楊學(xué)慧　常玉巧　李燕玲　應(yīng)驍?！詈ｙi　崔慶谷

1　云南省地震局，昆明市北辰大道148號，650224 2　云南省地震局云龍地震臺，大理州云龍縣虎山路180號， 672799

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用同相疊加方法識別定點(diǎn)形變數(shù)據(jù)中的降雨影響

楊學(xué)慧1常玉巧1李燕玲1應(yīng)驍睿1楊海鵬2崔慶谷1

1云南省地震局，昆明市北辰大道148號，650224 2云南省地震局云龍地震臺，大理州云龍縣虎山路180號， 672799

分別以昆明臺、云龍臺為例，用數(shù)據(jù)同相位疊加的方法分別對形變數(shù)據(jù)中的典型圖像及其對應(yīng)時段的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，以判斷典型圖像是否與降雨有關(guān)。結(jié)果表明，昆明臺形變觀測中多次出現(xiàn)的同步轉(zhuǎn)折為降雨影響；而云龍臺的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象則與降雨無關(guān)，其來源及屬性需要進(jìn)一步研究。

形變數(shù)據(jù)；非正常變化；降雨影響；同相疊加；異常識別

自1970年通海7.8級地震以來，云南省累計(jì)發(fā)生5級以上地震243次，其中128次發(fā)生在4～9月的雨季。由于降雨和構(gòu)造變動都可能引起形變觀測的非正常變化，形變記錄中反復(fù)出現(xiàn)的典型圖像是否與降雨有關(guān)往往難以識別[1-2]。

分析2007年以來的數(shù)字化形變觀測記錄發(fā)現(xiàn)，其中頻繁記錄到一些形態(tài)相同的異?，F(xiàn)象，且伴隨強(qiáng)降雨的發(fā)生(表1)。本文挑選臺址基礎(chǔ)好、環(huán)境干擾小、數(shù)據(jù)質(zhì)量高的昆明臺和云龍臺(圖1)形變觀測為研究對象，利用數(shù)據(jù)疊加的方法對形變觀測中的典型圖像進(jìn)行識別。最終證明，昆明臺形變觀測中反復(fù)出現(xiàn)的典型非正常變化圖像屬于降雨干擾；而云龍臺的典型圖像與降雨的關(guān)系不明顯，其屬性有待進(jìn)一步研究。

表1　形變轉(zhuǎn)折變化前的降雨情況

圖1　昆明臺和云龍臺臺址分布Fig.1　The distribution of Kunming station and Yunlong station

(a) 數(shù)據(jù)時段2012-07-25 03:40:00～08-14 03:40:00,轉(zhuǎn)折后34 d發(fā)生彝良M5.7、M5.6地震;(b) 數(shù)據(jù)時段2012-09-02 10:10:00～09-22 10:10:00，轉(zhuǎn)折后5個月內(nèi)無對應(yīng)地震;(c) 數(shù)據(jù)時段2012-09-17 07:00:00～10-07 07:00:00，轉(zhuǎn)折后5個月內(nèi)無對應(yīng)地震;(d) 數(shù)據(jù)時段2013-07-09 19:00:00～07-29 19:00:00，轉(zhuǎn)折后42 d發(fā)生香格里拉M5.9地震;(e) 數(shù)據(jù)時段2013-07-31 10:16:00～08-20 10:16:00，轉(zhuǎn)折后21 d發(fā)生香格里拉M5.9地震;(f) 數(shù)據(jù)時段2014-06-27 05:18:00～07-17 05:18:00，轉(zhuǎn)折后37 d發(fā)生魯?shù)镸6.5地震;(g) 數(shù)據(jù)時段2014-07-02 02:00:00～07-22 02:00:00，轉(zhuǎn)折后32 d發(fā)生魯?shù)镸6.5地震圖2　昆明臺伸縮儀NS向觀測數(shù)據(jù)中的典型變化Fig.2　Typical variations of extensometer at Kunming station

1　形變觀測中的典型變化圖像

昆明臺位于昆明市黑龍?zhí)侗眰?cè)沖溝東部，滇東斷裂系黑龍?zhí)?官渡斷裂附近，形變觀測洞室全長150 m，最長進(jìn)深47 m。 基巖為二疊系灰?guī)r，覆蓋層厚度約30 m，年溫變幅小于0.5 ℃，日溫變幅小于0.1 ℃。洞室設(shè)隔離保溫門7道，保溫效果較好，臺址基礎(chǔ)較好。伸縮儀和水管儀自架設(shè)以來工作穩(wěn)定。自2007年進(jìn)行數(shù)字化觀測以來，昆明臺形變觀測中反復(fù)出現(xiàn)相似的變化圖像。圖2為伸縮儀NS分量反復(fù)出現(xiàn)的上升張應(yīng)變現(xiàn)象。

