乌加河地震台形变观测异常与干扰识别

胡 玮 冯雪东 石 伟 贾昊东 郭 伟 刘 芳

1）中国内蒙古自治区015323 乌加河地震台

2）中国呼和浩特010010 内蒙古自治区地震局

0 引言

形变观测是地震前兆监测的重要组成部分，通过长时间的连续监测，可为地震预报预警、地球物理异常分析等提供可靠数据（杨晓东等，2018）。目前，前兆形变仪器已基本实现数字化、自动化观测。数字化形变观测仪器，可记录到多种干扰（如自然、人为、仪器故障和未知干扰）及地球物理事件（刘永莲等，2010；杨红缨等，2017）。国内诸多学者对前兆形变观测干扰现象进行了分析，如：王梅等（2013）分析定点台站受抽水、灌溉等因素干扰时，发现形变和应变观测仪器会出现同步变化，但量级不同；姚菲菲等（2020）对DSQ型水管仪和SS-Y 型伸缩仪长期存在的各类自然干扰进行总结并分析了干扰产生的机理和特征；安全等（2021）通过功率谱概率密度函数方法，分析了内蒙古区域地震背景噪声水平。排查并总结各类干扰原因及特征，是前兆观测的重要工作之一（邱鹏程等，2014）。目前，针对内蒙古西部地区定点形变观测干扰的研究较少，文中就乌加河中心地震台（下文简称乌加河台）定点地倾斜、应变等前兆观测仪器所受干扰进行分析，总结并分析干扰规律和特征，识别并剔除干扰，给出观测数据质量提高的建议和措施，为相关地震研究工作提供准确、可靠的基础数据。

1 台站概况

乌加河台位于巴彦淖尔市，地处内蒙古西部地区河套盆地和阴山交界地带。乌加河台形变山洞于1972 年开凿，洞室进深253 m，台基岩性为花岗岩，完整性好，洞顶覆盖层厚平均约189 m，室内年平均温度13.5 ℃，温度日、年变化均符合“观测规范”要求，观测条件较好。台站现配备形变观测仪器4 套，气象三要素仪1 套，仪器基本参数见表1，仪器布设见图1。

图1 乌加河台仪器布设方位示意Fig.1 Layout of instruments at Wujiahe Seismic Station

表1 仪器参数Table 1 Instrument parameters

2 干扰分析

据前兆台网（站）观测数据跟踪分析平台提供的数据，2018—2020 年乌加河台形变仪器主要受到气压、降雨、大风及人为干扰，统计结果见表2。

表2 乌加河台2018—2020 年形变仪器记录干扰及地球物理事件统计Table 2 Statistics of the number of interferences and geophysical events on deformation observations at Wujiahe Seismic Station during 2018-2020

2.1 气象因素干扰分析

在干扰形变仪器观测的自然因素中，气象因素干扰比例较大，如：温度干扰、湿度干扰、气压干扰、降雨干扰、大风干扰等（赵小贺等，2009）。乌加河台形变山洞内温度日变幅≤0.03 ℃，湿度≥80%，温、湿度较为恒定（胡玮等，2017），对形变仪器干扰甚小，可忽略不计，故主要分析气压、降雨和大风对前兆仪器的干扰特征。

2.1.1气压干扰。气压干扰在形变观测中较为常见。当气压出现大幅度变化时，导致形变观测资料随之出现大幅畸变。乌加河台位于内蒙古高原西部，气压波动较强天气较为常见，导致形变仪器经常受到气压干扰。

通常，乌加河地区气压日变幅约2—4 hPa，气压短时大幅变化会引起形变观测曲线发生畸变，畸变程度与其变化幅度呈正相关。2019 年8 月9 日16 时至21 时，该地区气压出现较大幅度变化，短时幅度达3.2 hPa，对乌加河台垂直摆、水管仪、伸缩仪、体应变仪记录造成干扰，见图2，可见形变观测曲线与气压变化同步性较好，且气压变化对体应变仪、伸缩仪干扰尤为明显，对垂直摆、水管仪的影响相对较小。

图2 气压干扰Fig.2 Interference of air pressure

为定量分析气压波动对形变观测仪器造成的干扰程度，分为2019 年8 月9 日00:00—16:00、16:00—21:00、8 月9 日21:00—8 月10 日24:00 三个时段，计算形变观测数据与气压值的相关系数，结果见表3，其中T1为未受气压波动干扰时段，T2为受气压波动干扰时段，T3为气压波动结束后固体潮曲线恢复正常形态时段。

表3 形变仪器数据与气压值的相关系数Table 3 Correlation coefficients between deformation observation data and air pressure data

（1）同一形变仪器，不同时段相关系数对比。对于同一形变仪器，T1、T3时段的相关系数较小，T2时段的相关系数较大。由此可知，在气压未发生较大波动时，各类形变仪器所记录的数据主要为固体潮信息，与气压值相对独立；在气压发生较大波动时，气压干扰了形变仪器正常记录，形变观测曲线因叠加气压波动信息而发生畸变，表现为二者的相关系数增大；当气压恢复到较为平缓波动后，形变观测数据与气压值的相关系数相应降低。

