姚菲菲，宮長(zhǎng)盛，梁永信

（丹東地震臺(tái)，遼寧 丹東 118000）

0 引言

數(shù)字化形變觀測(cè)記錄的大量數(shù)據(jù)資料不但包含地殼變化的信息，還包含著大量自然干擾因素（降雨、氣壓、雷電、潮汐、微氣流擾動(dòng)）等干擾信息，丹東地震臺(tái)2006年安裝洞體形變DSQ水管儀、洞體應(yīng)變SSY伸縮儀，2008年正式觀測(cè)，至今已有10年時(shí)間，積累了大量的數(shù)據(jù)資料，積累了識(shí)別與排除各種自然干擾因素的寶貴經(jīng)驗(yàn)。本文對(duì)丹東臺(tái)數(shù)字形變中的自然干擾現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)的分析與判別，為實(shí)際工作中快速準(zhǔn)確的排除干擾、提取異常提供實(shí)用、可靠的辦法，為地震分析研究提供真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)資料。

1 臺(tái)基情況

丹東地區(qū)處在天山至陰山巨型緯向改造體系的東延部份，與華夏構(gòu)造體系東亞大陸第二隆起帶復(fù)合交接部位。丹東臺(tái)數(shù)字形變儀器洞室設(shè)在丹東市人防局備戰(zhàn)山洞內(nèi)，山洞洞室進(jìn)深170m，臺(tái)基巖性為黑云母斜長(zhǎng)片麻巖，巖性致密穩(wěn)定，但距鴨綠江斷裂較近，裂隙較發(fā)育。丹東地震臺(tái)現(xiàn)洞體觀測(cè)手段有數(shù)字化DSQ水管傾斜儀一套、數(shù)字化SSY洞體應(yīng)變儀一套，均有EW、NS兩個(gè)分量，洞體內(nèi)部年溫差小于0.5℃、日溫差小于0.03℃，基本符合觀測(cè)規(guī)范要求。丹東地震臺(tái)數(shù)字形變儀器洞室平面圖如圖1所示。

圖1丹東地震臺(tái)數(shù)字形變儀器洞室平面圖Fig.1 The cavity plan of the digital deformation instrument at Dandong Seismic Station

2 自然干擾現(xiàn)象分析

在干擾丹東地震臺(tái)數(shù)字形變手段的自然因素中以微氣流擾動(dòng)、氣壓、降雨、潮汐干擾較為突出明顯，而這些自然干擾因素作用在DSQ水管儀與SSY伸縮儀表現(xiàn)出的形態(tài)與程度也各有不同，下面對(duì)這些自然干擾作用于觀測(cè)手段上的變化形態(tài)做出說(shuō)明。

2.1 微氣流擾動(dòng)（風(fēng)擾）

風(fēng)擾是丹東地震臺(tái)DSQ水管儀自正式運(yùn)行以來(lái)，受外界自然因素最為常見(jiàn)也是最難解決的問(wèn)題，此種自然現(xiàn)象對(duì)SSY伸縮儀產(chǎn)生的干擾影響并不明顯，但對(duì)DSQ水管儀尤其是對(duì)水管儀的EW向造成的干擾非常明顯，其主要原因是丹東臺(tái)觀測(cè)山洞EW向離洞口近，且外部覆蓋比NS向薄。丹東地震臺(tái)觀測(cè)洞體覆蓋厚度如圖2所示。

圖2丹東臺(tái)洞體覆蓋厚度平面圖Fig.2 The covering thickness plan of the cavity at Dandong Seismic Station

我們對(duì)于洞體覆蓋厚度是否符合要求進(jìn)行了估算。根據(jù)巖土性質(zhì)、地面溫度年變幅兩個(gè)基本要素來(lái)估算洞室覆蓋厚度的下限值。

