孫伶俐 羅俊秋 龍 濤

(1)中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071 2)華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,武漢 430074)

大氣降水對(duì)數(shù)字化地傾斜觀測(cè)干擾特征分析＊

孫伶俐1)羅俊秋1)龍 濤2)

(1)中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071 2)華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,武漢 430074)

對(duì)武漢基準(zhǔn)地震臺(tái)傾斜固體潮觀測(cè)資料的研究表明,固體潮曲線畸變是降雨滲透使基巖膨脹的結(jié)果。降雨對(duì)記錄曲線的影響主要表現(xiàn)在：1)時(shí)間上具有同步效應(yīng)。降雨發(fā)生后傾斜儀的NS分量發(fā)生南傾,EW分量發(fā)生東傾;2)量級(jí)上受降雨干擾嚴(yán)重的主要為NS分量,EW分量受干擾程度較輕;3)垂直擺受降雨的干擾程度比水管儀的大。

大氣降水;傾斜固體潮;干擾特征;相關(guān)性;機(jī)理分析

1 引言

湖北省現(xiàn)有的前兆數(shù)字化臺(tái)網(wǎng)有形變觀測(cè)臺(tái)站7個(gè),觀測(cè)儀器 15套,包括傾斜、應(yīng)變主測(cè)項(xiàng) 15個(gè),輔助測(cè)項(xiàng)10個(gè)。“十五”觀測(cè)項(xiàng)目于2008年1月正式運(yùn)行,對(duì)于資料中出現(xiàn)的干擾和影響因素分析工作正在開(kāi)展。經(jīng)臺(tái)網(wǎng)中心對(duì)湖北省觀測(cè)資料進(jìn)行整體評(píng)價(jià),結(jié)果顯示各觀測(cè)儀器工作性能基本穩(wěn)定,能清晰記錄傾斜及應(yīng)變固體潮。數(shù)字化觀測(cè)資料積累到目前已滿兩年,武漢基準(zhǔn)地震臺(tái)形變測(cè)點(diǎn) (華農(nóng)獅子山,以下簡(jiǎn)稱武漢臺(tái))臺(tái)周圍 150 km范圍內(nèi)未發(fā)生 5級(jí)以上地震,但固體潮曲線自 2008年上半年開(kāi)始多次發(fā)生“鼓包”、波動(dòng)等異常情況,特別是在5.12汶川地震期間也數(shù)次發(fā)生,被初定為地震前兆異常,后經(jīng)排查和核實(shí),屬于外界因素對(duì)其產(chǎn)生的干擾。

本研究以武漢 (獅子山)臺(tái)原始記錄中的典型干擾曲線為例,對(duì)傾斜固體潮汐觀測(cè)的干擾圖像進(jìn)行系統(tǒng)研究,總結(jié)干擾因素的記錄形態(tài)特征,尋找其變化規(guī)律,并結(jié)合站點(diǎn)巖性和外界環(huán)境荷載變化對(duì)其進(jìn)行機(jī)理分析,找出曲線上出現(xiàn)的“鼓包”、波動(dòng)等情況的形成原由,為震兆異常與非震異常的識(shí)別研究提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 臺(tái)站概況及主要干擾因素

武漢臺(tái)臺(tái)址位于南湖南側(cè),獅子山北側(cè),目前有“十五”形變數(shù)字儀器 3套(SS-Y型伸縮儀、VS型垂直擺傾斜儀、DSQ型水管傾斜儀)。獅子山山體走向近東西,最高處海拔 63.3 m。山體植被茂盛。臺(tái)址距南湖不到 1 km,湖水水位具有季節(jié)變化,周圍沒(méi)有人為取水,洞口海拔高 20 m,覆蓋層厚 25～30 m,山洞進(jìn)深 50 m,洞內(nèi)溫度日變化≤0.1℃,年變化≤0.5℃。臺(tái)基為泥盆系中厚層石英砂巖,地層產(chǎn)狀走向近東西,傾向北,傾角約 33°。巖體總體上相對(duì)完整穩(wěn)定,受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,呈現(xiàn)塊狀或粗破裂結(jié)構(gòu)。地貌上屬于低山丘嶺區(qū)。人防山洞位于獅子山主峰西側(cè),洞口在山體北麓,洞口一帶分布著厚度不等的殘坡積層。

