徐州地震臺(tái)伸縮儀觀測干擾分析＊

郝 冉 楊 馳劉冬冬李蘭生高明智 張 岑

1)江蘇省地震局徐州地震臺(tái)，江蘇徐州 221008

2)江蘇省地震局，江蘇南京 210014

引言

伸縮儀是精密測量地殼巖體兩點(diǎn)間水平距離相對變化的儀器，適用于觀測地殼應(yīng)變和固體潮水平分量的連續(xù)變化，為研究地震孕育過程的水平應(yīng)變的變化規(guī)律提供數(shù)據(jù)，也為地球彈性研究提供重要數(shù)據(jù)。我國自行研制了SS-Y型伸縮儀[1]。徐州地震臺(tái)伸縮儀于2018年由武漢地震科學(xué)儀器研究院安裝在觀測山洞中，2020年開始正式觀測，儀器工作狀態(tài)連續(xù)穩(wěn)定，所記錄的固體潮清晰，同時(shí)對國內(nèi)外強(qiáng)震具有較好的映震能力。在日常觀測中除記錄到的地球物理事件外，觀測資料還會(huì)受到各類因素（如降雨、氣壓、雷電、進(jìn)洞等）干擾。SS-Y型伸縮儀觀測數(shù)據(jù)受各種干擾因素的影響形態(tài)的異常分析已有很多研究[2-5]。本文通過對徐州地震臺(tái)伸縮儀運(yùn)行至今的觀測資料分析，總結(jié)出日常觀測中常見的干擾現(xiàn)象。對降雨干擾、氣壓干擾的基本變化規(guī)律進(jìn)行分析，以求更好地排除非地震前兆干擾，有效地增強(qiáng)對地震前兆異常的識(shí)別。

1 臺(tái)站概況

徐州地震臺(tái)是國家形變基本臺(tái)，始建于1975年，位于江蘇省徐州市南郊云龍山第八節(jié)東坡（34.23°N，117.17°E），海拔60 m。臺(tái)站所處地貌屬徐州弧形構(gòu)造的一部分，主要斷裂有東部NNE向的郯廬斷裂帶，西部NNE向的聊考斷裂帶，北部NWW向的豐沛斷裂帶和南部NWW向的符離集斷裂帶。廢黃河斷裂從市區(qū)穿過，是一條張性NWW向斷裂。臺(tái)站周圍出露大面積基巖，節(jié)理發(fā)育，巖石產(chǎn)狀約80°，地質(zhì)年代屬寒武系中統(tǒng)原層灰?guī)r。徐州臺(tái)伸縮儀安裝在觀測山洞內(nèi)（圖1）。

2 儀器參數(shù)和日常觀測資料

2.1 儀器參數(shù)

徐州臺(tái)伸縮儀利用人防山洞開展形變觀測。徐州臺(tái)觀測山洞年溫變小于0.1℃，日溫變小于0.01℃，伸縮儀、水管儀觀測場地周邊無明顯干擾，但受降雨干擾較為明顯。伸縮儀NS分量進(jìn)洞深300 m，基線長度為28.14 m，方位角為22.54°；EW分量進(jìn)洞深350 m，基線長度為17.92 m，方位角為113.89°。

2.2 日常觀測資料

徐州臺(tái)伸縮儀觀測穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高、觀測精度高，記錄到的固體潮曲線光滑連續(xù)，日變周期明顯可見，日變幅在200×10-10左右（圖2）。通過計(jì)算M2波潮汐因子及其絕對誤差，檢驗(yàn)其觀測資料的精度和長期穩(wěn)定性，可以看出數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量均達(dá)到優(yōu)良以上（表1）。

圖1 徐州地震臺(tái)山洞測項(xiàng)分布圖Fig.1 Distribution map of cave survey itemsat Xuzhou seismic station

圖2 徐州臺(tái)2020年5月1—15日伸縮儀觀測日變曲線Fig.2 Observational daily curve of extensometer at Xuzhou seismic station on May 1—15，2020

