王建亮，李自芮，張燕霞，沈 寧，欒博文

（1.銀川基準(zhǔn)臺，寧夏 銀川 750001；2.寧夏自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001；3.固原地震臺，寧夏 固原 756000）

0 引言

地殼形變異常是地殼構(gòu)造變動最直接的表現(xiàn)之一，而地下水位的變化又能夠提供地質(zhì)構(gòu)造活動過程的許多信息，因此搞清楚地形變運動規(guī)律及震前異常變化的特點對研究地震有著重要的意義。山洪可以引起地下水位的變化，所以山洪對前兆觀測資料有著一定程度的干擾，本文以銀川基準(zhǔn)臺滾鐘口觀測站的形變觀測儀器為研究對象，通過對2016年至2018年強降雨引發(fā)山洪現(xiàn)象的分析研究，總結(jié)出數(shù)據(jù)曲線的變化特征，及時為地震前兆異常排除干擾，以便對山洪干擾識別提供參考依據(jù)，為地震分析預(yù)報提供可靠的資料，這對寧夏地區(qū)的地震監(jiān)測預(yù)報工作有著重要的意義[1]。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地理環(huán)境

寧夏賀蘭山東麓斷裂呈西南東北走向，綿延200km，寬約30km，山體基巖多裸露，賀蘭山地勢高峻，傍近銀川斷陷盆地，西側(cè)有賀蘭山山前大斷裂帶。該區(qū)域有3條較大斷裂，由西向東分布有賀蘭山東麓斷裂，平羅—銀川斷裂，黃河斷裂。此地有較寬的斷裂帶，斷層活動性強，崖面清晰，山體相對上升，沖溝發(fā)育，溝谷坡降比較大，深切呈“V”字型，溝口洪積扇發(fā)育，洪積扇上發(fā)育有第四紀全新世以來的活動斷層陡坎，賀蘭山山體由前震旦系—三迭系地層組成，具有獨特的山地氣候特征，冬季嚴寒，夏季溫涼，降水偏多，年溫差較小，氣候多變等特點。降水量由山麓向山頂逐漸增多，即山下200mm逐漸增加到山頂400mm以上。由于山體作用，易形成局地性暴雨，屬于黃土高原誘發(fā)山洪災(zāi)害的主要易發(fā)區(qū)。每年5月至9月是本地區(qū)降雨頻率最高、降雨量最多的時段。因暴雨而引發(fā)的山洪會對銀川基準(zhǔn)臺滾鐘口觀測站的前兆觀測資料造成一定的影響。下圖即為臺站周邊的環(huán)境，山洞距離泄洪溝100m左右，最強降雨可形成泥石流，石頭順山而下，道路閉塞。

圖1山洞與泄洪溝Fig.1 Cave and flood drain

2 臺站概況及前兆觀測儀器的基本情況

2.1臺站概況及觀測環(huán)境

銀川基準(zhǔn)臺是隸屬于寧夏地震局的一個國家級綜合專業(yè)臺站，由銀川賀蘭山小口子觀測站和銀川北塔地磁觀測站及2個跨斷層短水準(zhǔn)觀測場地組成?，F(xiàn)有測震、地形變、電磁、流體四大學(xué)科26臺套觀測儀器，承擔(dān)全國乃至全球大震快報任務(wù)。1972年，中國地震局將銀川地震臺列為國家基準(zhǔn)地震臺，觀測項目逐年增加。1978年開鑿山洞，用于形變和測震觀測。銀川臺小口子觀測點位于銀川市區(qū)西40km的賀蘭山東麓滾鐘口風(fēng)景區(qū)內(nèi)，地處賀蘭山斷隆東側(cè)，海拔1545m。銀川地震臺滾鐘口觀測站（以下簡稱銀川臺）為基巖型觀測站，基礎(chǔ)巖性為前震旦系花崗片麻巖。形變觀測山洞位于賀蘭山東麓斷裂西側(cè)，呈“之”字形，主洞長90余米，寬1.6m，且洞體溫差小于0.01℃，溫度變化范圍在12.50～12.60℃之間，相對濕度60%～70%，山洞頂部基巖進深約50m，覆蓋層厚度約100m。銀川臺觀測環(huán)境條件符合地震行業(yè)規(guī)范（中國地震局，2003）要求，距山洞西偏南270m溝谷中有一深井，井深112.58m。降水、山洪及每年3—11月間斷性抽水，均對形變觀測資料造成不同程度的影響，尤其對各套儀器EW向資料影響較大[2]。

