河北省地倾斜观测资料干扰因素分析

屈 曼，侯晓真，马 栋，陈建国，高 晨

(河北省地震局，河北 石家庄 050021)

0 引言

定点形变测量主要包括地倾斜、地应变和重力(固体潮汐)测量。这种定点的观测方式能够很好地监测地壳的连续运动情况。地倾斜观测资料被广泛应用于地震监测预报工作中。许多专家学者对地倾斜数据进行深入的分析研究。张创军等[1]应用龙门山断裂带区域地倾斜观测结果分析汶川地震前地倾斜面的形变特征，探讨地震的孕震机理。吕品姬等[2]搜集整理了我国定点倾斜观测近30年来已发表的观测成果，归纳出常用的倾斜资料处理方法，得到了倾斜前兆异常量级、倾斜异常与震中和震级的统计关系。牛安福[3]对地倾斜变化的突变性及与地震关系进行深入研究。曹建玲等[4]利用有限元方法，对存在复杂地形时，气温变化所造成的地倾斜变化量进行估算。众多研究表明，地倾斜观测是地震监测预报的一种有效手段。

随着城市化建设的飞速发展，越来越多的地倾斜观测台站受到了多种干扰，例如房地产建设、工程项目建设、人们生产生活影响等等。这些干扰因素对地倾斜观测造成了直接或者间接的影响，以至于观测曲线产生不同形态的畸变，影响数据的观测质量和分析利用，并且对地震前兆异常的识别造成了很大的困扰[5-8]。因此，为了将地倾斜观测数据充分有效地应用于地震分析研究中，我们必须要把各种干扰因素从观测数据的变化中识别出来，分析和研究这些干扰因素对地倾斜观测曲线产生的不同影响，也成为一项必不可少的工作。本文将河北省7个定点台站的地倾斜观测资料进行归纳整理，并结合台站观测日志、异常核实报告、台站观测环境实地考察以及与台站工作人员的沟通交流，识别出不同干扰因素对不同台站地倾斜观测曲线造成的影响，并进行归类总结。

1 观测概况

目前，在地震监测预报中，河北省应用较多的地倾斜观测手段主要有DSQ水管倾斜仪、SQ70D水平摆和VS垂直摆。省内大部分VS垂直摆已更新为VP垂直摆，由于仪器更新时间短且数据观测质量不够好，故选用VS垂直摆。根据观测数据的质量，研究选取河北省内7个地倾斜观测台站，包括怀来台、张家口台、赤城台、承德台、宽城台、涉县台、永年台，台站分布如第18页图1所示。地倾斜观测主要按照NS和EW分量进行正交垂直观测，部分台站设置45°斜交第三分量即NW或NE分量。每个观测台站的观测情况不同，不同的观测台站拥有不同数量和种类的地倾斜观测手段。台站观测手段信息如第18页表1所示。

2 干扰因素分析

将河北省7个观测台站的地倾斜观测资料进行归纳整理，结合台站观测日志、异常核实报告、台站观测环境实地考察以及与台站工作人员沟通交流，河北省地倾斜干扰因素主要分为观测系统类干扰、观测环境类干扰以及气象因素类干扰。下面逐一对各项干扰及其典型事例进行详细分析。

2.1 观测系统类

观测系统类干扰主要是指由于观测仪器、主机数采、线路等观测系统故障或者观测系统工作状态的变化对观测数据造成的干扰。通过对干扰因素的归纳汇总，河北省倾斜观测系统类干扰主要包括数采故障、仪器零部件老化生锈和标定干扰。

图1 本文选取的台站分布图Fig.1 Selected seismic station distribution map

编号台站测项1赤城垂直摆 NS、EW、NW2张家口水管仪 NS、EW、NW水平摆 NS、EW垂直摆 NS、EW、NW3怀来水管仪 NS、EW、NE水平摆 NS、EW垂直摆EW、NS4承德垂直摆 NS、EW5宽城水管仪NS、EW垂直摆NS、EW6涉县水管仪 NS、EW垂直摆 NS、EW7永年水管仪 NS、EW

(1) 数采故障干扰。数采故障主要是数采不能正常工作或者工作状态不稳定，造成数据产生畸变。以张家口台为例进行分析，2015年10月17日更换数采及协转后，垂直摆EW分量9个小时内下降达170×10-3ms，垂直摆其他两个分量及共用同一数采的伸缩仪和体应变数据并无同步异常变化，分析可能是数采垂直摆倾斜仪EW向所在通道故障所致。在现场异常核实检修数采时，发现数采死机，确认数采存在问题，更换新的数采后观测曲线恢复正常形态(见图2)。

图2 张家口台垂直摆观测数采故障干扰曲线Fig.2 Disturbance curve of data acquisition failure of vertical pendulum at Zhangjiakou station

(2) 仪器零部件老化生锈干扰。仪器出现零部件老化或者生锈的情况一般都会引起观测数据曲线的固体潮畸变，曲线变化不光滑，影响观测数据的质量和使用。以承德台为例，2012年2月以来承德垂直摆EW向的固体潮开始出现畸变(见图3)，经武汉地震科学仪器研究院专家对仪器的工作状态进行检查，发现摆体钨丝存在阻值增大的现象；调零底脚垫块与墩面间有生锈现象，导致观测曲线的固体潮出现畸变。以怀来台为例，自2015年3月26日起，因垂直摆仪器摆体和主机严重老化，仪器工作状态不稳定，曲线产生较大的缓变台阶(见第19页图4)。

图3 承德台垂直摆观测仪器老化干扰曲线Fig.3 Disturbance curve of instrument aging of vertical pendulum at Chengde station

