氣壓短時擾動對常熟臺伸縮儀影響頻段的分析

狄 樑 錢文杰 劉冬冬 陸德明丁建國 毛華峰 時建偉 陳啟林

1 無錫地震監測中心站,江蘇省無錫市充山村89號,214000

伸縮儀對氣壓短時擾動的響應非常靈敏,這會在一定程度上擾亂構造應變場的真實信息,影響地震前兆異常的可靠識別。有學者基于周期氣壓波對鉆孔體應變的影響特征和規律、短時氣壓突變對定點地形變觀測的影響特征與機理、氣壓擾動的數學改正方法及氣壓變化對伸縮儀日變資料的影響等進行過研究[1-7]。上述伸縮儀的氣壓干擾研究主要集中在小時值數據日、月頻段內,而對分鐘值數據中數分鐘至數小時頻段(或周期)影響的精細分析較少,尤其是短時高頻成分。本文選用常熟臺氣壓短時擾動典型時段的觀測資料,通過小波分解、相關分析與回歸分析,在時域和頻域內分別求取伸縮儀測量值和氣壓的相關系數、氣壓影響系數,得到伸縮儀在各頻段的響應特征曲線,然后使用MATLAB軟件分離氣壓短時干擾信號,再重構伸縮儀觀測數據,所得效果較好。本文研究結果對地震短臨前兆異常的正確識別和有效提取具有一定的實用價值。

1 觀測概況

常熟地震臺觀測山洞位于單斜山南麓,山體走向NW,長軸5 km、短軸2.5 km,巖性為石英砂巖,最高峰海拔265 m。山洞原為軍用,條件較好,主通道進深250 m、洞高2.35 m、寬2.50 m,混凝土全被覆,覆蓋層厚20～30 m,日溫差<0.03 ℃,年溫差<0.3 ℃,常年溫度在17.3 ℃,濕度100%。為防止氣流干擾,在洞內安裝有4道船艙水密門[8]。

原伸縮儀型號為SSY-Ⅱ型,于1996年開始觀測,EW分量基線長24.19 m、方位角139.5°,NS分量基線長22.66 m、方位角32.4°,布設位置距洞口約210 m,儀器用泡沫板進行小腔體密封。2007年保留石英管基線,更換檢測傳感器和數字記錄器后改造為SS-Y型伸縮儀,采樣率為1次/min,同時安裝了輔助氣壓計。

2 數據選取及分析方法

常熟臺伸縮儀記錄到的固體潮日波、半日波變化清晰,為氣壓短時干擾研究提供了方便。選取2012～2018年分鐘值觀測數據,對其間無大地震、各種干擾因素較小的時段進行分析。運用快速傅里葉變換給出頻率域成分,2013-01資料頻譜分析結果顯示(圖1),伸縮儀與氣壓數據中均含有明顯的長周期潮、日潮、半日潮和1/3日潮等優勢周期成分,而氣壓的短時擾動與這些大氣潮汐變化無關。選取256 min以下的短周期數據,即可濾除這些信號。

圖1 常熟臺伸縮儀觀測數據及頻譜分析Fig.1 Extensometer observation data and spectrum analysis at Changshu station

小波變換及相關性分析是較為成熟的定量化信號處理技術,具備明顯的頻段特征,可作為分析非平穩信號的有力工具。利用小波變換分解后的結果可在不同的頻率范圍內計算相關參數,在不同頻段下進行相關性比較,比用整體數據分析更加精細;利用小波分解與重構信號的方法,在干擾噪聲頻率范圍已知的情況下,可有效分離信號和噪聲的頻帶[8-9]。

3 氣壓短時擾動對伸縮儀的影響特征與相關性分析

圖2為氣壓短時擾動對伸縮儀觀測影響的典型實例。可以看出,2個分量應變潮汐曲線上均出現同步反向畸變(抖動、上升、下降等),氣壓變化越劇烈,畸變越顯著,稱該現象為氣壓非平穩時段,反之為氣壓平穩時段。計算圖2中常熟臺伸縮儀NS、EW分量原始數據與氣壓的相關系數,分別為:0.04,-0.32(圖2(a));0.21,-0.18(圖2(b));-0.52,0.07(圖2(c))。計算結果表明,在固體潮背景下,直接利用伸縮儀整體數據分析其與短時氣壓波動的相關性效果不理想。

