降雨變化對昭通中心站YRY-4鉆孔應變儀的影響分析＊

彭登靖 馬敏偉 秦 波 馬 達

（云南省地震局昭通中心站，云南昭通 657000）

引言

YRY-4 鉆孔應變儀是一種重要的地形變觀測儀，有觀測數據可靠、靈敏度高、固體潮記錄清晰的優點，能夠記錄地殼內部的微弱變化，是一種使用廣泛的地形變觀測儀器，在記錄地形變變化及監測地震前兆異常信息方面有重要意義[1]。

在雨季較為集中的夏季和秋季，云南昭通中心站YRY-4 鉆孔應變儀觀測數據受降雨干擾明顯，降雨干擾致使觀測數據曲線發生異常變化，覆蓋了一些很重要的前兆異常信息。為此，定量分析降雨干擾，可以幫助我們區分干擾和異常，積累經驗，為地震研究服務。目前，已有學者基于降雨對地震監測儀器的干擾進行量化分析。例如，呂琳等[2]利用形變觀測數據，運用統計歸納法對武漢臺形變觀測與降雨參數進行定量分析；李智蓉等[3]運用數學回歸模型方法，定量分析降雨對昭通地震臺的影響。上述學者認為，降雨量與形變之間存在聯系，當降雨量達到某臨界值時，便會干擾形變儀器觀測數據，降雨量與YRY-4 鉆孔應變儀應變量之間呈線性對應關系。

YRY-4 鉆孔應變儀觀測數據受降雨干擾機理較為復雜，降雨量與應變量之間是何種對應關系？降雨影響主要來自哪些方面？這些都需要對前兆觀測數據進行深入的分析與處理。因此，定量分析降雨對YRY-4 鉆孔應變儀的影響，提高降雨干擾特征的認識很有必要。

本文利用昭通中心站YRY-4 鉆孔應變儀2018—2021 年月變、年變觀測資料，定量分析降雨對觀測數據曲線產生的影響。采用統計降雨干擾事件進行線性相關性、回歸性分析，擬合出降雨總量、瞬間最大值降雨量與YRY-4 鉆孔應變儀應變量之間的關系。

1 臺站形變及YRY-4 鉆孔應變儀概況

昭通中心站地處云南省東北部（簡稱滇東北），這里有近南北向構造的小江斷裂、峨眉—金陽斷裂、漢源—甘洛斷裂，北西向構造的威寧—大關馬邊斷裂，北東向構造的巧家—五蓮峰斷裂、灑漁河斷裂、迤車迅斷裂與昭魯斷裂等斷裂帶。滇東北地區處于地震活躍區，臺站地質構造復雜，受應變力類型作用較多，這些特點使昭通地區具備中強震孕育的環境條件。

昭通（滇東北）地處云南東北方，夏季降雨量大，持續時間長，冬季氣溫低，常常有降雪。臺站基巖為晚古生代二疊紀玄武巖。YRY-4 鉆孔應變儀安裝在距離地面45 m 處，玄武巖地層，套管距離地表25 m深，在接近探頭10—20 m 深處有多處掉塊、破碎，探頭距離地面44.7 m 深完整段處，降雨滲透較大，受降雨干擾較明顯，在短臨跟蹤方面有很重要的作用。比如，趙琴等[4]發現鉆孔應變在MS5.5 震前有異常；祁蒙等[5]利用YRY-4 鉆孔應變儀開展異常核實。

昭通中心站還有水平擺、水管儀、伸縮儀、重力儀等地形變觀測儀器，在地震監測和短臨跟蹤中可為YRY-4 鉆孔應變儀受干擾情況提供輔助佐證[6]。經過長時間觀測，各套形變儀器在降雨、融雪等影響下多次出現同步干擾、地震同步響應。

2 降雨對YRY-4 鉆孔應變儀定量干擾分析

為研究降雨量與鉆孔應變量之間的對應關系，發現YRY-4 鉆孔應變儀應變量與降雨量之間可能存在的規律，以及分析降雨對YRY-4 鉆孔應變儀產生干擾的原因。本節從降雨干擾論證、降雨干擾概述和定量分析降雨干擾進行論證。

