宜昌地震臺山洞伸縮儀干擾分析

況春利 涂先新 王慧

[摘要] ?宜昌地震臺新型SS-Y伸縮儀安裝至今運行已有10年，本文采用Venedikov調和函數(shù)方法對宜昌地震臺山洞觀測SS-Y伸縮儀2014—2022年數(shù)據(jù)資料進行分析。結果表明：伸縮儀數(shù)據(jù)內在質量較好，兩個分量潮汐因子遠大于1；且NS分量觀測精度優(yōu)于EW分量。通過地球物理臺網數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺發(fā)現(xiàn)，宜昌臺2014—2022年間SS-Y伸縮儀數(shù)據(jù)預處理前有各類干擾存在。經綜合分析，歸納為4大類干擾因素（觀測系統(tǒng)、自然、場地、人為）影響，數(shù)據(jù)曲線形態(tài)表現(xiàn)多具有突跳、臺階、斷記、錯誤數(shù)據(jù)、同步趨勢等基本特征。在對2021年2月21日發(fā)生的場地環(huán)境干擾進行數(shù)據(jù)濾波處理后，兩個分量可清晰記錄到尖脈沖爆破干擾。對這些干擾特征的歸類甄別，可為臺站形變伸縮儀數(shù)據(jù)日后預處理準確識別及異常判定提供參考。

[關鍵詞] SS-Y伸縮儀; 數(shù)據(jù)曲線; 干擾特征; 歸類甄別

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-119

0 ?引言

開展地震預測預報研究工作，關鍵是尋找地震前兆信息，其中大地變形觀測作為一種連續(xù)監(jiān)測觀測站附近地殼運動或微變形工具，是獲得地震前兆信息的重要手段。伸縮儀作為大地變形觀測的重要技術手段之一，是通過測量兩點間基線長度的位移增量來確定大地應變狀態(tài)^[1]。SS-Y伸縮儀連續(xù)監(jiān)測地殼淺層變形的動態(tài)變化過程，一方面是為研究地震孕育過程地殼變形提供實測數(shù)據(jù)；另一方面為研究現(xiàn)今地殼運動、地球固體潮及地球形狀參數(shù)等提供科學數(shù)據(jù)。早期用于大地形變觀測的目視伸縮儀是我國的第一代地形變觀測儀器，1983年中國地震局地震研究所研制出了第二代觀測儀器SSY-Ⅱ石英伸縮儀，1998年又一次研究出新型應變觀測SS-Y伸縮儀。新型SS-Y伸縮儀是在原有高靈敏度基礎上，采用高精度電渦流及差動變壓器位移傳感器原理，達到提高儀器格值穩(wěn)定性。

2013年宜昌地震臺（下文簡稱宜昌臺）形變觀測安裝了武漢地震科學儀器研究院研制的新型SS-Y伸縮儀，運行至今已有10年。10年來，臺站新型SS-Y伸縮儀觀測資料在全國質量評比中連續(xù)多年獲第一名。但是，過去對宜昌臺SS-Y伸縮儀觀測數(shù)據(jù)曲線擾動分析總結較少，為有效甄別干擾及異常，充分應用數(shù)據(jù)資料服務于地震預測預報，十分有必要有效掌握宜昌臺伸縮儀常見干擾的特征。通過應用中國地震臺網中心地球物理臺網數(shù)據(jù)跟蹤平臺對臺站數(shù)據(jù)存在的常見干擾與表現(xiàn)特征進行綜合分析，歸納總結，很大程度地填補了宜昌臺SS-Y伸縮儀數(shù)據(jù)在識別干擾方面的空缺。本文聚焦宜昌臺升級改造后安裝的新型SS-Y伸縮儀觀測資料，并收集臺站多年來常見的典型干擾現(xiàn)象與數(shù)據(jù)曲線擾動特征進行綜合分析，依據(jù)數(shù)據(jù)跟蹤平臺判定指標，從干擾曲線數(shù)據(jù)中提取有效的異常信息，也為臺站地震預測預報研究提供真實有用的地球物理基礎數(shù)據(jù)。

