丹東地震臺數字形變自然干擾因素分析

姚菲菲，宮長盛，梁永信

（丹東地震臺，遼寧 丹東 118000）

0 引言

數字化形變觀測記錄的大量數據資料不但包含地殼變化的信息，還包含著大量自然干擾因素（降雨、氣壓、雷電、潮汐、微氣流擾動）等干擾信息，丹東地震臺2006年安裝洞體形變DSQ水管儀、洞體應變SSY伸縮儀，2008年正式觀測，至今已有10年時間，積累了大量的數據資料，積累了識別與排除各種自然干擾因素的寶貴經驗。本文對丹東臺數字形變中的自然干擾現象進行科學的分析與判別，為實際工作中快速準確的排除干擾、提取異常提供實用、可靠的辦法，為地震分析研究提供真實、可靠的數據資料。

1 臺基情況

丹東地區(qū)處在天山至陰山巨型緯向改造體系的東延部份，與華夏構造體系東亞大陸第二隆起帶復合交接部位。丹東臺數字形變儀器洞室設在丹東市人防局備戰(zhàn)山洞內，山洞洞室進深170m，臺基巖性為黑云母斜長片麻巖，巖性致密穩(wěn)定，但距鴨綠江斷裂較近，裂隙較發(fā)育。丹東地震臺現洞體觀測手段有數字化DSQ水管傾斜儀一套、數字化SSY洞體應變儀一套，均有EW、NS兩個分量，洞體內部年溫差小于0.5℃、日溫差小于0.03℃，基本符合觀測規(guī)范要求。丹東地震臺數字形變儀器洞室平面圖如圖1所示。

圖1丹東地震臺數字形變儀器洞室平面圖Fig.1 The cavity plan of the digital deformation instrument at Dandong Seismic Station

2 自然干擾現象分析

在干擾丹東地震臺數字形變手段的自然因素中以微氣流擾動、氣壓、降雨、潮汐干擾較為突出明顯，而這些自然干擾因素作用在DSQ水管儀與SSY伸縮儀表現出的形態(tài)與程度也各有不同，下面對這些自然干擾作用于觀測手段上的變化形態(tài)做出說明。

2.1 微氣流擾動（風擾）

風擾是丹東地震臺DSQ水管儀自正式運行以來，受外界自然因素最為常見也是最難解決的問題，此種自然現象對SSY伸縮儀產生的干擾影響并不明顯，但對DSQ水管儀尤其是對水管儀的EW向造成的干擾非常明顯，其主要原因是丹東臺觀測山洞EW向離洞口近，且外部覆蓋比NS向薄。丹東地震臺觀測洞體覆蓋厚度如圖2所示。

圖2丹東臺洞體覆蓋厚度平面圖Fig.2 The covering thickness plan of the cavity at Dandong Seismic Station

我們對于洞體覆蓋厚度是否符合要求進行了估算。根據巖土性質、地面溫度年變幅兩個基本要素來估算洞室覆蓋厚度的下限值。

覆蓋厚度理論解下限值估算公式（1）：

Z（cm）=-Ln（a*/a0）×（T0/∏）1/2×KS1/2（1）

其中：

a*為洞室內溫度年變幅，根據規(guī)范要求設為0.5℃；

a0為地面溫度年變幅，丹東地區(qū)為60.0℃；

T0=3.1536×107s；

KS=0.0109（cm2/s）為片麻巖熱擴散率。

計算結果為：Z（cm）=1583.6cm

從計算結果看覆蓋厚度至少應在15.8米，而丹東臺數字形變觀測洞室經實地測量，EW向覆蓋厚度只有12米左右（洞體EW向，因洞體外寶光寺擴建，對EW向洞體外山體進行挖掘，導致洞體EW向覆蓋比安裝儀器時少了2到3米），NS向覆蓋厚度在15米左右，說明洞室覆蓋厚度不夠，同時也解釋了水管儀EW向所受干擾相比NS向嚴重的原因。2009年12月在洞體廊道內加裝過2道密封木門，對洞體內部通風管道、封閉門間份縫隙用發(fā)泡添堵，以減少洞體內部的微氣流擾動及溫度變化。通過以上措施，使EW向的微氣流擾動現象也得到了一定的改善，但也未能完全達到標準。安裝密封門前后對比圖請如圖3、4所示。

