浙江省地倾斜观测常见干扰浅析

尹晶飞苏小芸张震峰徐梦林

1）中国杭州310013浙江省地震局

2）中国兰州730000甘肃省地震局

浙江省地倾斜观测常见干扰浅析

尹晶飞1）苏小芸2）张震峰1）徐梦林1）

1）中国杭州310013浙江省地震局

2）中国兰州730000甘肃省地震局

通过对浙江省地震前兆台网地壳形变观测数据分析，总结对地形变观测影响较为普遍的两类干扰因素特征：①通过分析测点周边场地环境干扰，总结地表载荷对地倾斜观测造成的数据异常变化特征；②利用台风通过时造成的各类自然环境变化，总结地壳形变观测数据受气象变化影响的特征。

地壳形变观测；地表载荷；自然环境变化

0 引言

浙江省地处中国东南沿海长江三角洲南翼，总体地形自西南向东北呈阶梯状倾斜，西南地区为千米以上群山盘结，中部地区以丘陵盆地地形为主，东北部地区为地势较为平缓的冲击平原。目前浙江省地震前兆台网以地壳形变观测手段为主，随着国家前兆台网“十五”项目、“国家背景场”等项目建设完成，浙江省地壳形变台站逐步增多，观测数据种类逐步完善，台网布局主要围绕浙北地震重点监视防御区、省内主要深大断裂（如余姚—丽水断裂、萧山—球川断裂、温州镇海断裂等）及地震活动区来布设地震台站。浙北地震台分布较密集，浙中和浙南地区相对稀疏，海域布设2个台站。

经过多年运行观测，浙江省地震前兆台网积累大量地震前兆观测数据，然而随着城市建设的不断推进，地壳形变观测场地受到不同程度影响，且受浙江省地理气候因素影响，每年均受到台风带来的自然环境干扰。工作人员在进行地震前兆观测数据分析时，需要消除由场地变化及自然环境影响造成的数据异常变化内容（陈敏，2007）。因此，借助地震前兆数据跟踪分析平台，以日常观测工作为基础，通过长期观测数据的变化积累，结合测点周边观测环境的调查落实，总结浙江省地形变观测常见异常事件变化特征，为观测数据的可靠应用提供保障，并为今后出现相似观测数据变化时提供一定判断依据。

1 地表载荷干扰

1.1 海宁地震台水平摆受基建干扰

1.1.1 观测环境。海宁位于杭州湾北岸，属于杭嘉湖平原区，地势由西南向东倾斜，较为平坦。该地新构造运动以差异性和振荡性升降为主，在早第三纪和早更新世先后下陷，沦为海湾，接受沉积。附近有萧山—球川深断裂穿过，并在全新世有过活动。海宁地震台（以下简称海宁台）测点位于市区西山公园，出露岩石坚硬完整，为西湖组（D3x）的白色厚层（风化后呈浅褐色）石英粗砂岩，节理不发育。西山山体为中厚层石英粗砂岩，且硬度较大，岩石完整性较好。洞顶覆盖层厚约35 m，侧覆约30 m，山上植被茂盛，平均高度约8 m。

1.1.2 观测数据异常及排查。海宁观测山洞内布设1套SSQ-2I型水平摆倾斜仪，经过多年连续观测，发现该测点地倾斜观测资料稳定，近年潮汐因子变化较平稳。2014年12月13日11时海宁台水平摆NS、EW分量呈加速上升变化趋势，至17日7时，两分量均上升约1 100×10-3″，此后稳步回落，见图1。

图1　2014年12月海宁台场地环境干扰变化Fig.1 The change of data by space environment at Haining Seismic Station in Dec.，2014

图2　海宁台测点与干扰源位置Fig.2 The location of the interference source and observation point at Haining Seismic Station

