徐州地震臺伸縮儀觀測干擾分析＊

郝 冉 楊 馳劉冬冬李蘭生高明智 張 岑

1)江蘇省地震局徐州地震臺，江蘇徐州 221008

2)江蘇省地震局，江蘇南京 210014

引言

伸縮儀是精密測量地殼巖體兩點間水平距離相對變化的儀器，適用于觀測地殼應變和固體潮水平分量的連續(xù)變化，為研究地震孕育過程的水平應變的變化規(guī)律提供數(shù)據，也為地球彈性研究提供重要數(shù)據。我國自行研制了SS-Y型伸縮儀[1]。徐州地震臺伸縮儀于2018年由武漢地震科學儀器研究院安裝在觀測山洞中，2020年開始正式觀測，儀器工作狀態(tài)連續(xù)穩(wěn)定，所記錄的固體潮清晰，同時對國內外強震具有較好的映震能力。在日常觀測中除記錄到的地球物理事件外，觀測資料還會受到各類因素（如降雨、氣壓、雷電、進洞等）干擾。SS-Y型伸縮儀觀測數(shù)據受各種干擾因素的影響形態(tài)的異常分析已有很多研究[2-5]。本文通過對徐州地震臺伸縮儀運行至今的觀測資料分析，總結出日常觀測中常見的干擾現(xiàn)象。對降雨干擾、氣壓干擾的基本變化規(guī)律進行分析，以求更好地排除非地震前兆干擾，有效地增強對地震前兆異常的識別。

1 臺站概況

徐州地震臺是國家形變基本臺，始建于1975年，位于江蘇省徐州市南郊云龍山第八節(jié)東坡（34.23°N，117.17°E），海拔60 m。臺站所處地貌屬徐州弧形構造的一部分，主要斷裂有東部NNE向的郯廬斷裂帶，西部NNE向的聊考斷裂帶，北部NWW向的豐沛斷裂帶和南部NWW向的符離集斷裂帶。廢黃河斷裂從市區(qū)穿過，是一條張性NWW向斷裂。臺站周圍出露大面積基巖，節(jié)理發(fā)育，巖石產狀約80°，地質年代屬寒武系中統(tǒng)原層灰?guī)r。徐州臺伸縮儀安裝在觀測山洞內（圖1）。

2 儀器參數(shù)和日常觀測資料

2.1 儀器參數(shù)

徐州臺伸縮儀利用人防山洞開展形變觀測。徐州臺觀測山洞年溫變小于0.1℃，日溫變小于0.01℃，伸縮儀、水管儀觀測場地周邊無明顯干擾，但受降雨干擾較為明顯。伸縮儀NS分量進洞深300 m，基線長度為28.14 m，方位角為22.54°；EW分量進洞深350 m，基線長度為17.92 m，方位角為113.89°。

2.2 日常觀測資料

徐州臺伸縮儀觀測穩(wěn)定性強、可靠性高、觀測精度高，記錄到的固體潮曲線光滑連續(xù)，日變周期明顯可見，日變幅在200×10-10左右（圖2）。通過計算M2波潮汐因子及其絕對誤差，檢驗其觀測資料的精度和長期穩(wěn)定性，可以看出數(shù)據內在質量均達到優(yōu)良以上（表1）。

圖1 徐州地震臺山洞測項分布圖Fig.1 Distribution map of cave survey itemsat Xuzhou seismic station

圖2 徐州臺2020年5月1—15日伸縮儀觀測日變曲線Fig.2 Observational daily curve of extensometer at Xuzhou seismic station on May 1—15，2020

表1 徐州臺伸縮儀潮汐因子及精度表Table 1 Factor and precision table of telescopic instrument of Xuzhou seismic station

3 自然環(huán)境干擾

3.1 降雨干擾分析

2020年1月7日12時—9日6時24分伸縮儀觀測數(shù)據出現(xiàn)急始性的短時曲線拉伸，最大幅度分別為NS分量36.6× 10-10和 EW分量79.8×10-10，排除其他干擾因素，并結合天氣變化，徐州市1月6—8日為連續(xù)降雨天氣，降雨時間為1月6日0時—8日12時，降雨時間合計36 h，降雨量為33.1 mm，NS分量降雨效率為0.03，EW分量降雨效率為0.07（圖3）。

圖3 徐州臺伸縮儀受降雨影響的觀測曲線圖Fig.3 Observation curve of extensometer affected by rainfall at Xuzhou seismic station