覆蓋厚度理論解下限值估算公式（1）：

Z（cm）=-Ln（a*/a0）×（T0/∏）1/2×KS1/2（1）

其中：

a*為洞室內(nèi)溫度年變幅，根據(jù)規(guī)范要求設(shè)為0.5℃；

a0為地面溫度年變幅，丹東地區(qū)為60.0℃；

T0=3.1536×107s；

KS=0.0109（cm2/s）為片麻巖熱擴(kuò)散率。

計(jì)算結(jié)果為：Z（cm）=1583.6cm

從計(jì)算結(jié)果看覆蓋厚度至少應(yīng)在15.8米，而丹東臺(tái)數(shù)字形變觀測(cè)洞室經(jīng)實(shí)地測(cè)量，EW向覆蓋厚度只有12米左右（洞體EW向，因洞體外寶光寺擴(kuò)建，對(duì)EW向洞體外山體進(jìn)行挖掘，導(dǎo)致洞體EW向覆蓋比安裝儀器時(shí)少了2到3米），NS向覆蓋厚度在15米左右，說(shuō)明洞室覆蓋厚度不夠，同時(shí)也解釋了水管儀EW向所受干擾相比NS向嚴(yán)重的原因。2009年12月在洞體廊道內(nèi)加裝過(guò)2道密封木門(mén)，對(duì)洞體內(nèi)部通風(fēng)管道、封閉門(mén)間份縫隙用發(fā)泡添堵，以減少洞體內(nèi)部的微氣流擾動(dòng)及溫度變化。通過(guò)以上措施，使EW向的微氣流擾動(dòng)現(xiàn)象也得到了一定的改善，但也未能完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。安裝密封門(mén)前后對(duì)比圖請(qǐng)如圖3、4所示。

圖3加裝封閉門(mén)前微氣流擾動(dòng)對(duì)水管儀NS、EW向干擾圖形Fig.3 The micro-airflow interference on the water tube tiltmeter with NS and EW trend before installing a closing door

圖4加裝封閉門(mén)后微氣流擾動(dòng)對(duì)水管儀NS、EW向干擾圖形Fig.4 The micro-airflow interference on the water tube tiltmeter with NS and EW trend after installing a closing door

觀測(cè)洞室的溫度變化、觀測(cè)人員出入洞室、自然界中刮風(fēng)達(dá)到一定風(fēng)力等因素都會(huì)對(duì)DSQ水管儀腔體內(nèi)部形成微氣流擾動(dòng)，使處于靜止?fàn)顟B(tài)腔體的空氣產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，在產(chǎn)出數(shù)據(jù)曲線(xiàn)出現(xiàn)不同程度的離散噪聲現(xiàn)象，洞體覆蓋程度越好，微氣流對(duì)產(chǎn)出資料的干擾也就越小[1]。由于丹東地震臺(tái)洞體的覆蓋厚度為NS向15米、EW向12米，根據(jù)公式計(jì)算（計(jì)算公式在本文的2.1中做過(guò)詳細(xì)論述），當(dāng)NS向與EW向覆蓋達(dá)到15.8米時(shí)完全符合觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，所以丹東臺(tái)DSQ水管儀的抗風(fēng)擾能力并不強(qiáng)，由于NS向的外部覆蓋15米要高于EW向覆蓋12米，NS向的抗風(fēng)擾能力要明顯好于EW向。且通過(guò)多年的觀測(cè)資料分析，微氣流擾動(dòng)對(duì)SSY伸縮儀的干擾影響并不明顯。從圖5-6中可見(jiàn)，2018年3月15日當(dāng)天風(fēng)力為5至6級(jí)，DSQ水管儀EW向數(shù)據(jù)曲線(xiàn)出現(xiàn)了明顯的離散現(xiàn)象，而NS因洞體外部覆蓋要好于EW向，所以受到的干擾影響要明顯好于EW向。SSY伸縮儀受到的風(fēng)擾影響基本可以忽略不計(jì)。

圖5 2018年3月15日DSQ水管儀NS、EW向分鐘值曲線(xiàn)圖Fig.5 The minute value curves of DSQ water tube tiltmeter with NS and EW trend on March 15，2018

圖6 2018年3月15日SSY伸縮儀NS、EW向分鐘值曲線(xiàn)圖Fig.6 The minute value curves of SSY extensometer with NS and EW trend on March 15，2018

