汪翠枝,張 磊,劉雙慶,周明全,劉文兵,李恩建,董洪軍

(1.天津市地震局,天津 300201;2.北京師范大學,北京 100875)

定點形變觀測的降雨干擾及排除方法研究

汪翠枝1,張 磊1,劉雙慶1,周明全2,劉文兵1,李恩建1,董洪軍1

(1.天津市地震局,天津 300201;2.北京師范大學,北京 100875)

分析了薊縣小辛莊臺形變觀測資料的降雨響應(yīng)特征,對觀測數(shù)據(jù)的非潮汐部分分別用一般距平法去年周期、K-L直線擬合方法去線性零漂等處理,再用動態(tài)系統(tǒng)法[1]對預處理數(shù)據(jù)進行排除降雨干擾計算,取得了一定的效果。

形變觀測;降雨干擾;動態(tài)系統(tǒng)法;干擾排除

0 引言

薊縣地震臺屬全國定點地殼形變基本臺,是天津地區(qū)唯一的地形變觀測點,也是首都圈中東部地區(qū)稀少的定點形變臺站之一。該臺形變觀測資料對華北地區(qū)中強以上地震具有較好的映震效能[2]。在薊縣臺小辛莊形變觀測資料的多種干擾因素中,降雨影響最為顯著,量級大,時間長,尤其是伸縮儀2個測向和水管儀EW向受影響最大,一次降雨可影響幾天到十幾天甚至更長時間。2008年8月12日的強降雨,使得觀測資料年變形態(tài)和趨勢發(fā)生很大改變,且持續(xù)幾個月不能恢復正常。這種大幅度變化到底是降雨干擾還是其中包含有地震前兆信息,需要對觀測資料進行降雨干擾排除,才能對這種變化做出客觀地判斷,進而獲取可靠的前兆變化信息。

薛禹群對地下水動力學原理做了深入研究[3],張德涵根據(jù)地下水動力學中的Darcy定律[4],建立起受地下水運動支配的地面沉降模型,并采用有限元法給出上述模型的數(shù)值解,目前對定點形變資料進行降雨干擾定量排除研究的不多,李杰等在這方面做了一定的工作[5-7],劉序儼建立了具體的數(shù)學物理模型對降雨進行干擾定量排除[1]。本文將借用劉序儼的動態(tài)模型對薊縣小辛莊測點的定點形變觀測資料進行降雨響應(yīng)計算和改正。

1 臺點概況

薊縣小辛莊子臺地理坐標為(40.086°N,117.53°E),海拔高程約 100m,觀測洞深 240m,平均覆蓋厚度約80m,室內(nèi)日溫差小于0.03℃,年溫差小于0.05℃。測點所在的附近山體屬于陰山緯向構(gòu)造體系東部、燕山山脈東端,華北古地臺的震旦亞界沉積蓋層,主要巖性為白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r。在中厚層巖石內(nèi)可見有石灰?guī)r的壓熔構(gòu)造,說明已經(jīng)過輕微的變質(zhì)作用。山洞附近巖層比較連續(xù),沒有明顯的斷層發(fā)育,直到洞口兩邊的山溝也沒有錯斷。巖層屬于單斜構(gòu)造,主要由中厚層的白云巖和薄層的泥質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成,各薄層間劈理都很發(fā)育,巖石破碎。

山洞附近地下水豐富,山洞以南2km處有庫容2～3m3的于橋水庫。受山勢的影響,山洞附近地下水流向是從東北向西南,當?shù)孛磕?～18月份為雨季,有時也會在4月、5月或9月出現(xiàn)較大量的降雨。

2 觀測資料的降雨響應(yīng)特征分析

薊縣小辛莊定點形變測點共有3套儀器:DSQ型水管傾斜儀、VS型垂直擺傾斜儀和SS-Y型伸縮應(yīng)變儀,各套儀器均有 EW和NS 2個測向。觀測曲線受降雨影響都表現(xiàn)出負零漂變化,表1中統(tǒng)計了2002～2008年部分降雨時形變(應(yīng)變)資料的響應(yīng)幅度、各測項的平均日變速率和趨動降雨量概值,趨動降雨量是隨著地下介質(zhì)的含水飽和度或降雨的緩急不同而發(fā)生著變化的。由表1可以看出,伸縮儀NS向?qū)涤甑捻憫?yīng)最為靈敏,水管儀 EW向和伸縮儀EW向次之,再次是水管儀NS向,垂直擺2個方向只有在強降雨時才會發(fā)生傾斜突變。