地傾斜觀測(cè)資料主要受氣壓、溫度、降水、積雪、環(huán)境、荷載變化、人為、儀器或輔助設(shè)備故障等干擾[1]。

3 異常圖像的分析與識(shí)別

3.1 樣本的選取

武漢臺(tái)的數(shù)字化傾斜觀測(cè)從 2007年下半年開(kāi)始,2008年上半年地傾斜觀測(cè)中發(fā)現(xiàn) VS型垂直擺傾斜儀、DSQ型水管傾斜儀的觀測(cè)資料多次出現(xiàn)“鼓包”和波動(dòng)現(xiàn)象 (圖 1),每次異?，F(xiàn)象發(fā)生時(shí)均有降雨,因此懷疑異常由降水產(chǎn)生,且傾斜儀的 NS分量所受降雨影響比 EW分量的要大。

湖北屬亞熱帶季風(fēng)氣候,4—9月的雨量一般占年總量的 70%～90%,南部的降雨總量一般 1 600～2 000 mm,是北部的 2倍多,鄂東南地區(qū)近年來(lái)有大雨或強(qiáng)降水天氣增多的趨勢(shì)[2]。武漢臺(tái)位于湖北的東南部,由圖 1中的降水?dāng)?shù)據(jù)可以看出,自2008年 3月以來(lái),量值顯著增加,4月份以來(lái)一直呈上升趨勢(shì)。

因此選取該臺(tái)受干擾較為顯著的NS分量?jī)A斜觀測(cè)值作為研究樣本,取其整點(diǎn)值和處理后的武漢地區(qū)大氣降水同時(shí)期、同類型數(shù)據(jù)資料進(jìn)行相關(guān)和對(duì)比分析。計(jì)算長(zhǎng)度選取 2008年 1—6月,盡量避免隨機(jī)因素和年周期的影響。2008年 1—6月垂直擺與水管傾斜儀NS分量觀測(cè)值與大氣降水在同一坐標(biāo)系下的直觀對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖 1。

3.2 大氣降水與傾斜觀測(cè)值的相關(guān)分析

大氣降水分析以小時(shí)值為基本分析單位,將中間無(wú)間斷的連續(xù)降雨視為一次降雨過(guò)程;采用一次降雨過(guò)程量≥10 mm,能補(bǔ)給地下水的大氣降水時(shí)間段為研究樣本。

圖 1 2008年 1—6月形變地傾斜NS分量觀測(cè)值與大氣降水的變化關(guān)系Fig.1 Relation between tilt tide deformation and rainfall variation from Jan.to Jun,2008

假設(shè)在該短時(shí)間域內(nèi),大氣降水因素對(duì)傾斜觀測(cè)的影響是線性的,選取 2008年上半年傾斜儀 NS分量觀測(cè)值資料計(jì)算與大氣降水的線性相關(guān)系數(shù),計(jì)算與統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖 2與表 1所示。

圖 2 2008年1—6月武漢臺(tái)傾斜儀NS分量觀測(cè)值與大氣降水的相關(guān)系數(shù)Fig.2 Correlation coefficients between observation of NS component of tiltmeter and rainfall from Jan. to Jun.,2008 atWuhan station

表 1 NS分量觀測(cè)值與大氣降水的相關(guān)系數(shù)分布統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of distribution of correlation coefficients between observation of NS component of tiltmeter and ra infall

3.3 大氣降水對(duì)傾斜觀測(cè)值的典型干擾特征分析

在相關(guān)系數(shù)∣γ∣中高度相關(guān)所占比例較高的4到 6月間挑選相對(duì)獨(dú)立的時(shí)間段作干擾特征典型分析,具體的分析時(shí)間段為 4月 8—16日、4月 19—23日、5月 8—10日、5月 27—30日、6月 9—10日,分析結(jié)果見(jiàn)表 2和圖 3。

