气象因素对甘肃临夏台形变观测的影响分析

2021-01-22陈丽君王文才苏小芸姜振海周卫东

高原地震 2020年3期

陈丽君，王文才，苏小芸，姜振海，周卫东

(1.甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站，甘肃兰州 730000；2.甘肃省地震局，甘肃兰州 730000)

0 引言

甘肃省地球物理台网由形变、电磁、地下流体和重力学科为主的定点台站观测组成。其中形变观测作为反映地震孕育过程最直接、最具有物理意义的手段之一[1]，受气象变化、人为作用、仪器故障及未知因素等多种干扰，使得干扰排除成为识别异常的一项必不可少的工作[2]。气象因素中，降雨对形变观测资料的干扰较为复杂，观测室的地质构造、探头周边介质的导水性等都会影响形变观测[3-5]；温度对地震观测等精密测量仪器的材料性能、元件等参数的影响是普遍存在、不可忽视的[6]；大气压力的改变尤其以瞬时气压骤变对观测数据的影响更为明显[7]。因此，对以上气象因素的干扰分析也是形变观测不可或缺的一部分。

甘肃省形变台网共有19个地壳形变观测台站，观测方式主要是地倾斜观测和地应变观测。主要分布在兰州附近、甘东南地区和祁连山中西段，河西地区由于人烟稀少，观测台站相对较少。形变观测台站多建立在地壳表层，不可避免地受到一些干扰因素的影响[8-10]，如降雨、气压或大风等。本文以临夏台CZB-2A型竖直摆钻孔倾斜仪和YRY-4型分量式钻孔应变仪为例，分析降雨、气压和温度对该台形变观测资料的影响，以期在排除干扰、识别异常，更好地利用数字化固体潮资料提取地震异常等工作中提供参考。

临夏台位于临夏市东北方向约7 km的折桥镇，位于青藏高原东北部拉脊山东侧。拉脊山位于青藏高原腹地边缘，是青藏高原主体与黄土高原之间重要的地貌分界线，其南北两侧为拉脊山北缘断裂带和拉脊山南缘断裂带所围限。台基岩性为亚粘土卵石，第四系覆盖层厚10～20 m，下伏粘土岩、花岗岩。该区域地势西南高、东北低，由西南向东北递降，呈倾斜盆地状态，属高原浅山丘陵区，平均海拔2 000 m。架设的形变观测仪器有CZB-2A型竖直摆钻孔倾斜仪和YRY-4型分量式钻孔应变仪。

1 观测资料质量评定

选取2017～2019年之间的观测资料做为此次的研究对象。根据形变学科倾斜观测M2潮汐因子误差<0.02和地应变观测的M2潮汐因子误差<0.05的要求，对观测资料进行调和分析，调和分析结果见表1。由表可以看出临夏台的竖直摆钻孔倾斜仪和分量式钻孔应变仪的运行稳定，观测资料可靠。

表1 临夏地震台形变观测指标及观测资料变化特征统计

临夏台形变观测正常曲线变化形态如图1，观测曲线长趋势变化特征见表1。由图1可以看出，临夏台形变观测的日观测曲线呈“双峰双谷”的周期性变化；月变化动态平稳，受固体潮影响，钻孔应变观测呈清晰的“梭形”变化；而钻孔倾斜观测无清晰的“梭形”变化；钻孔应变观测年动态呈下降趋势，每年2月左右为高点，9月左右为低点；钻孔倾斜观测年变化形态呈下降趋势，无明显的年变动态。

图1 临夏地震台形变观测曲线

2 降雨干扰分析

临夏台所处地区属温带大陆性气候，四季分明。年均气温6.3 ℃，最高气温32.5 ℃，最低气温零下27.8 ℃，年平均降雨量537 mm，一般4～9月之间降雨比较频繁且集中。本文以几次影响较为明显的降雨为例，分析降雨对形变观测的影响，且将中间无间断的连续降雨视为一次降雨过程[11]。降雨情况统计见表2。

表2 2018年降雨情况统计

由图2、图3和图4可以看出，临夏台形变观测曲线受降雨影响的变化形态为：钻孔倾斜观测曲线为陡升缓降型；钻孔应变观测曲线为缓慢变化型。钻孔倾斜观测在三次降雨的影响下，观测值突然上升，然后慢慢转平。

图2 钻孔应变观测东西/钻孔倾斜北南分量受降雨干扰

图3 钻孔应变观测北南/钻孔倾斜东西分量受降雨干扰

图4 钻孔应变观测北西/钻孔倾斜北南分量受降雨干扰

对比三次降雨过程，2018年 5月18日～19日瞬时降雨量比较大，曲线上升速率较大，约20个小时之后，曲线开始缓慢下降，三天后观测值恢复至降雨前，中间有较小的降雨，但并未影响曲线的下降趋势；2018年7月瞬时降雨量与累计降雨量相对较小，观测数据变化相对平稳；2019年8月期间的降雨，瞬时雨量较小，但是期间一直有降雨，累积降雨量较大，曲线在上升之后，约5～6天下降恢复值降雨前。

可以看出钻孔倾斜观测易受降雨影响，数据变化相对降雨略微滞后，可能与台基岩性有关。瞬时降雨量大时，曲线上升较快，后期无降雨或者降雨较小时，恢复较快。钻孔应变观测受降雨影响后，观测数据曲线出现趋势性的缓慢下降，2018年 5月18日～19日瞬时降雨量较大但降雨时间短，观测曲线存在固体潮畸变；受2018年7月与2019年8月降雨影响，观测曲线加速下降，可能是与降雨持续时间有关，约12小时之后，观测数据出现回升，受后期降雨影响，下降趋势一直持续。可以看出降雨对临夏台形变观测有一定的影响，瞬时降雨量，累积雨量及降雨持续时间都会影响曲线的正常变化。

3 温度和气压影响分析

前人研究结果显示，当温度升高时，地层受膨胀作用，使地层介质受压；当温度降低时，地层受收缩作用，使地层介质受拉[12]，从而影响应变观测。为了更好地分析温度和气压对形变观测的影响，本文使用了曲线拟合的方法去除资料的趋势变化。从图5可以看出，临夏台钻孔应变观测与温度都有清晰的年变，变化趋势相同为同向变化，但是相位不同，也就是说温度对应变观测的影响存在时间滞后。气压与观测曲线是负相关的，且变化几乎是同步的。为进一步突出气压与应变观测的变化关系，选取2019年8月钻孔应变资料的日值曲线与气压变化曲线做对比。如图6所示，钻孔应变观测曲线变化与气压急剧变化几乎同步，无明显滞后。由此可以得出，温度主要影响应变观测的长周期变化(如年变)；临夏台钻孔应变观测曲线的趋势性变化是气压和温度共同作用的结果。

但是钻孔倾斜受多方面影响(如仪器维修、更换数采和标定等)情况相对复杂，与温度和气压没有明显的对应关系，这也可能与当地的气候条件和仪器灵敏度有关。临夏台所处区域，全年气压和温度变化比较平稳，很少出现急剧变化的情况，与应变观测同期气压的变化对比来看，钻孔倾斜没有对应的变化。因此，气压和温度对临夏台钻孔倾斜的影响相对较小。