氣象因素對甘肅臨夏臺形變觀測的影響分析

陳麗君，王文才，蘇小蕓，姜振海，周衛(wèi)東

(1.甘肅蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅蘭州 730000；2.甘肅省地震局，甘肅蘭州 730000)

0 引 言

甘肅省地球物理臺網(wǎng)由形變、電磁、地下流體和重力學(xué)科為主的定點(diǎn)臺站觀測組成。其中形變觀測作為反映地震孕育過程最直接、最具有物理意義的手段之一[1]，受氣象變化、人為作用、儀器故障及未知因素等多種干擾，使得干擾排除成為識別異常的一項(xiàng)必不可少的工作[2]。氣象因素中，降雨對形變觀測資料的干擾較為復(fù)雜，觀測室的地質(zhì)構(gòu)造、探頭周邊介質(zhì)的導(dǎo)水性等都會影響形變觀測[3-5]；溫度對地震觀測等精密測量儀器的材料性能、元件等參數(shù)的影響是普遍存在、不可忽視的[6]；大氣壓力的改變尤其以瞬時氣壓驟變對觀測數(shù)據(jù)的影響更為明顯[7]。因此，對以上氣象因素的干擾分析也是形變觀測不可或缺的一部分。

甘肅省形變臺網(wǎng)共有19個地殼形變觀測臺站，觀測方式主要是地傾斜觀測和地應(yīng)變觀測。主要分布在蘭州附近、甘東南地區(qū)和祁連山中西段，河西地區(qū)由于人煙稀少，觀測臺站相對較少。形變觀測臺站多建立在地殼表層，不可避免地受到一些干擾因素的影響[8-10]，如降雨、氣壓或大風(fēng)等。本文以臨夏臺CZB-2A型豎直擺鉆孔傾斜儀和YRY-4型分量式鉆孔應(yīng)變儀為例，分析降雨、氣壓和溫度對該臺形變觀測資料的影響，以期在排除干擾、識別異常，更好地利用數(shù)字化固體潮資料提取地震異常等工作中提供參考。

臨夏臺位于臨夏市東北方向約7 km的折橋鎮(zhèn)，位于青藏高原東北部拉脊山東側(cè)。拉脊山位于青藏高原腹地邊緣，是青藏高原主體與黃土高原之間重要的地貌分界線，其南北兩側(cè)為拉脊山北緣斷裂帶和拉脊山南緣斷裂帶所圍限。臺基巖性為亞粘土卵石，第四系覆蓋層厚10～20 m，下伏粘土巖、花崗巖。該區(qū)域地勢西南高、東北低，由西南向東北遞降，呈傾斜盆地狀態(tài)，屬高原淺山丘陵區(qū)，平均海拔2 000 m。架設(shè)的形變觀測儀器有CZB-2A型豎直擺鉆孔傾斜儀和YRY-4型分量式鉆孔應(yīng)變儀。

1 觀測資料質(zhì)量評定

選取2017～2019年之間的觀測資料做為此次的研究對象。根據(jù)形變學(xué)科傾斜觀測M2潮汐因子誤差<0.02和地應(yīng)變觀測的M2潮汐因子誤差<0.05的要求，對觀測資料進(jìn)行調(diào)和分析，調(diào)和分析結(jié)果見表1。由表可以看出臨夏臺的豎直擺鉆孔傾斜儀和分量式鉆孔應(yīng)變儀的運(yùn)行穩(wěn)定，觀測資料可靠。

表1 臨夏地震臺形變觀測指標(biāo)及觀測資料變化特征統(tǒng)計(jì)

臨夏臺形變觀測正常曲線變化形態(tài)如圖1，觀測曲線長趨勢變化特征見表1。由圖1可以看出，臨夏臺形變觀測的日觀測曲線呈“雙峰雙谷”的周期性變化；月變化動態(tài)平穩(wěn)，受固體潮影響，鉆孔應(yīng)變觀測呈清晰的“梭形”變化；而鉆孔傾斜觀測無清晰的“梭形”變化；鉆孔應(yīng)變觀測年動態(tài)呈下降趨勢，每年2月左右為高點(diǎn)，9月左右為低點(diǎn)；鉆孔傾斜觀測年變化形態(tài)呈下降趨勢，無明顯的年變動態(tài)。

圖1 臨夏地震臺形變觀測曲線

2 降雨干擾分析

臨夏臺所處地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，四季分明。年均氣溫6.3 ℃，最高氣溫32.5 ℃，最低氣溫零下27.8 ℃，年平均降雨量537 mm，一般4～9月之間降雨比較頻繁且集中。本文以幾次影響較為明顯的降雨為例，分析降雨對形變觀測的影響，且將中間無間斷的連續(xù)降雨視為一次降雨過程[11]。降雨情況統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 2018年降雨情況統(tǒng)計(jì)

由圖2、圖3和圖4可以看出，臨夏臺形變觀測曲線受降雨影響的變化形態(tài)為：鉆孔傾斜觀測曲線為陡升緩降型；鉆孔應(yīng)變觀測曲線為緩慢變化型。鉆孔傾斜觀測在三次降雨的影響下，觀測值突然上升，然后慢慢轉(zhuǎn)平。