2.1 降雨干擾論證

為驗證昭通中心站YRY-4 鉆孔應變儀觀測數據周期性異常變化是否為降雨干擾，本文從觀測系統、觀測環境兩方面進行排除論證。

YRY-4 鉆孔應變儀觀測數據自洽檢驗是用于驗證儀器本身是否工作正常，觀測數據是否可靠的一種方法，其原理是利用地震儀器檢測軟件，導入YRY-4 鉆孔應變儀S1、S2、S3、S4四分量觀測數據，如果兩分量數據相互正交之和相等，即S1+S3=S2+S4，說明儀器工作正常，如不相等則儀器故障。導入2021 年6 月YRY-4 鉆孔應變儀觀測數據（圖1），結果表明：北南分量、東西分量之和（S1+S3）與北西分量、北東分量之和（S2+S4）相等，證明YRY-4 鉆孔應變儀工作正常，觀測數據可靠，基本排除儀器本身干擾的影響。

圖1 自檢相關系數K 值檢驗Fig.1 Self-check correlation coefficient K value test

YRY-4 鉆孔應變儀受自然環境干擾較多，常見的為降雨、融雪等。提取2015 年以來年變觀測數據，統計降雨次數發現一個共同特點：YRY-4 鉆孔應變儀觀測數據趨勢轉折異常變化基本發生在降雨較多的夏季和秋季，春季和冬季觀測數據基本正常。趨勢轉折集中出現在每年4—9 月，統計2015 年以來降雨干擾高達300 次；其次，臺站水管儀、伸縮儀、垂直擺等形變儀器在降雨量較大時也同步出現干擾，只是記錄干擾情況不同，基本說明臺站周圍地質因降雨而發生形變，即趨勢轉折為降雨干擾。

2.2 降雨干擾概述

統計昭通地區2018—2021 年降雨事件共245 次，其中降雨對YRY-4 鉆孔應變儀產生干擾次數達158 次。降雨大小、類型不同，對曲線形態產生的影響不同。降雨總量或瞬間最大值降雨量小于某個量值時，降雨不會對觀測數據曲線形態產生影響；當降雨達到一定量時，降雨量越大，YRY-4鉆孔應變儀應變量越大。為便于分析，基于YRY-4鉆孔應變儀為北南、東西、北東、北西四分量數據變化是同步的，本文選取北南分量觀測數據為例進行分析。

在統計的245 次降雨干擾事件中，列舉了2019年4 月和2021 年10 月瞬間最大值降雨對觀測曲線沒有產生干擾的情況中（圖2），固體潮記錄清晰，受降雨干擾不明顯。由于降雨總量或瞬間最大值降雨量未達到曲線形態變化臨界值，共有87 次降雨未對曲線形態變化產生影響。可能因為降雨量較少，降雨持續時間較短，雨量被土質吸收、蒸發，降雨干擾與應變之間存在遲滯性所致。

圖2 降雨對YRY-4 鉆孔應變儀應變無干擾情況Fig.2 Rainfall does not interfere with the strain of the borehole strain gauge

當受到長時間降雨或瞬間最大值降雨干擾時，曲線走勢會明顯發生變化。圖3a 為2020 年6 月觀測數據曲線間斷或連續性加速上升，儀器間斷或持續向北傾斜變化；圖3b 為2021 年7 月觀測數據曲線間斷或連續性加速下降，儀器間斷或持續向南傾斜變化。可能由于降雨量較大，雨水滲透，土質吸收雨水，雨水短時間難以蒸發，地形變變化所致。

圖3 降雨干擾Fig.3 Rainfall disturbance

2.3 定量分析降雨干擾

根據長時間的經驗積累，降雨對YRY-4 鉆孔應變儀觀測數據干擾的影響大致分為兩類：①一段時間積累的降雨總量；② 短時間強降雨積累的降雨量。根據降雨類型的不同，為便于分析，將 ①命名為降雨總量，② 命名為瞬間最大值降雨量。本文選取2020 年6—9 月昭通中心站氣象三要素降雨量數據，對降雨總量、瞬間最大值降雨量進行定義。降雨總量是指一次降雨一段時間內所達到的降雨總量（如圖4a 降雨量值圖中方框范圍所示），此類降雨持續時間大于10 min，兩次相鄰降雨時間間隔小于12 h；瞬間最大值降雨量是指單位時間內所達到的最大值降雨量（如圖4a 降雨量圖中箭頭所示），單位時間一般小于3 min，單位時間降雨量小于40 mm。

以降雨總量、瞬間最大值降雨量為自變量，YRY-4鉆孔應變儀應變量為因變量進行降雨干擾定量分析。一次累計降雨總量對應YRY-4 鉆孔應變儀應變量，理論上形成相對應關系，但由于降雨干擾具有遲滯性，數據曲線趨勢轉折點會相應后移（圖4b）。