2.2前兆觀測儀器的基本情況

2001年7—8月按照“九五”臺站改造項目要求，將原浮子水管傾斜儀（FSQ）拆卸，在原位置上組裝架設(shè)新研制的浮子水管傾斜儀（DSQ）；將原石英洞體應(yīng)變儀（SSY-Ⅱ）拆除，在原位置上架設(shè)新研制的洞體應(yīng)變儀（SS-Y），9月1日開始試記，2002年1月1日正式投入觀測。2015年11月將DSA-2數(shù)采更換為“十五”EP-3型數(shù)采。經(jīng)過長達十年多的運行，目前各套儀器運行正常，觀測數(shù)據(jù)正常[3]。

3 山洪對銀川基準(zhǔn)臺形變觀測數(shù)據(jù)的干擾分析

通過對銀川臺2016—2018年的山洪期間降雨量統(tǒng)計（如下表），當(dāng)特大降雨持續(xù)約一個小時后，形成山洪及泥石流。

表1降雨統(tǒng)計

圖2降雨量統(tǒng)計圖Fig.2 Rainfall chart

3.1 DSQ水管傾斜儀和SS-Y洞體應(yīng)變儀整點值觀測數(shù)據(jù)曲線變化分析

從圖4可以看出，從2016年至2018年發(fā)山洪當(dāng)月數(shù)據(jù)曲線可以看出發(fā)山洪當(dāng)天，隨著瞬間降雨量越大，形成的山洪越大，對DSQ水管儀的兩個測向曲線造成明顯的干擾，北南向曲線呈緩慢下降趨勢，東西向呈急速上升趨勢（如圖中畫框區(qū)域）。2016年8月21日降雨量達到98.2mm，形成山洪及泥石流，對水管儀干擾明顯；2017年7月5日降雨量減少，對數(shù)據(jù)的干擾較少；2018年7月22日降雨量達到99.7mm，形成超大型山洪及泥石流，對東西向數(shù)據(jù)曲線抬升較大，最大幅度達20%，持續(xù)24小時后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

圖3水管傾斜儀降雨干擾曲線Fig.3 Water tube tiltmeter rainfall interference curve

表2 DSQ水管傾斜儀受降雨干擾測向變化幅度和持續(xù)時間統(tǒng)計

從2016年至2018年發(fā)山洪當(dāng)月數(shù)據(jù)曲線可以看出爆發(fā)山洪當(dāng)天，隨著瞬間降雨量越大，形成的山洪越大，對SS-Y洞體應(yīng)變儀兩個測向的觀測數(shù)據(jù)曲線造成明顯的畸變，北南向呈現(xiàn)向上抬升變化，東西向呈現(xiàn)加速下降變化，2016年8月21日降雨量達到98.2mm，形成山洪及泥石流，對伸縮儀干擾明顯；2017年7月5日降雨量減少，對數(shù)據(jù)的干擾較少；2018年7月22日降雨量達到99.7mm，形成超大型山洪及泥石流，對兩側(cè)向數(shù)據(jù)曲線干擾較大，變化持續(xù)時間約36小時后數(shù)據(jù)變化基本恢復(fù)正常。相應(yīng)的變化幅度如表3統(tǒng)計，從變化幅度上可以看出山洪越大對SS-Y洞體應(yīng)變儀的干擾幅度越大，僅有2017年山洪期間降雨量較少沒有形成山洪的數(shù)據(jù)曲線變化較為平穩(wěn)（如圖4中畫框區(qū)域）[4]。

表3 SS-Y洞體應(yīng)變儀受降雨干擾測向變化幅度和持續(xù)時間統(tǒng)計

圖4 洞體應(yīng)變儀降雨干擾曲線Fig.4 The rainfall interference curve of the cave strain instrument

3.2一階差分分析

一階差分是由日均值之差構(gòu)成的差分序列，較原序列的統(tǒng)計特性有較大變化，偏離性、離散性和凹凸性等指標(biāo)得到了削弱，序列服從或者近似服從正態(tài)分布，從而可以利用該序列直接求差分值得均方差，反映了數(shù)據(jù)曲線的相對噪聲水平。

通過對水管儀整點值和日均值曲線做一階差分分析，山洪影響時段整點值噪聲水平較日均值干擾較小，同年山洪干擾期間東西向較北南向相對噪聲水平較大，對這三年山洪干擾時段數(shù)據(jù)的一階差分分析，2016年和2018年山洪較大，持續(xù)時間較長，數(shù)據(jù)的日均值一階差分曲線明顯的偏離常規(guī)區(qū)域，2018年偏離達到最大值33.6，偏離正常區(qū)間為34.6，2017年山洪較小，一階差分偏離常規(guī)區(qū)域為6.68。

