丹东地震台数字形变自然干扰因素分析

姚菲菲，宫长盛，梁永信

（丹东地震台，辽宁 丹东 118000）

0 引言

数字化形变观测记录的大量数据资料不但包含地壳变化的信息，还包含着大量自然干扰因素（降雨、气压、雷电、潮汐、微气流扰动）等干扰信息，丹东地震台2006年安装洞体形变DSQ水管仪、洞体应变SSY伸缩仪，2008年正式观测，至今已有10年时间，积累了大量的数据资料，积累了识别与排除各种自然干扰因素的宝贵经验。本文对丹东台数字形变中的自然干扰现象进行科学的分析与判别，为实际工作中快速准确的排除干扰、提取异常提供实用、可靠的办法，为地震分析研究提供真实、可靠的数据资料。

1 台基情况

丹东地区处在天山至阴山巨型纬向改造体系的东延部份，与华夏构造体系东亚大陆第二隆起带复合交接部位。丹东台数字形变仪器洞室设在丹东市人防局备战山洞内，山洞洞室进深170m，台基岩性为黑云母斜长片麻岩，岩性致密稳定，但距鸭绿江断裂较近，裂隙较发育。丹东地震台现洞体观测手段有数字化DSQ水管倾斜仪一套、数字化SSY洞体应变仪一套，均有EW、NS两个分量，洞体内部年温差小于0.5℃、日温差小于0.03℃，基本符合观测规范要求。丹东地震台数字形变仪器洞室平面图如图1所示。

图1丹东地震台数字形变仪器洞室平面图Fig.1 The cavity plan of the digital deformation instrument at Dandong Seismic Station

2 自然干扰现象分析

在干扰丹东地震台数字形变手段的自然因素中以微气流扰动、气压、降雨、潮汐干扰较为突出明显，而这些自然干扰因素作用在DSQ水管仪与SSY伸缩仪表现出的形态与程度也各有不同，下面对这些自然干扰作用于观测手段上的变化形态做出说明。

2.1 微气流扰动（风扰）

风扰是丹东地震台DSQ水管仪自正式运行以来，受外界自然因素最为常见也是最难解决的问题，此种自然现象对SSY伸缩仪产生的干扰影响并不明显，但对DSQ水管仪尤其是对水管仪的EW向造成的干扰非常明显，其主要原因是丹东台观测山洞EW向离洞口近，且外部覆盖比NS向薄。丹东地震台观测洞体覆盖厚度如图2所示。

图2丹东台洞体覆盖厚度平面图Fig.2 The covering thickness plan of the cavity at Dandong Seismic Station

我们对于洞体覆盖厚度是否符合要求进行了估算。根据岩土性质、地面温度年变幅两个基本要素来估算洞室覆盖厚度的下限值。

覆盖厚度理论解下限值估算公式（1）：

Z（cm）=-Ln（a*/a0）×（T0/∏）1/2×KS1/2（1）

其中：

a*为洞室内温度年变幅，根据规范要求设为0.5℃；

a0为地面温度年变幅，丹东地区为60.0℃；

T0=3.1536×107s；

KS=0.0109（cm2/s）为片麻岩热扩散率。

计算结果为：Z（cm）=1583.6cm

从计算结果看覆盖厚度至少应在15.8米，而丹东台数字形变观测洞室经实地测量，EW向覆盖厚度只有12米左右（洞体EW向，因洞体外宝光寺扩建，对EW向洞体外山体进行挖掘，导致洞体EW向覆盖比安装仪器时少了2到3米），NS向覆盖厚度在15米左右，说明洞室覆盖厚度不够，同时也解释了水管仪EW向所受干扰相比NS向严重的原因。2009年12月在洞体廊道内加装过2道密封木门，对洞体内部通风管道、封闭门间份缝隙用发泡添堵，以减少洞体内部的微气流扰动及温度变化。通过以上措施，使EW向的微气流扰动现象也得到了一定的改善，但也未能完全达到标准。安装密封门前后对比图请如图3、4所示。

图3加装封闭门前微气流扰动对水管仪NS、EW向干扰图形Fig.3 The micro-airflow interference on the water tube tiltmeter with NS and EW trend before installing a closing door

图4加装封闭门后微气流扰动对水管仪NS、EW向干扰图形Fig.4 The micro-airflow interference on the water tube tiltmeter with NS and EW trend after installing a closing door

