DSQ水管傾斜儀曲線受氣象因素干擾的分析研究

熊 瑋，孟建國，范 軍，李棟梁

（1.濰坊地震監(jiān)測中心臺，山東 濰坊 261041；2.泰安基準(zhǔn)地震臺，山東 泰安 271000；3.濰坊市地震局，山東 濰坊 261041）

0 引言

前兆觀測中，地震前兆儀器記錄了地球物理量的變化情況。在正常情況下，地球物理量的變化表現(xiàn)出了潮汐變化的規(guī)律。月球和太陽對地球的引力不但可以引起地球表面流體潮汐（如海潮、大氣潮），還能引起地球固體部分的周期性形變［1］。正常的固體潮曲線均勻而光滑，接近于正、余弦曲線波動，且存在一定的周期性。但由于干擾畸變因素較多，所以臺站傾斜潮汐形變觀測的固體潮曲線也是情況多變的。本文根據(jù)泰安臺DSQ水管傾斜儀多年所記錄到的幾種典型畸變圖像，對照自然環(huán)境因素，將畸變圖像與環(huán)境干擾進行系統(tǒng)的研究，分析觀測數(shù)據(jù)受氣壓、臺風(fēng)、雷電和降雨等氣象因素干擾的典型記錄曲線，并總結(jié)各干擾因素的記錄形態(tài)特征、變化規(guī)律，分析其形成原因，以此來找出排除和降低干擾對觀測的措施，提高日常觀測資料質(zhì)量、識別干擾與震兆圖像的能力［2］。

1 臺站觀測條件及儀器

泰安基準(zhǔn)地震臺地處萊蕪弧形斷裂帶北側(cè)（臺址附近段落稱為泰山山前斷裂），臺基為太古代泰山群（Art）花崗片麻巖體，臺址巖體完整致密均勻，結(jié)構(gòu)致密完整。DSQ水管傾斜儀放在專用觀測山洞內(nèi)（1975年建成）。山洞洞室覆蓋厚度為29 m以上，主洞進深76 m，入口設(shè)計成直立螺旋形，高差33 m，避免了洞室內(nèi)空氣流動對儀器觀測造成的影響。洞室年最大溫差小于0.8℃，日最大溫差小于0.05℃，洞室內(nèi)相對濕度小于90%，其熱穩(wěn)定性居全國地震系統(tǒng)觀測之首，具體儀器布設(shè)見圖1。

圖1 泰安臺觀測儀器及鉆孔示意圖Fig.1 Tai’an Observatory and drilling diagram

泰安臺水管傾斜儀屬于首批“九五”數(shù)字化實驗儀器。后經(jīng)十五數(shù)字化改造，已經(jīng)有三十多年的觀測歷史。目前，該儀器觀測基線EW向長10.0 m，NS向長30.03 m；方位角EW向為 124°37′，NS 向為 39°48′。

2 典型的曲線畸變情況分析

根據(jù)泰安臺DSQ水管傾斜儀觀測資料顯示，該儀器經(jīng)常能記錄到一些單點突跳、數(shù)據(jù)掉格、臺階、毛刺等非連續(xù)性的圖形畸變現(xiàn)象。據(jù)以往研究顯示，產(chǎn)生這種數(shù)據(jù)非連續(xù)畸變的原因很多［3-4］。造成畸變的因素很多，如爆破、標(biāo)定、人員進洞和電源引起的畸變；緩變因素例如氣壓、氣溫、降雨等氣象因素引起的觀測曲線畸變、趨勢上升或趨勢下降，或者為震前異常引起的畸變。但對于水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)影響最突出，干擾最明顯的主要是環(huán)境因素導(dǎo)致。

2.1 氣壓干擾

DSQ型水管傾斜儀是自動測量地殼傾斜變化的一種精密儀器，具有高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定性等特點［5］，因而它不僅可以記錄到遠震面波，震時微小的應(yīng)變階躍（同震應(yīng)變階），長、短期應(yīng)變異常，還可以記錄到氣壓的干擾影響［6］。

