李波，陳陽，白世達(dá)，李萬金

(云南省地震局個舊地震臺，云南 個舊 661000)

0 引 言

地形變觀測是獲取地殼的微小變化、捕捉地震前兆信息的途徑之一，也是做好震情跟蹤工作的重要依據(jù)之一[1]。在VP垂直擺傾斜儀觀測過程中，往往會受到一些外界因素的干擾，如自然環(huán)境、場地環(huán)境、人類活動等，使得觀測資料出現(xiàn)幅度不等的異常變化，這些異常變化是地震前兆異常還是干擾，值得進(jìn)一步研究總結(jié)。目前，對個舊地震臺(以下簡稱“個舊臺”)的VP垂直擺干擾分析較少，本文通過分析個舊臺VP垂直擺數(shù)據(jù)的干擾因素，總結(jié)各類干擾的表現(xiàn)形式，建立干擾圖像庫，對提高數(shù)據(jù)干擾判別能力及觀測資料質(zhì)量具有重要意義，有利于提取較為可靠的前兆異常信息。

1 觀測背景

1.1 臺址構(gòu)造

個舊臺地處云南省東南部，隸屬云南省地震局，位于北南走向的小江斷裂南端和西北—東南走向的楚雄—紅河斷裂帶的交匯部位，地處個舊斷裂以南2 km，臺站及周邊地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，中強(qiáng)地震頗為頻繁，地震活動水平較高。

1.2 觀測洞室環(huán)境

個舊臺位于個舊市寶華公園內(nèi)，海拔1 791 m，VP垂直擺傾斜儀觀測山洞洞體巖性為灰?guī)r，山洞覆蓋層平均厚度35 m。山洞內(nèi)設(shè)置船艙門2道、塑料門5道，以減小空氣流動、保持恒溫。儀器洞室溫度約為17.2 ℃，洞溫日變幅小于0.003 ℃，年變幅小于0.1 ℃。山洞洞體干燥，全年溫差變化極小，觀測條件優(yōu)良。

1.3 觀測儀器

個舊臺VP型寬頻帶傾斜儀于2016年1月12日安裝，同年2月1日正式投入觀測，有南北、東西兩個分量，實現(xiàn)了數(shù)字化采集，可通過電腦完成儀器調(diào)零、校準(zhǔn)等操作。個舊臺具有氣溫、氣壓、降雨量等輔助觀測手段。VP型寬頻帶傾斜儀運(yùn)行以來，工作性能穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。

2 干擾分析

地震前兆信息識別較為復(fù)雜，觀測數(shù)據(jù)易受到自然環(huán)境、場地環(huán)境、觀測系統(tǒng)、人類活動等因素干擾，因此區(qū)分前兆信息與各類干擾因素十分必要。

個舊臺VP型寬頻帶傾斜儀自投入觀測以來，已積累了穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)。根據(jù)日常工作記錄日志，從中提取具有代表性的干擾事件，建立個舊臺VP垂直擺觀測受降雨、雷電、蓄水池蓄水、爆破等干擾波形圖像庫，能有效提高VP垂直擺觀測資料的可信度和可用度。

2.1 正常記錄曲線

通過近年來日常觀測資料分析對比，結(jié)合氣象三要素，在確保無降雨、雷電、爆破、儀器故障等因素的影響下，截取2020年3月9日VP垂直擺觀測分鐘值曲線。由圖1可知，VP垂直擺正常固體潮為光滑、噪聲低的正弦曲線，且具有一定周期性；南北分量最大日變幅約為25×10-3"，東西分量最大日變幅約為29×10-3"。

圖1 2020年3月9日正常固體潮曲線

2.2 降雨干擾

個舊屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，雨水充沛，雨季為每年6～10月，大量降雨對VP垂直擺觀測干擾較大。根據(jù)相關(guān)研究，降雨時一部分雨水經(jīng)地表流走，另一部分則滲入山體巖石的裂縫或土層中，巖石的不規(guī)則裂縫經(jīng)雨水滲透發(fā)生膨脹，孔隙間壓力發(fā)生改變，使巖石產(chǎn)生不均勻的變形[2]。同時，孔隙與土層中水的存在，使洞體覆蓋層重量產(chǎn)生變化，造成垂直擺觀測發(fā)生傾斜變化[3]。由2021年6月30日～7月6日個舊臺VP垂直擺觀測分鐘值曲線可知，南北分量7月2日～3日呈緩慢下降趨勢，圖中南北分量突跳為記錄到的地震(圖2)，東西分量7月1日～3日呈快速下降趨勢；期間觀測系統(tǒng)運(yùn)行正常，無場地環(huán)境、人類活動等干擾因素，2021年6月30日～7月2日個舊連續(xù)強(qiáng)降雨，累計降雨量為123 mm，分析認(rèn)為連續(xù)強(qiáng)降雨是導(dǎo)致數(shù)據(jù)下降的原因。

