西安地震台形变观测自然环境干扰分析

王秋宁 古云鹤

（中国西安710068陕西省地震局）

西安地震台形变观测自然环境干扰分析

王秋宁 古云鹤

（中国西安710068陕西省地震局）

以西安地震台形变学科2014年、2015年观测资料为研究对象，统计水管仪、伸缩仪、垂直摆等形变仪观测数据所受干扰，分析典型自然环境干扰的影响特征及一般规律，为同类地震台的干扰识别及相应措施制定提供参考，为观测数据的深化应用提供依据。

前兆监测；形变观测；自然环境；干扰分析

0 引言

地震前兆监测的主要目的是捕捉地震发生前的异常变化信息。在使用专业仪器进行地震前兆观测的过程中，不可避免地受到各种干扰，这些干扰主要包括场地环境干扰、自然环境干扰和人为干扰。自然环境干扰主要包括气压、降水、雷电、温湿度、气旋、风扰等。本文重点对西安基准地震台形变观测资料所受自然环境干扰事件进行梳理，分析典型干扰对形变观测数据的影响特征及规律。

1 台站背景

1.1 台址构造

西安基准地震台（以下简称西安台）位于陕西省西安市长安区子午镇秦岭北麓，地壳厚度约40 km，海拔630 m，构造上处于控制渭河断陷盆地南界的秦岭北缘EW向大断裂南盘，距断裂破碎带约500 m。渭河断陷盆地处于汾渭地震带西南段，总体呈近EW向，北侧是地质构造相对稳定的鄂尔多斯地块，中间是渭河东西向大断裂，南侧为秦岭造山带，长约 400 km。渭河断陷盆地受多期活动，盆地内形成多个次级断块，差异活动显著，活动断裂发育（王卫东等，2004），是控制陕西省地震活动的基本构造带，历史上发生多次强震，最大地震为1556年华县8.25级大地震，灾害波及陕、甘、豫、晋、川等13个省，死亡83万人，是世界地震史上死亡人数最多的一次地震。

1.2 观测场地条件

西安台形变观测场地包括形变山洞和钻孔应变场地。形变山洞建在秦岭北麓近NS走向山体下，建于20世纪70年代。山体岩性为震旦纪片麻状花岗岩，岩层产状倾斜度为18°，岩质有一定风化、破碎，裂隙较多。山洞总长72 m，其中EW向长30 m，NS向长42 m，洞顶覆盖厚度15—25 m，东侧薄，北侧次之，西南侧厚，洞体山顶植被以灌木丛和杂草为主。洞内年温差小于1.0℃，日温差小于0.05℃。山洞主体呈“十字”形，由东侧进入山洞，东西向主巷道设有3道船舱门，2道塑钢门（图1）。

观测山洞安装VS垂直摆倾斜仪、DSQ水管倾斜仪、SS-Y伸缩仪和PET潮汐重力仪，均为“十五”数字化改造后架设的数字观测仪器，其中垂直摆、水管仪、伸缩仪均有NS和EW两个观测分量。此外，在山洞外安装1套 WYY-1气象三要素仪，可实时观测气温、气压和降雨量。

西安地震台钻孔应变场地位于子午台南侧约300 m，台基为片麻状花岗岩。钻孔成孔深度70 m，仪器探头安装在地下67 m。从钻孔岩芯采样结果看，探头安放位置岩石较完整、致密。观测仪器为TJ-2型体应变观测仪，观测物理量为钻孔体应变、钻孔水位、钻孔气压等。

图1　西安台形变山洞平面布局Fig.1 The distribution map of mountain cave at Xi＇an Seismic Station

2 干扰分析

在地震形变观测中，降雨、大风、气压、气温、湿度、雷击等气象因素变化是导致观测资料出现异常变化的主要原因。西安台形变山洞覆盖层相对较薄且裂隙较多，山洞进深较浅，洞内气压、温度、湿度等受自然环境变化影响相对明显，从而导致形变观测受降雨、刮风和气压变化干扰等自然环境因素影响。

2.1 降雨干扰

降雨是一种普遍自然现象，关中地区年平均降雨量约600 mm，是北方地区降雨量相对较多的地区之一。降雨干扰在地震地形变前兆观测中是一种典型且普遍的干扰现象，但影响原因较为复杂。有学者认为，降雨时，一部分雨水经地表流走，另一部分则顺岩石裂缝或土层渗透到地层，使得地表局部产生形变（陈敏等，2007）。通过多年观测资料分析可知，西安台洞体形变仪器观测明显受降雨干扰影响。降雨强度、持续时间不同，干扰变化形态也不尽相同。

