山洪對(duì)銀川基準(zhǔn)臺(tái)形變觀測(cè)數(shù)據(jù)的干擾分析

王建亮，李自芮，張燕霞，沈 寧，欒博文

（1.銀川基準(zhǔn)臺(tái)，寧夏 銀川 750001；2.寧夏自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001；3.固原地震臺(tái)，寧夏 固原 756000）

0 引言

地殼形變異常是地殼構(gòu)造變動(dòng)最直接的表現(xiàn)之一，而地下水位的變化又能夠提供地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)過(guò)程的許多信息，因此搞清楚地形變運(yùn)動(dòng)規(guī)律及震前異常變化的特點(diǎn)對(duì)研究地震有著重要的意義。山洪可以引起地下水位的變化，所以山洪對(duì)前兆觀測(cè)資料有著一定程度的干擾，本文以銀川基準(zhǔn)臺(tái)滾鐘口觀測(cè)站的形變觀測(cè)儀器為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)2016年至2018年強(qiáng)降雨引發(fā)山洪現(xiàn)象的分析研究，總結(jié)出數(shù)據(jù)曲線的變化特征，及時(shí)為地震前兆異常排除干擾，以便對(duì)山洪干擾識(shí)別提供參考依據(jù)，為地震分析預(yù)報(bào)提供可靠的資料，這對(duì)寧夏地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作有著重要的意義[1]。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地理環(huán)境

寧夏賀蘭山東麓斷裂呈西南東北走向，綿延200km，寬約30km，山體基巖多裸露，賀蘭山地勢(shì)高峻，傍近銀川斷陷盆地，西側(cè)有賀蘭山山前大斷裂帶。該區(qū)域有3條較大斷裂，由西向東分布有賀蘭山東麓斷裂，平羅—銀川斷裂，黃河斷裂。此地有較寬的斷裂帶，斷層活動(dòng)性強(qiáng)，崖面清晰，山體相對(duì)上升，沖溝發(fā)育，溝谷坡降比較大，深切呈“V”字型，溝口洪積扇發(fā)育，洪積扇上發(fā)育有第四紀(jì)全新世以來(lái)的活動(dòng)斷層陡坎，賀蘭山山體由前震旦系—三迭系地層組成，具有獨(dú)特的山地氣候特征，冬季嚴(yán)寒，夏季溫涼，降水偏多，年溫差較小，氣候多變等特點(diǎn)。降水量由山麓向山頂逐漸增多，即山下200mm逐漸增加到山頂400mm以上。由于山體作用，易形成局地性暴雨，屬于黃土高原誘發(fā)山洪災(zāi)害的主要易發(fā)區(qū)。每年5月至9月是本地區(qū)降雨頻率最高、降雨量最多的時(shí)段。因暴雨而引發(fā)的山洪會(huì)對(duì)銀川基準(zhǔn)臺(tái)滾鐘口觀測(cè)站的前兆觀測(cè)資料造成一定的影響。下圖即為臺(tái)站周邊的環(huán)境，山洞距離泄洪溝100m左右，最強(qiáng)降雨可形成泥石流，石頭順山而下，道路閉塞。