降雨對伸縮儀影響較為明顯，表現(xiàn)為固體潮日變曲線出現(xiàn)拉伸，呈張性上升趨勢。特別是雨季期間長時間的強降雨導致山體積水沿土層逐漸滲入巖石的裂隙，持續(xù)一段時間后土層經雨水的滲透致山體巖石的裂隙發(fā)生膨脹，空隙間的壓力發(fā)生變化。當雨水充滿斷層破碎帶時，斷層伸長，從而使得伸縮儀觀測到發(fā)生的地形變變化。分析認為，降雨干擾變化主要與觀測場地的地質構造和環(huán)境荷載有關，徐州地震臺觀測山洞位于徐州市云龍山第八節(jié)東坡，因地勢原因雨水流向南側與東側，從而造成伸縮儀NS分量、EW分量分別觀測到巖石裂縫與洞體覆蓋層的緩性壓力變化。

通過統(tǒng)計2020—2021年降雨事件中實際觀測的伸縮儀的增量Δa1、Δa2、伸縮儀增量時間Δt1、Δt2、降雨量W、降雨持續(xù)時間Δt，計算獲得降雨系數(shù)β=Δa/W ，降雨效率 η=β/Δt（表2）。由表2計算得出2020—2021年伸縮儀NS分量的平均降雨效率為1.63，EW分量的平均降雨效率為4.98。分析認為，EW分量降雨的響應較為靈敏，當降雨發(fā)生后雨水充分滲入山體介質，從而改變了介質密度以及重力分布，于是引起局部區(qū)域加速形變，因地勢原因且儀器安裝場地EW分量附近有一處相距約6 m的北南走向的裂隙，故觀測到的降雨變化更為顯著。通過表2統(tǒng)計的伸縮儀工作至今的所有降雨事件可以看出，徐州臺伸縮儀受降雨干擾多發(fā)于6—9月，其平均降雨效率為5.78，少數(shù)降雨干擾發(fā)生在1—2月，其平均降雨效率為1.36，夏季降雨干擾效率更高，是冬季降雨干擾效率的4倍，原因在于夏季降雨量更大，降雨時間更集中，導致雨水滲入地下介質更充分，從而形成地下徑流，故而對降雨響應更為敏感，干擾效率更高。

3.2 氣壓干擾分析

氣壓也是干擾伸縮儀觀測的主要因素之一，短時間內氣壓的非周期變化會使伸縮儀出現(xiàn)固體潮畸變。導致大氣壓日變化的原因主要有3點：大氣的運動、大氣溫度的變化和大氣濕度的變化，主要表現(xiàn)為大風、降雨、雷暴，由于伸縮儀器安裝在山洞內，溫度、濕度恒定，故主要受到大氣壓強變化作用在山體上產生的形變干擾。氣壓作用的干擾時間一般持續(xù)較短，多為數(shù)分鐘或幾小時。徐州地震臺伸縮儀NS分量、EW分量2020年5月17日20時5分—18日3時48分數(shù)據曲線畸變出現(xiàn)小幅擾動，幅度分別為：NS分量為16.42×10-10，EW分量為8.26× 10-10。經排除其他干擾因素，結合天氣變化，徐州市該時段氣壓變化明顯，氣壓數(shù)據由991.5 hPa升至1001.1 hPa（圖4）。伸縮儀受氣壓干擾響應時間段與氣壓變化時間段基本一致，在短時間內的變化趨勢也基本相同，干擾形態(tài)以寬幅震蕩為主并不改變固體潮趨勢，且干擾結束后固體潮立即恢復正常。由于徐州臺伸縮儀自2020年正式觀測至今受氣壓干擾事件僅此一例，尚不能判斷其干擾的規(guī)律。

3.3 雨水淤積干擾分析

圖4 徐州臺伸縮儀受氣壓變化影響的觀測曲線圖Fig.4 Observation curve of extensometer affected by the pressure changeat Xuzhou seismic station

2021年7月14—17日徐州市為中雨天氣，降雨時間合計61小時，降雨量累積達到150.8 mm，伸縮儀NS分量、EW分量2021年7月15日0時53分—17日12時36分數(shù)據曲線畸變出現(xiàn)大幅擾動，幅度分別為NS分量3073.8× 10-10，EW分量4456.9× 10-10。由于EW分量所在觀測場地地下徑流更為復雜，16日EW分量觀測場地因山體內雨水徑流量過大，導致排水不暢產生淤積，由于觀測場地排水槽東高西低的原因，淤積的水體逐漸在伸縮儀西端匯集，數(shù)據出現(xiàn)回落變化。干擾特征識別：由于EW分量所在觀測場地的排水口處于西端，且匯流而來的山體內出水量較大，當出現(xiàn)雨水無法排出時，儀器記錄到短時間內淤積水體帶來的壓力變化，隨著水體的疏通，觀測曲線出現(xiàn)快速反彈，隨后逐漸恢復正常（圖5）。

