康定地震台VP型垂直摆倾斜仪常见干扰分析

田思留，刘仕锦，袁 媛，袁 梅，刘 涛，赵 兰

(四川省地震局康定地震中心站，四川 姑咱 651000)

VP型宽频带垂直摆倾斜仪(以下简称“VP仪”)用于测量地球内部运动引起的地面倾斜变化，是进行地震前兆观测的重要手段之一。该仪器是由中国地震局地震研究所在VS型垂直摆倾斜仪基础上研发的一种新型垂直摆倾斜仪，在自动化程度、观测精度、环境适应性方面较传统地形变观测仪器有了显著提高，VP仪采用远程遥控的自动调零装置，减少了人工调零对仪器的干扰，保证了观测数据的连续性和完整性(马武刚等，2010)。康定地震台于2017年11月底安装VP仪，2018年1月正式运行，仪器采样率为1sps。VP仪自运行以来，工作性能稳定，不仅能记录到清晰的固体潮，还能记录到数分钟到数秒周期的较高频地动信号。本文对康定地震台VP仪正式运行以来的观测资料进行分析，并根据工作日志、气象资料、对比台站其他形变仪器等方法确认观测资料存在的主要干扰因素，总结干扰形式及规律，以进一步提高日常观测质量和异常判定的准确性。

1 观测背景

1.1 台站简介

康定地震台位于四川省甘孜藏族自治州康定市炉城镇北郊的郭达山脚下，雅拉河由北向南从台站门前流过。地质构造上位于鲜水河断裂带北东段，又处于龙门山、鲜水河、安宁河三大主干断裂复合部位。观测山洞位于台站西侧的郭达山山坡下，呈东西走向，顶层及两侧覆盖厚度>60 m，洞体呈“T”字型，基岩岩性为三叠纪灰岩，岩性坚硬、致密。洞室内年温差≤1.0 ℃，日温差≤0.1 ℃，湿度>95%。VP型宽频带倾斜仪安装在洞室内的水泥墩子上。

1.2 正常形态

康定地震台VP仪正常记录的观测曲线光滑连续，有规律明显的波形——呈两峰两谷日变形态，能够清晰记录到固体潮变化和一些典型地震事件(同震效应)(见图1)；从正式运行以来的观测资料来看，有一定的年变规律：在旱季为变化速率较稳定的上升变化，雨季由于观测洞室距雅拉河和折多河较近(观测洞室距雅拉河100 m，距折多河500 m)，仪器受河水涨落影响较大，测值波动变化大，数据漂移过快，因此造成仪器频繁调零，数据日值呈现出冬高夏低的年变特征(见图2)。

2 干扰因素分析

2.1 环境干扰

自然环境主要包括雨、雪、风、雷电、气压、温度、湿度等与大自然密切相关的所有因素，由于垂直摆倾斜仪观测精度较高，这些因素都可能对观测数据造成影响(李惠玲等，2018；马援等，2018)。由于康定地震台缺少数字化的气象观测资料，笔者从康定气象局查阅了2018年的历史天气，包括天气状况、气温、风力风向、年总日照时数和年总降雨量，这对判定干扰起到了一定辅助作用，但由于气象局无法提供每日的瞬时天气，因此无法判定急剧变化的气象因素和瞬时天气对观测数据造成的干扰。

图1 VP宽频带倾斜仪2018年1月观测曲线

图2 VP宽频带倾斜仪日均值及降雨量

(1)降雨和河水干扰。降雨对观测系统和观测数据的影响与降雨时长、降雨量及降雨过程等密切相关，康定地震台VP仪受降雨干扰主要表现在3个方面：(1)雨水会引起地面负载发生变化：根据专家学者的相关研究，降雨时一部分雨水经地表流走，另一部分则渗入山体岩石的裂缝或土层中，岩石的不规则裂缝经雨水渗透，改变洞体地层含水率和孔隙压力，围岩在水的参与下出现变形(车用太等，2000)，发生膨胀，使岩石产生不均匀变形(陈敏等，2007)，且由于空隙与土层中水的存在，使洞体覆盖层重量产生变化，造成垂直摆观测分量发生倾斜变化(黄晓华等，2008)；(2)山洞基岩为灰岩，易渗水，洞内潮湿易积水，由于VP仪观测精度较高，洞室环境的微小变化都会对观测数据造成干扰；(3)康定地震台形变山洞距离雅拉河和折多河较近，河流经过台站地段，水流湍急，水位受季节变化影响大。在康定地区每年4～9月的雨季，河水水位上涨所产生的压力变化会对VP仪观测数据造成不可避免的严重干扰。降雨量较小和降雨过程较短时，降水造成的倾斜量相对较小，引起的变化不明显，而大量、持续降雨则会对垂直摆产生较大干扰，雨水由地表渗入山体，继而渗入山洞，导致洞内小气候的改变，对观测数据造成干扰(见图3)，同时河水上涨更加剧数据的干扰，但由于河水水位上涨有一个过程，因此河水水位干扰具有滞后性。例如2018年6月11～13日发生强降雨时观测数据并未有明显变化，6月14日才开始出现NS向大幅上升，EW向大幅下降的变化(见图4)。降雨和河水水位的双重干扰导致数据漂移过快，观测仪器频繁调零，从而又造成了调零干扰。因此降雨和河水干扰对康定地震台VP仪数据造成的影响是较大且持续时间较长的。