對2012年11月11日水管傾斜儀與氣壓分鐘值對比分析結(jié)果顯示，水管傾斜儀W與NS兩個測項數(shù)據(jù)變化均與氣壓存在比較顯著的相關(guān)性。其中NS向與受氣壓變化影響較為顯著，EW向相關(guān)性相對較小（圖2）。表明只有當(dāng)氣壓出現(xiàn)短時劇烈波動時水管儀觀測值才會同步出現(xiàn)顯著變化，表現(xiàn)為固體潮曲線波動畸變，這種波動變化無法利用回歸分析完全消除，只能定量與定性相結(jié)合進行分析。

圖2 水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)和氣壓變化對比圖Fig.2 The tiltmeter observation data and pressure comparison chart

對于氣壓干擾對水管傾斜儀影響的識別，觀測人員應(yīng)該具備環(huán)境記錄的習(xí)慣。氣壓變化主要對應(yīng)的是觀測區(qū)域的刮風(fēng)等現(xiàn)象。對于前一天的風(fēng)速方向等，在第二天的數(shù)據(jù)處理中應(yīng)該有所備注。同時，對于數(shù)據(jù)分析而言，因氣壓干擾影響的水管儀觀測數(shù)據(jù)，主要呈現(xiàn)一定時段的連續(xù)毛刺現(xiàn)象，但不影響趨勢變化。在對比分析過程中，對應(yīng)氣壓輔助觀測數(shù)據(jù)會更為直觀。

2.2 降雨干擾

降水對水管傾斜儀的影響主要是部分雨水滲入洞體巖石裂縫和土層中，導(dǎo)致巖體內(nèi)部發(fā)生顯著膨脹，空隙壓力也隨之改變，使巖體產(chǎn)生不均勻變形，地表受其作用發(fā)生傾斜。對水管儀觀測產(chǎn)生影響［7］。根據(jù)泰安臺氣象三要素中的降水量資料，對降水量與水管傾斜儀進行分析。若初始降水量較大，則儀器受到的干擾更為明顯，降水結(jié)束后，干擾并不會馬上結(jié)束，而是會持續(xù)幾天［8］。

如2016年7月17-20日降雨大于10 cm，引起水管傾斜儀觀測值的變化為100 ms（圖3）。水管傾斜儀受降水干擾變化主要與觀測場地的地質(zhì)構(gòu)造和周圍的環(huán)境荷載變化有關(guān)［9］。因泰安臺觀測山洞地勢北高南低，雨水一般向南流，故南側(cè)的水更容易滲透到基巖中，致使基巖體積膨漲、變形，造成降雨時NS向南傾。同樣，山體東高西低，也使得降雨時，EW向西傾。

圖3 水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)和降雨對比圖Fig.3 The tiltmeter observation data and rainfall comparison chart

降雨對水管儀的干擾，具有趨勢影響效果，降雨過程往往伴有氣壓的變化，降雨過后水管儀曲線恢復(fù)正常，但是變化趨勢具有一定的趨勢轉(zhuǎn)折。因此，識別該現(xiàn)象應(yīng)該對比降雨量輔助觀測，通過雨量的多少及作用時間定為水管儀曲線趨勢轉(zhuǎn)折點，及趨勢變化放向。根據(jù)觀測點的地質(zhì)地勢特點，判斷傾斜方向是否正確。

2.3 臺風(fēng)干擾

在地震計、重力儀、傾斜儀的觀測記錄中，熱帶氣旋引起的震顫波的包絡(luò)線呈紡錘狀疊加在觀測背景信號上，信號持續(xù)時間基本與熱帶氣旋的生命過程相符，但其中出現(xiàn)強信號的時間大多為2～3d［10］。其強弱變化主要與熱帶氣旋的強度變化和氣旋中心與觀測點的距離有關(guān)［11］。每年的夏秋季節(jié),與我國毗鄰的太平洋上熱帶氣旋活躍，形成臺風(fēng)。由于臺風(fēng)以負載的形式作用于安放儀器的整個山體。無論哪個方向的風(fēng)力作用，都會在垂直于山體的方向產(chǎn)生較大的作用力。山體也會隨之在傾向方向產(chǎn)生微弱的變化［12］。

泰安臺所受臺風(fēng)干擾較為明顯，以2016年9月18日強臺風(fēng)馬勒影響為例，如圖4所示。泰安臺水管傾斜儀能清楚地記錄到臺風(fēng)引起的較強震顫波。由于泰安臺水管傾斜儀所處山體南北向較陡，巖體完整，對于臺風(fēng)造成的震顫波影響會存在較突出響應(yīng)。此外，由于NS向觀測基線長于EW向，可以看出，在臺風(fēng)影響下，NS向波動明顯強于EW向波動，可見基線的長短對于儀器的效應(yīng)情況有明顯相關(guān)性。