2.2氣壓干擾

突發(fā)性的劇烈氣壓變化會(huì)引起數(shù)字形變數(shù)據(jù)曲線(xiàn)發(fā)生畸變，氣壓擾動(dòng)的幅度越大，相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的同步變化也就越大。如圖7所示，突發(fā)性的氣壓劇烈的變化對(duì)SSY伸縮儀造成的干擾影響明顯，而對(duì)DSQ水管儀的影響則不大，可忽略不計(jì)。2010年6月11日當(dāng)天丹東地區(qū)氣壓變化大概為1019hPa到1012 hPa之間，全天變化范圍為2～4hPa左右，通過(guò)多年對(duì)丹東地區(qū)的氣壓值總結(jié)分析得出，丹東地區(qū)一天的氣壓值變化范圍在3hPa到4hPa之間，而2010年6月11日當(dāng)天18點(diǎn)處伸縮儀數(shù)據(jù)曲線(xiàn)和氣壓的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)發(fā)生畸變時(shí)氣壓值的變化范圍1019.5hPa到1011之間，變化范圍的上下限差為1.5hPa，比之當(dāng)天的氣壓值變化3hPa要小。

圖7 2010年6月11日水管、伸縮、氣壓分鐘值曲線(xiàn)圖Fig.7 The minute value curve of water pipe，extensometer and meteorology on June 11，2010

2.3降雨干擾

結(jié)合丹東臺(tái)多年的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，只有在降雨量達(dá)到30mm以上時(shí)，會(huì)使得數(shù)據(jù)出現(xiàn)漂移，小于30mm的降雨量則對(duì)觀測(cè)影響不大。短時(shí)間段內(nèi)降雨達(dá)到30mm以上的情況在一年中出現(xiàn)的次數(shù)并不多，一般情況下，每年的7到8月份時(shí)丹東地區(qū)正值雨季，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)降雨天氣，尤其在這段時(shí)間內(nèi)一個(gè)或多個(gè)連續(xù)幾天的降雨，使得丹東臺(tái)觀測(cè)山洞基巖始終處于一個(gè)吸水飽和狀態(tài)，基巖也始終處于膨脹狀態(tài)，所以會(huì)對(duì)伸縮儀整個(gè)月的月分鐘值曲線(xiàn)造成影響，待降雨停止后，數(shù)據(jù)慢慢恢復(fù)正常狀態(tài)。如圖8所示，在2010年5月5日，丹東地區(qū)有過(guò)一次強(qiáng)降雨，降雨量接近40mm，這次短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)降雨，對(duì)丹東臺(tái)的水管儀影響不大，可忽略不計(jì)，而對(duì)伸縮儀的影響較大，伸縮儀的NS向與EW向分別變化了1580×10-10/mv與2380×10-10/mv，強(qiáng)降雨過(guò)后，數(shù)據(jù)逐步恢復(fù)正常，5月份下半月也有幾次降雨，但降雨量都沒(méi)有超過(guò)20mm，所以對(duì)數(shù)據(jù)的影響不大，可忽略不計(jì)。

圖8丹東臺(tái)2010年5月水管儀、伸縮儀分鐘值曲線(xiàn)圖、降雨量日均值圖Fig.8 The minute value curves of the water tube tiltmeter and extensometer，the daily mean value of the rainfall at Dandong Seismic Station in May，2010

2.4潮汐干擾

丹東地區(qū)瀕臨鴨綠江與北黃海，如圖9所示，潮汐干擾對(duì)丹東臺(tái)DSQ水管儀EW向、與SSY伸縮儀EW向影響較大，而對(duì)DSQ水管儀與SSY伸縮儀的NS向影響不大，每天的潮汐干擾相較與前一天滯后2小時(shí)左右（表1），如圖10所示DSQ水管儀與SSY伸縮儀EW向每天受潮汐干擾并不在同一時(shí)間段，這也很好的說(shuō)明了DSQ水管儀與SSY伸縮儀的工作特性。每天漲落潮時(shí)，由于海浪拍打沿岸，對(duì)陸地表面形成作用力，使得地面傾斜，這時(shí)DSQ水管儀的記錄曲線(xiàn)就發(fā)生了變化，這是潮汐對(duì)DSQ水管儀形成干擾的原因，而漲潮達(dá)到一定程度后（接近于滿(mǎn)潮狀態(tài)），對(duì)陸地表面形成擠壓作用力，這時(shí)SSY伸縮儀記錄曲線(xiàn)發(fā)生變化，這是潮汐對(duì)SSY伸縮儀形成干擾的原因。

