樊俊屹 劉高川 王 曉 陶志剛
(中國(guó)北京 100045 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心)
近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加快,地震監(jiān)測(cè)設(shè)施逐漸被城鎮(zhèn)、開(kāi)發(fā)區(qū)和廠(礦)區(qū)等所包圍,軌道交通、人類(lèi)的生產(chǎn)、生活等干擾不斷出現(xiàn),且影響程度日趨嚴(yán)重,導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量逐年下降,環(huán)境干擾問(wèn)題日益突出,成為制約我國(guó)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平提升的關(guān)鍵因素。這些現(xiàn)狀為觀測(cè)環(huán)境保護(hù)工作提出了新的挑戰(zhàn)和更高的要求。
多數(shù)觀測(cè)環(huán)境干擾具有持久性特點(diǎn),一般短時(shí)間內(nèi)難以消除,只有采取臺(tái)站搬遷或抗干擾措施來(lái)應(yīng)對(duì)。例如:高壓直流輸電線在調(diào)試或發(fā)生故障時(shí),將對(duì)周邊電磁觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾;觀測(cè)站附近的水廠抽水,對(duì)周邊流體、形變等測(cè)項(xiàng)將產(chǎn)生長(zhǎng)期干擾等。已有學(xué)者對(duì)區(qū)域和臺(tái)站開(kāi)展了觀測(cè)環(huán)境干擾分析,如:車(chē)用太等(2004)對(duì)地下流體動(dòng)態(tài)的觀測(cè)環(huán)境干擾進(jìn)行了研究;蔣延林等(2015)對(duì)高郵臺(tái)地電場(chǎng)受工廠漏電干擾情況進(jìn)行了分析;屈曼等(2019)對(duì)河北地傾斜觀測(cè)所受觀測(cè)系統(tǒng)、觀測(cè)環(huán)境和氣象干擾進(jìn)行了分析;鮑海英等(2020)就高壓直流輸電對(duì)地電場(chǎng)的影響進(jìn)行了分析。
文中利用我國(guó)地球物理臺(tái)網(wǎng)近年來(lái)開(kāi)展的跟蹤分析工作成果,統(tǒng)計(jì)全國(guó)地球物理觀測(cè)環(huán)境所受相關(guān)破壞情況,分析環(huán)境干擾的時(shí)空分布和形成原因,總結(jié)干擾類(lèi)型及其典型形態(tài)特征,為今后加強(qiáng)觀測(cè)和抑制干擾等提供參考。
我國(guó)地震地球物理站網(wǎng)由地下流體、地殼形變和電磁3 大學(xué)科臺(tái)網(wǎng)(劉春國(guó)等,2015)組成,測(cè)項(xiàng)超50 種,主要觀測(cè)手段包括GNSS、水位、水溫、氡、汞、地傾斜、地應(yīng)變、重力、地磁、地電阻率、地電場(chǎng)等。目前,全國(guó)地球物理臺(tái)網(wǎng)在運(yùn)行觀測(cè)站1 040 個(gè),其中地殼形變儀器948 套(含重力、形變、GNSS 觀測(cè)手段)、電磁儀器657 套、地下流體儀器1 725 套(含輔助觀測(cè)手段),合計(jì)3 330 套。
(1)時(shí)間上變化。據(jù)2015—2019 年全國(guó)地球物理臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤分析事件記錄,全國(guó)地震監(jiān)測(cè)儀器受觀測(cè)環(huán)境影響的數(shù)量逐年增加,2018 年達(dá)峰值,2019 年與2018 年基本持平(圖1)。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019 年受環(huán)境干擾儀器有681 套,與2015 年相比(487 套),增長(zhǎng)約40%,其中上海、河南、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、江蘇、四川、山西、北京、陜西、天津、云南、山東受影響儀器占比均在30%以上(圖2)。全國(guó)各省市受干擾儀器數(shù)量變化主要有以下特點(diǎn):①逐年遞增,如安徽、北京、福建、海南、湖南、遼寧、青海、山東、上海;②保持穩(wěn)定,如廣西、貴州、河北、湖北、江蘇、寧夏、陜西、天津、云南、浙江;③逐年增多但2019 年干擾減輕,如甘肅、廣東、河南、黑龍江、江西、內(nèi)蒙古、山西、四川、西藏;④變化不穩(wěn)定,如吉林、新疆。
圖1 地球物理臺(tái)網(wǎng)各學(xué)科儀器觀測(cè)環(huán)境影響統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of environmental interferences observed by instruments of various disciplines in the geophysical network
