临汾台洞体形变典型干扰与地震异常图像识别

李 艳

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

根据“十五数字地震观测网络项目”建设任务，临汾中心地震台安装了SS2-2I型石英水平摆和VS型垂直摆两套洞体形变观测仪器，从2007年运行以来，积累了丰富的观测序列数据。期间，临汾及周边地区先后发生有2009年陕西高陵4.4级地震，2010年山西河津4.8级地震及洪洞3.6级地震等几次地震事件，这些地震序列资料中，既有典型的干扰图像又有震前典型异常图像。如何快速、准确识别两者的不同形态特征是一项非常必要的工作，对于日常会商和数据使用人员来说尤为重要。

1 典型干扰图像分析

在无干扰、无地震等正常背景下，石英水平摆、垂直摆两套仪器的观测曲线粗细均匀光滑，固体潮形态清晰，日变呈典型的正弦波形态(见图1)。

1.1 人为干扰因素分析

人为干扰因素主要包括仪器标定、摆体调试(含调零)、人员进洞等。为检验仪器工作的稳定性、准确性及衡量仪器的观测精度，根据洞体形变及应变学科观测规范要求，每年需定期对观测仪器进行标定，标定时会对正常观测曲线造成干扰，上述三类仪器在标定时段会同步产生显著的“方波型”图像[1]。

摆体周期调试、工作电压调零、人员进洞等人为因素引起的干扰图像一般表现为两测向同步出现“方波型”“脉冲型”或“阶跃型”形态。例如垂直摆工作电压为0～±2 V，一旦超出工作电压量程，产出数据为固定值“0”，属于无效数据。为避免此现象发生，值班人员在观察到工作电压接近±2 V时，需进入山洞摆体处微调工作电压，导致该测向曲线出现明显的台阶变化，而另一测向则出现“脉冲”状突跳变化(如第13页图2所示，EW向调零为台阶变化，NS向受干扰后出现“脉冲”状突跳)。只要结合观测工作日志，数据分析使用人员很容易识别此干扰。

图1 石英摆、垂直摆正常背景图像Fig.1 Normal background image of quartz pendulum and vertical pendulum

1.2 自然干扰因素分析

自然干扰因素主要指观测山洞出现新打深井、爆破(炸石)、大型蓄水、新修公路以及雷电、大风等气象因素引起的观测数据变化。自2007年“十五”项目建设以来，临汾台观测山洞周边未出现打井、蓄水、修建公(铁)路等工程；龙祠山洞周边偶尔有爆破(炸石)事件发生，因爆破当量太小对洞内仪器的影响不明显；气压、大风等气象因素对观测仪器的影响比较明显，有些干扰图像形态与个别地震前的异常图像形态有相似之处。

图2 垂直摆“调零”干扰图像Fig.2 Vertical pendulum zero-setting interference image

风扰是影响洞体形变的一个主要因素，使观测曲线出现毛刺、小幅度突跳等脉动明显增粗现象。同时，风扰会引起局地气压快速起伏，造成地面载荷体的失衡，导致山体及周边应力产生变化。因此，在观测曲线与气压曲线图上二者呈同步显著变化形态(见图3)，风停后曲线即恢复正常。值班人员认真填写观测日志，分析预报人员在使用数据时对比气压曲线、查看观测日志很容易识别此类干扰。

图3 风扰气压引起的同步干扰变化图像Fig.3 Synchronized disturbance variation image caused by wind disturbance pressure

雷电是对台站观测仪器危害最大的自然事件，虽然台站前兆观测系统按标准做了三级防雷措施，但每次雷电事件还是会对观测数据造成明显影响，严重时会击坏仪器造成停测。雷电造成的干扰特征是两仪器同步出现突跳、台阶等现象，雷电过后恢复正常[2]。