表 2 2008年上半年大氣降水對(duì)傾斜潮汐形變的典型干擾特征與量級(jí)Tab.2 Characteristics and magn itude of ra infall disturbance on tilt tide deformation in first half of 2008

由圖 3可看出,曲線受降水影響的形態(tài)特征主要有 3種類型：緩慢變化型、緩升緩降型和陡升快降型。

緩慢變化型：在降雨時(shí)間段內(nèi)不出現(xiàn)明顯的變化,沒(méi)有發(fā)生明顯的傾向改變,這種情形一般發(fā)生在間隔降水期間,即前后均有降水發(fā)生。如圖 3(a)水管儀、垂直擺的 4月 19日前后時(shí)間段的變化狀態(tài)。這種情形是由于前 3～5天已有多次降水發(fā)生,相隔幾天前出現(xiàn)明顯降水,降雨對(duì)傾斜觀測(cè)的作用出現(xiàn)弱化趨勢(shì)[3]。

緩升緩降型：在降雨時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)較為明顯的變化,發(fā)生較明顯的傾向改變,這種情形一般是初始降水量不大,但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。如水管儀、垂直擺的觀測(cè)值在圖 3(a)的 4月 19—23日、圖 3(c)的 5月27—30日降雨量均達(dá)到 20 mm的情況下并沒(méi)發(fā)生明顯的畸變,但是在降水持續(xù)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)緩慢下降變化。

陡升快降型：在降雨時(shí)短時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)急劇變化,發(fā)生明顯的傾向改變,這種情形一般是在初始降水量非常大的情況下突然發(fā)生,如圖 3(d)中垂直擺在 6月 9—10日短短數(shù)小時(shí)內(nèi)發(fā)生急劇變化狀態(tài),在 6月 9日的初始降水量 (≥20 mm)的影響下,于數(shù)小時(shí)內(nèi)曲線發(fā)生北傾,變化量達(dá)到 90×10-3角秒左右,在曲線發(fā)生陡升后將近 24小時(shí)內(nèi)沒(méi)有發(fā)生明顯變化,而在 10日隨降水量再次急劇增加的情況下出現(xiàn)向南傾,變化量再次達(dá)到 80×10-3角秒左右,這次日降雨量超過(guò) 9日。

圖 3 垂直擺、水管儀NS分量曲線受降雨干擾圖Fig.3 Disturbance variations by rainfall recorded byNS component ofVS and DSQ instruments

圖 4 2008-04-08—16日時(shí)段大氣降水對(duì)傾斜觀測(cè)的干擾Fig.4 Disturbance from rainfall on VS and DSQ instruments(2008-04-08—16)

這幾種類型在降雨持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)期會(huì)交替出現(xiàn),如圖 4中垂直擺傾斜儀 NS分量觀測(cè)曲線在 8—9日間受降水影響發(fā)生畸變,在 10—11日雖有降雨發(fā)生但呈穩(wěn)定變化態(tài)勢(shì),然而在 15日的大量降水后固體潮曲線再次發(fā)生大幅度畸變,這就是降雨及其他因素的合成效應(yīng)對(duì)傾斜資料形成復(fù)雜的干擾結(jié)果的表現(xiàn)形態(tài)。該現(xiàn)象表明,地傾斜觀測(cè)值明顯受大氣降水影響,兩者存在一定相關(guān)性,但這種相關(guān)不是簡(jiǎn)單的線性相關(guān),不單取決于當(dāng)日降水量,還與往日特別是鄰近前段時(shí)間的降水量有關(guān)。當(dāng)初始降雨量大于一定量值時(shí),觀測(cè)值發(fā)生變化,當(dāng)降雨量累積達(dá)到另一定值后,觀測(cè)值又可能趨于穩(wěn)定,10 mm上下的降雨量會(huì)導(dǎo)致傾斜值變化量為 10-8～10-9,且影響形式相當(dāng)復(fù)雜,遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單的線性函數(shù)所能模擬的[4];由于資料積累時(shí)間較短,武漢臺(tái)受降水影響的驅(qū)動(dòng)降水量值約為 15～20 mm,而降雨的累積量值即穩(wěn)定量值估計(jì)為 50～80 mm。