圖2 各省地球物理觀測(cè)儀器環(huán)境影響統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of environmental interference of geophysical observation instruments by province
(2)干擾類(lèi)型統(tǒng)計(jì)。干擾類(lèi)型主要有基建施工類(lèi)、地下水開(kāi)采(抽水)、軌道交通類(lèi)和高壓直流輸電?;?lèi)干擾對(duì)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)所有觀測(cè)手段均有不同程度的影響,受影響地區(qū)涉及19 個(gè)省市自治區(qū),其中新疆、甘肅所受影響最大。地下水開(kāi)采主要對(duì)地下流體和形變觀測(cè)產(chǎn)生影響,23 個(gè)省市自治區(qū)59 個(gè)臺(tái)站受此影響,其中北京、河北、云南、寧夏、新疆等地所受影響較大。該干擾主要集中在人口密度較大、工業(yè)較發(fā)達(dá)地區(qū),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,影響將持續(xù)增加。軌道交通(地鐵、鐵路等)的建設(shè)和運(yùn)行,對(duì)地磁、地電、形變和流體等觀測(cè)手段產(chǎn)生影響。此類(lèi)干擾分布與我國(guó)軌道交通建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀相匹配,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)所受干擾較大,如京津冀、江蘇、上海等地,隨著城市的現(xiàn)代化進(jìn)程,干擾日益嚴(yán)重。高壓直流輸電干擾對(duì)電磁臺(tái)站造成不同程度的干擾。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)在運(yùn)行28 條高壓直流輸電線路中有26條線路對(duì)電磁觀測(cè)產(chǎn)生干擾,其中京津冀、河南、江蘇、甘肅、陜西、山西、湖北等地干擾嚴(yán)重,每年有200 多天受到影響。隨著國(guó)家電網(wǎng)的發(fā)展,西電東輸?shù)葒?guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施,高壓直流輸電線路的建設(shè)和運(yùn)行規(guī)模越來(lái)越大,干擾將更加嚴(yán)重。
城市建設(shè)、公路鐵路建設(shè)、礦藏開(kāi)發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施等均屬基礎(chǔ)建設(shè)。臺(tái)站測(cè)區(qū)周邊工廠、商品房、城中村、學(xué)校等基建工程建設(shè)過(guò)程中發(fā)生的爆破、振動(dòng)等,均會(huì)對(duì)形變、重力、地磁學(xué)科觀測(cè)產(chǎn)生影響。工程完成后發(fā)生的荷載變化,也將對(duì)形變、電磁、流體學(xué)科觀測(cè)造成嚴(yán)重干擾?;?lèi)干擾造成測(cè)項(xiàng)產(chǎn)生以下變化形態(tài):毛刺、突跳、高頻抖動(dòng)和階變及漂移等。
2019 年1 月,湖北十堰柳林溝DSQ 水管傾斜儀NS 分量和SSY 銦瓦棒伸縮儀NS 分量均出現(xiàn)大幅度快速北傾破年變變化。排查發(fā)現(xiàn),距測(cè)點(diǎn)以南約150 m 處有房地產(chǎn)項(xiàng)目施工,造成測(cè)點(diǎn)南端荷載生較大改變。又如,2019 年四川小廟臺(tái)重力觀測(cè)受西昌城北一級(jí)公路施工影響,數(shù)據(jù)持續(xù)上升,見(jiàn)圖3。
圖3 形變伸縮儀、傾斜儀和重力儀受基建干擾影響(a)十堰柳林溝洞體應(yīng)變NS 分量時(shí)值;(b)十堰柳林溝洞體應(yīng)變EW 分量時(shí)值;(c)十堰柳林溝水管傾斜NS 分量時(shí)值;(d)小廟重力潮汐時(shí)值Fig.3 Curves of deformed telescopic tiltmeter and gravimeter observations subjected to construction disturbance
地下水開(kāi)采涉及農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水。大量地下水開(kāi)采容易引起臺(tái)站周邊水位的變化,從而導(dǎo)致地下水量減少、荷載發(fā)生變化,進(jìn)而影響水位、形變觀測(cè)。受抽水影響,形變變化多表現(xiàn)為波形畸變,水位、水溫的變化形態(tài)多表現(xiàn)為上升—恢復(fù)、突跳、下降—上升。
