會昌臺洞體形變觀測資料干擾分析

湯蘭榮，曾新福

（江西省地震局，江西 南昌 330096）

0 引言

我國的地殼形變連續(xù)觀測始于1966年邢臺地震后，多年來，我國已經(jīng)積累了不少地殼形變異常的寶貴資料，對地震的預(yù)測起到了積極作用。在地震異常識別過程中，干擾因素的識別非常關(guān)鍵，而形變資料受氣象、環(huán)境、人為干擾、技術(shù)系統(tǒng)和地震等多方面因素的綜合影響。每個臺站的觀測環(huán)境不同，所以主要影響因素也不一樣，這就要求我們必須對觀測資料的影響因素進(jìn)行定性分析和判別［1-3］?！笆濉睌?shù)字化前兆觀測臺網(wǎng)建成后，江西省會昌臺洞體形變測項積累了近11年的觀測數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，年變動態(tài)清晰，本文將對形變資料的干擾因素進(jìn)行分析，為前兆異常分析提供幫助。

1 會昌臺簡介

會昌地震臺地處江西南部贛粵閩三省交界區(qū)，位于嵐山山腰，洞體附近為丘陵地貌，上部主要覆蓋第四系粘土及樹林灌木，有基巖裸露，植被茂盛。臺站具備較好的觀測地質(zhì)條件，臺基巖性為花崗巖，臺基堅硬，噪聲低，窿道總長84 m，年溫差＜1.5℃。附近主要構(gòu)造為河邵斷裂帶中段、瑞金—會昌—周田環(huán)狀構(gòu)造，該臺位于與環(huán)狀構(gòu)造相交的近東西向小斷裂上。臺站周圍100 km范圍內(nèi)歷史上共發(fā)生4.7級以上地震8次，最大地震為1806年1月11日會昌6級地震，距離臺站35 km。

會昌臺目前正常觀測的洞體形變儀器有DSQ型水管傾斜儀、VS型垂直擺傾斜儀和SSY型銦瓦棒洞體應(yīng)變儀各一套，均為“十五”期間安裝，2008年開始正式運行，現(xiàn)已積累了11年的資料，自觀測以來臺站周邊200 km范圍內(nèi)未發(fā)生過5級以上地震，各測項沒有記錄到有意義的地震前兆異常。

2 觀測資料影響因素分析

會昌臺形變不同程度受觀測系統(tǒng)、場地環(huán)境、自然環(huán)境、人為干擾、地球物理事件等因素影響，下面分別對這些干擾因素進(jìn)行分析。

2.1 觀測系統(tǒng)影響

觀測系統(tǒng)類干擾包括供電、觀測輔助裝置、觀測儀器自身包含的測量設(shè)備、通信與避雷系統(tǒng)等［4］，會昌臺的形變觀測系統(tǒng)影響一般是靠擺、停電或電源不穩(wěn)、主機(jī)故障、傳感器故障、數(shù)采故障等。形變觀測系統(tǒng)總體較為穩(wěn)定，停電或電源不穩(wěn)對資料影響較小，但儀器故障或更換儀器會對觀測數(shù)據(jù)造成短時間的畸變或丟數(shù)，有的恢復(fù)觀測后需要一段時間的恢復(fù)期，如水管傾斜東西分量2017年3月28日開始由于E端傳感器故障，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)不正常，4月1日更換探頭，4月3日進(jìn)行調(diào)試后恢復(fù)觀測，但觀測數(shù)據(jù)存在一定漂移，使得年變形態(tài)發(fā)生改變（圖1a）。洞體應(yīng)變北南分量2012年5月18日—6月2日由于主機(jī)故障導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)不正常（圖1b）?？偟膩碚f，觀測系統(tǒng)類的干擾對形變觀測影響較大，往往直接導(dǎo)致故障期間的數(shù)據(jù)無法使用。