由表 1、圖 3可以知道,武漢臺(tái)傾斜類儀器對(duì)當(dāng)?shù)亟邓从趁舾?降水導(dǎo)致固體潮曲線畸變有以下幾個(gè)特征：

1)固體潮的畸變與降水有很強(qiáng)的相關(guān)性,并有一定的持續(xù)性;時(shí)間上與降水的出現(xiàn)基本同步 (延遲 2～3小時(shí));當(dāng)初始降水量大時(shí),傾斜儀受到的干擾更為明顯;降水結(jié)束后,干擾并不會(huì)馬上減弱,而是持續(xù)一段時(shí)間。

2)在連續(xù)降水的影響下,傾斜儀曲線有一個(gè)間歇性的上升、下降的起伏波動(dòng)過(guò)程。

3)傾斜的幅度和持續(xù)時(shí)間與大氣降水強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。降雨引起傾斜潮汐觀測(cè)曲線的突變擾動(dòng)和加速變形,具有突發(fā)性,并隨著降雨的停止而終止。降水發(fā)生時(shí),武漢臺(tái)傾斜觀測(cè)值的 NS分量隨即先北傾后急劇南傾,EW分量也同樣為先東傾后西傾,整體漂移方向?yàn)?NS分量南傾,EW分量西傾。

4)從干擾量級(jí)來(lái)看,武漢臺(tái)傾斜儀的 NS分量所受降雨干擾比 EW分量大。降雨量為20～40 mm時(shí),引起的地傾斜 NS分量變化幅度達(dá) (20～80)× 10-3角秒、EW分量達(dá)(10～20)×10-3角秒,造成整點(diǎn)值畸變幅度為正常固體潮振幅的 2～5倍。

4 大氣降水的干擾機(jī)理分析

形變觀測(cè)資料受降雨影響的機(jī)制比較復(fù)雜,但主要與觀測(cè)室的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān),另外周圍的環(huán)境荷載變化也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響[5,6]。初步分析可得出觀測(cè)值所受的影響來(lái)自兩個(gè)方面：

1)降水滲透產(chǎn)生的影響

一般情況下,降雨時(shí)一部分雨水經(jīng)地表流走,另一部分則順巖石的裂縫或土層滲透到地層。巖體的破碎性給雨水的滲漏提供了通道,雨水的滲入造成巖石內(nèi)部膨脹,使得地表局部產(chǎn)生不規(guī)則形變。

武漢臺(tái)的觀測(cè)洞室山體其上覆蓋的是一層厚薄不均的棕黃色粘土,成土年代大約是第四紀(jì),該巖層較軟弱、易變形,為吸水率高的巖層結(jié)構(gòu),易受雨水侵蝕和滲入,降雨使得觀測(cè)儀器基巖受浸潤(rùn)、膨脹、擠壓等作用,因而對(duì)地傾斜觀測(cè)值產(chǎn)生影響。

降水發(fā)生時(shí),武漢臺(tái)傾斜觀測(cè)值的 NS分量發(fā)生南傾,EW分量發(fā)生西傾,表明地基在向南和西傾(負(fù)荷變化)。臺(tái)站所處山脊的走向近東西,且北高南低,雨水一般沿南和西向流。由于臺(tái)址 NS分量?jī)蓚?cè)局部出露上泥盆統(tǒng) (D3),巖性以石英巖狀砂巖、石英砂巖、粉砂巖等為主,厚度幾米至幾十米不等。通常砂巖中存在黏土礦物會(huì)降低砂中的孔隙度及滲透率[7],當(dāng)泥質(zhì)以分散狀形式充填在儲(chǔ)層的孔隙空間時(shí),孔隙結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜,巖石的平均粒度、孔喉直徑將降低,表面積、束縛水含量將升高,進(jìn)而導(dǎo)致流體流動(dòng)阻力明顯增大,因此,隨著地層中泥質(zhì)含量的增加,其最終將導(dǎo)致地層滲透率急劇下降。根據(jù)巖性與孔隙度、滲透率關(guān)系可知,NS段巖石的以砂巖為主的巖性擁有較高的孔隙度和高滲透率,致使南邊張力增大,使地面向南傾斜,而 EW走向的山脊巖性以沖積粘土、砂土、礫石及湖積粘土為主,滲透率較低,因此 EW分量測(cè)值對(duì)因滲透作用對(duì)地基負(fù)荷造成的反應(yīng)不明顯。