圖2 鉆孔應(yīng)變觀測東西/鉆孔傾斜北南分量受降雨干擾

圖3 鉆孔應(yīng)變觀測北南/鉆孔傾斜東西分量受降雨干擾

圖4 鉆孔應(yīng)變觀測北西/鉆孔傾斜北南分量受降雨干擾

對比三次降雨過程，2018年 5月18日～19日瞬時降雨量比較大，曲線上升速率較大，約20個小時之后，曲線開始緩慢下降，三天后觀測值恢復(fù)至降雨前，中間有較小的降雨，但并未影響曲線的下降趨勢；2018年7月瞬時降雨量與累計(jì)降雨量相對較小，觀測數(shù)據(jù)變化相對平穩(wěn)；2019年8月期間的降雨，瞬時雨量較小，但是期間一直有降雨，累積降雨量較大，曲線在上升之后，約5～6天下降恢復(fù)值降雨前。

可以看出鉆孔傾斜觀測易受降雨影響，數(shù)據(jù)變化相對降雨略微滯后，可能與臺基巖性有關(guān)。瞬時降雨量大時，曲線上升較快，后期無降雨或者降雨較小時，恢復(fù)較快。鉆孔應(yīng)變觀測受降雨影響后，觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)趨勢性的緩慢下降 ，2018年 5月18日～19日瞬時降雨量較大但降雨時間短，觀測曲線存在固體潮畸變；受2018年7月與2019年8月降雨影響，觀測曲線加速下降，可能是與降雨持續(xù)時間有關(guān)，約12小時之后，觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)回升，受后期降雨影響，下降趨勢一直持續(xù)?？梢钥闯鼋涤陮εR夏臺形變觀測有一定的影響，瞬時降雨量，累積雨量及降雨持續(xù)時間都會影響曲線的正常變化。

3 溫度和氣壓影響分析

前人研究結(jié)果顯示，當(dāng)溫度升高時，地層受膨脹作用，使地層介質(zhì)受壓；當(dāng)溫度降低時，地層受收縮作用，使地層介質(zhì)受拉[12]，從而影響應(yīng)變觀測。為了更好地分析溫度和氣壓對形變觀測的影響，本文使用了曲線擬合的方法去除資料的趨勢變化。從圖5可以看出，臨夏臺鉆孔應(yīng)變觀測與溫度都有清晰的年變，變化趨勢相同為同向變化，但是相位不同，也就是說溫度對應(yīng)變觀測的影響存在時間滯后。氣壓與觀測曲線是負(fù)相關(guān)的，且變化幾乎是同步的。為進(jìn)一步突出氣壓與應(yīng)變觀測的變化關(guān)系，選取2019年8月鉆孔應(yīng)變資料的日值曲線與氣壓變化曲線做對比。如圖6所示，鉆孔應(yīng)變觀測曲線變化與氣壓急劇變化幾乎同步，無明顯滯后。由此可以得出，溫度主要影響應(yīng)變觀測的長周期變化(如年變)；臨夏臺鉆孔應(yīng)變觀測曲線的趨勢性變化是氣壓和溫度共同作用的結(jié)果。

但是鉆孔傾斜受多方面影響(如儀器維修、更換數(shù)采和標(biāo)定等)情況相對復(fù)雜，與溫度和氣壓沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，這也可能與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和儀器靈敏度有關(guān)。臨夏臺所處區(qū)域，全年氣壓和溫度變化比較平穩(wěn)，很少出現(xiàn)急劇變化的情況，與應(yīng)變觀測同期氣壓的變化對比來看，鉆孔傾斜沒有對應(yīng)的變化。因此，氣壓和溫度對臨夏臺鉆孔傾斜的影響相對較小。

圖5 溫度與鉆孔應(yīng)變(北南分量)的變化關(guān)系

圖6 氣壓與鉆孔應(yīng)變(北南分量)的瞬時變化關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)通過對臨夏臺形變觀測資料與氣象因素變化關(guān)系的分析發(fā)現(xiàn)，降雨對臨夏臺形變觀測資料的影響較為明顯，且鉆孔傾斜觀測易受降雨影響。瞬時降雨量，累積雨量及降雨持續(xù)時間都會影響形變觀測曲線的正常變化。

(2)溫度與應(yīng)變觀測呈正相關(guān)，但相位不同 ，溫度對應(yīng)變觀測的影響存在時間滯后；氣壓與應(yīng)變觀測呈負(fù)相關(guān)，鉆孔應(yīng)變觀測曲線變化與氣壓急劇變化幾乎同步，無明顯滯后。臨夏臺鉆孔應(yīng)變觀測曲線的趨勢性變化是氣壓和溫度共同作用的結(jié)果。

(3)溫度和氣壓對臨夏臺鉆孔傾斜的影響相對較小，沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，需要進(jìn)一步研究其作用機(jī)理。