表2是2002～2008年每年5～9月份降雨總量和同時期各測項零漂量的對比統(tǒng)計,從表中可以看出,降雨是形變觀測的主要影響因素,形變(應(yīng)變)量和降雨量相關(guān)性較好(伸縮儀NS向2005年6月中旬開始表現(xiàn)出張性地震前兆異常變化,因此其應(yīng)變量與同時期的降雨量表現(xiàn)出不相關(guān))。

表1 形變(應(yīng)變)觀測對降雨量的響應(yīng)表

表22002 ～2008年各年5～9月份降雨總量和各形變零漂量對比表

山體巖性主要是灰?guī)r,滲水系數(shù)為3.29×10-6m/s[8],因此雨水入滲速度較快,形變觀測對降雨尤其是暴雨響應(yīng)靈敏,當連續(xù)降雨量超過趨動降雨量時,形變觀測受降雨的干擾變化就會同步表現(xiàn)出來。圖1是2007年和2008年5～9月形變量和降雨量的日值對比曲線,2007年5月22日降雨量40mm,卻引起了水管儀EW向西傾和伸縮儀NS向壓縮的同步變化,分析認為,雨季初期,地下介質(zhì)干燥松軟,雨水的滲入改變了介質(zhì)密度,引起局部區(qū)域加速形變;2008年6月下旬至7月中旬的持續(xù)降雨,導致各測項均出現(xiàn)了連續(xù)緩慢的下降變化,這種變化是地下介質(zhì)密度和重力均發(fā)生改變的雙重效應(yīng);2007年6月30日降雨96mm,2008年8月12日降雨94mm,這2次降雨量相當,但是引起形變突變的幅度大不相同,第二次要比第一次大幾倍,觀測曲線第一次降雨時表現(xiàn)為先突變,幅度小,隨后再緩慢下降,且恢復較快,第二次表現(xiàn)為同步的大幅度階變,其后在低值上變化時間長,持續(xù)幾個月仍恢復不明顯。其原因從圖2中2次降雨的特點不難得出,第一次降雨相對分散,雨水入滲充分,地表變形緩慢;第二次降雨主要集中在0～1時,大暴雨會迅速形成向南的地表徑流,加載引起快速形變。因此,降雨對形變觀測的影響與降雨時間、降雨量及降雨過程等有密切關(guān)系,降雨形式的多樣性特點決定了形變降雨響應(yīng)的復雜化。

圖1 2007年、2008年5～9月形變量和降雨量對比變化曲線圖

圖2 薊縣降雨量小時值圖

3 用動態(tài)系統(tǒng)法排除降雨干擾的計算結(jié)果及分析

3.1 原理及模型

動態(tài)系統(tǒng)法的原理是根據(jù)降雨所引起的孔隙流體的體積變化,間接反映地塊的脹縮,即地形變,并假設(shè)地形變與體積脹縮符合虎克定律。

3.2 計算及結(jié)果分析

小辛莊水管傾斜儀、垂直擺傾斜儀和伸縮應(yīng)變儀3套儀器共6個測項,其觀測曲線的變化特點是:水管儀EW向、伸縮儀 EW向和NS向呈線性負零漂變化,水管儀NS向、垂直擺儀 EW向和NS向則表現(xiàn)出規(guī)律的年周期變化(圖3)。形變觀測資料中的年周期變化主要是局部地殼的一種周期性熱形變,趨勢線性變化主要是儀器的零漂反應(yīng),它們是地殼形變的一種規(guī)律性的附加效應(yīng),對形變的降雨響應(yīng)量統(tǒng)計產(chǎn)生影響,因此運用動態(tài)數(shù)學物理模型對資料進行降雨干擾排除前,應(yīng)先對各測項資料進行預處理,排除背景性的年周期或零漂部分。對水管儀EW向、伸縮儀EW向和NS向用 K-L最佳直線擬合方法濾除線性零漂,用一般距平方法[9]去除其他3項資料中的年周期變化成分,再把預處理后的數(shù)據(jù)作為 yt值進行降雨響應(yīng)改正。

圖3 水管傾斜儀、垂直擺傾斜儀和伸縮應(yīng)變儀日均值及降雨量日值曲線圖

由于測點所處的山體巖性特點,在降雨量達到測項的趨動降雨量時,形變(應(yīng)變)觀測會出現(xiàn)比較同步的短周期干擾畸變,因此取時延整數(shù)b=0、c=0;g取每次由降雨引起的形變量和降雨量的比值,為動態(tài)變化值;降雨量或降雨形式不同,影響觀測資料時間 T在幾天至幾十天不等。經(jīng)過多次的參數(shù)調(diào)試,當 T取50天時(用五日均值計算時,取 T=10),由降雨激勵出來的地形變值 y^t和觀測值符合效果最好。對6個測項觀測值的預處理數(shù)據(jù)用前述模型進行計算,以伸縮應(yīng)變儀NS向為例,對五日均值預處理數(shù)據(jù)進行排除降雨干擾的計算過程如圖4。