图4 怀来台垂直摆观测仪器老化干扰曲线Fig.4 Disturbance curve of instrument aging of Vertical Pendulum at Huailai station

(3) 标定干扰。为保证观测数据的质量及观测仪器的正常运行，需要定期进行仪器标定。在标定过程中，观测曲线会产生台阶变化。以涉县垂直摆为例，垂直摆NS向2015年6月23日10:13-10:40校准仪器，产生缺数。因恰逢有气压波动干扰，为确保格值的准确性，此次校准结果不启用；2015年6月24日11:12-11:40校准仪器，按缺数处理，启用新格值，格值从00:00由0.120 1×E-3″/mV变为0.120 7×E-3″/mV。垂直摆EW向2015年6月24日08:20-08:46校准仪器，按缺数处理，启用新格值，格值从00:00由0.070 30×E-3″/mV变为0.0705 3×E-3″/mV。在3次标定时，观测曲线均表现为台阶变化，一般情况下，数据预处理时会将该时间段的数据进行缺数处理(见图5)。

图5 涉县台垂直摆观测标定干扰曲线Fig.5 Disturbance curve of instrument calibration of Vertical Pendulum at Shexian station

2.2 观测环境类

观测环境类干扰主要指测点周围观测环境的变化对观测数据造成的干扰，较常见的观测环境干扰包括地面荷载变化、工程施工、抽蓄水等。此类干扰一般会引起观测数据固体潮畸变、趋势变化、速率改变等。

河北省内比较典型的观测环境类干扰案例为张家口水管仪和永年水管仪。如图6所示，张家口形变水管仪从2013年11月10日12时-16时出现固体潮曲线畸变现象。同时段内，在山洞口正在进行体应变钻孔施工，距观测仪器较近，设备在使用过程中，电压变化及振动等方面的干扰可能是造成此次畸变的原因。永年台水管倾斜仪NS分量2012年9月开始出现加速N倾，11月N倾速率有所减小。位于东南方向距山洞0.45 km的采石场采石时间与异常出现的时间(2012年9月—11月)基本吻合，加之各仪器墩检测结果完整性不好，采石振动极易造成异常变化(见图7)。

图6 张家口台水管仪观测施工干扰曲线Fig.6 Construction disturbance curve of water pipe instrument at Zhangjiakou station

图7 永年台水管仪观测采石干扰曲线Fig.7 Quarrying disturbance curve of water pipe instrument at Yongnian station

2.3 气象因素类

气象因素类干扰主要是指由于气象原因引起观测数据的畸变，河北省常见的气象因素干扰包括风、雨、雪、雷电、气压、温度、湿度等。由于观测条件有限，定点台站的气象观测数据只包括降雨量、气压和温度，其他气象因素只能依靠台站工作人员根据气象变化填写工作日志来进行对比分析。

河北省地倾斜观测每年雨季七、八月份受降雨、雷电影响比较多。雷电干扰多数会击坏观测仪器，造成缺数影响；一般降雨干扰主要对观测曲线的固体潮产生影响，表现形态主要为毛刺、固体潮畸变等。以涉县台为例，2017年8月15日21时—22时，由于降雨原因造成垂直摆NS向数据固体潮出现畸变(见图8)。

图8 涉县台水管仪降雨干扰对比图Fig.8 Rainfall disturbance curve of water pipe instrument at Shexian station

有时强降雨也会对观测数据的变化趋势造成影响，以永年台为例(由于数据库中降雨量的单位有问题，图中降雨量仅作为参考)，水管仪自2016年7月21日EW分量出现加速西倾变化、NS分量加速北倾变化，经过现场异常核实以及荷载模型计算，7月19日-20日出现强降雨天气，造成洺河蓄水量大幅增加，导致观测曲线趋势发生变化(见图9)。

图9 永年台水管仪降雨干扰曲线图Fig.9 Rainfall disturbance curve of water pipe instrument at Yongnian station

气压干扰一般会引起观测曲线的固体潮畸变，且二者的变化形态较一致，相关性较好。以宽城台为例，水管仪NS向2016年4月29日14:00-19:00由于气压干扰，出现固体潮曲线畸变(见图10)。

图10 宽城台水管仪受气压干扰曲线图Fig.10 Disturbance curve of air pressure of water pipe instrument at Kuancheng station

3 结论与讨论

通过对河北省地倾斜观测数据干扰因素的归纳整理，发现观测系统类干扰主要包括数采故障干扰、仪器零部件老化生锈干扰和标定干扰，其干扰形态主要表现为变化趋势转折、固体潮畸变、台阶；观测环境类干扰主要包括地面荷载变化、工程施工、抽蓄水，其干扰形态主要表现为固体潮畸变、趋势变化、变化速率的改变；气象因素类干扰主要包括风、雨、雷电、气压等，其干扰形态主要表现为固体潮畸变、毛刺、趋势变化。

在分析研究地倾斜观测资料时，为提取出观测曲线的真实变化，需要剔除各种各样的干扰因素。不同的台站由于地理位置不同、观测仪器的工作状态及安装情况不同、基岩条件不同等，对于不同的干扰会产生不同程度的反应，曲线变化形态以及变化幅度都会有所差异[7]；对于观测系统的干扰，可以查询仪器维修的工作日志，进行时间相关性分析，如果在干扰时间段内未进行仪器维修，则要对观测系统进行详细排查，必要时邀请仪器专家协助；针对观测环境类干扰，尤其是荷

载发生变化时，不仅要进行时间相关性分析，还应尽量使用载荷模型或者数值模拟等方法进行定量分析，将计算结果和干扰变化幅度进行一致性对比，从而确定是否完全由此类干扰影响所致[9]；对于气象类干扰，往往时间相关性极好，一般比较容易识别。