图3 降雨导致山洞渗水观测曲线

图4 康定地震台VP倾斜仪河水水位干扰曲线及降雨量

图5 康定地震台VP倾斜仪降雪干扰曲线级降雪量图

(2)降雪干扰。康定冬季降雪量较大，积雪覆盖引起地面负载变化，导致洞室上方的重量增加，同时雪水慢慢融化、渗透进岩石，使岩石产生变形，并导致洞室积水潮湿，给VP仪观测造成较大干扰，但由于降雪—积雪—融雪有一个过程，因此降雪干扰具有滞后性，在降雪时表现不明显，通常在融雪时表现明显，2018年10月1～2日康定突降大雪，10月3日由于雪水渗透导致数据漂移过快(见图5)。

(3)强日照干扰。康定地处高海拔地区，日照强烈，2018年全年日照时长1 646 h(据康定气象局)，可见强日照干扰较为明显。康定地震台山洞建造在郭达山西面，正午过后，太阳西下，阳光直接照射在山洞上，长时间的阳光直射对仪器造成强日照干扰。由于太阳偏西后才会直射在山洞上，加上台站仪器洞室较浅，因此此类干扰的时间段一般是在13:00左右开始，一直持续到太阳落山。干扰表现为时间较为规律，分钟值曲线有变粗，波动变化较明显，毛刺较多的特征。2018年10月24日为明显的晴天，日照强烈，因此从12时左右开始，分钟值曲线出现毛刺干扰(见图6)；而2018年6月15日为典型的小雨加阴天，没有日照，因此分钟值曲线没有毛刺干扰，曲线较光滑(见图7、表1)。

图6 康定地震台VP倾斜仪强日照干扰曲线

图7 康定地震台VP倾斜仪无强日照干扰曲线

表1 康定市历史天气情况

(4)其他气象因素干扰分析。由于附近雅康高速的修建会有爆破山体的工程，观测人员怀疑观测曲线变粗或呈毛刺变化为周边爆破产生的震动干扰。通过排查，2019年4月15日18时1分和2019年4月28日18时15分在距康定地震台直线距离约10～15 km的雅康高速修建段有爆破工作，但这两次距离台站较近的大型爆破工作并未造成观测曲线变粗或者呈毛刺变化(见图8)，因此可以排除该干扰。

图8 2019年4月15日和4月28日爆破当日VP仪观测曲线

大量文献和实际观测中都表明风、气压、温度、湿度会对VP仪观测数据造成干扰。康定地震台VP仪运行以来，观测数据曲线多次出现变粗或呈毛刺变化的现象，根据观测经验判断，这与康定地区风、气压、温度、湿度密切相关。由于康定地震台缺少风、气压、湿度、温度的观测资料，虽然气象局提供的历史天气中有风力、风向的资料，但并没有准确说明刮风的具体时间段、气压变化等瞬时天气，因此无法准确判断观测曲线变粗或呈毛刺变化的准确干扰源。为此，观测人员排除了周边其他可能造成的震动干扰，从而确定这是由康定地区的其他气象因素所导致的(见图9)。