圖5 徐州臺伸縮儀受雨水淤積影響的觀測曲線圖Fig.5 Observation curve of extensometer affected by rainwater backflow at Xuzhou seismic station

4 觀測系統(tǒng)干擾

2021年12月3日19時—24日23時59分伸縮儀EW分量觀測數(shù)據整體出現(xiàn)先緩慢下降后加速上升的故障現(xiàn)象。期間12月3日19時—7日20時EW分量觀測數(shù)據出現(xiàn)連續(xù)大幅度向下變化，固體潮清晰可見，異常變化幅度為3032.0× 10-10，約為正常日變幅的22倍；12月7日21時—13日12時EW分量觀測數(shù)據出現(xiàn)大幅度加速上升變化，異常變化幅度為12 207.4 ，約為正常日變幅的87倍；13日13時—24日EW分量觀測數(shù)據恢復為下降變化（圖6）。

圖6 徐州臺伸縮儀2021年11月20日—2022年1月18日變化曲線Fig.6 Daily curve of extensometer at Xuzhou seismic station from November 20，2021 to January 18，2022

針對本次故障現(xiàn)象，12月13日對洞體應變儀觀測系統(tǒng)進行全方面的檢查，進洞檢修儀器發(fā)現(xiàn)，儀器傳感器鐵芯在差動變壓傳感器中未居中，存在明顯偏離。傳感器鐵芯出現(xiàn) “靠邊” 現(xiàn)象，導致鐵芯與差動變壓傳感器未居中平行且出現(xiàn)摩擦，偏置的傳感器鐵芯在差動變壓傳感器中的感應面積增加，這使得感應電壓在觀測中大幅增加，是觀測數(shù)據加速上升的主要原因。

發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象后對儀器進行重新居中，需要將標定板微調至適中位置，通過不斷校正標定板位置使得傳感器鐵芯重新居中，儀器在維修后停止了急速上升的故障變化（圖7）。儀器由于鐵芯重新居中后，觀測數(shù)據緩慢出現(xiàn)回落，待觀測系統(tǒng)穩(wěn)定后，觀測系統(tǒng)恢復正常。

5 結論

日常觀測中常見的干擾現(xiàn)象可分為自然環(huán)境干擾和觀測系統(tǒng)干擾。

圖7 徐州臺伸縮儀故障維修圖Fig.7 Fault maintenance diagram of extensometer at Xuzhou seismic station

降雨是徐州臺伸縮儀的主要干擾源，當降雨發(fā)生后，雨水充分滲入山體介質，改變了介質密度以及重力分布，引起局部區(qū)域加速形變，表現(xiàn)為固體潮日變曲線出現(xiàn)拉伸，呈張性上升趨勢。EW分量的平均降雨效率更高，是NS分量的近3倍，EW分量觀測到的降雨變化更為顯著，EW分量降雨的響應較為靈敏。

雨水淤積干擾較為少見，此類干擾較為典型，干擾表現(xiàn)為降雨干擾上升趨勢中突然下降后逐步恢復至上升趨勢，本質上屬于載荷變化帶來的影響，當出現(xiàn)雨水無法排出時，儀器記錄到短時間內淤積水體帶來的壓力變化，隨著水體的疏通，觀測曲線出現(xiàn)快速反彈，隨后逐漸恢復正常。

觀測數(shù)據短時間大幅加速上行是傳感器鐵芯 “靠邊” 所致，鐵芯與差動變壓傳感器未居中平行且出現(xiàn)摩擦，導致感應電壓在觀測中大幅增加，是觀測數(shù)據加速上升的主要原因。鐵芯重新居中后，觀測數(shù)據緩慢出現(xiàn)回落，觀測系統(tǒng)恢復正常。此類觀測系統(tǒng)干擾與前兆異常較為相似，但短時間大幅加速上升與一般異常現(xiàn)象有所不同，面對此類觀測數(shù)據變化幅度較大的異常現(xiàn)象應首先考慮是否是傳感器鐵芯未居中造成的。

徐州地震臺伸縮儀EW分量觀測場地由于排水能力差，面對強降雨后山體內過大的雨水徑流量，經常導致排水不暢產生淤積，由于伸縮儀的基線直接安裝在基巖上，導致儀器故障率較高，目前伸縮儀觀測場地亟需進行環(huán)境改造，建議依照學科組規(guī)定建立30 cm高的水泥觀測墩，同時在EW分量觀測場地西端開鑿排水口，以提高場地排水能力，提高觀測數(shù)據質量。