表1 徐州臺(tái)伸縮儀潮汐因子及精度表Table 1 Factor and precision table of telescopic instrument of Xuzhou seismic station

3 自然環(huán)境干擾

3.1 降雨干擾分析

2020年1月7日12時(shí)—9日6時(shí)24分伸縮儀觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)急始性的短時(shí)曲線拉伸，最大幅度分別為NS分量36.6× 10-10和 EW分量79.8×10-10，排除其他干擾因素，并結(jié)合天氣變化，徐州市1月6—8日為連續(xù)降雨天氣，降雨時(shí)間為1月6日0時(shí)—8日12時(shí)，降雨時(shí)間合計(jì)36 h，降雨量為33.1 mm，NS分量降雨效率為0.03，EW分量降雨效率為0.07（圖3）。

圖3 徐州臺(tái)伸縮儀受降雨影響的觀測曲線圖Fig.3 Observation curve of extensometer affected by rainfall at Xuzhou seismic station

降雨對伸縮儀影響較為明顯，表現(xiàn)為固體潮日變曲線出現(xiàn)拉伸，呈張性上升趨勢。特別是雨季期間長時(shí)間的強(qiáng)降雨導(dǎo)致山體積水沿土層逐漸滲入巖石的裂隙，持續(xù)一段時(shí)間后土層經(jīng)雨水的滲透致山體巖石的裂隙發(fā)生膨脹，空隙間的壓力發(fā)生變化。當(dāng)雨水充滿斷層破碎帶時(shí)，斷層伸長，從而使得伸縮儀觀測到發(fā)生的地形變變化。分析認(rèn)為，降雨干擾變化主要與觀測場地的地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境荷載有關(guān)，徐州地震臺(tái)觀測山洞位于徐州市云龍山第八節(jié)東坡，因地勢原因雨水流向南側(cè)與東側(cè)，從而造成伸縮儀NS分量、EW分量分別觀測到巖石裂縫與洞體覆蓋層的緩性壓力變化。

通過統(tǒng)計(jì)2020—2021年降雨事件中實(shí)際觀測的伸縮儀的增量Δa1、Δa2、伸縮儀增量時(shí)間Δt1、Δt2、降雨量W、降雨持續(xù)時(shí)間Δt，計(jì)算獲得降雨系數(shù)β=Δa/W ，降雨效率 η=β/Δt（表2）。由表2計(jì)算得出2020—2021年伸縮儀NS分量的平均降雨效率為1.63，EW分量的平均降雨效率為4.98。分析認(rèn)為，EW分量降雨的響應(yīng)較為靈敏，當(dāng)降雨發(fā)生后雨水充分滲入山體介質(zhì)，從而改變了介質(zhì)密度以及重力分布，于是引起局部區(qū)域加速形變，因地勢原因且儀器安裝場地EW分量附近有一處相距約6 m的北南走向的裂隙，故觀測到的降雨變化更為顯著。通過表2統(tǒng)計(jì)的伸縮儀工作至今的所有降雨事件可以看出，徐州臺(tái)伸縮儀受降雨干擾多發(fā)于6—9月，其平均降雨效率為5.78，少數(shù)降雨干擾發(fā)生在1—2月，其平均降雨效率為1.36，夏季降雨干擾效率更高，是冬季降雨干擾效率的4倍，原因在于夏季降雨量更大，降雨時(shí)間更集中，導(dǎo)致雨水滲入地下介質(zhì)更充分，從而形成地下徑流，故而對降雨響應(yīng)更為敏感，干擾效率更高。