圖5水管傾斜儀—階差分分析曲線Fig.5 The first-order difference analysis curve of the water tube tiltmeter

同樣，對伸縮儀整點值和日均值曲線做一階差分分析，山洪影響時段日均值噪聲水平較整點值干擾明顯，同年山洪干擾期間東西向和北南向相對噪聲水平均較大，對這三年山洪干擾時段數(shù)據(jù)的一階差分分析，2016年和2018年山洪較大，持續(xù)時間較長，數(shù)據(jù)的日均值一階差分曲線明顯的偏離常規(guī)區(qū)域，2018年偏離達到最大值2119，偏離正常區(qū)間為2129，2017年山洪較小，一階差分偏離常規(guī)區(qū)域為1512。

圖6洞體應(yīng)變儀—階差分分析曲線Fig.6 The first-order difference analysis curve of the cave strain instrument

3.3斜率分析

固體潮的力源主要來自月亮、太陽等天體的引潮力，是目前唯一能夠預(yù)先準(zhǔn)確計算出理論值的地球物理現(xiàn)象，因此，可以用固體潮的理論值來擬合固體潮的觀測，對實際的固體潮觀測進行擬合檢驗，糾正觀測中可能存在的錯誤，檢查、衡量和評價固體潮觀測資料的質(zhì)量，提取固體潮分析和地震前兆分析的特征信息。同樣可以看出，兩套儀器在用斜率分析法得到的斜率值序列、歸一速率序列和相對速率序列曲線在山洪的影響下發(fā)生明顯的上下突起，形成異常特征。

圖7水管傾斜儀斜率分析曲線Fig.7 The slope analysis curve of the water tube tiltmeter

3.4潮汐因子分析

潮汐因子分析是為了更加客觀、準(zhǔn)確地評定計算資料序列的精度，我們對固體潮觀測值相對理論值的偏離通?？墒褂没谧钚《朔ǖ木S尼迪柯夫調(diào)和分析方法進行分析，該方法可以求解各個波群的觀測振幅對理論振幅之比，M2波潮汐因子是用來評定固體潮汐觀測資料內(nèi)在質(zhì)量精度的一項定量指標(biāo)。

下面是通過計算兩套儀器從2016年1月至2018年9月每月的M2波潮汐因子繪制的曲線，從圖上可以看出在發(fā)山洪期間相應(yīng)的月份潮汐因子并沒有明顯的變化，通過分析認為這主要由于瞬間的強降雨形成的山洪持續(xù)時間較短，銀川臺所處的滾鐘口管理所每年3—11月份要對景區(qū)的樹木進行抽水灌溉，對兩套儀器的干擾較為嚴重，潮汐因子長年處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，潮汐因子對于山洪的反應(yīng)沒有表現(xiàn)出明顯的異常。

圖9水管傾斜儀潮汐因子分析曲線Fig.9 The tidal factor analysis curve of the water tube tiltmeter

圖10洞體應(yīng)變儀潮汐因子分析曲線Fig.9 The tidal factor analysis curve of the cave strain instrument

4 結(jié)論

通過上述對比分析可以說明，當(dāng)降雨量達到60mm以上時形成特大山洪，才會對水管傾斜儀和洞體應(yīng)變儀產(chǎn)生較嚴重的干擾；就影響程度而言，水管傾斜儀較洞體應(yīng)變儀干擾較??；就測向而言，水管傾斜儀的北南向比東西向受干擾程度小，洞體應(yīng)變儀兩測向均受干擾嚴重。山洪對形變觀測數(shù)據(jù)的影響嚴重，但由于其短暫、迅猛的特性，對于數(shù)據(jù)曲線的整體固體潮并沒有太明顯的干擾。

由于形變觀測手段在日常觀測中受各類因素的影響較多，平時要做好防范工作，注意觀察場地環(huán)境的變化，在分析資料的前兆異常時，對異常數(shù)據(jù)曲線要認真的排查，利用已經(jīng)確定的干擾因素，借助各類輔助觀測進行相關(guān)分析，減少數(shù)據(jù)在分析預(yù)報中的錯誤引導(dǎo)，才能正確的發(fā)現(xiàn)地殼內(nèi)發(fā)生的真實異常變化信息，提高地震預(yù)報資料分析的準(zhǔn)確度。