昔陽地震臺水平擺強降雨干擾特征

宮靜芝呂永青宋志英王振江楊順達

1）中國山西045300昔陽地震臺

2）中國山西030025太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站

3）中國山西035514五臺地震科技中心

昔陽地震臺水平擺強降雨干擾特征

宮靜芝1），2）呂永青1），2）宋志英1），2）王振江1），2）楊順達2），3）

1）中國山西045300昔陽地震臺

2）中國山西030025太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站

3）中國山西035514五臺地震科技中心

昔陽地震臺石英水平擺傾斜儀受強降雨干擾，受地形、地質條件影響，干擾特征表現(xiàn)為：降雨發(fā)生后，NS分量向南傾斜，EW分量向西傾斜。

降雨干擾；水平擺；傾斜

0 引言

在地震監(jiān)測過程中，氣溫、氣壓、降雨、濕度等外界因素對水平擺傾斜儀觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定影響，客觀分析干擾因素，提取較為可靠的地震前兆異常信息尤為重要。2013年11月起，昔陽地震臺使用地震前兆臺網(wǎng)（站）觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺，對周、月、年地震觀測數(shù)據(jù)進行跟蹤分析，總結各種干擾記錄的形態(tài)特征，尋找變化規(guī)律，為震兆異常和非震異常識別研究提供實測數(shù)據(jù)。在此以昔陽地震臺水平擺傾斜儀記錄為例，研究降雨對觀測數(shù)據(jù)的影響特征。

1 臺站背景

昔陽地震臺（以下簡稱昔陽臺）海拔960 m，位于山西斷陷帶以東太行山斷塊隆起處，贊皇隆起南部沁水凹陷過渡地帶，沁水煤盆地東北邊緣，以NNE向構造為主，同時存在NS向和NE向構造。昔陽臺以北約380 m處為大寨斷層，該斷層走向N38°E，傾向NW，傾角70°，長8 km，沿斷層線出露新生代玄武巖。臺站西南向4.63 km處為郭莊水庫，見圖1。

昔陽臺形變觀測山洞1971年建成，2008年4月改造。形變山洞進深40.67 m，覆蓋層厚15 m，洞口與儀器室之間設置4道船艙門、1道玻璃推拉門相隔，溫度日變化小于0.1℃，年變化小于0.4℃，附近無干擾源，觀測環(huán)境良好。

2 水平擺觀測系統(tǒng)

1972年4月昔陽臺JB-70金屬擺傾斜儀投入觀測，1988年4月1日停測，11月1日恢復觀測，2008年因儀器老化停止觀測，2011年11月改為“十五”數(shù)字化觀測，架設SSQ-2I數(shù)字化石英水平擺傾斜儀，2012年7月正式運行，觀測數(shù)據(jù)并入中國地震前兆臺網(wǎng)中心系統(tǒng)。水平擺觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，固體潮曲線圓滑，大潮、小潮分明，正常年變化為NS分量傾向北，EW分量傾向西（宋志英等，2013）。

圖1　昔陽臺與郭莊水庫空間分布Fig.1 Distribution of Xiyang Seismic Station and Guozhuang reservoir

3 降水影響

昔陽地處溫帶、暖溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，年平均降水量571.9 mm，6—9月降水集中，占全年降水量的80%，春秋少雨多風，冬季風雪較少。2012—2014年，昔陽臺水平擺傾斜儀記錄到幾次較大趨勢變化，且變化均發(fā)生在強降雨期間，見圖2；具體的降雨量與對應的NS、EW分量變化統(tǒng)計見表1。由圖2可見，強降雨發(fā)生后，水平擺傾斜儀記錄的干擾特征表現(xiàn)為：NS分量向南，EW分量向西傾斜。

圖2　2012—2014年昔陽臺水平擺降雨干擾曲線Fig.2 Curve of rainfall interference with the horizontal pendulum at Xiyang Seismic Station from 2012 to 2014

表1　降雨對昔陽臺水平擺典型干擾Table 1 The typical interference effects of Xiyang horizontal pendulum by rainfall

4 資料分析

2014年7月19日—24日昔陽當?shù)剡B續(xù)降水，水平擺觀測數(shù)據(jù)曲線產(chǎn)生畸變，以此為例，分析降雨對水平擺干擾影響。由昔陽臺氣象三要素記錄儀數(shù)據(jù)記錄可知，2014年7月19日15時開始降雨，21日—24日連續(xù)降雨，石英水平擺傾斜儀NS向觀測數(shù)據(jù)于7月20日22時52分向北加速傾斜，21日17時轉折南傾，而EW分量變化不明顯；22日6時左右，NS、EW分量同步加速向西南傾斜，期間固體潮日變化模糊，截至24日，NS分量累計南傾324×10-3＂，EW分量累計西傾206×10-3＂（表1）；至26日，NS、EW分量恢復至本次加速傾斜變化前具有清晰固體潮日變化的正常形態(tài)（圖3）。

圖3　昔陽臺2014年7月17日—27日水平擺、降雨量分鐘值曲線Fig.3 The horizontal pendulum，rainfall minute value curve at Xiyang Seismic Station form July 17 to 27，2014

在觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)趨勢變化后，對水平擺傾斜儀運行狀況、觀測環(huán)境進行全面檢查，發(fā)現(xiàn)觀測儀器工作正常，觀測環(huán)境未發(fā)生明顯改變，觀測洞室無明顯進水痕跡，潮濕現(xiàn)象不嚴重。