圖4 水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)移動平均殘差圖Fig.4 The observation data of water tube tiltmeter moving average residuals chart

對于臺風(fēng)對水管儀的干擾，單從直觀上分析較為困難，較小范圍的毛刺及數(shù)據(jù)抖動往往不易察覺或者與氣壓干擾混淆。這就需要對臺風(fēng)信息進行掌握，利用數(shù)據(jù)處理方法比如移動平均殘差或者一階差分等，另外對比重力等其他觀測儀器在同時段的變化情況，也有助于此類現(xiàn)象的識別與判定。

2.4 雷電干擾

水管傾斜儀受雷電干擾頻率從每年5月起會逐月增加，7—8月出現(xiàn)干擾次數(shù)最多，9月以后迅速減少。雷電對水管儀的危害主要為直擊雷和感應(yīng)雷（伴隨著雷電產(chǎn)生的電磁脈沖和靜電感應(yīng)），由于水管儀傳感器、放大盒等電子集成化程度高，導(dǎo)致儀器耐過電壓很低，所以水管儀對感應(yīng)雷較為敏感，受其干擾的幾率要遠高于直擊雷。水管儀NS向和EW向受雷擊過電壓干擾，甚至造成儀器運行中斷，使得觀測數(shù)據(jù)失真和丟失，嚴重影響儀器的日常觀測和預(yù)報分析。

水管傾斜儀器受雷電干擾的表現(xiàn)形式多為曲線波動。原因可從兩方面解釋，一種是頻繁的雷電感應(yīng)造成水管傾斜儀傳感器產(chǎn)生不規(guī)則感應(yīng)靜電，影響到了正常的數(shù)據(jù)采集；另外，較大的雷聲造成山體震動，產(chǎn)生波動的真實數(shù)據(jù)。兩種可能都會導(dǎo)致雷電狀態(tài)下水管儀的數(shù)據(jù)波動，如圖5為2016年9月7日水管傾斜儀受雷電干擾圖。這種波動形態(tài)類似于氣壓干擾，且雷電過程中容易伴隨氣壓的突變，分析時應(yīng)附上實時氣壓值進行對比。

圖5 2016年9月7日水管傾斜儀受雷電干擾圖Fig.5 The tiltmeter by lightning interference graph on September 7，2016

雷電對于水管儀的干擾，除較為明顯的雷擊及切換電源干擾外，還包括傳感器受感應(yīng)雷影響，該現(xiàn)象與雷電期間的氣壓干擾會混雜，不易識別。建議對比氣壓輔助觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合實時天氣變化進行綜合判定。

3 結(jié)論

泰安地震臺水管傾斜儀受多種氣象因素的干擾。其中氣壓對年變化趨勢無明顯影響，但氣壓短期急劇變化對各測項有不同程度的干擾。因?qū)贃|部地區(qū)，距海洋較近，常受臺風(fēng)影響相對明顯，主要體現(xiàn)為臺風(fēng)期間記錄的曲線出現(xiàn)震顫波，但并不影響固體潮趨勢形態(tài)。雷擊對水管儀存在干擾和破壞，臺站工作人員需做好相關(guān)防護措施，降低雷暴的危害，同時雷電狀態(tài)下對于干擾的分析，應(yīng)該對比氣壓、降雨等綜合分析，區(qū)別氣壓及雷電的綜合影響。水管儀汛期均受降雨干擾嚴重，主要體現(xiàn)為觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)長周期趨勢性變化，變化幅度和持續(xù)時間與降水強度和持續(xù)時間有關(guān)，且變化方向與地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境荷載有關(guān)。對于短時間的曲線畸變，應(yīng)該考慮地下水文條件變化對觀測環(huán)境造成的短臨影響。

通過研究得出了不同氣象因素下的水管傾斜儀數(shù)據(jù)變化情況，可以為將來的日常觀測提供參考依據(jù)，有利于及時準(zhǔn)確的判定觀測數(shù)據(jù)的異常，提高觀測人員分辨干擾能力。今后在利用水管觀測數(shù)據(jù)進行前兆觀測和分析預(yù)報時，應(yīng)正確識別和排除上述氣象因素的干擾。