3.2 氣壓干擾分析

氣壓也是干擾伸縮儀觀測的主要因素之一，短時(shí)間內(nèi)氣壓的非周期變化會(huì)使伸縮儀出現(xiàn)固體潮畸變。導(dǎo)致大氣壓日變化的原因主要有3點(diǎn)：大氣的運(yùn)動(dòng)、大氣溫度的變化和大氣濕度的變化，主要表現(xiàn)為大風(fēng)、降雨、雷暴，由于伸縮儀器安裝在山洞內(nèi)，溫度、濕度恒定，故主要受到大氣壓強(qiáng)變化作用在山體上產(chǎn)生的形變干擾。氣壓作用的干擾時(shí)間一般持續(xù)較短，多為數(shù)分鐘或幾小時(shí)。徐州地震臺(tái)伸縮儀NS分量、EW分量2020年5月17日20時(shí)5分—18日3時(shí)48分?jǐn)?shù)據(jù)曲線畸變出現(xiàn)小幅擾動(dòng)，幅度分別為：NS分量為16.42×10-10，EW分量為8.26× 10-10。經(jīng)排除其他干擾因素，結(jié)合天氣變化，徐州市該時(shí)段氣壓變化明顯，氣壓數(shù)據(jù)由991.5 hPa升至1001.1 hPa（圖4）。伸縮儀受氣壓干擾響應(yīng)時(shí)間段與氣壓變化時(shí)間段基本一致，在短時(shí)間內(nèi)的變化趨勢也基本相同，干擾形態(tài)以寬幅震蕩為主并不改變固體潮趨勢，且干擾結(jié)束后固體潮立即恢復(fù)正常。由于徐州臺(tái)伸縮儀自2020年正式觀測至今受氣壓干擾事件僅此一例，尚不能判斷其干擾的規(guī)律。

3.3 雨水淤積干擾分析

圖4 徐州臺(tái)伸縮儀受氣壓變化影響的觀測曲線圖Fig.4 Observation curve of extensometer affected by the pressure changeat Xuzhou seismic station

2021年7月14—17日徐州市為中雨天氣，降雨時(shí)間合計(jì)61小時(shí)，降雨量累積達(dá)到150.8 mm，伸縮儀NS分量、EW分量2021年7月15日0時(shí)53分—17日12時(shí)36分?jǐn)?shù)據(jù)曲線畸變出現(xiàn)大幅擾動(dòng)，幅度分別為NS分量3073.8× 10-10，EW分量4456.9× 10-10。由于EW分量所在觀測場地地下徑流更為復(fù)雜，16日EW分量觀測場地因山體內(nèi)雨水徑流量過大，導(dǎo)致排水不暢產(chǎn)生淤積，由于觀測場地排水槽東高西低的原因，淤積的水體逐漸在伸縮儀西端匯集，數(shù)據(jù)出現(xiàn)回落變化。干擾特征識(shí)別：由于EW分量所在觀測場地的排水口處于西端，且匯流而來的山體內(nèi)出水量較大，當(dāng)出現(xiàn)雨水無法排出時(shí)，儀器記錄到短時(shí)間內(nèi)淤積水體帶來的壓力變化，隨著水體的疏通，觀測曲線出現(xiàn)快速反彈，隨后逐漸恢復(fù)正常（圖5）。

圖5 徐州臺(tái)伸縮儀受雨水淤積影響的觀測曲線圖Fig.5 Observation curve of extensometer affected by rainwater backflow at Xuzhou seismic station

4 觀測系統(tǒng)干擾

2021年12月3日19時(shí)—24日23時(shí)59分伸縮儀EW分量觀測數(shù)據(jù)整體出現(xiàn)先緩慢下降后加速上升的故障現(xiàn)象。期間12月3日19時(shí)—7日20時(shí)EW分量觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)連續(xù)大幅度向下變化，固體潮清晰可見，異常變化幅度為3032.0× 10-10，約為正常日變幅的22倍；12月7日21時(shí)—13日12時(shí)EW分量觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度加速上升變化，異常變化幅度為12 207.4 ，約為正常日變幅的87倍；13日13時(shí)—24日EW分量觀測數(shù)據(jù)恢復(fù)為下降變化（圖6）。

圖6 徐州臺(tái)伸縮儀2021年11月20日—2022年1月18日變化曲線Fig.6 Daily curve of extensometer at Xuzhou seismic station from November 20，2021 to January 18，2022