圖3加裝封閉門前微氣流擾動對水管儀NS、EW向干擾圖形Fig.3 The micro-airflow interference on the water tube tiltmeter with NS and EW trend before installing a closing door

圖4加裝封閉門后微氣流擾動對水管儀NS、EW向干擾圖形Fig.4 The micro-airflow interference on the water tube tiltmeter with NS and EW trend after installing a closing door

觀測洞室的溫度變化、觀測人員出入洞室、自然界中刮風達到一定風力等因素都會對DSQ水管儀腔體內部形成微氣流擾動，使處于靜止狀態(tài)腔體的空氣產生動態(tài)變化，在產出數據曲線出現不同程度的離散噪聲現象，洞體覆蓋程度越好，微氣流對產出資料的干擾也就越小[1]。由于丹東地震臺洞體的覆蓋厚度為NS向15米、EW向12米，根據公式計算（計算公式在本文的2.1中做過詳細論述），當NS向與EW向覆蓋達到15.8米時完全符合觀測標準，所以丹東臺DSQ水管儀的抗風擾能力并不強，由于NS向的外部覆蓋15米要高于EW向覆蓋12米，NS向的抗風擾能力要明顯好于EW向。且通過多年的觀測資料分析，微氣流擾動對SSY伸縮儀的干擾影響并不明顯。從圖5-6中可見，2018年3月15日當天風力為5至6級，DSQ水管儀EW向數據曲線出現了明顯的離散現象，而NS因洞體外部覆蓋要好于EW向，所以受到的干擾影響要明顯好于EW向。SSY伸縮儀受到的風擾影響基本可以忽略不計。

圖5 2018年3月15日DSQ水管儀NS、EW向分鐘值曲線圖Fig.5 The minute value curves of DSQ water tube tiltmeter with NS and EW trend on March 15，2018

圖6 2018年3月15日SSY伸縮儀NS、EW向分鐘值曲線圖Fig.6 The minute value curves of SSY extensometer with NS and EW trend on March 15，2018

2.2氣壓干擾

突發(fā)性的劇烈氣壓變化會引起數字形變數據曲線發(fā)生畸變，氣壓擾動的幅度越大，相應時間段內數據曲線的同步變化也就越大。如圖7所示，突發(fā)性的氣壓劇烈的變化對SSY伸縮儀造成的干擾影響明顯，而對DSQ水管儀的影響則不大，可忽略不計。2010年6月11日當天丹東地區(qū)氣壓變化大概為1019hPa到1012 hPa之間，全天變化范圍為2～4hPa左右，通過多年對丹東地區(qū)的氣壓值總結分析得出，丹東地區(qū)一天的氣壓值變化范圍在3hPa到4hPa之間，而2010年6月11日當天18點處伸縮儀數據曲線和氣壓的數據曲線發(fā)生畸變時氣壓值的變化范圍1019.5hPa到1011之間，變化范圍的上下限差為1.5hPa，比之當天的氣壓值變化3hPa要小。

圖7 2010年6月11日水管、伸縮、氣壓分鐘值曲線圖Fig.7 The minute value curve of water pipe，extensometer and meteorology on June 11，2010