1 ?宜昌臺簡介

宜昌臺為國家基準地震臺，位于宜昌市夷陵森林公園旁側，鄰近周圍現(xiàn)有已建或在建的4座大型水電站（三峽、葛洲壩、隔河巖和水布埡）。構造上屬黃陵斷塊東南端，周邊有4個斷裂帶（新場古老背斜、天陽坪逆沖、霧都河、遠安）交匯穿過。宜昌臺周圍區(qū)域地質構造情況如圖1所示。新型SS-Y伸縮儀安裝在臺站觀測山洞內，洞體基巖為下白堊統(tǒng)石門組礫巖，巖性堅硬，膠結完好。山洞過道進深達200 m，洞內南北走向32 m，東西走向51 m，西北走向100 m，洞頂覆蓋厚度達35 m，常年洞內溫度18.7℃左右，相對濕度80%～90%，進洞口7道船艙密封門，洞內空氣對流干擾小、溫濕度恒定，溫差日變≤0.1℃，年變≤0.5℃，山洞形變觀測環(huán)境十分理想。

2 ?資料分析

2.1 ?正常背景

宜昌臺SSY-Ⅱ石英伸縮儀從2007年7月投入觀測以來，運行正常；2013年完成升級改造，同年10月23日更新安裝新型SS-Y伸縮儀運行至今，目前運行穩(wěn)定，固體潮記錄清晰，具有較好的遠震、強震映震能力。圖2為2020年6月3日無干擾狀態(tài)下24小時兩個分量記錄分鐘值數(shù)據(jù)曲線光滑連續(xù)，日變周期明顯?？紤]伸縮儀經升級改造前后儀器存在一些差異性，本文選擇了2014—2022年的觀測數(shù)據(jù)及出現(xiàn)的干擾進行綜合分析。

將伸縮儀數(shù)據(jù)曲線中不同固體潮波群分離開，采用Venedikov設計的奇偶數(shù)字濾波器方法，對數(shù)據(jù)進行濾波，基于最小二乘法獲得數(shù)據(jù)曲線中兩個分量的潮汐波振幅因子、相位滯后（稱Venedikov數(shù)字濾波調和法）。由于宜昌臺位于中緯度地區(qū)，可選擇具有最大信噪比的半日波M₂波作為評價伸縮儀觀測數(shù)據(jù)內在質量的指標參數(shù)^[2]。本文對宜昌臺伸縮儀NS、EW兩個分量2014—2022年數(shù)據(jù)整點值進行調和函數(shù)分析計算，得到年尺度M₂波潮汐因子、M₂波潮汐因子相對中誤差（M₂潮汐因子與M₂潮汐因子中誤差的比值），計算結果見表1。NS分量潮汐因子極差R=0.85883，大于EW分量潮汐因子極差R=0.3631，表明EW分量潮汐因子變化振幅較小、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好。兩分量潮汐因子相對中誤差在2014—2022年間均小于0.03，NS分量相對中誤差0.00587～0.01751，EW分量相對中誤差0.01895～0.02952，根據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測技術規(guī)范》中的標準，誤差值愈小，觀測精度愈高，顯然NS分量觀測精度高于EW分量。宜昌臺2014—2022年伸縮儀觀測數(shù)據(jù)內在質量達到優(yōu)良以上。我們知道，應變固體潮汐因子觀測值與理論值之比理論上接近于1，而從表1結果可看出，兩分量潮汐因子遠遠大于1，一種原因可能是計算時選用模型與真實地球存在較大差異，另一種原因可能是計算過程中沒有排除海潮、氣壓等因素對數(shù)據(jù)的影響^[3]。

2.2 ?干擾分析

根據(jù)地球物理臺網觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺，統(tǒng)計2014—2022年宜昌臺伸縮儀數(shù)據(jù)受干擾事件類型及曲線表現(xiàn)特征，具體描述見表2，主要影響因素有觀測系統(tǒng)、自然環(huán)境、場地環(huán)境和人為干擾。根據(jù)這4類干擾因素，我們分別從中選取具有代表性的事件數(shù)據(jù)曲線及其變化特征進行綜合分析，為日后從干擾曲線中甄別并有效提取異常信息提供基礎依據(jù)，為識別地球物理場地形變數(shù)據(jù)異常提供判定依據(jù)。

