青海省同仁地震臺前兆測項干擾因素分析*

邱鵬成，蔡麗雯，張 斌

(1.青海省地震局，青海西寧810001;2.青海省黃南州地震局，青海同仁811399)

0 引言

地震前兆分為宏觀前兆和微觀前兆。本文所說的地震前兆觀測不是能通過感官察覺的地震宏觀前兆，而是只能通過儀器進行測量分析的與地震有關的微觀地震前兆信息的觀測。隨著地震觀測科技的進步，地震前兆觀測手段不斷增加。觀測設備已由模擬向數字化、網絡化轉變。不管是模擬觀測還是數字化觀測都面臨環境、人類活動和觀測技術系統故障等諸多因素的干擾，所謂“干擾”，是指對地震異常信息的干擾，尤其是指對地震前兆異常信息的干擾。以往人們往往忽視各類干擾的存在，甚至把干擾看作異常。確定了一種現象是異常，但異常現象不一定都是地震產生的 (邱澤華等，2009)。汶川8.0級地震后，很多專家認為成都地震臺重力和姑咱地震臺鉆孔應變存在異常，經實地調查，證實為臺風干擾和鉆孔內水位干擾 (朱航等，2010)。因此某種意義上在正常動態中也包含有一定的干擾異常 (中國地震局監測預報司，2007)。環境干擾就是江河、湖泊、水渠、水庫、抽注水井、高壓線、鐵路、公路、采石采礦點等長期性環境因素及氣溫、氣壓、降雨、雷電等氣象因素對前兆觀測造成的干擾;人為干擾指人為因素對前兆觀測產生的干擾，具體來說，儀器的現場維護維修、調零或歸零、標定及臺站附近的建筑施工等均屬人為干擾;觀測技術系統干擾主要是儀器設備、通訊線路和供電電源故障及觀測儀器之間的相互影響等產生的干擾 (楊廣華等，2013);不明因素干擾就是找不到原因或說不清楚的因素不明的干擾。

對臺站產出的資料進行干擾因素分析，排查形成的原因，對于處理、利用好前兆資料，認識地震前兆異常的變化，推動其在地震預報研究中的應用都有重要的意義。本文對2008～2012年同仁地震臺水管傾斜、洞體應變、深井地溫等前兆測項所受到的各類干擾進行了深入的研究，對干擾規律和特征進行了總結。

1 臺站前兆觀測概況

同仁縣位于青海省東南部，屬西氫山北麓，處于青海省東部農業區與青南牧業區的交界地帶，為青海省黃南州州政府所在地。同仁縣屬冷溫半干旱氣候區，年平均氣溫5.2℃，年平均相對濕度為56%，年平均蒸發量為1 453.8 mm(青海省地震局，2005)?？h內最大河流隆務河縱貫全縣南北，境內長46.6 km。

同仁地震臺辦公場所位于黃南州政府樓內，除氣象三要素 (輔助測項)儀器在樓前外，其余測項儀器均安裝在山洞內，洞口海撥2 503 m。山洞夾在隆務河及其支流西山溝河之間，與兩條河流的距離分別為800 m和300 m。西山溝河距山洞最近處的海拔為2 600 m。山體巖性為粉質粘土并夾有砂礫，不適合架設地形變儀器。

經過“十五”項目的建設，前兆觀測項目架設有地形變學科SSY-Ⅱ型洞體應變儀、DSQ水管傾斜儀 (2006年10月架設)以及地下流體學科SZW-1A型深層水溫儀 (2007年6月架設)。兩臺形變儀器為同墩位觀測，主體由南北和東西2條線路組成，南北向基坑長8.75 m，東西向基坑長10.35 m。水溫井位于山洞前，井深106.5 m、套管深104 m、探頭置深100 m，井內無水，觀測的是地溫 (邱鵬成等，2008)。

圖1 環境因素對同仁地震臺前兆測項動態曲線的影響Fig.1 Influence of environmental factors on dynamic curve of precursory item at Tongren Station

