個(gè)舊地震臺(tái)VP垂直擺傾斜儀觀測(cè)干擾研究

李波，陳陽(yáng)，白世達(dá)，李萬(wàn)金

(云南省地震局個(gè)舊地震臺(tái)，云南 個(gè)舊 661000)

0 引 言

地形變觀測(cè)是獲取地殼的微小變化、捕捉地震前兆信息的途徑之一，也是做好震情跟蹤工作的重要依據(jù)之一[1]。在VP垂直擺傾斜儀觀測(cè)過(guò)程中，往往會(huì)受到一些外界因素的干擾，如自然環(huán)境、場(chǎng)地環(huán)境、人類活動(dòng)等，使得觀測(cè)資料出現(xiàn)幅度不等的異常變化，這些異常變化是地震前兆異常還是干擾，值得進(jìn)一步研究總結(jié)。目前，對(duì)個(gè)舊地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱“個(gè)舊臺(tái)”)的VP垂直擺干擾分析較少，本文通過(guò)分析個(gè)舊臺(tái)VP垂直擺數(shù)據(jù)的干擾因素，總結(jié)各類干擾的表現(xiàn)形式，建立干擾圖像庫(kù)，對(duì)提高數(shù)據(jù)干擾判別能力及觀測(cè)資料質(zhì)量具有重要意義，有利于提取較為可靠的前兆異常信息。

1 觀測(cè)背景

1.1 臺(tái)址構(gòu)造

個(gè)舊臺(tái)地處云南省東南部，隸屬云南省地震局，位于北南走向的小江斷裂南端和西北—東南走向的楚雄—紅河斷裂帶的交匯部位，地處個(gè)舊斷裂以南2 km，臺(tái)站及周邊地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，中強(qiáng)地震頗為頻繁，地震活動(dòng)水平較高。

1.2 觀測(cè)洞室環(huán)境

個(gè)舊臺(tái)位于個(gè)舊市寶華公園內(nèi)，海拔1 791 m，VP垂直擺傾斜儀觀測(cè)山洞洞體巖性為灰?guī)r，山洞覆蓋層平均厚度35 m。山洞內(nèi)設(shè)置船艙門2道、塑料門5道，以減小空氣流動(dòng)、保持恒溫。儀器洞室溫度約為17.2 ℃，洞溫日變幅小于0.003 ℃，年變幅小于0.1 ℃。山洞洞體干燥，全年溫差變化極小，觀測(cè)條件優(yōu)良。

1.3 觀測(cè)儀器

個(gè)舊臺(tái)VP型寬頻帶傾斜儀于2016年1月12日安裝，同年2月1日正式投入觀測(cè)，有南北、東西兩個(gè)分量，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化采集，可通過(guò)電腦完成儀器調(diào)零、校準(zhǔn)等操作。個(gè)舊臺(tái)具有氣溫、氣壓、降雨量等輔助觀測(cè)手段。VP型寬頻帶傾斜儀運(yùn)行以來(lái)，工作性能穩(wěn)定，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。

2 干擾分析

地震前兆信息識(shí)別較為復(fù)雜，觀測(cè)數(shù)據(jù)易受到自然環(huán)境、場(chǎng)地環(huán)境、觀測(cè)系統(tǒng)、人類活動(dòng)等因素干擾，因此區(qū)分前兆信息與各類干擾因素十分必要。

個(gè)舊臺(tái)VP型寬頻帶傾斜儀自投入觀測(cè)以來(lái)，已積累了穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)。根據(jù)日常工作記錄日志，從中提取具有代表性的干擾事件，建立個(gè)舊臺(tái)VP垂直擺觀測(cè)受降雨、雷電、蓄水池蓄水、爆破等干擾波形圖像庫(kù)，能有效提高VP垂直擺觀測(cè)資料的可信度和可用度。

2.1 正常記錄曲線

通過(guò)近年來(lái)日常觀測(cè)資料分析對(duì)比，結(jié)合氣象三要素，在確保無(wú)降雨、雷電、爆破、儀器故障等因素的影響下，截取2020年3月9日VP垂直擺觀測(cè)分鐘值曲線。由圖1可知，VP垂直擺正常固體潮為光滑、噪聲低的正弦曲線，且具有一定周期性；南北分量最大日變幅約為25×10-3"，東西分量最大日變幅約為29×10-3"。

