臺形變觀測干擾特征分析

李 峰,寧海雯,劉燕翔,鄭 毅

(河北省地震局張家口中心地震臺，河北 張家口 075000)

河北張家口地震臺形變觀測干擾特征分析

李 峰,寧海雯,劉燕翔,鄭 毅

(河北省地震局張家口中心地震臺，河北 張家口 075000)

簡要介紹張家口地震臺形變觀測概況，分析大風、氣壓、觀測人員、雷電、雷雨及環(huán)境載荷等干擾因素對觀測曲線形態(tài)的影響，得出不同干擾因素與觀測曲線形態(tài)變化的對應關系，為準確識別震前異常提供參考。

形變測量；干擾因素；異常識別

1 形變觀測概述

張家口地震臺地處京西北、晉冀蒙交界區(qū)，位于張渤地震帶與山西地震帶交匯部位，地質構造復雜，斷裂頗多，主要斷裂有NE向的蔚縣山前大斷裂、桑干河斷裂，EW向的狼窩溝、崇禮—赤城斷裂和懷安—宣化斷裂，外區(qū)有多條NW向斷裂[1]。

張家口地震臺(以下簡稱張家口臺)屬全國形變觀測基本臺(國家一類臺)，觀測山洞位于張家口橋東區(qū)魚兒山山腳，臺址巖性均為侏羅紀石英粗面巖和石英角礫巖，始建于1984年，進深200 m，覆蓋層大于40 m，年溫差小于1%℃，日溫差小于5‰。目前有DSQ型水管傾斜儀、SSY型伸縮儀、TJ-Ⅰ和TJ-Ⅱ型體積應變儀、VP型垂直擺傾斜儀、SQ-70D型石英擺傾斜儀、重力儀等觀測儀器，設有洞溫、氣壓、氣溫、雨量等輔助測項。

張家口臺各套形變儀器自運行以來，工作性能基本穩(wěn)定，具有較明顯的年變規(guī)律。除正常觀測形態(tài)外，會出現(xiàn)固體潮曲線畸變，如階躍、脈沖等[2]。為準確識別震前異常，對干擾因素引起觀測曲線形態(tài)的變化進行分析研究。

2 形變觀測干擾因素分析

同一干擾因素對不同觀測儀器造成影響的表現(xiàn)形式各異。形變測量會受氣象(如降雨、雷電、氣壓、大風等)、人為作用、環(huán)境載荷變化等諸多因素的影響[3]。一般情況下，氣象因素對形變資料的影響表現(xiàn)出長周期、大幅度、突發(fā)性、短時期[4]；人為干擾多通過對洞室溫度、洞體載荷施加影響來對儀器造成干擾，表現(xiàn)為曲線突變后緩慢恢復或單點突跳；洞體周邊山體載荷的大變化對觀測數(shù)據(jù)造成的干擾多表現(xiàn)為長周期緩慢變化及年變規(guī)律的改變。

2.1 大風及氣壓干擾

大風對傾斜觀測儀器的影響一方面是由于氣流擾動，在洞室密封不嚴的情況下，引起洞體內(nèi)空氣激蕩，直接作用于儀器設備而影響觀測數(shù)據(jù)，觀測曲線表現(xiàn)為上下波動[4]；另一方面，強勁、持續(xù)的大風對山體施加作用力，巖體受力不斷改變而影響觀測數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為固體潮曲線較高頻率的毛刺擾動及畸變。分析得出，寬頻帶擺式儀器可記錄更多的頻率信息，曲線受強風擾動的變化幅度明顯大于低頻帶儀器[5]；同類儀器受干擾出現(xiàn)變化幅度的大小主要取決于風力；同一套觀測系統(tǒng)不同分量受干擾的程度與風向有關(見第14頁圖1)。

氣壓波動對傾斜觀測干擾較小，對應變觀測的影響較為明顯。氣壓作用于地面巖石，引起巖體受力改變，在觀測曲線上除表現(xiàn)出風擾的抖動外，還存在固體潮畸變(見第14頁圖2)。

2.2 觀測人員進出洞室引起的干擾

張家口臺于2017年3月進行水平擺“十五”儀器改造。在安裝過程中，人員進出洞室對水管儀和伸縮儀的觀測都造成影響。21日、23日進出的頻次及人員數(shù)量較少，22日多人頻繁進出洞室。如第14頁圖3記錄的干擾曲線，分析得出：

(1) 水管儀在少量人員進洞時的干擾表現(xiàn)為數(shù)據(jù)單點突跳，固體潮無趨勢性畸變；當多人同時進洞時，會發(fā)生階躍變化及數(shù)據(jù)單點突跳，原因是同時受到體重負荷使地表發(fā)生傾斜和人體散熱改變洞室溫度、走動引起洞內(nèi)空氣運動的影響。