2)南湖湖體荷載變化的影響

大氣荷載、水庫(kù)的蓄水荷載、土壤水份荷載、非潮汐性的海水荷載等發(fā)生作用的荷載中能帶來(lái)最大荷載變化的是積雪。雖然非潮汐性水體的季節(jié)變化是水體發(fā)生熱膨脹,不產(chǎn)生質(zhì)量變化,但有關(guān)研究表明[8],即使在相當(dāng)高度也會(huì)引起重力場(chǎng)季節(jié)性變化,甚至引起地震發(fā)震期的變化。

由于毗鄰觀測(cè)臺(tái)北部的南湖為淺水湖泊,每年排入南湖水體總量達(dá) 4 000萬(wàn)噸[9],湖水水位自身有季節(jié)性變化,且南湖湖體離臺(tái)點(diǎn)距離過(guò)近 (與臺(tái)點(diǎn)相距不到 1 km),雨季時(shí)受雨水的快速補(bǔ)充,導(dǎo)致水體質(zhì)量增加,水位的垂直變化對(duì)四周湖岸壓強(qiáng)也隨之變化,從而使臺(tái)點(diǎn)傾斜潮汐觀測(cè)發(fā)生急劇畸變。特別在大暴雨驟然發(fā)生且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的情況下,其形變會(huì)更加明顯。

5 結(jié)論

武漢臺(tái)傾斜資料受降雨干擾的特征為：固體潮的畸變與降水有很強(qiáng)的相關(guān)性,但這種相關(guān)不是簡(jiǎn)單的線性相關(guān),且降雨干擾曲線形態(tài)復(fù)雜,在連續(xù)降雨期間有波動(dòng)干擾現(xiàn)象,存在驅(qū)動(dòng)降雨量的影響,具有突發(fā)性和非持久性;從時(shí)間特征上看,具有同步效應(yīng),降雨發(fā)生 2～3小時(shí)后傾斜儀的NS分量發(fā)生南傾,EW分量發(fā)生東傾;從量級(jí)特征上看,受降雨干擾的分量主要為NS分量,EW分量所受干擾程度比NS分量要小;垂直擺受降雨的干擾程度比水管儀要大。

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ANALYSIS OF D ISTURBANCE CHARACTERISTICS FROM RA INFALL ON TILT TIDE DEFORMATION ATW UHAN SEISMOSTATION

Sun Lingli1),Luo Junqiu1)and Long Tao2)

（1)Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071 2)School of Com puter Science and Technology,HUST,W uhan 430074）

The disturbance patternsof the tiltmeter observation ofVS and DSQ atWuhan station during the period of“Tenth Five Year Project”were studied. It is found that the rainfall and other factors may have the serious effect on the tide distortions.By analyzing the abnor malphenomena of the tilt tide curves,it seems that above anomalies arised from rainfall os mosis bringing about the expansion of base rock.It can be seen that there is a close correlation between the tile tide aberration and rainfall.The disturbance curve configuration is complicated and of 3 types. On the view of time there is synchronization that the NS component of tilemeter trends to S aswell as the E W component toW after the rainfall.On the view of quantity it is found thatNS component is disturbed by rainfallmore seriously than E W component aswell asVS tiltmeter is disturbed by rainfallmore seriously than DSQ tiltmeter.

rainfall;tilt tide;characteristic of disturbance;correlation;mechanism analysis

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0105-06

2009-10-25

中國(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金(6086);中國(guó)地震局三結(jié)合課題(22004041828)

孫伶俐,女,工程師,主要從事地形變與地震預(yù)測(cè)研究.E-mail：sunll777@sina.com

P315.72+5

A