圖1 2020年3月9日正常固體潮曲線

2.2 降雨干擾

個(gè)舊屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，雨水充沛，雨季為每年6～10月，大量降雨對(duì)VP垂直擺觀測(cè)干擾較大。根據(jù)相關(guān)研究，降雨時(shí)一部分雨水經(jīng)地表流走，另一部分則滲入山體巖石的裂縫或土層中，巖石的不規(guī)則裂縫經(jīng)雨水滲透發(fā)生膨脹，孔隙間壓力發(fā)生改變，使巖石產(chǎn)生不均勻的變形[2]。同時(shí)，孔隙與土層中水的存在，使洞體覆蓋層重量產(chǎn)生變化，造成垂直擺觀測(cè)發(fā)生傾斜變化[3]。由2021年6月30日～7月6日個(gè)舊臺(tái)VP垂直擺觀測(cè)分鐘值曲線可知，南北分量7月2日～3日呈緩慢下降趨勢(shì)，圖中南北分量突跳為記錄到的地震(圖2)，東西分量7月1日～3日呈快速下降趨勢(shì)；期間觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，無(wú)場(chǎng)地環(huán)境、人類活動(dòng)等干擾因素，2021年6月30日～7月2日個(gè)舊連續(xù)強(qiáng)降雨，累計(jì)降雨量為123 mm，分析認(rèn)為連續(xù)強(qiáng)降雨是導(dǎo)致數(shù)據(jù)下降的原因。

圖2 個(gè)舊臺(tái)VP垂直擺降雨干擾曲線

2.3 雷電干擾

雷電產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)可在地面金屬網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生感應(yīng)電荷，高強(qiáng)度的感應(yīng)電荷在金屬網(wǎng)絡(luò)中形成瞬間高壓電場(chǎng)，從而對(duì)儀器內(nèi)部的弱電設(shè)備進(jìn)行放電[4]，VP垂直擺觀測(cè)易受到雷電的強(qiáng)電磁干擾。

2020年4月23日個(gè)舊出現(xiàn)雷雨天氣，VP垂直擺南北、東西分量觀測(cè)曲線出現(xiàn)不同幅度臺(tái)階(圖3)，與正常固體潮曲線明顯不同，經(jīng)與個(gè)舊臺(tái)測(cè)震資料核實(shí)確定，當(dāng)天該區(qū)域未發(fā)生地震或爆破，且值班人員確定臺(tái)階時(shí)間段臺(tái)站附近雷電活動(dòng)頻繁，故確定個(gè)舊臺(tái)南北、東西分量受雷電干擾。

圖3 個(gè)舊臺(tái)VP垂直擺雷電干擾曲線

2.4 蓄水池蓄水干擾

自2016年2月1日VP垂直擺傾斜儀正式投入觀測(cè)以來(lái)，VP垂直擺東西分量記錄曲線偶有畸變，經(jīng)系統(tǒng)性排查，最終確定為山洞上方蓄水池蓄水影響。

個(gè)舊觀測(cè)山洞位于個(gè)舊市寶華公園內(nèi)半坡上，形變觀測(cè)儀器安置于山洞內(nèi)，個(gè)舊市自來(lái)水公司的城市居民用水寶華公園1號(hào)蓄水池位于觀測(cè)山洞斜上方山坡上，1號(hào)蓄水池高程為1 810 m，距測(cè)點(diǎn)水平距離約23 m，與測(cè)點(diǎn)垂直高差約20 m，蓄水池為圓柱形，儲(chǔ)水量約200 m3。

1號(hào)蓄水池一般處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)(供水和出水平衡)時(shí)，對(duì)形變觀測(cè)無(wú)干擾。距1號(hào)蓄水池約500 m，垂直位置更高處建有2號(hào)蓄水池(2號(hào)蓄水池蓄水承重變化對(duì)形變無(wú)干擾)。因1號(hào)蓄水池與2號(hào)蓄水池共用一根供水管，兩個(gè)蓄水池同時(shí)供水時(shí)2號(hào)蓄水池由于供水水壓不夠而無(wú)法供水，所以給2號(hào)蓄水池供水時(shí)需關(guān)閉1號(hào)蓄水池的進(jìn)水閥，這樣就打破1號(hào)蓄水池動(dòng)態(tài)平衡，引起蓄水量變化，從而導(dǎo)致形變觀測(cè)儀VP垂直擺東西分量記錄曲線畸變。因2號(hào)蓄水池居民用水速度不定、抽水人員開(kāi)關(guān)閥時(shí)間及時(shí)長(zhǎng)不固定，所以影響頻次為不定期，干擾幅度也有所不同。