圖1 受大風干擾的曲線形態(tài)Fig.1 Observation curve affected by gale

圖2 體應變受氣壓干擾的曲線形態(tài)Fig.2 Observation curve of body strain affected by barometric pressure

圖3 觀測人員進入山洞引起的干擾Fig.3 Interference by the observers who enter into the cave

(2) 伸縮儀在少量人員進洞時受到的影響不明顯，多人進洞時會出現(xiàn)固體潮趨勢性畸變，說明應變儀較傾斜儀抗人為進洞干擾的能力強。

2.3 雷電及雷雨干擾

雷電或雷雨對觀測儀器的干擾可能是儀器供電或信號線路對雷電產(chǎn)生感應，使儀器供電或輸出的電壓信號發(fā)生變化，影響觀測數(shù)據(jù)的正常形態(tài)。另外，強降雨和氣壓對山體產(chǎn)生作用力，山體載荷短期產(chǎn)生劇烈變化，使固體潮曲線在降雨時段出現(xiàn)畸變。圖4可以看出，應變類儀器因雷雨產(chǎn)生的變化最敏感、劇烈。

圖4 受雷雨干擾的曲線形態(tài)Fig.4 Observation curve affected by thunderstorm

2.4 環(huán)境載荷變化

2.4.1 觀測數(shù)據(jù)異常及原因排查

張家口臺水平擺儀SQ-70D多年來觀測資料穩(wěn)定，潮汐因子變化較平穩(wěn)。2012年4月初，水平擺EW分量在西傾的趨勢下發(fā)生轉折，呈加速上升，截止4月底，上升約43E-3″，此后逐步恢復平穩(wěn)(見圖5)。

圖5 張家口臺水平擺受干擾影響的曲線Fig.5 Observation curve of horizontal pendulum tiltmeter at Zhangjiakou station affected by interferences

現(xiàn)場對儀器及標定情況進行檢查發(fā)現(xiàn)，儀器工作狀態(tài)正常，格值和靈敏度均正常。隨后對臺站周圍的環(huán)境干擾情況進行調查(見圖6)。

圖6 張家口臺周圍可能的干擾源Fig.6 The possible interference sources around Zhangjiakou station

(1) 形變山洞西側約1 000 m為清水河河道，河寬約150 m，2006年開始蓄水，2012年進行清淤工程。

(2) 形變山洞北側300 m、500 m處，2009年至2014年多處新建18層的高層住宅。

張家口臺的水管儀、垂直擺、伸縮儀在此期間也出現(xiàn)同步短期變化，但周邊的懷來臺、赤城臺、陽原臺則未記錄到同步變化。經(jīng)研究分析認為，這種單臺各觀測手段同步短期變化有可能是一些干擾因素造成，但也有可能是地殼應力局部變化所致；各觀測手段曲線的變化時間不完全同步，可能是不同儀器記錄的頻率信息不同所致，各種儀器對應力積累的反應靈敏度不同造成變化在時間記錄上的不同步[6]。

經(jīng)實地考察，在曲線變化時段，山洞周圍顯著的環(huán)境變化僅有一項，即張家口市清水河清淤和蓄水工程。清水河清淤、蓄水河段距山洞1 000 m，施工河段分5號和6號庫區(qū)，5號庫區(qū)壩長123 m，河道長510 m，壩高2.7 m；6號庫區(qū)壩長107 m，河道長465 m，壩高3.5 m。清淤工程于2012年2月28日開始，先將清淤河段0.60 m深的少量存水放到下游，3月20日進行大規(guī)模清淤施工，30日5號庫區(qū)清淤結束，4月8日6號庫區(qū)清淤結束，清淤總量1.54×105m3。清淤后，12日開始蓄水，流量1 m3/s，5月1日蓄水結束，兩庫區(qū)蓄水總量3.016×105m3(據(jù)張家口市清水河河道管理處)[6]。

由于清淤地點距山洞不遠，在清淤導致地表載荷大幅改變的過程中，可能會對張家口臺水平擺傾斜觀測數(shù)據(jù)造成影響。在不確定地下地質結構的前提下，雖不能從根本上確定上述載荷變化是形變觀測異常產(chǎn)生的原因，但依據(jù)工程和異常發(fā)生時間的同步性，結合觀測數(shù)據(jù)變化形態(tài)初步認為，河道清淤是此次數(shù)據(jù)異常變化的主要原因。

2.4.2 驗證

相對地球而言，假設山洞位置與施工場地在一個水平面內(nèi)，將山洞周邊假定為半無限空間體。由彈性理論可知，當在邊界上有一個垂直于邊界的集中作用力(P)時，其相應位移解為[7]：