经过对测点周边场地环境调查发现，东北方向约200 m处存在一处建筑施工场地，面积约30 000 m2，见图2。该工地2014年12月13日起实施地基浇筑工作，至17日大约灌注10 000 m3混凝土，重约2.5×107kg。由于此处工地距测点较近，因此在大幅增加其地表载荷过程中，会对海宁台水平摆倾斜仪观测数据造成较大影响。结合观测数据变化形态可知，近期测点附近保持向东北方向倾斜的变化趋势，而且观测数据的变化起始时间与浇筑地基时间较为吻合，因此判断该工地大规模浇筑混凝土地基的工程是此次数据异常变化的主要原因。

1.1.3 验证。相对地球而言，可以将测点与建筑工地视为在一个水平面内，将测点周边假定为半无限空间体。由弹性理论可知，当在边界上有一个垂直于边界的集中P时，其相应位移解（熊先保，2013）为

其中：P为集中在一点的作用力，E为介质弹性模量，γ为介质泊松比，R为测点与压力施加点间的距离，R2=z2+ r2=z2+ x2+ y2。当假设测点位于地表时，z=0，考虑到μz和z在方向上的关系，将垂向位移在水平向x和y引起的地倾斜分别简化为

因当地介质为石英粗砂岩，取介质弹性模量E=5，泊松比γ=0.13，P=2.5×107kg，x=200 m，y=200 m。经计算，EW向、NS向引起的地倾斜幅度均为2.8″，与实际观测数据吻合较好。

1.2 龙泉地震台垂直摆受蓄水干扰

1.2.1 观测环境。龙泉市位于浙江西南部，与福建省接壤。该市地形属于浙南山地，地势由西南向东北倾斜，四面环山，中间为河谷盆地。西北部为仙霞岭山脉，东南部为洞宫山脉，其中凤阳山黄茅尖为最高峰。年平均气温17.6℃，年平均降水量1 670 mm。观测场址位于丽水龙泉市九姑山人防洞，山体出露大爽组（J3d）凝灰岩，洞内为灰色玻屑凝灰岩，山顶出露砖红色凝灰岩，硬度高，完整性好。山洞顶覆约35 m，植被高度6—8 m，侧覆大于40 m。

在地质上，该区属于丽水—宁波隆起三级构造单元，丽水—宁波隆起呈NE—SW走向，区域内为山地地形，北部有四明山和天台山；西南部为仙霞岭，各类盆地遍布其中。该构造单元可进一步划分为4个四级构造单元，龙泉属于其中的龙泉—遂昌断隆。该断隆位于丽水—宁波隆起西南部，仙霞岭占据整个构造单元，是浙江省地形最高、地壳最厚地区。该区褶皱基底由陈蔡群和龙泉群组成，褶皱强烈，分布在断裂包围隆起区，中生带褶皱构造不发育，其中白垩系受盆地控制。断裂构造发育，使得该区域成为浙江省地震多发区域。按断裂走向主要有4组，相互交切成网状，其中NNE向断裂醒目，密集成带，集中于东南缘；次为NE向断裂，成带分布于龙泉附近；NW向和EW向断裂分布比较零散。

1.2.2 数据异常及排查。龙泉台2007年5月10日架设1套VS型垂直摆倾斜仪，仪器运行较为稳定。2014年6月28日—7月1日，垂直摆NS、EW分量改变日常变化趋势，NS向观测数据累积向北漂移约100″，EW向观测数据向西漂移约110″，此后两分量数据稳步回落，见图3。

图3　龙泉台蓄水干扰变化Fig.3 The change of data by store water at Longquan Seismic Station

经对测点周边场地环境进行调查发现，在观测山洞西北方向约150 m处建有游泳池，容量约2 000 m3，见图4。经确认，2014年6月28日该泳池进行1次蓄水操作，结合数据变化时间及观测数据变化方向特点，初步判定，泳池蓄水造成测点周边场地载荷变化，使得测点周边地表发生向西北倾斜的趋势变化，进而造成观测数据趋势发生异常变化。