2016年5月11日我臺(tái)協(xié)同云南省地震局儀器維修人員與自來(lái)水公司工作人員到蓄水池實(shí)地調(diào)查，并與自來(lái)水公司協(xié)商一致，請(qǐng)自來(lái)水公司開(kāi)關(guān)水閥的工作人員記錄每天的開(kāi)關(guān)水閥的時(shí)間，為期一個(gè)月(2016年5月13日～2016年6月12日)，整月的觀測(cè)記錄顯示VP垂直擺實(shí)際觀測(cè)曲線受干擾時(shí)段與開(kāi)關(guān)水閥時(shí)間完全吻合，故明確判定個(gè)舊臺(tái)VP垂直擺東西分量記錄曲線畸變?yōu)樾钏匦钏蓴_。典型干擾記錄曲線及開(kāi)關(guān)水閥時(shí)間對(duì)比分析見(jiàn)圖4，圖中突跳為記錄到的地震。通過(guò)一個(gè)月的開(kāi)關(guān)水閥記錄發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蓄水池處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)(進(jìn)水和出水平衡)時(shí)，對(duì)VP垂直擺觀測(cè)無(wú)干擾；經(jīng)過(guò)協(xié)商，自來(lái)水公司通過(guò)增加水壓解決2號(hào)水池供水問(wèn)題，不再進(jìn)行1號(hào)蓄水池進(jìn)水口關(guān)閥操作，VP垂直擺觀測(cè)恢復(fù)正常。

圖4 個(gè)舊臺(tái)VP垂直擺東西分量受蓄水池蓄水干擾曲線

圖5 個(gè)舊臺(tái)VP垂直擺爆破干擾曲線

2.5 爆破干擾

個(gè)舊市是以生產(chǎn)錫為主并生產(chǎn)鉛、鋅、銅等多種有色金屬的冶金工業(yè)城市，是中外聞名的“錫都”，開(kāi)采錫礦的歷史有約2000年，是中國(guó)最大的產(chǎn)錫基地。個(gè)舊臺(tái)臺(tái)站周邊有云錫公司所屬的大屯、卡房、老廠三個(gè)礦區(qū)，三個(gè)礦區(qū)距離個(gè)舊臺(tái)直線距離均在20 km以內(nèi)。

日常處理數(shù)據(jù)過(guò)程中，我臺(tái)注意到VP垂直擺記錄曲線經(jīng)常存在不明原因突跳，通過(guò)對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)、觀測(cè)環(huán)境等逐一排查，結(jié)合臺(tái)站工作人員到云錫公司核實(shí)情況及對(duì)比我臺(tái)測(cè)震資料可以確定是臺(tái)站周邊礦區(qū)爆破干擾，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)能夠被VP垂直擺清晰記錄到。

由VP垂直擺爆破響應(yīng)分鐘值曲線(圖5a)可見(jiàn)，爆破對(duì)應(yīng)時(shí)刻記錄曲線單點(diǎn)突跳；由爆破對(duì)應(yīng)時(shí)刻測(cè)震儀的記錄波形(圖5b)可見(jiàn)，爆破波形周期較大，擾動(dòng)頻率較低，持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。

圖6a為2021年4月21日個(gè)舊2.5級(jí)地震(震中距10 km)VP垂直擺記錄曲線，地震對(duì)應(yīng)時(shí)刻記錄曲線單點(diǎn)突跳；地震對(duì)應(yīng)時(shí)刻測(cè)震儀記錄到的波形可看出地震波形記錄周期小(圖6b)，頻率高，持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，震相特征明顯。因此，通過(guò)查看對(duì)應(yīng)時(shí)刻的測(cè)震波形可以有效區(qū)分爆破和地震。

圖6 2021年4月21日個(gè)舊2.5級(jí)地震同震響應(yīng)

2.6 觀測(cè)系統(tǒng)類干擾

個(gè)舊臺(tái)VP傾斜儀南北分量2019年11月19日數(shù)據(jù)記錄毛刺多(圖7a)，故障發(fā)生后值班人員及時(shí)排查維修，發(fā)現(xiàn)因觀測(cè)室內(nèi)濕度較大，垂直擺南北分量密封不嚴(yán)且干燥劑使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)失效，導(dǎo)致線路受潮嚴(yán)重發(fā)生故障。為解決潮濕引起的線路故障，個(gè)舊臺(tái)于2020年4月9日在儀器墩上安裝了密封罩，在密封罩內(nèi)放置了足量的干燥劑且定期更換，防潮效果較好。

2019年3月6日南北分量通過(guò)電腦發(fā)送調(diào)零指令后調(diào)零未果(圖7b)，圖中高頻擾動(dòng)為記錄到的地震。經(jīng)查為調(diào)零電機(jī)故障，更換調(diào)零電機(jī)后恢復(fù)正常。