2.3降雨干擾

結合丹東臺多年的觀測經驗來看，只有在降雨量達到30mm以上時，會使得數據出現漂移，小于30mm的降雨量則對觀測影響不大。短時間段內降雨達到30mm以上的情況在一年中出現的次數并不多，一般情況下，每年的7到8月份時丹東地區(qū)正值雨季，經常會出現降雨天氣，尤其在這段時間內一個或多個連續(xù)幾天的降雨，使得丹東臺觀測山洞基巖始終處于一個吸水飽和狀態(tài)，基巖也始終處于膨脹狀態(tài)，所以會對伸縮儀整個月的月分鐘值曲線造成影響，待降雨停止后，數據慢慢恢復正常狀態(tài)。如圖8所示，在2010年5月5日，丹東地區(qū)有過一次強降雨，降雨量接近40mm，這次短時間內的強降雨，對丹東臺的水管儀影響不大，可忽略不計，而對伸縮儀的影響較大，伸縮儀的NS向與EW向分別變化了1580×10-10/mv與2380×10-10/mv，強降雨過后，數據逐步恢復正常，5月份下半月也有幾次降雨，但降雨量都沒有超過20mm，所以對數據的影響不大，可忽略不計。

圖8丹東臺2010年5月水管儀、伸縮儀分鐘值曲線圖、降雨量日均值圖Fig.8 The minute value curves of the water tube tiltmeter and extensometer，the daily mean value of the rainfall at Dandong Seismic Station in May，2010

2.4潮汐干擾

丹東地區(qū)瀕臨鴨綠江與北黃海，如圖9所示，潮汐干擾對丹東臺DSQ水管儀EW向、與SSY伸縮儀EW向影響較大，而對DSQ水管儀與SSY伸縮儀的NS向影響不大，每天的潮汐干擾相較與前一天滯后2小時左右（表1），如圖10所示DSQ水管儀與SSY伸縮儀EW向每天受潮汐干擾并不在同一時間段，這也很好的說明了DSQ水管儀與SSY伸縮儀的工作特性。每天漲落潮時，由于海浪拍打沿岸，對陸地表面形成作用力，使得地面傾斜，這時DSQ水管儀的記錄曲線就發(fā)生了變化，這是潮汐對DSQ水管儀形成干擾的原因，而漲潮達到一定程度后（接近于滿潮狀態(tài)），對陸地表面形成擠壓作用力，這時SSY伸縮儀記錄曲線發(fā)生變化，這是潮汐對SSY伸縮儀形成干擾的原因。

圖9 2010年6月11日—6月17日水管儀、伸縮儀分鐘值曲線圖Fig.9 The minute value curves of the water tube tiltmeter and the extensometer from June 11 to 17，2010

圖10 2010年6月11日—6月17日水管儀EW向、伸縮儀EW向分鐘值曲線圖Fig.10 The minute value curves of the water tube tiltmeter with EW trend and the extensometer with EW trend from June 11 to 17，2010

表1丹東鴨綠江及東港鴨綠江口漲潮落潮農歷時間表

3 成因及特性分析

3.1微氣流擾動特性分析

觀測洞室的溫度變化、觀測人員出入洞室、自然界中刮風達到一定風力等因素都會對DSQ水管儀腔體內部形成微氣流擾動，使處于靜止狀態(tài)腔體的空氣產生動態(tài)變化，產出數據曲線中出現不同程度的離散噪聲現象，洞體覆蓋程度越好，微氣流對產出資料的干擾也就越小[2]。導致丹東臺DSQ水管儀EW向受微氣流擾動明顯的主要原因為EW向洞體覆蓋厚度不夠，其特點為：微氣流擾動的出現在時間段上一般都會持續(xù)最少幾小時甚至到全天24小時，且風力越大（丹東地區(qū)一般5級風以上），數據曲線出現的離散噪聲現象就越是明顯突出。一般情況下當丹東地區(qū)風力達到5級以上時，DSQ水管儀受微氣流影響較為明顯。溫差變化也會對離洞口近的水管儀EW向產生影響，因此微氣流擾動干擾是一種綜合干擾現象。