圖4 為2020 年6—9 月鉆孔應變年變曲線以及降雨總量、瞬間最大值降雨量值，矩形范圍代表每次趨勢轉折達到的降雨總量，圖4a 箭頭所指代表瞬間最大值降雨量，圖4b 箭頭所指代表降雨導致觀測數據趨勢轉折。利用降雨值和YRY-4 鉆孔應變儀北南分量繪制同軸曲線，共記錄觀測曲線趨勢轉折前瞬間最大值降雨事件共31 次，統計部分降雨干擾事件（表1）。

表1 2018—2021 年瞬間最大值降雨量及干擾趨勢統計表Table 1 Statistical table of instantaneous maximum rainfall and disturbance trend from 2018 to 2021

圖4 鉆孔應變北南分量、降雨總量對比分析Fig.4 Comparative analysis of North-South component of borehole strain and total rainfall

以統計次數為自變量，瞬間最大值降雨量為因變量，繪制散點圖（圖5）。從圖5 中可看出，瞬間最大值降雨量與降雨干擾之間存在一定相關關系，瞬間最大值降雨量值大于0.4 mm 時會干擾觀測曲線。

圖5 瞬間最大值降雨量與降雨干擾統計散點圖Fig.5 Statistical scatter plot of instantaneous maximum rainfall and rainfall disturbance

以每次觀測曲線發生趨勢轉折點之前短時間內累計降雨量總值，統計2018—2021 年降雨干擾事件（表2）。

表2 2018—2021 年降雨總量干擾YRY-4 鉆孔應變儀事件統計Table 2 Statistics of total rainfall interference with borehole strain gauge events from 2018 to 2021

以降雨總量為自變量，YRY-4 鉆孔應變儀應變量為因變量繪制散點圖（圖6）。從圖6 中可以看出，降雨對鉆孔應變年變曲線干擾明顯。當降雨總量小于40 mm 時，降雨不會對YRY-4 鉆孔應變儀產生干擾；當降雨總量大于40 mm 時，降雨總量與應變量之間基本呈線性關系，瞬間最大值降雨量與降雨總量之間無明顯相關關系。

圖6 降雨總量與YRY-4 鉆孔應變儀應變量散點圖Fig.6 Scatter plot of total rainfall and borehole strain gauge strain

3 降雨干擾原因分析

YRY-4 鉆孔應變儀受降雨干擾機理較為復雜，且降雨干擾具有遲滯性[7]，所以本文利用大量降雨干擾統計數據為依據進行研究，盡可能的了解降雨干擾的機理。經過統計數據的分析與對比認為，干擾因素主要來自兩個方面。

（1）昭通中心站所處位置在鳳凰山腳下，山上植被覆蓋率低，土層較厚，周圍地質為松軟黃色土質以及流動性較強的沙土[8]，易吸收和蒸發水分，降雨量較大，土質吸收水分，短時間內水分難以蒸發，雨水滲透至土質，巖石的抗壓力減弱，引起YRY-4 鉆孔應變儀應變量變化。

（2）鳳凰山土質負載能力變化影響。昭通地區降雨季節性變化，降雨導致土質負載增加，土質松動，斷層裂縫隨著土質松動不斷擴大，產生非永久性形變，隨著降雨量的不斷增加，區域土質彈性特征和地下介質加劇變化，導致YRY-4 鉆孔應變儀觀測曲線發生變化。

4 結論

（1）昭通中心站YRY-4 鉆孔應變儀受降雨干擾明顯，遭受長時間降雨干擾時，應變量隨降雨特征的變化持續或間斷性加速向北和向南傾斜；當遭受短時間、少量降雨干擾時，觀測固體潮清晰，數據曲線無明顯變化。

（2）當降雨總量小于40 mm、瞬間最大值降雨小于0.4 mm 時，YRY-4 鉆孔應變儀不受降雨干擾影響；當降雨總量大于40 mm、瞬間最大值降雨大于0.4 mm 時，由于降雨影響具有遲滯性，導致YRY-4鉆孔應變儀受到降雨持續或間斷性干擾，即降雨總量40 mm 是YRY-4 鉆孔應變儀是否受降雨干擾影響的臨界值；降雨總量與瞬間最大值降雨量之間無明顯相關關系。

（3）當降雨總量達到40 mm 時，降雨總量與YRY-4 鉆孔應變儀應變量之間基本呈線性關系，應變量與瞬間最大值降雨量之間無明顯相關關系。

（4）YRY-4 鉆孔應變儀受降雨影響的原因主要來自兩個方面：一是降雨滲透影響；二是土質抗降雨負載變化影響。

（5）定量分析降雨干擾是為了區分異常和干擾積累經驗，以便于及時有效的判定異常，為地震研究服務，這正是本文研究的意義所在。