2.1.1 暴雨干扰。2015年8月2日，西安台所在地区大雨，降雨量26.2 mm，3日降下罕见大暴雨，数小时内降雨量达131.8 mm。从观测资料看，2日的降雨未造成水管仪观测数据明显变化，只是在潮汐形态背景值上出现少量毛刺。但3日的短时集中强降雨造成水管仪NS、EW分量测值快速大幅度下降，其中NS分量下降约35×10-3″，EW分量下降约47×10-3″，且从观测曲线明显可见日变形态被破坏（图2）。

大暴雨造成水管仪测值快速大幅下降的突变性拐折现象，主要原因是，西安台形变山洞覆盖层相对较薄且裂隙较多，短时间大量雨水的渗透、淤积造成山体岩石承载压力和应变的不平衡。从图2可见，NS、EW分量观测值均大幅下降，均向西南方向倾斜，与西安台形变山洞山体地势西南方向高、东北方向低一致。大量雨水快速向东北方向集中，造成该方向岩石压力和应变的增强，反映到观测值的快速变化，表现在观测曲线发生大幅下降的突变性拐折。金克俭等（1986）认为，持续或突降大雨后，山洞地表容易积水，不但降低断裂面摩擦强度，而且容易渗透到山洞内仪器主墩和过渡墩及附近，增加荷载和岩石孔隙中的水分，降低岩石的抗压强度和屈服力，进而导致岩石压力和应变的变化，引起测值短时间内较大幅度的加速变化。

2.1.2 持续降雨干扰。2015年6月22日至30日西安地区持续降雨，每次降雨量不大，但持续时间较长，累计降雨量达148.2 mm，水管仪观测值受降雨影响（图3）。从图3可见，NS、EW分量22日起向下倾变，呈缓慢向下趋势，但固体潮日变形态基本未被破坏；NS分量25日后不再下降，累计下降约30×10-3″，EW分量保持趋势下降形态，累计下降约110×10-3″。

图3　西安台水管仪观测值受持续降雨干扰Fig.3 The effect by continuous rainfall interference to water tube of Xi＇an Seismic Station

分析上述干扰变化，认为该阶段水管仪NS、EW分量的下降是由于持续性降雨造成山洞岩石压力和应变的变化引起的。长时间连续降雨，雨水缓慢渗入山体岩石裂隙，使岩石孔隙饱含水分，并随山体地势形成泾流；因山洞地势，地表和山体内的雨水持续向东侧流动或渗透，从而造成该侧压力变大，导致测值曲线发生趋势性下降；降雨停止后，土壤和岩石中的水分经长时间蒸发和渗流，荷载和岩石孔隙中的水分逐渐减少，因而引起应变逐渐缓慢地恢复（牛安福等，2002）。

2.1.3 降雨干扰事件统计。统计2014年8月1日至2015年6月30日降雨量大于30 mm的时段，西安台形变观测数据受降雨干扰产生变化，统计结果见表1。

从表1可见，在统计的10次降雨中，均对水管仪和伸缩仪观测数据造成明显干扰影响。每次降雨，水管仪NS、EW分量和伸缩仪EW分量均呈下降趋势，伸缩仪NS分量呈上升趋势；降雨与形变观测数据多为同步变化，某些时段降雨时，形变观测数据变化滞后。由此可知，一般小降雨不会对倾斜量产生影响，只有当降雨量足够大时，才可能对倾斜量造成影响，而且降雨量越大，地形变测值变化量越大。

表1　西安台水管仪和伸缩仪受降雨影响统计Table 1 Statistics of effect by rainfall interference to water tube and extensometer of Xi′an Seismic Station

2.2 刮风干扰

刮风干扰是影响形变数字化观测的主要因素之一，尤其是对长条型地倾斜仪测值影响更明显。2014年4月25日00时至17时西安台所在地区刮4—5级大风，导致水管仪和伸缩仪观测曲线出现明显抖动，表现为高频毛刺变化，观测数据噪声变大（图4）。

图4　西安台形变观测值受刮风干扰（a）水管仪；（b）伸缩仪Fig.4 Influence of strong wind to deformation observation of Xi＇an Seismic Station