观测洞室的温度变化、观测人员出入洞室、自然界中刮风达到一定风力等因素都会对DSQ水管仪腔体内部形成微气流扰动，使处于静止状态腔体的空气产生动态变化，在产出数据曲线出现不同程度的离散噪声现象，洞体覆盖程度越好，微气流对产出资料的干扰也就越小[1]。由于丹东地震台洞体的覆盖厚度为NS向15米、EW向12米，根据公式计算（计算公式在本文的2.1中做过详细论述），当NS向与EW向覆盖达到15.8米时完全符合观测标准，所以丹东台DSQ水管仪的抗风扰能力并不强，由于NS向的外部覆盖15米要高于EW向覆盖12米，NS向的抗风扰能力要明显好于EW向。且通过多年的观测资料分析，微气流扰动对SSY伸缩仪的干扰影响并不明显。从图5-6中可见，2018年3月15日当天风力为5至6级，DSQ水管仪EW向数据曲线出现了明显的离散现象，而NS因洞体外部覆盖要好于EW向，所以受到的干扰影响要明显好于EW向。SSY伸缩仪受到的风扰影响基本可以忽略不计。

图5 2018年3月15日DSQ水管仪NS、EW向分钟值曲线图Fig.5 The minute value curves of DSQ water tube tiltmeter with NS and EW trend on March 15，2018

图6 2018年3月15日SSY伸缩仪NS、EW向分钟值曲线图Fig.6 The minute value curves of SSY extensometer with NS and EW trend on March 15，2018

2.2气压干扰

突发性的剧烈气压变化会引起数字形变数据曲线发生畸变，气压扰动的幅度越大，相应时间段内数据曲线的同步变化也就越大。如图7所示，突发性的气压剧烈的变化对SSY伸缩仪造成的干扰影响明显，而对DSQ水管仪的影响则不大，可忽略不计。2010年6月11日当天丹东地区气压变化大概为1019hPa到1012 hPa之间，全天变化范围为2～4hPa左右，通过多年对丹东地区的气压值总结分析得出，丹东地区一天的气压值变化范围在3hPa到4hPa之间，而2010年6月11日当天18点处伸缩仪数据曲线和气压的数据曲线发生畸变时气压值的变化范围1019.5hPa到1011之间，变化范围的上下限差为1.5hPa，比之当天的气压值变化3hPa要小。

图7 2010年6月11日水管、伸缩、气压分钟值曲线图Fig.7 The minute value curve of water pipe，extensometer and meteorology on June 11，2010

2.3降雨干扰

结合丹东台多年的观测经验来看，只有在降雨量达到30mm以上时，会使得数据出现漂移，小于30mm的降雨量则对观测影响不大。短时间段内降雨达到30mm以上的情况在一年中出现的次数并不多，一般情况下，每年的7到8月份时丹东地区正值雨季，经常会出现降雨天气，尤其在这段时间内一个或多个连续几天的降雨，使得丹东台观测山洞基岩始终处于一个吸水饱和状态，基岩也始终处于膨胀状态，所以会对伸缩仪整个月的月分钟值曲线造成影响，待降雨停止后，数据慢慢恢复正常状态。如图8所示，在2010年5月5日，丹东地区有过一次强降雨，降雨量接近40mm，这次短时间内的强降雨，对丹东台的水管仪影响不大，可忽略不计，而对伸缩仪的影响较大，伸缩仪的NS向与EW向分别变化了1580×10-10/mv与2380×10-10/mv，强降雨过后，数据逐步恢复正常，5月份下半月也有几次降雨，但降雨量都没有超过20mm，所以对数据的影响不大，可忽略不计。

图8丹东台2010年5月水管仪、伸缩仪分钟值曲线图、降雨量日均值图Fig.8 The minute value curves of the water tube tiltmeter and extensometer，the daily mean value of the rainfall at Dandong Seismic Station in May，2010

2.4潮汐干扰

丹东地区濒临鸭绿江与北黄海，如图9所示，潮汐干扰对丹东台DSQ水管仪EW向、与SSY伸缩仪EW向影响较大，而对DSQ水管仪与SSY伸缩仪的NS向影响不大，每天的潮汐干扰相较与前一天滞后2小时左右（表1），如图10所示DSQ水管仪与SSY伸缩仪EW向每天受潮汐干扰并不在同一时间段，这也很好的说明了DSQ水管仪与SSY伸缩仪的工作特性。每天涨落潮时，由于海浪拍打沿岸，对陆地表面形成作用力，使得地面倾斜，这时DSQ水管仪的记录曲线就发生了变化，这是潮汐对DSQ水管仪形成干扰的原因，而涨潮达到一定程度后（接近于满潮状态），对陆地表面形成挤压作用力，这时SSY伸缩仪记录曲线发生变化，这是潮汐对SSY伸缩仪形成干扰的原因。

图9 2010年6月11日—6月17日水管仪、伸缩仪分钟值曲线图Fig.9 The minute value curves of the water tube tiltmeter and the extensometer from June 11 to 17，2010

图10 2010年6月11日—6月17日水管仪EW向、伸缩仪EW向分钟值曲线图Fig.10 The minute value curves of the water tube tiltmeter with EW trend and the extensometer with EW trend from June 11 to 17，2010