圖1 會昌臺水管東西和洞體應(yīng)變北南向受觀測系統(tǒng)影響圖Fig.1 The diagram of water tube tiltmeter EW component and cave strain NS component affected by observation system at Huichang Seismic Station

2.2 場地環(huán)境干擾

會昌臺洞體環(huán)境較好，周圍沒有大型水庫、河流、地下水抽水、農(nóng)田灌溉等影響，也沒有施工作業(yè)和車輛震動的干擾。

2.3 自然環(huán)境干擾

自然環(huán)境影響包括大風(fēng)、降雨、雷電、氣壓、溫度、濕度、水位等與大自然相關(guān)的干擾，其中氣壓、溫度和濕度對資料的影響是持續(xù)存在的，而大風(fēng)、降雨和雷電影響持續(xù)時間相對較短，多種因素的疊加影響導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)記錄到了除形變以外的多種復(fù)雜的信息，排除干擾非常復(fù)雜，因此分析每種因素對形變資料的影響程度對異常核實工作很有幫助。

會昌臺洞體形變觀測條件較好，洞溫年變幅＜1.5℃，相對氣溫有一定滯后?？偟膩碚f形變受氣壓、降雨和水位等因素影響不明顯，溫度是影響年變的最主要因素。各形變測項與洞溫對比分析發(fā)現(xiàn)，大部分測項與洞溫的變化較為同步，說明形變的年變動態(tài)直接受控于洞溫，與九江臺的情況相同［5］，垂直擺北南、垂直擺東西、水管東西、洞體應(yīng)變北南等4個分量與洞溫呈正相關(guān)變化，峰值、谷值時間與洞溫大致相同，垂直擺北南分量曲線不夠光滑，可能是受洞溫的短期波動影響較大有關(guān)。水管北南分量由于年變動態(tài)欠佳，與洞溫的相關(guān)性不明顯。洞體應(yīng)變東西分量與洞溫不同步，洞體應(yīng)變東西分量的峰值出現(xiàn)在洞溫的下降段，谷值出現(xiàn)在洞溫的上升段，出現(xiàn)不同步的原因可能是洞體應(yīng)變東西分量滯后洞溫變化時間較長所致。圖2為會昌臺各洞體形變測項與洞溫的同軸對比曲線。

雷電大風(fēng)是會昌臺每年夏季都會出現(xiàn)且無法避免的干擾，對洞體形變會造成不同程度的影響，雷擊嚴(yán)重還可能擊壞儀器，造成缺數(shù)，對儀器運行率有一定影響。如2009年7月14日—7月31日由于雷電水管北南分量被擊壞，造成缺數(shù)。2011年8月9日14時30分強(qiáng)雷電導(dǎo)致VS型垂直擺傾斜儀、DSQ傾斜水管儀被擊壞全天無數(shù)據(jù)。相比來看，雷電對垂直擺和水管傾斜儀影響幅度較小，而對洞體應(yīng)變影響相對較為明顯，如2014年9月3日，雷電大風(fēng)造成洞體應(yīng)變出現(xiàn)大的突跳（圖3）?？偟膩碚f雷電對形變資料的影響時間較短，不會對形變總體趨勢造成影響。預(yù)處理一般進(jìn)行缺數(shù)處理，因此會對數(shù)據(jù)的完整率造成影響。

圖2 會昌臺各形變測項與洞溫日均值同軸曲線Fig.2 Curves for daily mean values of various deformation observation projects compared with cave temperature at Huichang Seismic Station

圖3 2014年9月2—4日洞體應(yīng)變分鐘值曲線Fig.3 The minute value curves of cave strain from Sep.2 to Sep.4 in 2014

2.4 人為干擾

洞體形變儀器放在山洞中進(jìn)行觀測，進(jìn)洞儀器維修、標(biāo)定、調(diào)零和環(huán)境改造都免不了對觀測造成干擾，調(diào)零造成的臺階可以通過數(shù)據(jù)預(yù)處理來消除影響，儀器檢修和標(biāo)定會造成短時間壞數(shù)，不能使用，如2017年3月29日8時43分至9時59分對水管儀檢查維修，對換前置盒，造成兩個分量的數(shù)據(jù)不可用（圖4），