1.2.3 验证。同样，利用弹性理论，将测点周边假定为半无限空间体，忽略测点高程，将测点区域均视为在同一水平面内。x=200 m，y=200 m，P=2×106kg，调取当地岩石试验资料，弹性模量E=50，泊松比γ=0.25。运用公式（2）和公式（3），计算得到NS向、EW向地倾斜量均为0.085″。可见，理论计算结果与实际观测数值基本一致。

结合海宁台水平摆与龙泉台垂直摆的干扰事件可以看出，地表载荷造成的地倾斜会引起摆式仪器数据异常变化，变化幅度基本符合弹性理论计算结果。结合实际观测结果和弹性理论，发现各分量变化特征主要取决于地表载荷的加载量和加载力与测点之间的方位距离。结果存在一定误差，可能是因为：①计算模型中忽略了测点高程Z，且对地面载荷的实际加载量估计存在一定偏差；②计算模型将测点周边地壳介质视为均匀弹性体，实际上介质的各项异性会造成计算的倾斜量与实际测点结果不同，甚至相差甚远。

1.3 海岸地震台受海潮加载

海岸地震台地倾斜观测资料的内在精度和外在形态，与大陆地震台存在较大差别（钟羽云，1998），选取2014年不同位置地震台的观测数据，统计各类观测仪器的潮汐因子，见表1，可知海岸地震台地倾斜观测数据的日变幅度和潮汐因子均远大于大陆台。究其原因，海岸地震台距海洋更近，海潮加卸载垂向压力变化对测点周边应力结构造成很大影响，进而改变区域内的地壳介质形态。海岸附近台站所记录到的地倾斜观测中不仅包含实际地球固体潮汐变化，同时附加海潮加卸载带来的形变潮汐变化量。结合弹性理论可知，该变化量会随着观测点与应力施加点距离的平方成反比，因此，随着海岸距离的增加，海潮引起的地形变幅度减小。

图4　龙泉台测点与干扰源位置Fig.4 The location of the interference source and Longquan observation point

表1　定海台、湖州台、永嘉台、龙泉台各类仪器潮汐因子比较Table 1 Comparison of tidal factor with Dinghai，Huzhou，Yongjia and Longquan seismic stations

2 自然环境干扰

浙江省自然环境多变，每年夏季西太平洋形成的台风通过时，气象环境突变，对地倾斜观测数据造成明显干扰：强风造成部分地震台摆式倾斜仪扰动；降雨和气压突变会影响洞体伸缩和钻孔应变类测项。

2015年7月11日，第九号台风“灿鸿”登陆浙江省舟山市，是中国建国以来登陆浙江省的最强台风，选取台风影响范围内各地震台观测数据进行分析，总结各类地倾斜测项受自然环境影响的特点。

2.1 气压对体应变观测影响

浙江省地震前兆台网在东阳地震台（以下简称东阳台）、湖州地震台（以下简称湖州台）布设TJ-2型体积式钻孔应变仪，观测数据均较为稳定。湖州台距舟山约250 km，山洞岩层为燕山期花岗岩体；东阳台距舟山约220 km，岩层为紫红色中厚层状泥质粉砂岩，岩石硬度偏低且完整性较好。

2015年7月11日，随着台风经过，东阳台和湖州台钻孔气压先后出现明显下降，与体应变观测数据保持较高的同步变化特性，见图5、图6，可见两套仪器气压变化量均约2 kPa，湖州台体应变下降约45×10-9，东阳台体应变下降约68×10-9。

图5　东阳台体应变受台风影响变化Fig.5 The change of volumetric strain data by typhoon at Dongyang Seismic Station

图6　湖州台体应变受台风影响变化Fig.6 The change of volumetric strain data by typhoon at Huzhou Seismic Station

根据弹性力学可知，钻孔在垂直方向受大气压直接作用，水平方向上受侧向围压作用。考虑到钢筒、水泥层和钻孔岩石的复合结构，可从理论上推导大气压对体应变的影响模型（苏恺之，2003）。