2 震例异常图像分析

石英摆NS测向自2009年10月9日改变之前曲线光滑的背景形态，出现连续性的脉动加粗、毛刺等高频震颤扰动现象，11-13日扰动演变为幕式阶跃、错动及幕式尖脉冲，每一幕的扰动时间不完全相同，扰动过程持续几分钟至几十分钟不等[3](见图4)。之后，观测曲线打破之前正常固体潮日变光滑的形态，出现持续性高频震颤扰动现象，畸变特征明显(见图5)。11月5日陕西高陵发生4.4级地震(震中距265 km)，地震后畸变现象依然存在，EW测向固体潮曲线形态正常。

图4 水平摆NS测向记录的地震异常图像Fig.4 Seismic anomaly image recorded by horizontal pendulum NS direction finding

图5 水平摆两测向固体潮畸变图像Fig.5 Distortion image of solid tide in two directions finding with horizontal pendulum

2010年1月11日石英摆、垂直摆同步出现加速转折变化，其中石英摆NS测向为北倾变化、垂直摆NS测向为南倾变化。对于同一次地震，两种洞体摆式倾斜仪器同测向观测曲线表现出相反形态变化的图像。两仪器的EW测向同步为西倾变化,石英摆NS分量自7日以后脉动变粗、高频震颤扰动等畸变现象显著，10至13日呈快速北向变化，幅度达150 ms，13日以后开始转为南向变化，曲线畸变时段还伴有明显的脉冲状突跳，16日以后突跳消失，19日以后曲线呈加速下降变化且再次出现脉动加粗、抖动畸变形态；垂直摆EW测向在14日以后曲线也出现脉动增粗等畸变现象(见图6)。24日，距临汾台89 km的山西带南部峨嵋台地隆起区发生河津4.8级地震，地震后两仪器固体潮曲线恢复光滑、清晰的正常形态。

图6 河津地震前水平摆、垂直摆记录的异常图像Fig.6 Anomalous images recorded by horizontal pendulum and vertical pendulum before the Hejin earthquake

2010年4月2日-3日石英摆NS测向曲线出现小幅度阶跃、小毛刺及连续性正脉冲状突跳形态，之后曲线出现脉动增粗、抖动等畸变现象；EW分量无任何异常显示(见图7)。7日，距台站东北40 km的洪洞发生3.6级地震，震后固体潮曲线恢复光滑、清晰的正常形态。

图7 洪洞3.6级地震前水平摆异常图像Fig.7 Anomaly images recorded by horizontal pendulum before Hongtong M3.6 earthquake

3 结论

由以上分析可知，临汾台水平摆、垂直摆典型干扰种类主要包括人为和自然两种因素，人为干扰因素主要有仪器标定、仪器调零、人员进洞等；自然干扰因素主要有风扰、雷电两种类型。水平摆NS测向在陕西高陵4.4级地震、河津4.8级地震、洪洞3.6级地震前出现较显著的异常图像，具体干扰与异常识别有如下特征：

(1) 人为干扰主要表现为仪器标定、调试(维修)仪器、人员进洞等。标定都在每年的固定时间段进行，标定形态也有其固定性，干扰规律明显；调零(维修)和人员进洞时造成的干扰会在观测曲线图上表现为大幅度的“脉冲”状突跳、阶跃或“方波”类形态图像，较容易识别。

(2) 环境干扰主要来自风扰、气压、雷电等气象自然因素，特别是雷电有时会击坏仪器传感器。影响特点是两仪器四个测向曲线形态同步一致变化，其形态与地震前个别仪器记录到的“高频震颤波”形态比较类似，风扰、雷电过后曲线图像即恢复到正常状态。值班人员要在观测日志中详细备注。

(3) 在震例异常图像方面，水平摆NS测向在陕西高陵、山西河津、山西洪洞几次中等地震前，观测曲线出现连续性的脉动增粗、阶跃、突跳、高频震颤扰动等固体潮畸变明显的异常图像，EW向无显著异常，说明异常反映存在一定的方向性；两仪器NS、EW测向在河津地震前有加速、反向转折等异常变化。其中，水平摆异常图像更丰富、显著；垂直摆在几次地震前，无论从曲线形态还是变化幅度上未出现与水平摆相似的异常图像特征。