綜合多次水平擺觀測數(shù)據(jù)趨勢變化與每年同時期相應降雨量（表1）變化，發(fā)現(xiàn)二者存在明顯相關性，但非簡單的線性相關，不只取決于當日降水量，還與臨近時段降水量有關，具體表現(xiàn)為：①固體潮畸變與降水相關性較強（基本同步，固體潮畸變延遲2—5小時），并具有一定持續(xù)性。表現(xiàn)為：初始降水量大，水平擺傾斜記錄干擾明顯；降水結束后，干擾不會馬上減弱，而持續(xù)一段時間；②在連續(xù)降水影響下，水平擺傾斜記錄曲線表現(xiàn)出間歇性上升、下降的起伏波動過程；③傾斜幅度及持續(xù)時間與降雨強度及持續(xù)時間有關。降雨引起水平擺曲線的突變擾動和加速形成，具有突發(fā)性，降雨停止一段時間后終止。降雨發(fā)生后，昔陽臺水平擺傾斜儀NS分量現(xiàn)北傾后急速南傾，EW分量同樣先東傾后西傾，整體漂移方向為NS分量南傾，EW分量西傾。若降雨量少、時間短，曲線向NE向傾斜變化不明顯；④從干擾量級看，昔陽臺水平擺NS分量受降雨干擾比EW分量大，與孫伶俐等（2010）的研究結果一致。

5 降雨干擾機理

降雨量小不會對水平擺觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，降雨量達20 mm以上有可能產(chǎn)生影響，且與每次降雨方式相關。夏季強對流天氣容易造成降雨速度過快，積水未滲透巖隙就經(jīng)地表流走了，且因夏季山體表面溫度高，空氣干燥，雨水蒸發(fā)快，一般不會對水平擺觀測數(shù)據(jù)造成影響。若降雨持續(xù)時間較長，雨量較大，空氣濕度大，蒸發(fā)量小，雨水滲入巖石內部并加載到山體中，使得觀測儀器基巖受浸潤、膨脹、擠壓等作用，產(chǎn)生不均勻變化，對水平擺傾斜儀記錄數(shù)據(jù)產(chǎn)生明顯影響。當連續(xù)降雨量超過驅動降雨量時，水平擺觀測受降雨干擾變化會同步表現(xiàn)出來（劉輝等，2000）。昔陽臺形變山洞所處山脊走向近南北，山體北高南低，地勢東高西低，降雨一般沿西南方向流，與降雨后儀器變化傾向一致。由于南北高差明顯，東西相對平緩，降雨時NS分量變化幅度比EW向大。

昔陽臺西南方向的郭莊水庫，控制流域面積175 km2，總容量2 165m3，雨季受降雨補給，導致水體質量增加，水位的垂直變化對水庫周圍壓強增大，從而使水平擺記錄曲線發(fā)生畸變，特別是強降雨，變化更加明顯，與鄭永通等（2015）的研究結果一致。

6 結論

綜上所述，昔陽臺水平擺傾斜儀觀測曲線受強降雨干擾特征表現(xiàn)為：①數(shù)據(jù)變化與降水具有一定相關性，但非簡單線性相關，且干擾曲線形態(tài)復雜，降雨量越大，持續(xù)時間越長，傾斜量變化越大；②時間上具有同步效應，在降雨2—5小時后，水平擺NS分量向北，EW分量向東短暫加速，雨量較小時，NE向傾斜變化不明顯，隨后向SW加速，1—3天后速率逐漸減慢，1周左右恢復到原來水平；③NS分量變化幅度較大。

宋志英，呂永青，王振江，等.昔陽臺SSQ-2I數(shù)字化石英擺傾斜儀精度及圖像特征分析研究 ［J］.山西地震，2013，153（1）：28-30.

孫伶俐，羅俊秋，龍濤.大氣降水對數(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，2010，30（A01）：105-110.

劉輝，華天元，尚烏生.降雨對烏什臺地傾斜觀測的影響［J］.內陸地震，2000，14（4）：345-349.

鄭永通，劉其壽，楊佩琴，等.降雨對垂直擺傾斜儀的干擾與排除［J］.大地測量與地球動力學，2015，35（2）：353-355.

Abstract

The horizontal pendulum at Xiyang Seismic Station is affected by terrain and geological conditions.It interferes with the heavy rainfall simultaneously.Its interaction characteristics are that NS component inclines to south，while EW component inclines to west after the rainfall.

The influence characteristics of Xiyang horizontal pendulum by heavy rainfall

Gong Jingzhi1），2），Lv Yongqing1），2），Song Zhiying1），2），Wang Zhenjiang1），2）and Yang Shunda2），3）
1） Xiyang Seismic Station，Shanxi province 045300，China
2） National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan，Shanxi Province 030025，China
3） Wutai Seismic Science & Technology Center，Shanxi Province 035514，China

rainfall interference，horizontal pendulum，tilt

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.013

宮靜芝（1989—），女，山西省昔陽縣人，2012年6月畢業(yè)于山西大學商務學院信息學院信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)，獲學士學位，助理工程師，主要從事地震監(jiān)測工作。E-mail：gongjingzhi1989@126.com