3.2氣壓干擾特性分析

氣壓干擾是大氣壓力的劇烈變化通過地表作用，引起地表傾斜，分為周期性的季節(jié)性變化和非周期性的突發(fā)變化[2]。丹東地區(qū)一般發(fā)生這種短時間內的劇烈的氣壓變化為每年的6月份到10月份，一般伴隨著降雨。通過觀測資料分析，我們總結出氣壓對SSY伸縮儀干擾影響的特點：氣壓值正常緩慢的變化，不會對伸縮儀的數據曲線造成干擾，而某一時間段上一個劇烈的氣壓變化，丹東地區(qū)某一時間段氣壓值當變化為1hPa或以上時，在相對應的同一時間段上伸縮儀數據曲線會發(fā)生畸變，形態(tài)上與氣壓出現的畸變形態(tài)特征基本一致。

3.3降雨干擾特性分析

降雨干擾是降雨引起斷層破碎帶具有吸收含水過程，造成巖體不同程度的相對膨脹和壓縮產生的地質效應[2]。通俗的講，就是巖層在吸收大量的雨水后，導致巖層的膨脹對觀測儀器產出數據造成干擾，一般的降雨不會對儀器產出數據造成影響，結合丹東臺多年的觀測經驗來看，只有在降雨量達到30mm以上時，數據會出現漂移，小于30mm的降雨量則對觀測影響不大，另外說明一點，降雨量對儀器產出數據的影響也是很難用“量”來衡量的，例如：當丹東地區(qū)連雨季節(jié)到來時，一段時間內（連續(xù)幾天，或一周內有幾次降雨）時，即使每次的降雨量并沒有達到30mm，但連續(xù)的降雨會使得巖層吸收處于一個飽和或接近于飽和的狀態(tài)，使得巖層膨脹，同樣會對伸縮儀數據曲線產生影響。

3.4潮汐干擾特性分析

潮汐干擾是通過潮水的負荷變化（漲潮、落潮）施加于沿岸，引起地表傾斜固體潮畸變[2]。這種現象主要發(fā)生在沿海、沿江城市。潮汐的漲落是與地球與月球運動關系及觀察地點所在相關的，白天漲潮稱為潮，晚上漲潮稱為汐。潮汐分為四個類型，完全全日潮，完全半日潮，不完全全日潮，不完全半日潮，半日潮是指一個潮漲潮落的周期是半天，也就是說一天內有兩個漲潮兩個落潮，全日潮是指一個潮漲潮落的周期是一天，一天內有一個漲潮兩個落潮，完全是指超高達到完全，不完全是指達不到完全超高。不同緯度的潮汐周期是不同的。有一種通俗的計算漲潮的方法，即某天漲潮是前一天漲潮時間推后兩個小時。丹東地區(qū)潮汐干擾特點：由于儀器觀測的特性不同，所以對DSQ水管儀與SSY伸縮儀每天造成干擾的時間段是不相同的，且當天較前一天受潮汐干擾影響時間段要滯后1到2個小時。

4 結論

因為各個觀測臺站所處的地理位置不同，觀測山洞的覆蓋厚度、基巖等先天自然條件亦不相同，所以在此篇文章中，只對各種自然干擾做一個定性而不定量的分析，也就是說某種自然條件變化對儀器存在干擾是一定存在的，而變化量達到哪種程度會對觀測手段產生干擾，這個量每個觀測臺站是不一樣的，這里我只對丹東地震臺的量做一個詮釋，希望能在今后的觀測分析中作為一個參考。

（1）微氣流擾動對DSQ水管儀造成的干擾影響明顯，而對SSY伸縮儀造成的干擾影響不明顯，可忽略不計。（4級風力以上）

（2）氣壓干擾對SSY伸縮儀造成的干擾影響明顯，對DSQ水管儀造成的干擾影響不明顯，可忽略不計。（某一短時段內，一般十幾到幾十分鐘，變化量為1hPa以上）

（3）降雨干擾對SSY伸縮儀造成的干擾影響較為明顯，而對DSQ水管儀造成的干擾影響不明顯。（降雨量超過30mm）

（4）潮汐干擾對DSQ水管儀與SSY伸縮儀造成的干擾影響都較為明顯。