圖5是水管儀、垂直擺傾斜儀和伸縮應(yīng)變儀各測項用動態(tài)系統(tǒng)法排除降雨干擾的計算結(jié)果,經(jīng)過降雨改正的資料基本反映了較為真實的地殼形變信息。2006年7月4日河北文安5.1級地震前水管儀EW向東傾、垂直擺EW向西傾、垂直擺NS向南傾和伸縮儀NS向拉張的異常變化信息更為明顯;2008年3月11日河北盧龍3.9級地震前垂直擺EW向東傾和伸縮儀 EW向張性異常也更容易看出。文安地震前,伸縮儀NS向的拉張異常變化與易縣伸縮儀NS向的拉張異常相似[10]。但2008年8月12日的降雨干擾排除不理想,這次降雨改正后的剩余殘差,水管儀 EW向、NS向分別為6.0ms和3.0ms,垂直擺儀EW向、NS向分別為17.4ms和16.0ms,伸縮儀 EW向、NS向均為155×10-10。這次降雨引起的形變幅度是以往同等降雨量引起的形變量的3～7倍,一方面是因為這次降雨是2002～2008年7年中降雨最猛烈的一次,2h降雨量達67.2mm,據(jù)調(diào)查附近地表沒有出現(xiàn)滑坡等顯著地質(zhì)活動,分析認為突變后恢復速度慢、改正效果不理想的原因,可能是暴雨引起了地下介質(zhì)的蠕滑。

圖4 伸縮應(yīng)變儀NS向排除降雨影響過程圖

圖5 水管儀、垂直擺傾斜儀和伸縮應(yīng)變儀先預處理后排除降雨干擾結(jié)果曲線圖

4 小結(jié)及討論

薊縣小辛莊臺定點形變觀測的眾多干擾因素中,降雨影響最為顯著,幅度大、時間長。不同儀器或同一儀器不同測項對降雨的響應(yīng)特征各不相同;同一測項因降雨方式不同、季節(jié)不同或地下介質(zhì)含水飽和程度不同也會表現(xiàn)出各不相同的響應(yīng)變化特點。因此,多樣化的降雨方式?jīng)Q定了形變觀測資料的降雨響應(yīng)特征相當復雜。

用動態(tài)系統(tǒng)法的數(shù)學物理模型對小辛莊形變觀測數(shù)據(jù)排除降雨干擾,取得了一定的效果。經(jīng)過降雨改正后的形變資料為地震預報提供了更為可靠的前兆變化信息。

2008年8月12日降雨干擾的改正效果不理想,分析認為,一方面可能是大暴雨引起的地下介質(zhì)蠕滑效應(yīng);另一方面,在計算中沒有考慮山體特征、入滲系數(shù)及降雨后地下水的滲入流動、荷載變化等一系列附加效應(yīng)。因此,需要進一步根據(jù)測點所處山體的地形地貌特征、地質(zhì)水文參數(shù)等建立合理的數(shù)學物理模型,才能對降雨干擾進行更好地排除。

[1] 劉序儼,張雁濱.排除形變觀測數(shù)據(jù)中降水干擾的數(shù)學物理方法的研究[J].地殼形變與地震,1991,11(1):36-40.

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Study on the Rainfall Interfere in Fixed-point Deformation Data and Eliminable Method

WANG Cui-zhi1,ZHANG Lei1,LIU Shuang-qing1,ZHOU Ming-quan2,LIU Wen-bing1,LI En-jian1,DONG Hong-jun1
(1.Earthquake Administration of Tianjin,Tianjin 300201,China;2.Beijing Normal University,Beijing 100875,China)

The rainfall response characteristic of observation data in Jinxian Xiao xinzhuang station is analyzed.Then the non-tide data is preprocessed using normal anomaly method to eliminate the annual period,using K-L line curve fitting method to eliminate the line zero point drift.Finally,the preprocessed data is recomputed to eliminate rainfall interfere using the method of dynamic system.

deformation measurement;dynamic system method;rainfall interfere;interference suppression

P315.72

A

1003-1375(2010)01-0042-06

2009-06-15

中國地震局2009年度震情跟蹤合同制定向任務(wù)(2009020401);天津市科技計劃項目(09ZCKFSF00700)

汪翠枝(1974-),女(漢族),陜西商南人,天津市地震局工程師,主要從事地形變分析預報及地震活動性等研究.E-mail:doggyw@163.com