2 干擾因素分析

2.1 環境因素干擾分析

同仁地震臺山洞東西向放置儀器敦坑道發現有地下水滲出，從最西端的儀器主墩開始，至第3個儀器支墩結束，共有4個墩子底部滲水，且連成一線。一年四季不斷地從墩底涌出，在雨量充沛的時節，出水量會更多。滲出的地下水帶有白色的物質，溫度為16℃左右。河流滲水導致儀器墩傾斜變形，最嚴重的為最西端的儀器主墩，該墩頂面已開始向西傾斜，并帶動坑底變形，通道的水泥護坡也出現裂縫，保溫泡沫板大體向北傾斜。根據洞口水溫井鉆孔資料，井深15.3 m以上為粉質粘土，上部夾有砂礫。15.3～17.8 m為卵石，巖芯采取率達60%以上，20.2～106.5 m為棕紅色泥巖，結構完整，有裂隙發育，巖芯采取率達90%以上，無深層地下水。那么滲水從何而來呢?西山溝河海拔高于洞口近百米，兩者之間可能存在水力上的聯系。滲水水溫16℃說明滲水管道不是直線的，而是類似于“魚鉤”狀的，在滲水的過程中存在一個加溫環節。水溫井深100 m處的溫度在17.2℃左右，滲水管道的深度應至少在100 m以上。圖1a中洞體應變EW向動態曲線一直向上變化，不斷需要人工調零解決，這是儀器敦傾斜影響的結果;水管傾斜NS向動態曲線一直向下變化，雖然NS向坑道沒有滲水，但滲水導致巖體變形必然會影響到NS向觀測，只是干擾程度稍低罷了。

同仁地震臺的環境干擾因素還有氣壓突變和雷電等。氣壓有日變化、年變化和非周期變化三種，氣壓日變化和年變化相對平緩 (李延京等，2014)。氣壓突變是非周期變化的一種，可引起陣風或風暴，還可能產生雷電。在強雷暴天氣出現時，可能會干擾數字化儀器的觀測，當前兆數字化儀器的觀測資料出現異常時，需要及時排除強雷暴干擾，否則較難區別是干擾還是前兆異常 (邱永平，2003)。2008年7月18日21時～19日6時，山洞附近陰云密布，出現了兩次氣壓突變，特別是19日6時前后，在15分鐘內氣壓變化幅度達3 hPa，并伴隨雷電和降雨，對水管傾斜和洞體應變的正常動態變化產生了一定的干擾 (圖1b)，說明氣壓對測值的影響主要是以載荷方式作用的結果 (王小平，2010)，對深層水溫觀測未造成影響。

2.2 人為因素干擾分析

同仁地震臺人為干擾因素主要有調零、校準、供電線路改造、檢查、換水等。當動態曲線一直上升或下降即將超過微調的上限或下限時，需要對儀器及時調零防止傳感器靠擺走直線;在每年的6月底和12月底工作人員要對洞體應變儀和水管傾斜儀進行校準，調零和校準引起的干擾具有明顯的特征，表現為階梯狀突升或突降。2009年7月21～23日工作人員對山洞市電線路進行了重新改造，改造期間需要經常斷電，加之搬運物品、人員的頻繁走動等人為活動的影響，水溫儀、洞體應變儀和水管傾斜儀均受到了不同程度的干擾(圖2)。2011年1月14日水管傾斜儀EW向管道內的水變為綠色，水質發生變化需要換水。在換水時段除了水管傾斜儀外，同墩位觀測的洞體應變儀的兩個分量也受到了較大的干擾。為了檢查儀器的工作狀態，有時需要打開保溫泡沫板查看，這樣的檢查也會產生干擾，干擾的形態以尖銳的脈沖變化為主 (圖3)。上述人為因素干擾形態一般以尖銳脈沖或階梯狀變化為主，具有突變、高頻、持續時間短、變化幅度大等特征。

2.3 觀測技術系統因素干擾分析

觀測技術系統包括數據采集和存儲、信號傳輸、供電避雷、分析與處理等各子系統。只有每一個子系統都正常工作，整個觀測系統才能正常運行。任何一個環節出現問題，都會影響到觀測資料的連續、準確、可靠。

圖2 山洞市電線路改造對同仁地震臺前兆測項動態曲線的影響Fig.2 Influence of circuit transformation in Cave City on dynamic curve of precursory item at Tongren Station