云龍臺位于紅河斷裂中段西側(cè)，臺址基巖為侏羅系細(xì)砂巖，完整且致密。形變觀測洞室全長大于300 m，覆蓋層厚度為60～100 m，年溫變幅小于0.5 ℃，日溫變幅小于0.03 ℃，保溫效果較好。伸縮儀和水管儀自2002年安裝以來，工作穩(wěn)定。2009年以來，云龍臺伸縮儀測值在多次5級以上地震之前出現(xiàn)相似的變化圖像，其中2012年寧蒗M5.7之前的變化圖像經(jīng)核實(shí)后作為短臨異常使用[3]。云龍臺伸縮儀NS向反復(fù)出現(xiàn)的上升張應(yīng)變圖像見圖3。

(a) 數(shù)據(jù)時段2009-04-01 00:00:00～06-15 00:00:00,轉(zhuǎn)折后43 d發(fā)生姚安M6.3地震;(b) 數(shù)據(jù)時段2012-04-12 00:00:00～06-23 00:00:00，轉(zhuǎn)折后19 d發(fā)生寧蒗M5.7地震;(c) 數(shù)據(jù)時段2012-05-01 00:00:00～08-22 00:00:00，轉(zhuǎn)折后39 d發(fā)生彝良M5.7、M5.6地震;(d) 數(shù)據(jù)時段2013-06-01 00:00:00～08-20 00:00:00，轉(zhuǎn)折后34 d發(fā)生香格里拉M5.9地震;(e) 數(shù)據(jù)時段2014-05-15 00:00:00～08-20 00:00:00，轉(zhuǎn)折后27 d發(fā)生魯?shù)镸6.5地震圖3　云龍臺伸縮儀NS向數(shù)據(jù)中的典型變化Fig.3　Typical variations of extensometer at Yunlong station

由于圖2、圖3所示的變化圖像在多年的觀測中反復(fù)出現(xiàn)，且存在多測項(xiàng)數(shù)據(jù)同步、甚至多臺數(shù)據(jù)同步的現(xiàn)象，可以排除儀器干擾和近場干擾的可能[3]。

2　數(shù)據(jù)同相疊加方法

實(shí)際觀測中，定點(diǎn)形變觀測不僅與降雨有關(guān)，還受到氣壓、溫度、載荷和構(gòu)造變動等各種因素的影響。為研究降雨與形變數(shù)據(jù)的關(guān)系，將其他影響因素作為“噪聲”處理。由于“噪聲”的存在，僅憑單次降雨往往很難看出降雨量與形變觀測之間的關(guān)系(圖4)。

圖4　昆明臺伸縮儀觀測與單次降雨數(shù)據(jù)的對比Fig.4　Comparison between extensometer data and single rainfall data at Kunming station

疊加是信號處理中消除干擾的有效方法之一[4]。其中，同相疊加是保證真正的信號得到加強(qiáng)、其他干擾因素削弱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5-6]。本次分析需要加強(qiáng)的信號為出現(xiàn)在形變觀測中的轉(zhuǎn)折信號，而受其他因素影響產(chǎn)生的信號(突跳、臺階、畸變等)則屬于需要削弱的部分。為了實(shí)現(xiàn)同相疊加，必須對疊加前的序列進(jìn)行相位校準(zhǔn)，即以轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為相位校準(zhǔn)的基準(zhǔn)點(diǎn)，選取基準(zhǔn)點(diǎn)前后相同時間長度的數(shù)據(jù)，達(dá)到不同事件的相位一致，而后進(jìn)行疊加。

由于圖2、圖3中的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象是否與降雨有關(guān)是未知的，如果轉(zhuǎn)折現(xiàn)象與降雨有關(guān)，多次數(shù)據(jù)疊加之后兩者之間的相關(guān)性將變得更加明顯；反之，則疊加之后兩組數(shù)據(jù)之間將不具有明顯的相關(guān)性。本文以每一個變化圖像中轉(zhuǎn)折開始時刻為基準(zhǔn)時刻，將多個數(shù)據(jù)序列進(jìn)行疊加，對應(yīng)的降雨數(shù)據(jù)也以基準(zhǔn)時刻為標(biāo)準(zhǔn)對齊進(jìn)行疊加。

2.1昆明臺形變數(shù)據(jù)、降水?dāng)?shù)據(jù)的疊加結(jié)果

將昆明臺7個典型圖像中伸縮儀測值及對應(yīng)的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行相位校準(zhǔn)，相位校準(zhǔn)的基準(zhǔn)時刻見表2。