圖1山洞與泄洪溝Fig.1 Cave and flood drain

2 臺(tái)站概況及前兆觀測(cè)儀器的基本情況

2.1臺(tái)站概況及觀測(cè)環(huán)境

銀川基準(zhǔn)臺(tái)是隸屬于寧夏地震局的一個(gè)國(guó)家級(jí)綜合專業(yè)臺(tái)站，由銀川賀蘭山小口子觀測(cè)站和銀川北塔地磁觀測(cè)站及2個(gè)跨斷層短水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地組成?，F(xiàn)有測(cè)震、地形變、電磁、流體四大學(xué)科26臺(tái)套觀測(cè)儀器，承擔(dān)全國(guó)乃至全球大震快報(bào)任務(wù)。1972年，中國(guó)地震局將銀川地震臺(tái)列為國(guó)家基準(zhǔn)地震臺(tái)，觀測(cè)項(xiàng)目逐年增加。1978年開(kāi)鑿山洞，用于形變和測(cè)震觀測(cè)。銀川臺(tái)小口子觀測(cè)點(diǎn)位于銀川市區(qū)西40km的賀蘭山東麓滾鐘口風(fēng)景區(qū)內(nèi)，地處賀蘭山斷隆東側(cè)，海拔1545m。銀川地震臺(tái)滾鐘口觀測(cè)站（以下簡(jiǎn)稱銀川臺(tái)）為基巖型觀測(cè)站，基礎(chǔ)巖性為前震旦系花崗片麻巖。形變觀測(cè)山洞位于賀蘭山東麓斷裂西側(cè)，呈“之”字形，主洞長(zhǎng)90余米，寬1.6m，且洞體溫差小于0.01℃，溫度變化范圍在12.50～12.60℃之間，相對(duì)濕度60%～70%，山洞頂部基巖進(jìn)深約50m，覆蓋層厚度約100m。銀川臺(tái)觀測(cè)環(huán)境條件符合地震行業(yè)規(guī)范（中國(guó)地震局，2003）要求，距山洞西偏南270m溝谷中有一深井，井深112.58m。降水、山洪及每年3—11月間斷性抽水，均對(duì)形變觀測(cè)資料造成不同程度的影響，尤其對(duì)各套儀器EW向資料影響較大[2]。

2.2前兆觀測(cè)儀器的基本情況

2001年7—8月按照“九五”臺(tái)站改造項(xiàng)目要求，將原浮子水管傾斜儀（FSQ）拆卸，在原位置上組裝架設(shè)新研制的浮子水管傾斜儀（DSQ）；將原石英洞體應(yīng)變儀（SSY-Ⅱ）拆除，在原位置上架設(shè)新研制的洞體應(yīng)變儀（SS-Y），9月1日開(kāi)始試記，2002年1月1日正式投入觀測(cè)。2015年11月將DSA-2數(shù)采更換為“十五”EP-3型數(shù)采。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)十年多的運(yùn)行，目前各套儀器運(yùn)行正常，觀測(cè)數(shù)據(jù)正常[3]。

3 山洪對(duì)銀川基準(zhǔn)臺(tái)形變觀測(cè)數(shù)據(jù)的干擾分析

通過(guò)對(duì)銀川臺(tái)2016—2018年的山洪期間降雨量統(tǒng)計(jì)（如下表），當(dāng)特大降雨持續(xù)約一個(gè)小時(shí)后，形成山洪及泥石流。

表1降雨統(tǒng)計(jì)

圖2降雨量統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Rainfall chart

3.1 DSQ水管傾斜儀和SS-Y洞體應(yīng)變儀整點(diǎn)值觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線變化分析

從圖4可以看出，從2016年至2018年發(fā)山洪當(dāng)月數(shù)據(jù)曲線可以看出發(fā)山洪當(dāng)天，隨著瞬間降雨量越大，形成的山洪越大，對(duì)DSQ水管儀的兩個(gè)測(cè)向曲線造成明顯的干擾，北南向曲線呈緩慢下降趨勢(shì)，東西向呈急速上升趨勢(shì)（如圖中畫(huà)框區(qū)域）。2016年8月21日降雨量達(dá)到98.2mm，形成山洪及泥石流，對(duì)水管儀干擾明顯；2017年7月5日降雨量減少，對(duì)數(shù)據(jù)的干擾較少；2018年7月22日降雨量達(dá)到99.7mm，形成超大型山洪及泥石流，對(duì)東西向數(shù)據(jù)曲線抬升較大，最大幅度達(dá)20%，持續(xù)24小時(shí)后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