刮风对水管倾斜仪影响主要在于，山洞内空气震荡，引起气流扰动，从而改变仪器液面压力，液面随之响应，在曲线上表现出上下波动的特点。对伸缩仪的影响主要是，大风作用于山洞覆盖地层，从而改变其受力状态，在曲线上表现为固体潮波动变化。强风引起山洞覆盖层植被的快速摆动，传递到植被根系，加载到山体上，从而引起应力变化，造成地倾斜测值的快速跳动，表现为观测值曲线的正常变化背景上出现大量毛刺。

风扰对形变观测的影响具有随机性，一般不会改变固体潮总体变化形态，显著特征是对观测数据曲线造成明显抖动，出现高频扰动和毛刺现象。大风对长条型水管倾斜仪观测影响较大，对伸缩仪的观测影响较小，主要是大风以负载形式作用于安放仪器的整个山体的结果。风力垂直作用于山体，山体随之在倾向方向产生微弱变化。风力是大范围作用，而伸缩仪监测局部倾斜变化，因此长条型水管倾斜仪记录的倾斜变化比较明显（雷登学等，2012）。

2.3气压干扰

气压对形变观测干扰比较普遍。2014年6月16日23时—6月17日03时，西安地区气压出现剧烈变化，西安台垂直摆、水管仪、钻孔体应变仪受到干扰，影响曲线见图5。

图5　西安台形变观测气压变化干扰（a）垂直摆；（b） 水管仪；（c）体应变；（d）气压Fig.5 Influence of air pressure variation to deformation observation of Xi＇an Seismic Station

从图5可见，气压对地倾斜仪、地应变仪的影响具有较好的时间同步性，但垂直摆、水管仪等地倾斜仪受气压干扰幅度较小，体应变则受影响较大。从图5可以看出，在气压值发生剧烈变化时段（16日23时至17日03时），垂直摆和水管仪观测曲线会产生小幅度的固体潮畸变，而体应变曲线的变化幅度相对，且变化形态与气压变化基本一致。

分析认为，当钻孔气压升高时，孔隙压力增大，体应变测值同步变大；当气压下降时，孔隙压力降低，体应变测值同步变小。气压影响主要以载荷方式作用，造成地面负荷的增减，导致岩石应力变化，而气压波动作用于上层地层和岩石孔隙水体，从而对体应变固体潮观测产生影响。这是因为：钻孔内空气震荡，引起气流扰动，从而改变体应变仪探头周围液体液面压力，使液面随之响应，在形变观测数据曲线上表现为上下波动的特点。

3 结论

通过以上对西安地震台形变观测典型自然环境干扰事件分析，得到以下认识：①西安台地倾斜、洞体应变、钻孔应变等形变测项主要受风扰、降水、气压等影响；②降雨影响与降雨时间、强度有关，是形变观测的普遍和典型干扰，集中强降雨会造成形变测值大幅变化；③大风会导致形变仪器观测曲线噪声变大，但一般不会影响固体潮等基本形态，且对长条型地倾斜仪干扰较大，对摆式倾斜仪观测影响较小；④垂直摆、水管仪等洞室形变观测仪器受气压干扰影响较小，钻孔体应变仪受气压干扰影响较大；气压剧烈变化时，垂直摆和水管仪测值曲线会产生小的固体潮畸变，而钻孔应变仪则产生较明显的同步趋势变化；⑤山洞的岩性条件、覆盖层厚度、洞室深度、山洞密闭性等基础条件，直接决定洞室形变观测受自然环境干扰程度。因此，在选址和建设形变观测山洞时，既要考虑台址的地质构造背景，又要考虑山体的高差、厚度、山势等地形地貌特征及台基岩性条件，而且新建山洞应尽量加大洞室深度，并做好保温、防潮等抗自然环境干扰等措施。

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（Z1）：79-83.

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Abstract

By analyzing deformation observation data of Xi＇an Seismic Station from the year 2014 to 2015，all kinds of interference to observation instrument，such as water tube tiltmeter，extensometer and vertical pendulum tiltmeter，what would be caused by natural environment，are summarized in this paper.The influence characteristics and general rules of several typical natural environment interference factors on the deformation observation data were found.At the end，same suggestion of anti-interference measures，that will provide the reference for the same kind of interference identification and deepening application of deformation observation data are given.

The interference analysis of natural environment on deformation observation of Xi′an Seismic Station

Wang Qiuning and GuYunhe
（Earthquake Administration of Shaanxi Province，Xi＇an 710068，China）

earthquake precursor monitoring，deformation observation，natural environment，interference analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.012

王秋宁（1973—），女，工程师，主要从事陕西地震前兆台网数据处理工作。E-mail：sxtwzhx@163.com