圖9 2010年6月11日—6月17日水管儀、伸縮儀分鐘值曲線(xiàn)圖Fig.9 The minute value curves of the water tube tiltmeter and the extensometer from June 11 to 17，2010

圖10 2010年6月11日—6月17日水管儀EW向、伸縮儀EW向分鐘值曲線(xiàn)圖Fig.10 The minute value curves of the water tube tiltmeter with EW trend and the extensometer with EW trend from June 11 to 17，2010

表1丹東鴨綠江及東港鴨綠江口漲潮落潮農(nóng)歷時(shí)間表

3 成因及特性分析

3.1微氣流擾動(dòng)特性分析

觀測(cè)洞室的溫度變化、觀測(cè)人員出入洞室、自然界中刮風(fēng)達(dá)到一定風(fēng)力等因素都會(huì)對(duì)DSQ水管儀腔體內(nèi)部形成微氣流擾動(dòng)，使處于靜止?fàn)顟B(tài)腔體的空氣產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，產(chǎn)出數(shù)據(jù)曲線(xiàn)中出現(xiàn)不同程度的離散噪聲現(xiàn)象，洞體覆蓋程度越好，微氣流對(duì)產(chǎn)出資料的干擾也就越小[2]。導(dǎo)致丹東臺(tái)DSQ水管儀EW向受微氣流擾動(dòng)明顯的主要原因?yàn)镋W向洞體覆蓋厚度不夠，其特點(diǎn)為：微氣流擾動(dòng)的出現(xiàn)在時(shí)間段上一般都會(huì)持續(xù)最少幾小時(shí)甚至到全天24小時(shí)，且風(fēng)力越大（丹東地區(qū)一般5級(jí)風(fēng)以上），數(shù)據(jù)曲線(xiàn)出現(xiàn)的離散噪聲現(xiàn)象就越是明顯突出。一般情況下當(dāng)?shù)|地區(qū)風(fēng)力達(dá)到5級(jí)以上時(shí)，DSQ水管儀受微氣流影響較為明顯。溫差變化也會(huì)對(duì)離洞口近的水管儀EW向產(chǎn)生影響，因此微氣流擾動(dòng)干擾是一種綜合干擾現(xiàn)象。

3.2氣壓干擾特性分析

氣壓干擾是大氣壓力的劇烈變化通過(guò)地表作用，引起地表傾斜，分為周期性的季節(jié)性變化和非周期性的突發(fā)變化[2]。丹東地區(qū)一般發(fā)生這種短時(shí)間內(nèi)的劇烈的氣壓變化為每年的6月份到10月份，一般伴隨著降雨。通過(guò)觀測(cè)資料分析，我們總結(jié)出氣壓對(duì)SSY伸縮儀干擾影響的特點(diǎn)：氣壓值正常緩慢的變化，不會(huì)對(duì)伸縮儀的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)造成干擾，而某一時(shí)間段上一個(gè)劇烈的氣壓變化，丹東地區(qū)某一時(shí)間段氣壓值當(dāng)變化為1hPa或以上時(shí)，在相對(duì)應(yīng)的同一時(shí)間段上伸縮儀數(shù)據(jù)曲線(xiàn)會(huì)發(fā)生畸變，形態(tài)上與氣壓出現(xiàn)的畸變形態(tài)特征基本一致。