圖3水管傾斜儀降雨干擾曲線Fig.3 Water tube tiltmeter rainfall interference curve

表2 DSQ水管傾斜儀受降雨干擾測(cè)向變化幅度和持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

從2016年至2018年發(fā)山洪當(dāng)月數(shù)據(jù)曲線可以看出爆發(fā)山洪當(dāng)天，隨著瞬間降雨量越大，形成的山洪越大，對(duì)SS-Y洞體應(yīng)變儀兩個(gè)測(cè)向的觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線造成明顯的畸變，北南向呈現(xiàn)向上抬升變化，東西向呈現(xiàn)加速下降變化，2016年8月21日降雨量達(dá)到98.2mm，形成山洪及泥石流，對(duì)伸縮儀干擾明顯；2017年7月5日降雨量減少，對(duì)數(shù)據(jù)的干擾較少；2018年7月22日降雨量達(dá)到99.7mm，形成超大型山洪及泥石流，對(duì)兩側(cè)向數(shù)據(jù)曲線干擾較大，變化持續(xù)時(shí)間約36小時(shí)后數(shù)據(jù)變化基本恢復(fù)正常。相應(yīng)的變化幅度如表3統(tǒng)計(jì)，從變化幅度上可以看出山洪越大對(duì)SS-Y洞體應(yīng)變儀的干擾幅度越大，僅有2017年山洪期間降雨量較少?zèng)]有形成山洪的數(shù)據(jù)曲線變化較為平穩(wěn)（如圖4中畫(huà)框區(qū)域）[4]。

表3 SS-Y洞體應(yīng)變儀受降雨干擾測(cè)向變化幅度和持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖4 洞體應(yīng)變儀降雨干擾曲線Fig.4 The rainfall interference curve of the cave strain instrument

3.2一階差分分析

一階差分是由日均值之差構(gòu)成的差分序列，較原序列的統(tǒng)計(jì)特性有較大變化，偏離性、離散性和凹凸性等指標(biāo)得到了削弱，序列服從或者近似服從正態(tài)分布，從而可以利用該序列直接求差分值得均方差，反映了數(shù)據(jù)曲線的相對(duì)噪聲水平。

通過(guò)對(duì)水管儀整點(diǎn)值和日均值曲線做一階差分分析，山洪影響時(shí)段整點(diǎn)值噪聲水平較日均值干擾較小，同年山洪干擾期間東西向較北南向相對(duì)噪聲水平較大，對(duì)這三年山洪干擾時(shí)段數(shù)據(jù)的一階差分分析，2016年和2018年山洪較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)的日均值一階差分曲線明顯的偏離常規(guī)區(qū)域，2018年偏離達(dá)到最大值33.6，偏離正常區(qū)間為34.6，2017年山洪較小，一階差分偏離常規(guī)區(qū)域?yàn)?.68。

圖5水管傾斜儀—階差分分析曲線Fig.5 The first-order difference analysis curve of the water tube tiltmeter

同樣，對(duì)伸縮儀整點(diǎn)值和日均值曲線做一階差分分析，山洪影響時(shí)段日均值噪聲水平較整點(diǎn)值干擾明顯，同年山洪干擾期間東西向和北南向相對(duì)噪聲水平均較大，對(duì)這三年山洪干擾時(shí)段數(shù)據(jù)的一階差分分析，2016年和2018年山洪較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)的日均值一階差分曲線明顯的偏離常規(guī)區(qū)域，2018年偏離達(dá)到最大值2119，偏離正常區(qū)間為2129，2017年山洪較小，一階差分偏離常規(guī)區(qū)域?yàn)?512。

圖6洞體應(yīng)變儀—階差分分析曲線Fig.6 The first-order difference analysis curve of the cave strain instrument