式中，ε为钻孔体应变，ΔP为气压变化量，b为气压影响系数，E为岩石弹性模量，μ为介质泊松比。一般，传感器所受体应变与气压变化量成正比关系，而气压影响系数与介质弹性模量成反比。由于测点周边介质性质未知，暂时取：①湖州台花岗岩：E=3，μ=0.2，气压变化量ΔP=20 Pa，则ε=84.6；②东阳台粉砂岩：E=2，μ=0.2，气压变化量ΔP=20 Pa，则ε=56.4。可见，理论结算结果与实际观测数据大致在一个数量级别，误差可能与传感器周围实际介质的弹性模量和泊松比有关。

2.2 强风对摆式仪器观测影响

浙江省地震前兆台网配备6套VS型垂直摆倾斜仪、5套SSQ-2I型水平摆倾斜仪和1套VP型宽频带垂直摆倾斜仪。日常观测发现，摆式倾斜仪受强风干扰主要表现为较高频率的毛刺扰动。选取距离此次台风较近且观测数据质量较高的湖州、定海、绍兴地震台进行对比，结果见表2。

表2　湖州台、定海台、绍兴台受台风影响变化Table 2 The change of data by typhoon at Huzhou，Dinghai and Shaoxing seismic stations

从表2可见，宽频带摆式仪器记录的强风扰动幅度明显大于低频带观测仪器；而同类仪器受到的扰动幅度主要取决于干扰源的风力大小；同一套观测系统不同分量受到强风的扰动程度主要取决与干扰源风向。

强风造成观测数据突跳，可能是由于：强风造成观测仪器附近植被高频晃动，使得测点区域内岩石受力结构不断变化，导致地倾斜数据突跳；强风引起周边气压不断突变，导致测点区域岩石受力大气压力改变，造成地面倾斜突变。因此，地震台观测系统受到强风扰动的主要因素应包括：风力大小与风向、测点周边山体植被覆盖情况及测点区域岩石介质的性质。

3 结束语

借助地震前兆数据跟踪分析工作平台，针对浙江省地震前兆台网中长期地壳形变观测资料进行分析，总结以下特点：测点周边的载荷变化容易引起地倾斜观测数据趋势异常变化，同时表明弹性力学理论可以在地倾斜实际观测中较好的验证和应用；体应变观测数据与测点周边气压变化的变化成正相关关系；摆式倾斜观测仪器则会在强风通过时表现出高频的毛刺扰动现象。为将来对浙江区域内前兆数据处理提供参考。

陈敏，郭欣，郑许东.重庆台倾斜潮汐形变干扰异常与震兆异常的识别［J］.大地测量与地球动力学，2007，27：79-83.

苏恺之，李海亮，张钧，等.钻孔地应变观测新发展［M］.北京：地震出版社，2003.

熊先保，林立峰，杨婕.水管倾斜仪与摆式倾斜仪抗干扰能力分析［J］.华南地震，2013，33（2）：34-40.

钟羽云.浙江省北部及邻区中强地震前地倾斜异常特征及其预测意义［J］.地震地磁观测与研究，1998，19（3）：27-32.

Abstract

Based on the analysis of the crustal deformation observation data in Zhejiang Province，we summarized the most two frequently interference of crustal deformation.By analyzing the environment interference surrounding the station，the characteristics of observation data changed by ground loading is summarized.By analyzing the natural environment changes when typhoon comes，the characteristics of observation data affected by climate change are summarized.

The analysis of usual interference in observation of crustal deformation in Zhejiang Province

Yin Jingfei1），Su Xiaoyun2），Zhang Zhenfeng1）and Xu Mengling1）
1） Earthquake Administration of Zhejiang Province，Hangzhou 310013，China
2） Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730000，China

observation of crustal deformation，ground loading，natural environment change

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.010

尹晶飞（1988—），男，江苏丹阳人，毕业于中国地震局地球物理研究所，硕士，助理工程师，主要从事地震前兆台网运维与数据分析工作

甘肃省地震局科技发展基金（2015Q03）