圖2 個舊臺VP垂直擺降雨干擾曲線

2.3 雷電干擾

雷電產(chǎn)生的感應(yīng)磁場可在地面金屬網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生感應(yīng)電荷，高強(qiáng)度的感應(yīng)電荷在金屬網(wǎng)絡(luò)中形成瞬間高壓電場，從而對儀器內(nèi)部的弱電設(shè)備進(jìn)行放電[4]，VP垂直擺觀測易受到雷電的強(qiáng)電磁干擾。

2020年4月23日個舊出現(xiàn)雷雨天氣，VP垂直擺南北、東西分量觀測曲線出現(xiàn)不同幅度臺階(圖3)，與正常固體潮曲線明顯不同，經(jīng)與個舊臺測震資料核實確定，當(dāng)天該區(qū)域未發(fā)生地震或爆破，且值班人員確定臺階時間段臺站附近雷電活動頻繁，故確定個舊臺南北、東西分量受雷電干擾。

圖3 個舊臺VP垂直擺雷電干擾曲線

2.4 蓄水池蓄水干擾

自2016年2月1日VP垂直擺傾斜儀正式投入觀測以來，VP垂直擺東西分量記錄曲線偶有畸變，經(jīng)系統(tǒng)性排查，最終確定為山洞上方蓄水池蓄水影響。

個舊觀測山洞位于個舊市寶華公園內(nèi)半坡上，形變觀測儀器安置于山洞內(nèi)，個舊市自來水公司的城市居民用水寶華公園1號蓄水池位于觀測山洞斜上方山坡上，1號蓄水池高程為1 810 m，距測點水平距離約23 m，與測點垂直高差約20 m，蓄水池為圓柱形，儲水量約200 m3。

1號蓄水池一般處于動態(tài)平衡狀態(tài)(供水和出水平衡)時，對形變觀測無干擾。距1號蓄水池約500 m，垂直位置更高處建有2號蓄水池(2號蓄水池蓄水承重變化對形變無干擾)。因1號蓄水池與2號蓄水池共用一根供水管，兩個蓄水池同時供水時2號蓄水池由于供水水壓不夠而無法供水，所以給2號蓄水池供水時需關(guān)閉1號蓄水池的進(jìn)水閥，這樣就打破1號蓄水池動態(tài)平衡，引起蓄水量變化，從而導(dǎo)致形變觀測儀VP垂直擺東西分量記錄曲線畸變。因2號蓄水池居民用水速度不定、抽水人員開關(guān)閥時間及時長不固定，所以影響頻次為不定期，干擾幅度也有所不同。

2016年5月11日我臺協(xié)同云南省地震局儀器維修人員與自來水公司工作人員到蓄水池實地調(diào)查，并與自來水公司協(xié)商一致，請自來水公司開關(guān)水閥的工作人員記錄每天的開關(guān)水閥的時間，為期一個月(2016年5月13日～2016年6月12日)，整月的觀測記錄顯示VP垂直擺實際觀測曲線受干擾時段與開關(guān)水閥時間完全吻合，故明確判定個舊臺VP垂直擺東西分量記錄曲線畸變?yōu)樾钏匦钏蓴_。典型干擾記錄曲線及開關(guān)水閥時間對比分析見圖4，圖中突跳為記錄到的地震。通過一個月的開關(guān)水閥記錄發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蓄水池處于動態(tài)平衡狀態(tài)(進(jìn)水和出水平衡)時，對VP垂直擺觀測無干擾；經(jīng)過協(xié)商，自來水公司通過增加水壓解決2號水池供水問題，不再進(jìn)行1號蓄水池進(jìn)水口關(guān)閥操作，VP垂直擺觀測恢復(fù)正常。

圖4 個舊臺VP垂直擺東西分量受蓄水池蓄水干擾曲線

圖5 個舊臺VP垂直擺爆破干擾曲線

2.5 爆破干擾

個舊市是以生產(chǎn)錫為主并生產(chǎn)鉛、鋅、銅等多種有色金屬的冶金工業(yè)城市，是中外聞名的“錫都”，開采錫礦的歷史有約2000年，是中國最大的產(chǎn)錫基地。個舊臺臺站周邊有云錫公司所屬的大屯、卡房、老廠三個礦區(qū)，三個礦區(qū)距離個舊臺直線距離均在20 km以內(nèi)。

日常處理數(shù)據(jù)過程中，我臺注意到VP垂直擺記錄曲線經(jīng)常存在不明原因突跳，通過對觀測系統(tǒng)、觀測環(huán)境等逐一排查，結(jié)合臺站工作人員到云錫公司核實情況及對比我臺測震資料可以確定是臺站周邊礦區(qū)爆破干擾，爆破產(chǎn)生的振動能夠被VP垂直擺清晰記錄到。

由VP垂直擺爆破響應(yīng)分鐘值曲線(圖5a)可見，爆破對應(yīng)時刻記錄曲線單點突跳；由爆破對應(yīng)時刻測震儀的記錄波形(圖5b)可見，爆破波形周期較大，擾動頻率較低，持續(xù)時間相對較短。