仙游地震臺(tái)流體觀測(cè)井深150 m,套管21.6 m,水位埋深約26 m,水溫探頭置于井下120 m 處。2017 年7 月5 日起,該臺(tái)TDL-15 數(shù)字水位儀、TDT-36 數(shù)字水溫儀觀測(cè)同步出現(xiàn)振蕩、大幅上升異常,伴有突降現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)落實(shí)和實(shí)驗(yàn),判定該異常為觀測(cè)井周邊民用機(jī)井抽水所致。同時(shí),臺(tái)站周邊出現(xiàn)新的機(jī)井,加劇了該臺(tái)觀測(cè)環(huán)境的破壞,由2019 年該臺(tái)靜水位、水溫觀測(cè)整點(diǎn)值數(shù)據(jù)和預(yù)處理數(shù)據(jù)曲線可見(jiàn),水位觀測(cè)所受干擾明顯,見(jiàn)圖4。
圖4 水位與水溫異常變化曲線(a)仙游臺(tái)靜水位時(shí)值;(b)仙游臺(tái)靜水位預(yù)處理分值;(c)仙游臺(tái)中層水溫時(shí)值;(d)仙游臺(tái)中層水溫預(yù)處理分值Fig.4 Curves of water level and water temperature anomaly in the wellhead
城市軌道直流供電運(yùn)輸系統(tǒng)包括有軌電車(chē)、地下鐵道與輕軌,其中有軌電車(chē)在地面行駛,地鐵列車(chē)在地下隧洞行駛。軌道交通采用直流供電,運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)地漏電,造成觀測(cè)場(chǎng)地地下電性結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,或出現(xiàn)工頻、非工頻等無(wú)規(guī)律的流散電流源干擾,其影響距離遠(yuǎn)且具有日周期性。電磁觀測(cè)受軌道交通干擾嚴(yán)重,觀測(cè)數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)為噪聲變大。
無(wú)錫臺(tái)與地鐵距離約4.5 km,在地鐵運(yùn)行期間,地磁相對(duì)觀測(cè)各測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)噪聲變大,見(jiàn)圖5。南京臺(tái)地電觀測(cè)基地位于南京市高淳區(qū)東壩鎮(zhèn)叔村,距南京市中心約80 km,多條地鐵線路對(duì)其產(chǎn)生不同程度的影響,其中該場(chǎng)地與南京機(jī)場(chǎng)線距離約40 km、與寧高線(機(jī)場(chǎng)—高淳)距離約11 km、與寧溧線S7 距離約33 km,在以上軌道交通運(yùn)行期間,地電阻率和地電場(chǎng)日變化噪聲增大,產(chǎn)生大量明顯高頻突跳,見(jiàn)圖6。
圖6 城市軌道交通對(duì)地電阻率和地電場(chǎng)的干擾(a)南京臺(tái)第一裝置地電場(chǎng)觀測(cè)NE 向預(yù)處理分值;(b)南京臺(tái)地電阻率觀測(cè)EW 向原始時(shí)值Fig.6 Interference of rail transit to earth resistivity and earth electric field observations
高壓直流輸電線路多采用雙極兩端中性點(diǎn)方式接地,在高壓直流供電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試或出現(xiàn)故障時(shí),會(huì)出現(xiàn)大的不平衡電流,對(duì)線路兩側(cè)臺(tái)站的地磁和地電場(chǎng)觀測(cè)造成干擾,且干擾長(zhǎng)期存在,在觀測(cè)數(shù)據(jù)變化形態(tài)上主要表現(xiàn)為臺(tái)階或尖峰。
哈密南—鄭州特高壓直流輸電線路距洛陽(yáng)臺(tái)約100 km,電流波動(dòng)對(duì)洛陽(yáng)地電場(chǎng)觀測(cè)影響較大,干擾曲線形態(tài)主要為臺(tái)階與頂部波動(dòng)。其中磁通門(mén)磁力儀Z、H、D分量數(shù)據(jù)曲線產(chǎn)生階變,地電阻率儀自然電位差NS 向、EW 向數(shù)據(jù)產(chǎn)生臺(tái)階(圖7)。
圖7 地磁、地電阻率和地電場(chǎng)受高壓直流輸電干擾(a)洛陽(yáng)臺(tái)磁力儀Z 分量預(yù)處理分值;(b)洛陽(yáng)臺(tái)磁力儀H 分量預(yù)處理分值;(c)洛陽(yáng)臺(tái)第二裝置地電場(chǎng)NS 向預(yù)處理分值;(d)洛陽(yáng)臺(tái)自然電位差NS 向原始時(shí)值;(e)洛陽(yáng)臺(tái)第一裝置地電場(chǎng)NS 向預(yù)處理分值;(f)洛陽(yáng)臺(tái)自然電位差EW 向原始時(shí)值Fig.7 The geomagnetic,earth resistivity,and earth electric field observations are interfered by HVDC