2.2.1 ?觀測系統(tǒng)干擾

臺站新型SS-Y伸縮儀觀測系統(tǒng)主要由數(shù)采主機、采集程序、傳感器、標定器、UPS電源及數(shù)據(jù)線纜等構成，常見故障主要出現(xiàn)在硬件部分。由于外界環(huán)境潮濕引起儀器元器件老化、主機電路板損壞、性能不穩(wěn)均屬觀測系統(tǒng)故障^[4]。經近幾年干擾數(shù)據(jù)統(tǒng)計，宜昌臺伸縮儀觀測系統(tǒng)主要有數(shù)采主板、采集程序、傳感器探頭、UPS電源出現(xiàn)故障，使其原始數(shù)據(jù)曲線上多有突跳、畸變、斷記、錯誤數(shù)據(jù)等表現(xiàn)。依據(jù)伸縮儀形變學科相關處理要求，在小范圍時段內對突跳數(shù)據(jù)曲線進行去突跳操作預處理，而在大范圍時段內的畸變、斷記、錯誤數(shù)據(jù)等則進行剔除相應時段原始曲線預處理，以保證觀測數(shù)據(jù)精度，當然，這樣會使得數(shù)據(jù)連續(xù)率降低。2019年6月15日，因臺站UPS電源出現(xiàn)故障，伸縮儀兩個分量原始曲線在02：48—09：16時段出現(xiàn)缺數(shù)，斷數(shù)6個多小時；來電后數(shù)據(jù)在09：17—10：18時段又出現(xiàn)大幅度波動，造成曲線漂移過大，數(shù)據(jù)出錯。更換UPS電源后，觀測系統(tǒng)正常，數(shù)據(jù)曲線恢復常態(tài)（圖3）。

2.2.2 ?自然環(huán)境干擾

從表2宜昌臺伸縮儀主要干擾事件中，對其中的26條自然環(huán)境干擾，根據(jù)不同自然影響進行分類統(tǒng)計得到圖4。宜昌臺伸縮儀受到的自然環(huán)境影響有氣壓、雷電、雷雨，其中氣壓變化引起的伸縮儀數(shù)據(jù)曲線畸變占比達80%以上。本文擬選擇各類典型自然環(huán)境干擾進行分析。

（1）雷雨干擾分析。宜昌位于湖北省西南部，屬于亞熱帶季風濕潤氣候，雨水豐沛，多在夏季，較長降雨期一般發(fā)生在6—7月，四季分明，雨熱同季，全年無霜期較長，年均降雨量992.1～1401.1 mm。相關研究表明，降雨時一些水順地表流走，還有些會從巖石、土層縫隙滲入地層，使得地表局部巖石吸水膨脹，孔隙壓力變化，由于巖石滲透率不同，從而使巖石發(fā)生不均勻變形^[5-6]。雷雨期，宜昌地區(qū)巖石孔隙與巖土層中水系豐富，洞體覆蓋巖土層重量會發(fā)生微變化，致使伸縮儀場地出現(xiàn)相應的微傾斜。2018年7月27日宜昌臺伸縮儀兩個分量在16：20—17：45受同時段出現(xiàn)雷暴雨影響引起固體潮小幅畸變（圖5），氣壓最大突變達5.7 hPa，累計降雨量55.2 mm；伸縮儀NS、EW兩個分量數(shù)據(jù)曲線伴隨暴雨、氣壓突跳而出現(xiàn)同步抖動，EW分量更為敏感，變化幅度更大。17：45后氣壓恢復正常，伸縮儀兩分量數(shù)據(jù)曲線恢復正常。

（2）雷電干擾分析。雷電過程產生的感應磁場會使得在周邊金屬網格中產生感應電荷，高強度的感應電荷在金屬網格中形成瞬間高壓電場，從而對儀器內部弱電設備放電^[7]，根據(jù)有關資料統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)臺站伸縮儀在2014年、2016年經歷過兩次較大雷電過程影響。例如：2016年7月27日18：00—22：00宜昌臺周邊經歷一次強雷電過程影響，伸縮儀兩個分量原始曲線在18：00和21：00左右有兩次向下、向上固體潮曲線臺階擾動，與宜昌臺測震資料核實確定，此時段內臺站轄區(qū)及周邊無地震、較大爆破等發(fā)生，時段內雷電活動頻繁，判定宜昌臺伸縮儀受雷電干擾，由圖6數(shù)據(jù)曲線可知，伸縮儀EW分量受雷電影響產生的幅度變化最大，EW分量對雷電更敏感。2018年宜昌臺實施優(yōu)化改造時，對臺站防雷系統(tǒng)進行升級改造，之后臺站SS-Y伸縮儀兩個分量數(shù)據(jù)曲線不再受雷電影響。