圖2 氣壓短時擾動的典型實例Fig.2 Typical interference diagram of short-term air pressure disturbance

小波變換是將信號按照不同頻率進行分解,噪聲干擾信號主要集中在高頻部分,反映的是短期變化過程。因此,用小波分析方法將伸縮儀觀測值中的短周期信號分離出來,這樣氣壓影響會變得清晰[2],再通過相關性分析可揭示氣壓的影響特征。由于固體潮等因素的影響,形變觀測數據由一系列不同頻率的周期成分和背景噪聲疊加組成,規律性較明顯,在小波分析時選用正則性較好的db小波進行分析[10-11]。根據針對定點形變數據的小波基函數優劣研究結果[12]和綜合對比計算,采用db4小波基函數進行離散變換,并在圖2基礎上再增選3組氣壓短時擾動非平穩時段的數據(表1),分別按2～4 min、4～8 min、8～16 min、16～32 min、32～64 min、64～128 min、128～256 min的周期進行分解。圖3為圖2(a)分解后的高頻波形,展示了7個頻段的氣壓影響信號。進一步將同一頻段的波形分別作相關分析與線性回歸分析,得到全部頻段的相關系數與氣壓影響系數(圖4(a))。為進行對比,選取6組氣壓平穩時段的觀測值(表1),用相同方法處理后得出相應的相關系數及氣壓影響系數曲線(圖4(b))。考慮到觀察方便,圖4中相關系數與氣壓影響系數均采用反向直角坐標。

表1 數據選取時段

由圖4可以看出,氣壓平穩時段6組樣本的相關系數與氣壓影響系數曲線較為光滑,波動較小,規律性較強;氣壓非平穩時段的曲線波動明顯較大。

離散系數是衡量數據離散程度的相對指標,其值越大,數據的離散程度也越大,其計算公式為[13]:

(1)

式中,c為離散系數,σ為數據的標準差,μ為數據的平均值。圖5和6分別給出各頻段相關系數與氣壓影響系數的平均值及其離散系數,其中,相關系數及氣壓影響系數均采用反向直角坐標。

圖5 各頻段氣壓相關系數平均值及其離散系數Fig.5 Average values of air pressure correlation coefficient and its dispersion coefficient of each frequency band

圖6 各頻段氣壓影響系數平均值及其離散系數Fig.6 Average values of air pressure influence coefficient and its dispersion coefficient of each frequency band

從圖4～6和表2可以看出,伸縮儀2個分量在氣壓平穩時段的特征為:相關系數和氣壓影響系數在整個頻段均為負值,其絕對值隨周期增加而增大,第3頻段(周期8～16 min)是一個過渡點,之前曲線上升較慢,相關性較差,之后曲線快速達到峰值且變化較為平穩;4條離散系數曲線與相關系數和氣壓影響系數同步變化但方向相反,即隨頻段增加而下降,表明離散程度在減小。氣壓在非平穩時段的特征為:1～3頻段(周期≤16 min)2種系數都是正值,之后轉為負值,第3頻段是轉折點;第4頻段離散程度高,點位跳躍較大,相關系數和氣壓影響系數的絕對值均明顯小于氣壓平穩時段,這可能與氣壓突變產生的動力學效應有關;第5～7頻段(周期32～256 min)2種系數的絕對值基本都略小于氣壓平穩時段。