圖6a為2021年4月21日個舊2.5級地震(震中距10 km)VP垂直擺記錄曲線，地震對應(yīng)時刻記錄曲線單點突跳；地震對應(yīng)時刻測震儀記錄到的波形可看出地震波形記錄周期小(圖6b)，頻率高，持續(xù)時間相對較長，震相特征明顯。因此，通過查看對應(yīng)時刻的測震波形可以有效區(qū)分爆破和地震。

圖6 2021年4月21日個舊2.5級地震同震響應(yīng)

2.6 觀測系統(tǒng)類干擾

個舊臺VP傾斜儀南北分量2019年11月19日數(shù)據(jù)記錄毛刺多(圖7a)，故障發(fā)生后值班人員及時排查維修，發(fā)現(xiàn)因觀測室內(nèi)濕度較大，垂直擺南北分量密封不嚴(yán)且干燥劑使用時間過長失效，導(dǎo)致線路受潮嚴(yán)重發(fā)生故障。為解決潮濕引起的線路故障，個舊臺于2020年4月9日在儀器墩上安裝了密封罩，在密封罩內(nèi)放置了足量的干燥劑且定期更換，防潮效果較好。

2019年3月6日南北分量通過電腦發(fā)送調(diào)零指令后調(diào)零未果(圖7b)，圖中高頻擾動為記錄到的地震。經(jīng)查為調(diào)零電機(jī)故障，更換調(diào)零電機(jī)后恢復(fù)正常。

圖7 觀測系統(tǒng)干擾

2.7 人為干擾

人為干擾類型較多，如校準(zhǔn)調(diào)零、儀器維修、日常巡檢等，對VP垂直擺觀測均會造成不同程度的影響，如：①2021年4月9日工作人員進(jìn)山洞檢修儀器，造成較長時間干擾，觀測數(shù)據(jù)畸變，其中南北分量最大變幅為252.815×10-3"，東西分量最大變幅為316.966×10-3"，與正常固體潮變幅相差較大(圖8a)，儀器檢修完成后恢復(fù)正常；②個舊地震臺于2019年9月28日對VP垂直擺進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，觀測數(shù)據(jù)受到干擾，觀測曲線多次出現(xiàn)脈沖和壞數(shù)(圖8b)。

圖8 人為干擾

3 結(jié)論和認(rèn)識

3.1 結(jié) 論

個舊臺VP垂直擺傾斜儀自正式投入觀測以來運(yùn)行良好，能夠清晰的記錄固體潮變化，觀測數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。通過對個舊地震臺VP垂直擺觀測中存在的典型干擾進(jìn)行分析，根據(jù)成因可分為自然環(huán)境、場地環(huán)境、觀測系統(tǒng)、人為干擾4種類型。

(1)個舊臺VP垂直擺觀測受降雨、雷電等自然環(huán)境干擾。降雨是VP垂直擺觀測的普遍干擾因素，許多站點均有類似記錄；干擾幅度及干擾時間長短與降雨時長、強(qiáng)度等因素有關(guān)。對于雷電干擾，對應(yīng)時刻VP垂直擺觀測曲線出現(xiàn)大幅臺階，南北、東西分量均形成“平緩—陡降—陡升”的變化過程。

(2)個舊臺VP垂直擺觀測場地環(huán)境類干擾主要是臺站上方蓄水池蓄水、爆破干擾；對于蓄水池蓄水干擾，自來水公司不再進(jìn)行蓄水池進(jìn)水口關(guān)閥操作，干擾已消除。對于爆破干擾，由于云錫公司生產(chǎn)需要，爆破在所難免，所以日常工作中應(yīng)及時查看個舊臺測震波形來區(qū)分爆破和地震，并認(rèn)真填寫工作日志。

(3)個舊臺VP垂直擺觀測觀測系統(tǒng)類干擾主要包括線路故障、調(diào)零電機(jī)故障；對于線路受潮引起的數(shù)據(jù)畸變，個舊臺已在儀器墩上安裝了密封罩，在密封罩內(nèi)放置了足量的干燥劑且定期更換，防潮效果較好。對于調(diào)零電機(jī)故障，個舊臺配備了備用調(diào)零電機(jī)一旦發(fā)生故障及時更換，避免人工進(jìn)洞調(diào)零造成長時間干擾。

(4)實際觀測中，人為干擾不可避免，日常工作中如需進(jìn)洞維修要提前做好準(zhǔn)備工作，維修人員應(yīng)熟悉并掌握儀器構(gòu)造，盡可能的縮短維修時間。

3.2 認(rèn) 識

(1)VP垂直擺觀測有些干擾具有一定普遍性，如降雨、雷電等，許多臺站均有記錄，可學(xué)習(xí)前人的方法進(jìn)一步研究或通過技術(shù)手段消除。

(2)因各臺站環(huán)境不同，VP垂直擺觀測干擾因素存在差異，在實際工作中要及時發(fā)現(xiàn)并查找干擾源，采取相應(yīng)措施盡可能減少對VP垂直擺觀測的影響，使觀測數(shù)據(jù)更可靠。

(3)各類干擾對VP垂直擺觀測均有不同程度的影響，建立各類干擾的典型特征圖像庫，對提高VP垂直擺觀測資料質(zhì)量具有重要意義。