3.3降雨干擾特性分析

降雨干擾是降雨引起斷層破碎帶具有吸收含水過(guò)程，造成巖體不同程度的相對(duì)膨脹和壓縮產(chǎn)生的地質(zhì)效應(yīng)[2]。通俗的講，就是巖層在吸收大量的雨水后，導(dǎo)致巖層的膨脹對(duì)觀測(cè)儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)造成干擾，一般的降雨不會(huì)對(duì)儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)造成影響，結(jié)合丹東臺(tái)多年的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，只有在降雨量達(dá)到30mm以上時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)漂移，小于30mm的降雨量則對(duì)觀測(cè)影響不大，另外說(shuō)明一點(diǎn)，降雨量對(duì)儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)的影響也是很難用“量”來(lái)衡量的，例如：當(dāng)?shù)|地區(qū)連雨季節(jié)到來(lái)時(shí)，一段時(shí)間內(nèi)（連續(xù)幾天，或一周內(nèi)有幾次降雨）時(shí)，即使每次的降雨量并沒(méi)有達(dá)到30mm，但連續(xù)的降雨會(huì)使得巖層吸收處于一個(gè)飽和或接近于飽和的狀態(tài)，使得巖層膨脹，同樣會(huì)對(duì)伸縮儀數(shù)據(jù)曲線(xiàn)產(chǎn)生影響。

3.4潮汐干擾特性分析

潮汐干擾是通過(guò)潮水的負(fù)荷變化（漲潮、落潮）施加于沿岸，引起地表傾斜固體潮畸變[2]。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在沿海、沿江城市。潮汐的漲落是與地球與月球運(yùn)動(dòng)關(guān)系及觀察地點(diǎn)所在相關(guān)的，白天漲潮稱(chēng)為潮，晚上漲潮稱(chēng)為汐。潮汐分為四個(gè)類(lèi)型，完全全日潮，完全半日潮，不完全全日潮，不完全半日潮，半日潮是指一個(gè)潮漲潮落的周期是半天，也就是說(shuō)一天內(nèi)有兩個(gè)漲潮兩個(gè)落潮，全日潮是指一個(gè)潮漲潮落的周期是一天，一天內(nèi)有一個(gè)漲潮兩個(gè)落潮，完全是指超高達(dá)到完全，不完全是指達(dá)不到完全超高。不同緯度的潮汐周期是不同的。有一種通俗的計(jì)算漲潮的方法，即某天漲潮是前一天漲潮時(shí)間推后兩個(gè)小時(shí)。丹東地區(qū)潮汐干擾特點(diǎn)：由于儀器觀測(cè)的特性不同，所以對(duì)DSQ水管儀與SSY伸縮儀每天造成干擾的時(shí)間段是不相同的，且當(dāng)天較前一天受潮汐干擾影響時(shí)間段要滯后1到2個(gè)小時(shí)。

4 結(jié)論

因?yàn)楦鱾€(gè)觀測(cè)臺(tái)站所處的地理位置不同，觀測(cè)山洞的覆蓋厚度、基巖等先天自然條件亦不相同，所以在此篇文章中，只對(duì)各種自然干擾做一個(gè)定性而不定量的分析，也就是說(shuō)某種自然條件變化對(duì)儀器存在干擾是一定存在的，而變化量達(dá)到哪種程度會(huì)對(duì)觀測(cè)手段產(chǎn)生干擾，這個(gè)量每個(gè)觀測(cè)臺(tái)站是不一樣的，這里我只對(duì)丹東地震臺(tái)的量做一個(gè)詮釋?zhuān)Ｍ茉诮窈蟮挠^測(cè)分析中作為一個(gè)參考。

（1）微氣流擾動(dòng)對(duì)DSQ水管儀造成的干擾影響明顯，而對(duì)SSY伸縮儀造成的干擾影響不明顯，可忽略不計(jì)。（4級(jí)風(fēng)力以上）

（2）氣壓干擾對(duì)SSY伸縮儀造成的干擾影響明顯，對(duì)DSQ水管儀造成的干擾影響不明顯，可忽略不計(jì)。（某一短時(shí)段內(nèi)，一般十幾到幾十分鐘，變化量為1hPa以上）

（3）降雨干擾對(duì)SSY伸縮儀造成的干擾影響較為明顯，而對(duì)DSQ水管儀造成的干擾影響不明顯。（降雨量超過(guò)30mm）

（4）潮汐干擾對(duì)DSQ水管儀與SSY伸縮儀造成的干擾影響都較為明顯。