表2 氣壓影響系數平均值

4 氣壓短時擾動對伸縮儀的影響的排除

目前主要采用線性回歸方法排除氣壓對伸縮儀的影響,即計算氣壓對伸縮儀整體數據的影響系數后進行相應改正,但短時氣壓波動劇烈時,該方法效果不理想。本文選取圖2中部分氣壓短時擾動典型時段的數據,使用MATLAB軟件進行小波變換、相關分析及回歸分析。首先進行小波分解,得出不同頻段氣壓對伸縮儀的影響,然后剔除畸變明顯頻段的數據,再利用逆小波變換方法重構非氣壓影響頻段數據,得到消除短時氣壓擾動的伸縮儀重構數據(圖7)。從表3可知,直接將圖7中伸縮儀各分量原始值與氣壓進行相關性分析,相關系數低;而將伸縮儀各分量數據原始值減去重構數據得到的氣壓干擾成分(畸變數據)與去除周期成分的氣壓高頻數據進行相關性分析,二者相關系數絕對值大于0.8。說明采用分頻段計算方法可有效提取并排除伸縮儀的氣壓短時擾動影響。

表3 原始數據和畸變數據與氣壓的相關系數

圖7 消除氣壓短時干擾后的數據Fig.7 Data after eliminating short-term interference of air pressure

從圖7看出,重構后的伸縮儀曲線沒有了由短時氣壓波動引起的上下突跳、毛刺等畸變現象,曲線變得光滑清晰,數據信噪比明顯提升。

5 氣壓短時擾動對伸縮儀的影響機制探討

氣壓對定點形變觀測的干擾途徑有2種:1)作用于地殼表面,因負載效應產生間接影響;2)直接作用于儀器本體。常熟臺觀測山洞密封性較好,多道船艙水密門完全隔絕洞室與外界的空氣流動,加之伸縮儀距洞口較遠,因此外界氣壓波動無法直接作用于伸縮儀,而是通過洞體起作用。

氣壓平穩變化時,伸縮儀2個分量與氣壓的相關系數、氣壓影響系數在2～256 min周期內都表現為負值,說明氣壓影響機制相同,即氣壓增大使伸縮儀收縮(曲線向下),反之則是拉伸。氣壓非平穩時段的影響機制較復雜,周期小、幅度大的氣壓突變會導致地表瞬時變形[4],引起巖體應力的改變,從而影響應變測值。氣壓突變的產生通常有2種情況:一是雨季雷暴[14],為閃電伴隨雷聲的大氣放電現象,屬于局部地區強對流性天氣,放電過程中溫度驟增,使空氣體積急劇膨脹,導致氣壓突變;二是大風(颶風、臺風和氣旋等),特點是速度快(超過17 m/s)、時間短,大風會引起山洞內空氣振蕩,產生氣流擾動,從而對應變觀測產生影響[15-16]。當周期為16～32 min時,氣壓非平穩時段的氣壓影響系數與氣壓平穩時段不同,其呈現由正值向負值過渡,這可能與氣壓的動力學效應有關。氣壓對NS分量影響大于EW分量,可能與山體的走向和局部地形有關。

6 結 語

1)在氣壓短時擾動階段,周期為8 min以下時,氣壓對伸縮儀的影響弱;周期為8 min以上時,氣壓對伸縮儀產生顯著影響。周期在8～32 min時,伸縮儀觀測量與氣壓的相關系數、氣壓影響系數均由正變負;周期在32～256 min之間時,伸縮儀觀測量與氣壓的相關系數、氣壓影響系數較高且趨于平穩,離散系數小。因此氣壓短時波動對常熟臺伸縮儀觀測有顯著影響的周期為8～256 min。

2)氣壓短時擾動對常熟臺伸縮儀觀測在不同頻段的影響機制存在差異性,周期小于16 min時,氣壓與伸縮儀觀測量呈現正相關,相關性較差;反之為負相關,相關性較強。

3)氣壓非平穩時段與平穩時段的不同主要為:周期在16 min以下時,前者伸縮儀觀測量與氣壓相關系數、氣壓影響系數都是正值,之后才轉為負值;周期在16～32 min時,前者離散系數較大,點位出現跳躍,2種系數絕對值明顯小于后者,這可能與氣壓突變產生的動力學效應有關;周期在32～256 min時,前者2種系數絕對值基本都略小于后者。氣壓對伸縮儀NS分量的影響大約是EW分量的2.5～3倍,這可能與儀器觀測點所處的山體走向和局部地形有關,有待進一步分析。