圖7 觀測(cè)系統(tǒng)干擾

2.7 人為干擾

人為干擾類型較多，如校準(zhǔn)調(diào)零、儀器維修、日常巡檢等，對(duì)VP垂直擺觀測(cè)均會(huì)造成不同程度的影響，如：①2021年4月9日工作人員進(jìn)山洞檢修儀器，造成較長(zhǎng)時(shí)間干擾，觀測(cè)數(shù)據(jù)畸變，其中南北分量最大變幅為252.815×10-3"，東西分量最大變幅為316.966×10-3"，與正常固體潮變幅相差較大(圖8a)，儀器檢修完成后恢復(fù)正常；②個(gè)舊地震臺(tái)于2019年9月28日對(duì)VP垂直擺進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，觀測(cè)數(shù)據(jù)受到干擾，觀測(cè)曲線多次出現(xiàn)脈沖和壞數(shù)(圖8b)。

圖8 人為干擾

3 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

3.1 結(jié) 論

個(gè)舊臺(tái)VP垂直擺傾斜儀自正式投入觀測(cè)以來(lái)運(yùn)行良好，能夠清晰的記錄固體潮變化，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。通過(guò)對(duì)個(gè)舊地震臺(tái)VP垂直擺觀測(cè)中存在的典型干擾進(jìn)行分析，根據(jù)成因可分為自然環(huán)境、場(chǎng)地環(huán)境、觀測(cè)系統(tǒng)、人為干擾4種類型。

(1)個(gè)舊臺(tái)VP垂直擺觀測(cè)受降雨、雷電等自然環(huán)境干擾。降雨是VP垂直擺觀測(cè)的普遍干擾因素，許多站點(diǎn)均有類似記錄；干擾幅度及干擾時(shí)間長(zhǎng)短與降雨時(shí)長(zhǎng)、強(qiáng)度等因素有關(guān)。對(duì)于雷電干擾，對(duì)應(yīng)時(shí)刻VP垂直擺觀測(cè)曲線出現(xiàn)大幅臺(tái)階，南北、東西分量均形成“平緩—陡降—陡升”的變化過(guò)程。

(2)個(gè)舊臺(tái)VP垂直擺觀測(cè)場(chǎng)地環(huán)境類干擾主要是臺(tái)站上方蓄水池蓄水、爆破干擾；對(duì)于蓄水池蓄水干擾，自來(lái)水公司不再進(jìn)行蓄水池進(jìn)水口關(guān)閥操作，干擾已消除。對(duì)于爆破干擾，由于云錫公司生產(chǎn)需要，爆破在所難免，所以日常工作中應(yīng)及時(shí)查看個(gè)舊臺(tái)測(cè)震波形來(lái)區(qū)分爆破和地震，并認(rèn)真填寫工作日志。

(3)個(gè)舊臺(tái)VP垂直擺觀測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)類干擾主要包括線路故障、調(diào)零電機(jī)故障；對(duì)于線路受潮引起的數(shù)據(jù)畸變，個(gè)舊臺(tái)已在儀器墩上安裝了密封罩，在密封罩內(nèi)放置了足量的干燥劑且定期更換，防潮效果較好。對(duì)于調(diào)零電機(jī)故障，個(gè)舊臺(tái)配備了備用調(diào)零電機(jī)一旦發(fā)生故障及時(shí)更換，避免人工進(jìn)洞調(diào)零造成長(zhǎng)時(shí)間干擾。

(4)實(shí)際觀測(cè)中，人為干擾不可避免，日常工作中如需進(jìn)洞維修要提前做好準(zhǔn)備工作，維修人員應(yīng)熟悉并掌握儀器構(gòu)造，盡可能的縮短維修時(shí)間。

3.2 認(rèn) 識(shí)

(1)VP垂直擺觀測(cè)有些干擾具有一定普遍性，如降雨、雷電等，許多臺(tái)站均有記錄，可學(xué)習(xí)前人的方法進(jìn)一步研究或通過(guò)技術(shù)手段消除。

(2)因各臺(tái)站環(huán)境不同，VP垂直擺觀測(cè)干擾因素存在差異，在實(shí)際工作中要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并查找干擾源，采取相應(yīng)措施盡可能減少對(duì)VP垂直擺觀測(cè)的影響，使觀測(cè)數(shù)據(jù)更可靠。

(3)各類干擾對(duì)VP垂直擺觀測(cè)均有不同程度的影響，建立各類干擾的典型特征圖像庫(kù)，對(duì)提高VP垂直擺觀測(cè)資料質(zhì)量具有重要意義。