除上述干擾,還有灌溉、金屬管線、車(chē)輛等常見(jiàn)環(huán)境干擾。
(1)灌溉干擾。在觀測(cè)區(qū)域內(nèi),灌溉對(duì)電磁學(xué)科測(cè)項(xiàng)干擾比較嚴(yán)重。若灌溉區(qū)距測(cè)區(qū)或電極太近,灌溉時(shí)會(huì)造成地下介質(zhì)改變,使電磁觀測(cè)發(fā)生趨勢(shì)性變化,若外線路有破損,導(dǎo)致外線路不絕緣,則容易使得數(shù)據(jù)失真而產(chǎn)生階躍、臺(tái)階變化。
以合陽(yáng)臺(tái)地電觀測(cè)為例,分析臺(tái)站周邊農(nóng)田灌溉對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。由圖8 可見(jiàn),每年春夏季節(jié),合陽(yáng)臺(tái)周邊農(nóng)田進(jìn)行灌溉時(shí),該臺(tái)地電觀測(cè)場(chǎng)地地下電性結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線變化形態(tài)多呈脈沖階躍狀,地電阻率數(shù)據(jù)曲線變化形態(tài)多呈下降趨勢(shì),自然電位差變化形態(tài)多表現(xiàn)為突跳等,灌溉結(jié)束測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。
圖8 合陽(yáng)臺(tái)地電場(chǎng)儀受灌溉影響數(shù)據(jù)曲線(a)合陽(yáng)臺(tái)地電阻率觀測(cè)NW 向預(yù)處理時(shí)值;(b)合陽(yáng)臺(tái)第一裝置地電場(chǎng)觀測(cè)NS 向預(yù)處理分值;(c)合陽(yáng)臺(tái)自然電位差NW 向預(yù)處理時(shí)值;(d)合陽(yáng)臺(tái)第一裝置電場(chǎng)觀測(cè)EW 向預(yù)處理分值Fig.8 Data curve of geoelectric observation affected by irrigation
(2)車(chē)輛干擾。臺(tái)站周邊修建公路、停車(chē)場(chǎng)、景區(qū)等設(shè)施,車(chē)輛經(jīng)過(guò)或??繒r(shí)對(duì)地磁、形變等數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響,在數(shù)據(jù)變化形態(tài)上主要表現(xiàn)為毛刺、臺(tái)階等。
漢中地震臺(tái)(南鄭813 廠)觀測(cè)山洞西南100 m 處有一工廠,載有貨物的大貨車(chē)隊(duì)通過(guò)減速帶和過(guò)磅時(shí)引起振動(dòng),造成水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象。漳州臺(tái)磁力儀受到磁房外水泥路上過(guò)往車(chē)輛干擾,觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)若干小臺(tái)階。車(chē)輛干擾曲線見(jiàn)圖9。
圖9 水管傾斜儀、地磁儀受車(chē)輛干擾(a)漢中臺(tái)水管儀傾斜觀測(cè)NS 分量時(shí)值;(b)漢中臺(tái)水管儀傾斜觀測(cè)EW 分量時(shí)值;(c)漳州、南安、泉州臺(tái)磁力儀Z 分量時(shí)值;(d)漳州、南安、泉州臺(tái)磁力儀H 分量時(shí)值Fig.9 Water pipe inclinometer and geomagnetic meter observations are disturbed by vehicles
環(huán)境干擾一般長(zhǎng)期存在,僅少部分(如施工)干擾會(huì)自動(dòng)消失。為有效防止干擾發(fā)生并消除其影響,目前常采用以下措施:依托法律法規(guī),采取環(huán)境保護(hù)措施,盡可能防止干擾發(fā)生;采用抗干擾觀測(cè)技術(shù),最大限度地降低干擾的影響程度;采用數(shù)據(jù)處理方法,識(shí)別并排除干擾影響。
制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),配合法律法規(guī)實(shí)施觀測(cè)環(huán)境保護(hù)。中國(guó)地震局按照《防震減災(zāi)法》和《地震監(jiān)測(cè)管理?xiàng)l例》中對(duì)地震觀測(cè)環(huán)境的定義、管理和保護(hù)要求的明確規(guī)定,制定出臺(tái)4 項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),明確了電磁、地殼形變、地下流體學(xué)科對(duì)觀測(cè)環(huán)境的技術(shù)要求(DB/T 19531.1—2004),并印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境保護(hù)工作的通知》,要求各省市地震局將地震監(jiān)測(cè)設(shè)施的地點(diǎn)和保護(hù)范圍,向當(dāng)?shù)貒?guó)土規(guī)劃及公安部門(mén)進(jìn)行備案,并制作統(tǒng)一標(biāo)志牌等,加強(qiáng)保護(hù)工作。