表1丹东鸭绿江及东港鸭绿江口涨潮落潮农历时间表

3 成因及特性分析

3.1微气流扰动特性分析

观测洞室的温度变化、观测人员出入洞室、自然界中刮风达到一定风力等因素都会对DSQ水管仪腔体内部形成微气流扰动，使处于静止状态腔体的空气产生动态变化，产出数据曲线中出现不同程度的离散噪声现象，洞体覆盖程度越好，微气流对产出资料的干扰也就越小[2]。导致丹东台DSQ水管仪EW向受微气流扰动明显的主要原因为EW向洞体覆盖厚度不够，其特点为：微气流扰动的出现在时间段上一般都会持续最少几小时甚至到全天24小时，且风力越大（丹东地区一般5级风以上），数据曲线出现的离散噪声现象就越是明显突出。一般情况下当丹东地区风力达到5级以上时，DSQ水管仪受微气流影响较为明显。温差变化也会对离洞口近的水管仪EW向产生影响，因此微气流扰动干扰是一种综合干扰现象。

3.2气压干扰特性分析

气压干扰是大气压力的剧烈变化通过地表作用，引起地表倾斜，分为周期性的季节性变化和非周期性的突发变化[2]。丹东地区一般发生这种短时间内的剧烈的气压变化为每年的6月份到10月份，一般伴随着降雨。通过观测资料分析，我们总结出气压对SSY伸缩仪干扰影响的特点：气压值正常缓慢的变化，不会对伸缩仪的数据曲线造成干扰，而某一时间段上一个剧烈的气压变化，丹东地区某一时间段气压值当变化为1hPa或以上时，在相对应的同一时间段上伸缩仪数据曲线会发生畸变，形态上与气压出现的畸变形态特征基本一致。

3.3降雨干扰特性分析

降雨干扰是降雨引起断层破碎带具有吸收含水过程，造成岩体不同程度的相对膨胀和压缩产生的地质效应[2]。通俗的讲，就是岩层在吸收大量的雨水后，导致岩层的膨胀对观测仪器产出数据造成干扰，一般的降雨不会对仪器产出数据造成影响，结合丹东台多年的观测经验来看，只有在降雨量达到30mm以上时，数据会出现漂移，小于30mm的降雨量则对观测影响不大，另外说明一点，降雨量对仪器产出数据的影响也是很难用“量”来衡量的，例如：当丹东地区连雨季节到来时，一段时间内（连续几天，或一周内有几次降雨）时，即使每次的降雨量并没有达到30mm，但连续的降雨会使得岩层吸收处于一个饱和或接近于饱和的状态，使得岩层膨胀，同样会对伸缩仪数据曲线产生影响。

3.4潮汐干扰特性分析

潮汐干扰是通过潮水的负荷变化（涨潮、落潮）施加于沿岸，引起地表倾斜固体潮畸变[2]。这种现象主要发生在沿海、沿江城市。潮汐的涨落是与地球与月球运动关系及观察地点所在相关的，白天涨潮称为潮，晚上涨潮称为汐。潮汐分为四个类型，完全全日潮，完全半日潮，不完全全日潮，不完全半日潮，半日潮是指一个潮涨潮落的周期是半天，也就是说一天内有两个涨潮两个落潮，全日潮是指一个潮涨潮落的周期是一天，一天内有一个涨潮两个落潮，完全是指超高达到完全，不完全是指达不到完全超高。不同纬度的潮汐周期是不同的。有一种通俗的计算涨潮的方法，即某天涨潮是前一天涨潮时间推后两个小时。丹东地区潮汐干扰特点：由于仪器观测的特性不同，所以对DSQ水管仪与SSY伸缩仪每天造成干扰的时间段是不相同的，且当天较前一天受潮汐干扰影响时间段要滞后1到2个小时。

4 结论

因为各个观测台站所处的地理位置不同，观测山洞的覆盖厚度、基岩等先天自然条件亦不相同，所以在此篇文章中，只对各种自然干扰做一个定性而不定量的分析，也就是说某种自然条件变化对仪器存在干扰是一定存在的，而变化量达到哪种程度会对观测手段产生干扰，这个量每个观测台站是不一样的，这里我只对丹东地震台的量做一个诠释，希望能在今后的观测分析中作为一个参考。

（1）微气流扰动对DSQ水管仪造成的干扰影响明显，而对SSY伸缩仪造成的干扰影响不明显，可忽略不计。（4级风力以上）

（2）气压干扰对SSY伸缩仪造成的干扰影响明显，对DSQ水管仪造成的干扰影响不明显，可忽略不计。（某一短时段内，一般十几到几十分钟，变化量为1hPa以上）

（3）降雨干扰对SSY伸缩仪造成的干扰影响较为明显，而对DSQ水管仪造成的干扰影响不明显。（降雨量超过30mm）

（4）潮汐干扰对DSQ水管仪与SSY伸缩仪造成的干扰影响都较为明显。