3.3斜率分析

固體潮的力源主要來(lái)自月亮、太陽(yáng)等天體的引潮力，是目前唯一能夠預(yù)先準(zhǔn)確計(jì)算出理論值的地球物理現(xiàn)象，因此，可以用固體潮的理論值來(lái)擬合固體潮的觀測(cè)，對(duì)實(shí)際的固體潮觀測(cè)進(jìn)行擬合檢驗(yàn)，糾正觀測(cè)中可能存在的錯(cuò)誤，檢查、衡量和評(píng)價(jià)固體潮觀測(cè)資料的質(zhì)量，提取固體潮分析和地震前兆分析的特征信息。同樣可以看出，兩套儀器在用斜率分析法得到的斜率值序列、歸一速率序列和相對(duì)速率序列曲線在山洪的影響下發(fā)生明顯的上下突起，形成異常特征。

圖7水管傾斜儀斜率分析曲線Fig.7 The slope analysis curve of the water tube tiltmeter

3.4潮汐因子分析

潮汐因子分析是為了更加客觀、準(zhǔn)確地評(píng)定計(jì)算資料序列的精度，我們對(duì)固體潮觀測(cè)值相對(duì)理論值的偏離通?？墒褂没谧钚《朔ǖ木S尼迪柯夫調(diào)和分析方法進(jìn)行分析，該方法可以求解各個(gè)波群的觀測(cè)振幅對(duì)理論振幅之比，M2波潮汐因子是用來(lái)評(píng)定固體潮汐觀測(cè)資料內(nèi)在質(zhì)量精度的一項(xiàng)定量指標(biāo)。

下面是通過(guò)計(jì)算兩套儀器從2016年1月至2018年9月每月的M2波潮汐因子繪制的曲線，從圖上可以看出在發(fā)山洪期間相應(yīng)的月份潮汐因子并沒(méi)有明顯的變化，通過(guò)分析認(rèn)為這主要由于瞬間的強(qiáng)降雨形成的山洪持續(xù)時(shí)間較短，銀川臺(tái)所處的滾鐘口管理所每年3—11月份要對(duì)景區(qū)的樹(shù)木進(jìn)行抽水灌溉，對(duì)兩套儀器的干擾較為嚴(yán)重，潮汐因子長(zhǎng)年處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，潮汐因子對(duì)于山洪的反應(yīng)沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的異常。

圖9水管傾斜儀潮汐因子分析曲線Fig.9 The tidal factor analysis curve of the water tube tiltmeter

圖10洞體應(yīng)變儀潮汐因子分析曲線Fig.9 The tidal factor analysis curve of the cave strain instrument

4 結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)比分析可以說(shuō)明，當(dāng)降雨量達(dá)到60mm以上時(shí)形成特大山洪，才會(huì)對(duì)水管傾斜儀和洞體應(yīng)變儀產(chǎn)生較嚴(yán)重的干擾；就影響程度而言，水管傾斜儀較洞體應(yīng)變儀干擾較小；就測(cè)向而言，水管傾斜儀的北南向比東西向受干擾程度小，洞體應(yīng)變儀兩測(cè)向均受干擾嚴(yán)重。山洪對(duì)形變觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響嚴(yán)重，但由于其短暫、迅猛的特性，對(duì)于數(shù)據(jù)曲線的整體固體潮并沒(méi)有太明顯的干擾。

由于形變觀測(cè)手段在日常觀測(cè)中受各類因素的影響較多，平時(shí)要做好防范工作，注意觀察場(chǎng)地環(huán)境的變化，在分析資料的前兆異常時(shí)，對(duì)異常數(shù)據(jù)曲線要認(rèn)真的排查，利用已經(jīng)確定的干擾因素，借助各類輔助觀測(cè)進(jìn)行相關(guān)分析，減少數(shù)據(jù)在分析預(yù)報(bào)中的錯(cuò)誤引導(dǎo)，才能正確的發(fā)現(xiàn)地殼內(nèi)發(fā)生的真實(shí)異常變化信息，提高地震預(yù)報(bào)資料分析的準(zhǔn)確度。