图9 其他干扰因素

图10 康定地震台VP倾斜仪人为干扰曲线

2.2 人为干扰

观测洞室是一个相对比较稳定的封闭环境，当观测人员进洞检查仪器、调零、标定仪器等，都会在洞室内走动、开门、关门等，破坏了洞室原有的封闭环境，造成气流变化、负荷变化，这些都会对观测仪器造成干扰(刘仕锦等，2007)。VP仪是网页调零，人为进入洞室操作造成的干扰、缺数相对减少，康定地震台VS垂直摆倾斜仪和JB水平摆倾斜仪受环境影响，调零次数较多，两套仪器调零均需要观测人员时常进出山洞，对VP仪造成人为干扰；同时进洞检修仪器、更换电机、线路改造等都会对观测数据造成人为干扰。人为干扰主要变现为数据突跳和台阶(见图10)。由于干扰数据为无效数据，预处理时需进行缺数处理，因此如果干扰时间过长，就会对数据完整率和连续率产生影响。从康定地震台2018年地倾斜观测报告中可以看出，康定VP仪缺数主要是地震超量程、标定、调零预处理造成的。例如康定地震台VP仪从2018年10月康定大雪后，EW分量的调零次数增加，平均4天要调一次，加之其他仪器进洞调零造成的干扰，严重影响VP仪观测数据的完整率。对2018年康定VP仪网页调零和人为进洞调零等次数进行了统计，全年VP仪共有网页调零NS向21次，EW向38次；VS垂直摆倾斜仪调零造成干扰NS向22次，EW向11次，因此人为干扰是VP仪的主要干扰源之一。

2.3 观测系统干扰

VP仪运行以来，运行状态较好、自身故障较少，2018年9月16日由于线路接触不良引起台阶变化(见图11)，2018年6月5日由于标定重复记录读数，形成阶跃曲线(见图12)。

图11 康定地震台VP倾斜仪观测系统故障干扰曲线

图12 康定地震台VP倾斜仪标定干扰曲线

3 地球物理事件

地球物理事件主要是指因地震活动造成的观测数据异常，引起同震变化、震后效应的事件，康定地震台VP仪能清晰记录到全球的大地震和周边较小地震，且地震记录幅度明显比较大，观测曲线有显著波动和阶跃变化。地震物理事件与一般干扰观测曲线不同，垂直摆与地震仪记录的地震波形态一致性较好(马援等，2018年)，因此能够容易区分同震效应和其他干扰。记录曲线上有时大远震的影响会持续数小时，比如2018年12月1日VP仪两分量01:38至04:32记录到01:29:27美国阿拉斯加7.2级地震，对曲线的影响接近3 h(见图13)；另外一些地震发生时，当仪器自身的周期与地震面波周期接近时，会产生共振现象，造成仪器靠摆，导致数据缺测，如2018年10月31日西昌5.1级地震，引起VP仪NS向产生台阶和EW向靠摆，数据缺测40 h(见图14)；对于周边较小地震，观测曲线也会表现出明显的阶跃现象(见图15)。因此无论从记录的地震数量还是地震对观测曲线的影响程度来看，地球物理事件对观测数据的影响无疑是较大的和不可忽视的。

图13 美国阿拉斯加7.2级地震对观测数据的影响

图14 西昌5.1级地震对观测数据的影响

图15 道孚3.1级地震对观测数据造成台阶干扰

4 讨论

(1)通过对康定地震台VP仪运行以来的观测数据进行分析，发现VP仪主要存在降雨干扰、降雪干扰、强日照干扰、风干扰、河水水位干扰、人工干扰及观测系统类的干扰，这与一同运行的VS垂直摆倾斜仪的干扰源一致，说明康定地震台的观测环境受自然环境的干扰严重，在日常观测分析工作中，应充分考虑干扰异常。(2)由于康定地震台降雨量、气温、气压等辅助观测都是人工观测，一天一个观测值，在对仪器分钟值数据进行具体分析时，不能很好地利用辅助观测数据进行数据分析，在条件成熟时，建议升级改造辅助观测手段。康定地区气候特殊，常年存在大风，势必会对VP仪造成干扰，但由于缺少大风等瞬时资料，从而无法准确判断干扰源，建议增加气象观测手段，以期进一步排除干扰。对于折多河及雅拉河的水位变化情况没有确切的数据来源，只能凭观测人员的经验，结合降雨量肉眼观测，缺乏科学性，建议地震部门应多与当地水文气象等部门沟通协作，获取水文气象资料，以进一步提高观测数据的准确性和科学性。(3)尽管VP仪运行时间只有一年多，观测资料有限，但基本能够支撑对干扰源的初步识别与分析，在台站的数据分析、干扰排除、前兆异常提取、地震预报等工作中发挥了作用。