（3）氣壓干擾分析。氣壓干擾影響宜昌臺伸縮儀觀測環(huán)境是占比最多、最易發(fā)生的一種干擾類型。外界環(huán)境大氣壓力的劇烈變化，引起氣體通過地表上下運移，使得地面負荷增減，導致巖石應力狀態(tài)發(fā)生變化，從而對伸縮儀產生影響^[8]。氣壓影響特點主要表現(xiàn)在：固體潮觀測曲線與瞬間氣壓變化、氣流波動強度及持續(xù)時間基本同步，很少出現(xiàn)長時間的趨勢性變化，伸縮儀多分量固體潮形態(tài)同步出現(xiàn)短時擾動、畸變、趨勢轉折等變化，很少出現(xiàn)數(shù)據(jù)大幅度的臺階和數(shù)據(jù)抖動情況。2019年4月25日，受到氣壓短時大幅波動影響，伸縮儀NS、EW兩個分量出現(xiàn)了固體潮畸變，表現(xiàn)形式與氣壓變化同步（圖7）

2.2.3 ?場地環(huán)境干擾

宜昌臺附近大約5 km處有一小采石場，周邊地區(qū)有已建或在建的4座大型水電站（三峽、葛洲壩、隔河巖和水布埡），它們是鄰近可能的場地振動干擾源，振動干擾存在一定隨機性。2021年2月21日，宜昌臺洞內形變儀、應變儀數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同程度的錯動掉格現(xiàn)象，圖8為此時刻SS-Y伸縮儀數(shù)據(jù)曲線變化圖，NS分量曲線階變量為?36.2×10^?10，EW分量曲線階變量為24.6×10^?10。經對觀測系統(tǒng)、自然環(huán)境、人為和同震效應排查，并與湖北地震臺監(jiān)測臺網測震記錄數(shù)據(jù)核對，發(fā)現(xiàn)是由在臺站NNW向，方位角330°，距離3.3 km處采石場爆破所致，震級M_L2.3；爆破結束后，SS-Y伸縮儀兩個分量數(shù)據(jù)曲線恢復正常。隨后對兩個分量數(shù)據(jù)進行巴特沃斯帶通濾波，獲得干擾時段高頻噪聲圖。濾波后兩個分量清晰記錄是一個尖脈沖爆破干擾，為短時尖峰。

爆破干擾甄別，除觀察數(shù)據(jù)曲線、帶通濾波數(shù)據(jù)曲線變化特征外，還可從宜昌市應急管理局提前收集到周邊礦區(qū)有關爆破信息（爆炸時間、炸藥量等）。對疑似爆破干擾，應及時落實干擾異常，做好記錄日志。2014年至今，臺站周邊場地環(huán)境干擾僅發(fā)生過兩次，宜昌臺周邊觀測環(huán)境質量良好。日?？赏ㄟ^臺站測震記錄、周邊水庫蓄水水位變化相關分析，排除場地環(huán)境振動干擾或水位壓變化干擾。

2.2.4 ?人為干擾

宜昌臺山洞內除SS-Y伸縮儀外，還有水管傾斜儀、垂直擺、測震儀等，其中水管傾斜儀和垂直擺位置距SS-Y伸縮儀洞室最近，人員進洞需要對洞室水管傾斜儀、垂直擺、伸縮儀進行日常運維（檢修、校準、超限調零等），難免互相影響從而造成人為干擾，宜昌臺伸縮儀人為干擾事件較多。有時對洞內其他儀器供電、洞內照明布線、密封門維修等振動干擾都會引起伸縮儀數(shù)據(jù)曲線產生畸變。人為干擾多引起數(shù)據(jù)曲線產生突跳、臺階、缺數(shù)等特征，比較容易識別，這與人為活動時間點有關，數(shù)據(jù)曲線受干擾程度通常采取去突跳、去臺階、去除成片壞數(shù)據(jù)預處理方式來保證觀測數(shù)據(jù)精度。分析人員可以通過進洞日志記錄，判斷是否人為干擾。2021年9月13日臺站人員進洞對伸縮儀調零標定，在調零標定過程中，08：55—16：39時段數(shù)據(jù)曲線明顯出現(xiàn)突跳，使得正常曲線幅度發(fā)生突變，經對檢定數(shù)據(jù)進行缺數(shù)處理后，預處理數(shù)據(jù)曲線恢復正常（圖9）