圖3 水管傾斜和洞體應變儀水管換水 (a)及人為打開保溫板檢查 (b)產生的干擾Fig.3 Interference of watertube tiltmeter and water change of the pipe of cave strain(a)and artificial opening and checking the insulation board

同仁地震臺觀測技術系統干擾因素主要有供電電源故障、開機和重啟儀器、儀器主機 (數采)故障等。供電電源故障包括電瓶饋電和UPS主機故障兩方面，2011年8月24日市電停電，因電瓶饋電造成水管傾斜儀和洞體應變儀斷記，水溫儀除了UPS供電外還自帶有小電瓶，觀測未受影響。更換電瓶后，8月25日UPS主機又發生故障，8月26日更換UPS主機，觀測記錄才恢復正常，水管傾斜和洞體應變動態曲線由于受到多次開機或重啟儀器影響，出現了大幅突跳，持續時間一般在半小時以上。這是在加電的瞬間，電流過大，造成數采的工作狀態失穩引起的。另外，儀器主機 (數采)或擺體故障也會對動態曲線造成干擾，其典型特征是儀器仍然在運行，觀測記錄不穩定，異常與正常形態交錯出現，這時應立即更換主機，徹底解決問題 (圖4、5)。

2.4 不明因素干擾分析

除了上述干擾因素外，筆者在研究的過程中發現，有的干擾找不到原因，不是沒有原因，而是目前的認知水平有限，不排除一種干擾伴隨著另一種干擾的出現而出現。如圖6所示，2012年4月19日～6月6日洞體應變NS向和洞體室溫 (在NS向坑道內)出現了一次“U”型異常變化，此次異常變化恰好是在對水管傾斜調零之后發生的，洞體應變和水管傾斜EW向均沒有異常反應，排除其為地震前兆異常。是不是保溫泡沫板沒蓋好呢?經調查了解，沒有相關的記錄，值班人員也無法解釋 (圖6)。類似的情況2012年12月也出現過一次，不同的是洞體應變NS向和洞體室溫處于異常上升時段，在12月28日對洞體應變NS向校準后，異常逐步恢復。這兩次干擾與儀器調零和校準是否存在因果關系，確切的原因仍需進一步的研究。因為各前兆學科的地震分析預報和干擾因素的分析與排除密不可分 (張朝明等，2003)，武斷下結論是不可取的。

圖4 供電電源故障對水管傾斜 (a)和洞體應變 (b)的干擾Fig.4 Interference of power supply fault on water tube tilt(a)and the cave strain(b)

圖5 儀器故障對水管傾斜儀 (a)和水溫動態變化 (b)的干擾Fig.5 Interference of instrument fault on water tube tilt(a)and dynamic change of water temperature(b)

3 討論與結論

(1)同仁地震臺前兆測項受到的環境干擾因素主要有西山溝河滲水、氣壓突變和雷電等。西山溝河可能通過類似于“魚鉤”狀滲水管道滲出坑道，造成儀器墩傾斜，動態曲線一直沿一個方向變化，需要不斷調零解決;氣壓突變對水管傾斜和洞體應變的正常動態變化產生了一定的干擾，對深層水溫觀測未造成影響。

(2)同仁地震臺人為干擾因素主要有校準、檢查、換水、供電線路改造等。人為因素干擾形態一般以尖銳脈沖或階梯狀變化為主，具有突變、高頻、持續時間短、變化幅度大等特征。

(3)同仁地震臺觀測技術系統干擾因素主要有供電電源故障、開機和重啟儀器、儀器主機(數采)故障等。干擾形態除了具有突變、大幅度等特征外，還伴有斷記現象。

(4)除了環境、人為和觀測技術系統因素外，同仁地震臺還存在不明因素干擾，不明因素干擾已經確定為干擾，但暫時無法找到原因。

(5)洞體應變和水管傾斜屬于同墩位觀測，現場針對其中一個測項的檢查、調零、校準或維護都會影響到另一個測項的正常記錄。

圖6 不明因素對同仁地震臺洞體應變NS(a)、EW(b)及水管傾斜NS(c)、EW(d)、輔助溫度 (e)的影響Fig.6 Influence of unknown factors on cave strain in NS(a)、EW(b)and water tube tilt in NS(a)EW(b)、and auxiliary temperature(e)

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