為了保障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,加大地震監(jiān)測(cè)設(shè)施和地震觀測(cè)環(huán)境保護(hù)力度,各級(jí)地震主管部門(mén)積極采取措施,說(shuō)服地方政府調(diào)整或修改工程建設(shè)方案以規(guī)避監(jiān)測(cè)站,與建設(shè)單位協(xié)商,地震臺(tái)站或觀測(cè)場(chǎng)地實(shí)施搬遷、就地恢復(fù)或增建抗干擾設(shè)施等措施,盡量減小對(duì)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的影響,確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、有效性。
依據(jù)《防震減災(zāi)法》以及相關(guān)法規(guī),加大地震觀測(cè)環(huán)境保護(hù)的宣傳力度,加強(qiáng)與地方政府的溝通與交流,修改或停止對(duì)監(jiān)測(cè)臺(tái)站影響較大的工程建設(shè)項(xiàng)目方案。例如:高郵市政府在江蘇高郵臺(tái)測(cè)區(qū)內(nèi)規(guī)劃道路修建工程,高郵市地震局積極與國(guó)家相關(guān)部門(mén)進(jìn)行溝通協(xié)調(diào),該項(xiàng)目最終被停止。
采用新的觀測(cè)技術(shù)手段和觀測(cè)方法,就地改造或新建抗干擾設(shè)施,恢復(fù)臺(tái)站地震監(jiān)測(cè)。例如:①流體學(xué)科測(cè)項(xiàng)通過(guò)改造觀測(cè)裝置,采用潛水泵變頻穩(wěn)流抽水觀測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)出水口出水流量的恒定,恢復(fù)水化學(xué)觀測(cè);②地電學(xué)科采取深井地電阻率觀測(cè),以減小觀測(cè)站地表淺層雜散電流的干擾。
對(duì)于已知的典型干擾源影響,可采用專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法予以識(shí)別,如應(yīng)用時(shí)序分析和頻譜分析等方法,進(jìn)行數(shù)據(jù)干擾識(shí)別與排除。近年來(lái),基于水文地質(zhì)模型和大地電場(chǎng)潮汐機(jī)理的巖體裂隙模型的數(shù)據(jù)處理方法,逐漸應(yīng)用于分析和濾除干擾因素的影響,并取得較好效果(易立新等,2004;譚大成等,2019)。地磁學(xué)科針對(duì)高壓直流輸電干擾,研制了“高壓直流輸電對(duì)地磁觀測(cè)影響的判別處理系統(tǒng)”,制定了高壓直流輸電干擾預(yù)處理算法(鮑海英等,2020),實(shí)現(xiàn)了高壓直流輸電對(duì)地磁臺(tái)站干擾自動(dòng)識(shí)別和判定,經(jīng)預(yù)處理的觀測(cè)數(shù)據(jù)可用于地震分析預(yù)測(cè)和研究。
隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各類(lèi)環(huán)境干擾將普遍存在并不斷加劇。有必要調(diào)查影響臺(tái)站場(chǎng)地觀測(cè)的環(huán)境干擾信息,以便為后期數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用提供完善的輔助信息。進(jìn)一步加強(qiáng)抗干擾技術(shù)研究,加大對(duì)抗干擾性?xún)x器的研制和應(yīng)用,提高儀器自身對(duì)新時(shí)期復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性,是一個(gè)長(zhǎng)期而復(fù)雜的過(guò)程。大數(shù)據(jù)、人工智能的應(yīng)用,有可能在干擾識(shí)別與排除的數(shù)學(xué)方法研究上取得突破(李正媛等,2016)。尤其是對(duì)于數(shù)據(jù)跟蹤分析工作而言,目前已積累大量干擾圖像信息并初步建立了干擾數(shù)據(jù)庫(kù),在此背景下,未來(lái)的工作重點(diǎn)可以放在,利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法,研究干擾的自動(dòng)識(shí)別與排除方法,以便為今后的數(shù)據(jù)預(yù)處理提供有效方法和途徑。