3 ?小結

綜上分析，宜昌臺SS-Y伸縮儀2014—2022年觀測數(shù)據(jù)質量優(yōu)良，為臺站及區(qū)域地震監(jiān)測提供了真實有效的監(jiān)測資料。NS分量數(shù)據(jù)精度優(yōu)于EW分量，而EW分量數(shù)據(jù)較NS分量更穩(wěn)定；但M₂波潮汐因子遠大于1，這可能與數(shù)據(jù)在誤差分析計算中未能排除環(huán)境氣壓變化對數(shù)據(jù)影響有關。

宜昌臺SS-Y伸縮儀典型干擾特征綜合分析表明：

（1）宜昌臺伸縮儀數(shù)據(jù)干擾成因可分為觀測系統(tǒng)、自然環(huán)境、場地環(huán)境和人為干擾4大類，其中自然環(huán)境、人為干擾為主要干擾源。

（2）為有效降低SS-Y伸縮儀觀測系統(tǒng)故障引起的干擾，應配置儀器數(shù)采主機、探頭等主要備機備件，定期檢查維護，一旦出現(xiàn)故障，及時更換，保障連續(xù)率。

（3）儀器自然環(huán)境干擾主要因素是受氣壓影響，干擾曲線通常為階變狀、或與干擾源同步的小幅波動。

（4）表現(xiàn)為錯動掉格、臺階數(shù)據(jù)曲線，應對觀測系統(tǒng)、自然、場地環(huán)境變化因素逐一排查，必要時可引入數(shù)字信號處理技術方法，識別干擾。

（5）人為干擾數(shù)據(jù)曲線常以突跳、臺階、缺數(shù)為主，分析人員根據(jù)日志記錄時間，很容易判斷人為進洞時間造成干擾，避免誤判儀器故障。日常檢定運維時，臺站人員應做好進洞前各項準備，縮短洞內時間。

通過宜昌臺伸縮儀歷年不同干擾分析判斷，歸納總結，對SS-Y伸縮儀各類干擾因素可能引起數(shù)據(jù)曲線畸變有一個初步認識，當然，還可通過對各類干擾小波法、時頻分析與定量化方法描述各類干擾頻譜特征，從干擾數(shù)據(jù)中提取有效的地球物理異常信息，更好地為地震監(jiān)測預報服務，為其他臺站伸縮儀識別數(shù)據(jù)干擾，提高數(shù)據(jù)質量提供有益借鑒。

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Interference analysis of the cave extensometer at Yichang seismic station

Kuang Chunli^{1， 2， 3， *}， Tu Xianxin^{1， 2， 3}， Wang Hui^{1， 2， 3}

1. Institute of Seismology， China Earthquake Administration （Key Laboratory of Earthquake Geodesy）， HubeiWuhan 430071， China

2. Hubei Earthquake Agency， Hubei Wuhan 430071， China

3. Yichang Seismic Monitoring Center Station of Hubei Earthquake Agency， Hubei Yichang 443100， China

[Abstract] ?The new SS-Y extensometer has been in operation for 10 years at Yichang seismic station. Data obtained by the extensometer over the period of 2014 to 2022 at Yichang seismic station were analyzed using the Venedikov harmonic analysis method. The results showed that the internal quality of the data was good. The values of the tide factor of M₂wave of the two components were much greater than 1. The observation accuracy of the NS component is higher than that of the EW component. According to the geophysical network observation data tracking and analysis platform， it was found that there were various types of interference of SS-Y extensometer over the period of 2014 to 2022. After comprehensive analysis， it can be summarized into the influence of four categories of interference factors （observation system， natural environment， site environment and human interference）， and the curve was mostly characterized by sudden jumps， steps， breaks， error data， synchronous trend changes and so on. Such as， after filtering processing of the site environmental interference occurred on February 21， 2021， the two components can be clearly recorded to the sharp pulse explosion interference. The classification and screening of these interference characteristics can provide a reference for the accurate identification and abnormal determination of the station data in the future.

[Keywords] SS-Y extensometer; data curve; interference characteristics; classification