針對本次故障現(xiàn)象，12月13日對洞體應(yīng)變儀觀測系統(tǒng)進(jìn)行全方面的檢查，進(jìn)洞檢修儀器發(fā)現(xiàn)，儀器傳感器鐵芯在差動(dòng)變壓傳感器中未居中，存在明顯偏離。傳感器鐵芯出現(xiàn) “靠邊” 現(xiàn)象，導(dǎo)致鐵芯與差動(dòng)變壓傳感器未居中平行且出現(xiàn)摩擦，偏置的傳感器鐵芯在差動(dòng)變壓傳感器中的感應(yīng)面積增加，這使得感應(yīng)電壓在觀測中大幅增加，是觀測數(shù)據(jù)加速上升的主要原因。

發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象后對儀器進(jìn)行重新居中，需要將標(biāo)定板微調(diào)至適中位置，通過不斷校正標(biāo)定板位置使得傳感器鐵芯重新居中，儀器在維修后停止了急速上升的故障變化（圖7）。儀器由于鐵芯重新居中后，觀測數(shù)據(jù)緩慢出現(xiàn)回落，待觀測系統(tǒng)穩(wěn)定后，觀測系統(tǒng)恢復(fù)正常。

5 結(jié)論

日常觀測中常見的干擾現(xiàn)象可分為自然環(huán)境干擾和觀測系統(tǒng)干擾。

圖7 徐州臺(tái)伸縮儀故障維修圖Fig.7 Fault maintenance diagram of extensometer at Xuzhou seismic station

降雨是徐州臺(tái)伸縮儀的主要干擾源，當(dāng)降雨發(fā)生后，雨水充分滲入山體介質(zhì)，改變了介質(zhì)密度以及重力分布，引起局部區(qū)域加速形變，表現(xiàn)為固體潮日變曲線出現(xiàn)拉伸，呈張性上升趨勢。EW分量的平均降雨效率更高，是NS分量的近3倍，EW分量觀測到的降雨變化更為顯著，EW分量降雨的響應(yīng)較為靈敏。

雨水淤積干擾較為少見，此類干擾較為典型，干擾表現(xiàn)為降雨干擾上升趨勢中突然下降后逐步恢復(fù)至上升趨勢，本質(zhì)上屬于載荷變化帶來的影響，當(dāng)出現(xiàn)雨水無法排出時(shí)，儀器記錄到短時(shí)間內(nèi)淤積水體帶來的壓力變化，隨著水體的疏通，觀測曲線出現(xiàn)快速反彈，隨后逐漸恢復(fù)正常。

觀測數(shù)據(jù)短時(shí)間大幅加速上行是傳感器鐵芯 “靠邊” 所致，鐵芯與差動(dòng)變壓傳感器未居中平行且出現(xiàn)摩擦，導(dǎo)致感應(yīng)電壓在觀測中大幅增加，是觀測數(shù)據(jù)加速上升的主要原因。鐵芯重新居中后，觀測數(shù)據(jù)緩慢出現(xiàn)回落，觀測系統(tǒng)恢復(fù)正常。此類觀測系統(tǒng)干擾與前兆異常較為相似，但短時(shí)間大幅加速上升與一般異?，F(xiàn)象有所不同，面對此類觀測數(shù)據(jù)變化幅度較大的異?，F(xiàn)象應(yīng)首先考慮是否是傳感器鐵芯未居中造成的。

徐州地震臺(tái)伸縮儀EW分量觀測場地由于排水能力差，面對強(qiáng)降雨后山體內(nèi)過大的雨水徑流量，經(jīng)常導(dǎo)致排水不暢產(chǎn)生淤積，由于伸縮儀的基線直接安裝在基巖上，導(dǎo)致儀器故障率較高，目前伸縮儀觀測場地亟需進(jìn)行環(huán)境改造，建議依照學(xué)科組規(guī)定建立30 cm高的水泥觀測墩，同時(shí)在EW分量觀測場地西端開鑿排水口，以提高場地排水能力，提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。