式中：P為集中在一點的作用力；E為介質彈性模量；γ為介質泊松比；R為測點與壓力施加點間的距離。因山洞所在山體巖石介質為侏羅紀石英粗面巖和石英角礫巖，取介質彈性模量為5，泊松比為0.23，則P為2.83×108kg，R為1 000 m。經(jīng)計算，EW向引起的地傾斜幅度均為60E-3″，與實際觀測數(shù)據(jù)較吻合。

2013年11月，在形變山洞門口進行新體應變儀(TJ-2)安裝的打孔工作，因新孔位置距山洞內(nèi)各種觀測儀器的直線距離只有幾十米，故施工對洞內(nèi)儀器產(chǎn)生了不同程度的影響(見第16頁圖7)。

圖7 安裝新體應變儀打孔的載荷變化對形變觀測手段影響曲線圖Fig.7 The observation curve of deformation observation affected by load change resulting from drilling of the new body strain installation

施工1個月，打孔深度77.8 m，巖質為變質沉積巖，有少量侵入巖，鉆孔過程是用鉆機旋轉下鉆，施工一段距離后提出鉆頭，取出巖心，在施工過程中一直向孔中注水以給鉆頭降溫。從圖7看出，傾斜儀對施工過程的干擾反應不明顯，應變類儀器的伸縮儀和體應變對干擾反應強烈。雖然施工過程是不間斷的，但從曲線來看，干擾有明顯的階段性。筆者認為這是隨著鉆孔深度的不斷變化而產(chǎn)生的，說明在不同深度上的施工作業(yè)，產(chǎn)生的載荷變化對洞內(nèi)形變儀器所在位置的巖石產(chǎn)生的作用力是不同的，這也從側面映證出洞體巖石結構的不均一性，存在明顯的分層結構。

3 結論與討論

對定點形變潮汐觀測中的突跳、階變、抖動、畸變等異常分析發(fā)現(xiàn)，氣象因素造成的影響復雜，主要表現(xiàn)為不同氣壓場引起的異常形態(tài)不同，但響應頻率一致，應變觀測對氣壓變化反應更為強烈；降雨對不同形變觀測儀器產(chǎn)生的影響不同；短時大氣溫度變化對形變觀測有一定影響，曲線發(fā)生抖動或暫態(tài)波動，在較低頻段上有響應；工程施工、土石開挖等短時環(huán)境荷載變化會引起分鐘值觀測曲線明顯的階躍、抖動型實時畸變，洞體周邊長期的載荷變化會使曲線產(chǎn)生趨勢性變化，甚至改變曲線的年變規(guī)律；人員進洞、施工、儀器標定和檢修等人為活動對觀測曲線的影響特征明顯，可直接識別。

形變測量易受多種干擾因素影響，包含氣象變化、人為作用、儀器故障、環(huán)境載荷變化及未知的諸多因素，干擾形態(tài)與地震前兆形態(tài)極為相似，使得排除干擾較困難。這就要求工作人員要精心維護儀器，詳實記錄干擾時間和類型，總結規(guī)律，對異常作出準確的判斷[8]。

[1] 陳 佳,陳建國,張躍剛,等.張家口地震臺地形變數(shù)字化與模擬資料對比研究[J].地震地磁觀測與研究,2006,27(6):49-56.

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[3] 李國斌.銀川臺形變數(shù)字化觀測干擾識別[J].高原地震,2006,18(1):46-51.

[4] 李希亮.山東形變固體潮數(shù)字化資料的干擾因素分析[J].高原地震,2008,20(3)：36-41.

[5] 李惠玲，程冬焱，胡玉良，等.寬頻帶傾斜儀及其觀測影響[J].山西地震,2017(2)：16-21.

[6] 馬 棟,陳建國,鄭 爽,等.荷載對鉆孔應變觀測影響的實例分析[J].地震研究,2014(1):79-85.

[7] 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.

[8] 雷登學,張建武,田 野,等. 肅南地震臺形變觀測資料干擾識別與排除[J].地震地磁觀測與研究,2012,33(1):49-52.

InterferenceCharacteristicsofDeformationObservationofZhangjiakouSeismologicalStationinHebei

LIFeng,NINGHai-wen,LIUYan-xiang,ZHENGYi

(ZhangjiakouCentralSeismologicalStationofHebeiEarthquakeAgency,Zhangjiakou,Hebei075000,China)

The survey of deformation observation of Zhangjiakou seismological station is briefly introduced. The influences of interference factors such as gale, barometric pressure, observation personnel, lightning, thunderstorm and environment load on the observation curve are analyzed. The corresponding relationship between different interference factors and morphological changes of observation curve is obtained to provide a reference for accurate identification of anomalies before earthquake.

Deformationobservation,Interferencefactor,Identificationofanomaly

1000-6265(2017)03-0013-04

2017-04-03

河北省地震局青年基金課題項目資助(DZ20150420019)。

李 峰(1979— )，男，河北省懷安人。2008年畢業(yè)于天津大學，助理工程師。

P315.73

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