表2　昆明臺數(shù)據(jù)疊加相位校準(zhǔn)基準(zhǔn)時刻

將表2中的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行同相疊加?？紤]到降雨的影響表現(xiàn)為一定時段內(nèi)的綜合效應(yīng)[1]，將疊加后的降雨分鐘值在長度為1 d的滑動窗內(nèi)平均，然后與疊加后的形變數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果見圖5。

圖5　昆明臺形變觀測與降雨數(shù)據(jù)疊加結(jié)果對比Fig.5　Comparison between extensometer data superimposing results and rainfall data superimposing results at Kunming station

2.2云龍臺地應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)及降水?dāng)?shù)據(jù)的疊加結(jié)果

用相同的方法對云龍臺伸縮儀測值(圖3)、水管儀觀測及其對應(yīng)時段的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。伸縮儀測值的相位校準(zhǔn)時刻見表3。

表3　云龍臺地應(yīng)變觀測及降雨數(shù)據(jù)相位校準(zhǔn)基準(zhǔn)時刻

將表3中的數(shù)據(jù)序列及對應(yīng)時段的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行同相疊加，結(jié)果見圖6。

圖6　云龍臺地應(yīng)變疊加分析結(jié)果Fig.6　Comparison between extensometer data superimposing results and rainfall data superimposing results at Yunlong station

將云龍臺地傾斜測值及對應(yīng)時段的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行同相疊加，結(jié)果見圖7。

圖7　云龍臺傾斜觀測疊加分析結(jié)果Fig.7　Comparison between tilttide data superimposing results and rainfall data superimposing results at Yunlong station

由圖6、圖7可以看出，云龍臺伸縮儀、水管儀觀測值與降雨的相關(guān)性較弱。

3　降雨影響特征分析

從圖4可以看出，昆明臺形變觀測中出現(xiàn)的同步轉(zhuǎn)折與降雨有著較強(qiáng)的相關(guān)性，但這種相關(guān)性不是簡單的線性相關(guān)，不僅取決于當(dāng)日降雨量，還與往日特別是前段時間的持續(xù)降雨量有關(guān)(表4)。當(dāng)初始降雨量積累到一定程度時，形變數(shù)據(jù)發(fā)生轉(zhuǎn)折變化；當(dāng)降雨量累積達(dá)到更高程度后,形變數(shù)據(jù)又可能趨于穩(wěn)定。

表4　昆明臺伸縮儀觀測曲線轉(zhuǎn)折現(xiàn)象前3 d降雨量水平

云龍臺伸縮儀及水管儀測值與降雨的相關(guān)性較弱甚至基本不相關(guān)，其原因與兩個臺站的地質(zhì)條件及環(huán)境差異有關(guān)。降雨是一種離散的、不連續(xù)的干擾因素，其對地形變的影響不是線性，且與初始條件有關(guān)，如土層的膨脹和變形、降雨對巖層的負(fù)荷等。不但與降雨量的大小和持續(xù)時間有關(guān)，還與地形地貌、地表徑流、滲透率、孔隙率以及初始含水量有密切的關(guān)系，而臺站所在地的地下水動力學(xué)和土力學(xué)參數(shù)一般是無法測量的。受干擾嚴(yán)重的臺站一般分兩類:一是臺址為粘土層或含粘土的風(fēng)化巖，降雨對形變干擾的大小及特征主要受粘土含量及粘土所具有的特性制約，其干擾是通過滲透來影響地形變的。二是臺址為風(fēng)化巖或裂隙發(fā)育的各種基巖，此類巖石裂隙發(fā)育，有利于降雨荷載逐漸向下傳遞[3]。降雨開始時，傳至含水層的力很快到達(dá)，水位迅速上升，但各種力達(dá)到平衡至少需要幾天。雨后，隨著孔隙水壓的不斷“擴(kuò)散”下降，產(chǎn)生與充水時形變方向相反的形變量，但后者往往小于前者，這也是在轉(zhuǎn)折上升變化后，測值不能較快恢復(fù)至雨前水平的原因。昆明臺形變觀測山洞巖性為石灰?guī)r(屬后者)，巖層內(nèi)部發(fā)育了很多空間很大的裂隙，較云龍細(xì)砂巖顆?？臻g間距小，巖層內(nèi)部利于降雨荷載的傳遞，導(dǎo)致地傾斜和地應(yīng)變產(chǎn)生快速變化，當(dāng)力達(dá)到平衡時保持平穩(wěn)狀態(tài)。且在其西北方向不到100 m有一個約1 200 m2的水潭，雨季時受降雨補(bǔ)充，水位快速上漲，導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)生急劇變化，特別是在持續(xù)強(qiáng)降雨的情況下變化更明顯。