圖4 2017年3月29日水管儀觀測分鐘值曲線Fig.4 The minute value curves of water-tube tiltmeter on Mar.29，2017

2.5 地球物理事件

會昌臺形變記錄到的地球物理事件主要是地震的同震和震后效應(yīng)，部分全球7級以上、全國5級以上地震能記錄到同震響應(yīng)。垂直擺同震響應(yīng)最明顯，其次是水管傾斜儀，最不明顯的是洞體應(yīng)變儀。對于垂直擺，有些地震同震響應(yīng)表現(xiàn)為臺階變化，有些為振蕩形態(tài)（圖5）。數(shù)字化觀測以來會昌形變未記錄到可靠的地震前兆異常。

圖5 會昌臺垂直擺、水管儀、洞體應(yīng)變記錄到的同震響應(yīng)曲線Fig.5 Co-seismic response of vertical pendulum，watertube tiltmeter，cave strain at Huichang Seismic Station

3 資料連續(xù)、可靠性分析

評定觀測資料的連續(xù)率是資料質(zhì)量控制的主要指標(biāo)之一［6］，連續(xù)率的計算公式為［7］：

自2008年正式投入觀測以來，會昌水管儀、洞體應(yīng)變儀和垂直擺觀測都較穩(wěn)定，洞體應(yīng)變和垂直擺的年儀器運行率都在99.7%以上，水管儀2009年7月14—31日、2011年8月9日—11日由于雷擊損壞儀器，造成缺數(shù)，導(dǎo)致連續(xù)率偏低，對應(yīng)的月連續(xù)率為41.9%和87.9%，年連續(xù)率為94.6%和98.9%。

圖6 會昌臺水管儀、洞體應(yīng)變和垂直擺儀器連續(xù)率統(tǒng)計圖Fig.6 Continuity rate of vertical pendulum，water-tube tiltmeter，cave strain at Huichang Seismic Station

年變形態(tài)的好壞也是衡量形變儀器觀測質(zhì)量的重要因素，從圖2可以看出，除水管北南分量以外，其它5個分量的年變形態(tài)都非常清晰，上述各種干擾對形變測項的年變趨勢影響較小，說明儀器穩(wěn)定性較好，有利于前兆異常的識別。

4 結(jié)論與討論

通過對會昌臺洞體形變的觀測系統(tǒng)、場地環(huán)境、自然環(huán)境、人為干擾、地球物理事件等影響因素進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）會昌臺洞體形變觀測資料總體觀測質(zhì)量較好，連續(xù)率較高，且大部分測項年變清晰，有利于前兆異常的識別。其中雷電擊壞儀器導(dǎo)致斷記是影響連續(xù)率的主要因素。

（2）觀測系統(tǒng)類的影響是形變觀測中不可避免但比較容易識別的干擾，更換儀器可能對形變的趨勢變化造成一定影響。

（3）會昌臺洞體形變觀測條件較好，周圍無明顯場地環(huán)境干擾，自然環(huán)境對洞體形變的影響也不大，對洞體應(yīng)變的干擾相對其它儀器明顯， 與楊紅櫻等［4］、 曾新福等［5］分析結(jié)果相同。雷擊容易導(dǎo)致水管儀故障而缺數(shù)，溫度是決定年變的最主要因素，會昌臺絕大多數(shù)測項年變動態(tài)非常清晰，有利于地震前兆異常的識別。

（4） 為準(zhǔn)確排除干擾，更好地提取地震前兆異常，建議：①增加濕度計，分析洞室濕度變化對觀測數(shù)據(jù)的影響，盡可能排除干擾；②當(dāng)觀測曲線趨勢改變時，注意洞室溫度及氣象三要素是否同步變化，綜合判定是否為前兆異常。