4　結(jié)　語

同相疊加是信號處理中用來壓制干擾、突出有效信號、提高數(shù)據(jù)信噪比的方法，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是相位校準(zhǔn)。以形變觀測中非正常變化的起始點(diǎn)作為相位校準(zhǔn)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)及降雨數(shù)據(jù)的同相位疊加。疊加后的結(jié)果使兩個數(shù)據(jù)序列的相關(guān)性更加明顯，用來判斷形變數(shù)據(jù)中典型圖像是否與降雨有關(guān)。結(jié)果表明，昆明臺伸縮儀及水管儀觀測數(shù)據(jù)中多次出現(xiàn)的同步轉(zhuǎn)折為降雨影響；而云龍臺伸縮儀測值中多次出現(xiàn)的轉(zhuǎn)折與降雨的相關(guān)性不大，可能與構(gòu)造運(yùn)動有關(guān)，其來源及屬性需要進(jìn)一步研究。

致謝：感謝昆明地震臺、云龍地震臺為本文提供資料。

[1]劉序儼,張雁濱.排除形變觀測中降雨干擾的數(shù)學(xué)物理方法的研究[J].地殼形變與地震,1991, 11(1) :36-40(Liu Xuyan, Zhang Yanbin. Studies of Mathematical and Physical Method for Elimination of Precipitation Influence on Crustal Deformation Data[J].Crustal Deformation and Earthquake,1991,11(1):36-40)

[2]孫伶俐,羅俊秋,龍濤.大氣降雨對數(shù)字化地傾斜觀測干擾特征分析[J].大地測量與地球動力學(xué), 2010,30(增刊1):105-110(Sun Lingli, Luo Junqiu, Long Tao. Analysis of Disturbance Characteristics from Rainfall[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2010,30(S1):105-110)

[3]崔慶谷,徐漪霖,楊躍文.形變觀測中短臨前兆異常的追蹤識別方法[J].大地測量與地球動力學(xué),2014, 34(4):55-58(Cui Qinggu, Xu Yilin，Yang Yuewen. Study on the Method for Tracing and Distinguishing Premonitory Signals from Disturbances in Crustal Deformation data[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2014,34(5):55-58)

[4]王德石.噪聲中的信號檢測[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2006(Wang Deshi. Detection of Signals in Noise[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry,2006)

[5]姜海嬌,來建成,王春勇,等.信號延時疊加提高激光雷達(dá)探測信噪比[J].光子學(xué)報,2009,38(8):1 897-1 900(Jiang Haijiao, Lai Jiancheng, Wang Chunyong,et al. Improvement of Detecting SNR of Laser Radar by Time-Delay Superimposition[J]. Acta Photonica Sinica, 2009,38(8):1 897-1 900)

[6]苑益軍,周芝旭,牛濱華,等.淺談地震資料處理中的提高信噪比處理技術(shù)[J].石油地球物理勘探,2005,40(2):168-171(Yuan Yijun, Zhou Zhixu, Niu Binhua. Briefly Talk about Processing Techniques of Improving S/N Ration in Seismic Data Processing[J]. Oil Geophysical Prospecting,2005,40(2):168-171)

About the first author:YANG Xuehui, engineer, majors in monitoring and prediction of deformation and electromagnetism, E-mail:yangxuehuiyn@163.com.

Distinguishing the Rainfall Disturbing Pattern in Crustal Deformation Recording by In-Phase Stack of Data

YANGXuehui1CHANGYuqiao1LIYanling1YINGXiaorui1YANGHaipeng2CUIQinggu1

1Earthquake Administration of Yunnan Province, 148 Beichen Road, Kunming 650224, China 2Yunlong Seismostation of Earthquake Administration of Yunnan Province,180 Hushan Road, Yunlong County, Dali 672799, China

This paper is concerned with distinguishing rainfall disturbance from tectonic deformation. We use an in-phase stack technique on crustal deformation data and corresponding rainfall data in Kunming and Yunlong stations to judge whether the patterns repeated in crustal deformation data are related with rainfall. We argue that the patterns in Kunming station support rainfall disturbance but that the patterns in Yunlong station do not.

crustal deformation data; abnormal change; rainfall disturbance; in-phase stack; premonitory signal distinguishing

2015-09-23

楊學(xué)慧，工程師，主要從事形變、電磁監(jiān)測預(yù)報研究，E-mail:yangxuehuiyn@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.10.021

1671-5942(2016)010-0936-05

P315

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