（2）不同形变仪器，同一时段相关系数对比。不同仪器抗气压干扰能力不同，应与仪器工作原理有关。当气压在短时间内出现较大幅度的变化时，会造成地面负荷的增加或减小，导致岩石应力发生变化，对伸缩仪和体应变仪造成明显干扰；而且，气压发生变化，使得钻孔应变仪内部空气产生震荡，引起气流扰动，改变液面压力，传导到仪器探头上，表现为观测数据与气压变化的同步变化。因此，应变类仪器抗气压干扰的能力较弱。相较而言，水管仪由于其基线较长，管内水的阻尼较大，表现在曲线上不明显；垂直摆由于其核心部件（电容摆）被密封在钢制套筒内，外部气压变化一般不会对其造成干扰。因此，倾斜类仪器抗气压干扰能力较强。

2.1.2降雨干扰。降雨干扰是地震前兆观测中的一种典型干扰。乌加河地区气候类型属于半干旱气候，年均降雨量约200 mm，多集中于夏秋两季。2018 年8 月31 日至9 月2 日，该地区累计降雨量103.8 mm，其中9 月1 日单日降雨量89.1 mm，达暴雨级别。此短时大暴雨造成垂直摆和水管仪观测数据出现明显的趋势性变化，其中NS 向分量下降幅度较大，分别下降10.142×10-3″和9.58×10-3″，表现为南倾，而EW 向分量变化则不明显（图3）。

图3 2018 年8 月31 日至9 月2 日降雨干扰Fig.3 Interference of rainfall during Aug.31-Sep.2,2018

降雨对形变仪器的干扰机理如下：①对于山洞覆盖岩层裂隙较多的形变台站，短时大量降雨致雨水进入裂隙并存储下来，从而打破山体岩石原有的应力平衡，对某个方向的岩石造成压力和应力的变化，相应的倾斜变化即反映到倾斜仪器上（王秋宁等，2012）；②形变山洞整体性好，覆盖层裂隙较少，短时强降雨沿山势形成径流，进入裂隙的雨水较少。乌加河台即属于此类情况，雨水径流进入山洞南部地势较低区域堆积起来，形成小堰塞湖，使得山洞南侧压力增大，从而导致水管仪和垂直摆NS 向观测曲线呈下降变化。

2.1.3大风干扰。内蒙古西部地区每年春秋两季大风天气较多。大风干扰成为影响乌加河台形变数字化观测的主要干扰之一，对伸缩仪和水管仪等长基线仪器的干扰尤其明显。2019 年10 月3 日乌加河地区大幅降温，伴有6—7 级大风，导致该台伸缩仪和水管仪观测数据出现明显干扰，表现为在观测曲线上叠加高频毛刺干扰信号，数据噪声变大，结果见图4。2020 年12 月12 日，强冷空气过境，乌加河地区出现大风天气，最大风力8—9 级，对形变观测仪器记录造成干扰，见图5。

图4 2019 年10 月2 日至4 日大风干扰Fig.4 Interference of strong wind during Oct.2-4,2019

图5 2020 年12 月12 日大风干扰Fig.5 Interference of strong wind on Dec.12,2020

大风干扰机理如下：大风作用在山体上，使得山体的受力状态发生微小变化，由于风向并非固定不变，导致山体的倾斜方向随风向变化而变化，这种变化叠加在伸缩仪固体潮记录上，即表现为高频信号叠加在固体潮曲线上（樊东等，2014）；大风天气出现时，由于山洞内空气出现震荡，气流扰动，气压随之变化，作用在水管仪液面上，使液面出现微小震动，表现在曲线上即为噪声变大。由图4、图5 可见，伸缩仪和水管仪NS 向干扰程度比EW 向大，这是因为，2 套仪器NS 向基线距洞口较近（距离约70 m），而EW 向基线距离较远（约101 m）。由此可知，大风干扰对数据的影响程度与仪器位置也有一定关系：距离洞口较远所受影响较小，反之则影响较大。

2.2 人为干扰

标定、进洞和调零等人为活动均会对前兆形变仪器造成干扰。水管仪和伸缩仪置于同一洞室，一套仪器受到干扰，另一套仪器会受到不同程度的影响，变化形态通常表现为阶变、突跳和台阶等。

2019 年9 月22 日09 时至14 时，对垂直摆、水管仪、伸缩仪进行标定，数据曲线出现多次脉冲和上下阶跃变化（图6）。该时段数据判定为错误数据，预处理做缺数处理。由于伸缩仪传感器故障，2018 年2 月12 日14 时至15 时，工作人员进入观测山洞调整铁芯和套筒间隙，观测数据曲线出现多次脉冲和上下阶跃变化，而水管仪观测数据曲线同步出现干扰（图7），数据预处理时进行台阶和突跳处理。

图6 2019 年9 月22 日标定干扰Fig.6 Interference of calibration on Sep.22,2019

图7 2018 年2 月12 日进洞干扰Fig.7 Interference of cave entering on Feb.12,2018

对形变仪器进行标定、调零等操作时，使得仪器装置特性发生改变，观测数据曲线出现畸变，且变化幅度远大于其他干扰类型，易于识别。

3 地球物理事件特征

据统计，2018—2020 年，乌加河台各类形变观测仪器记录地震同震响应等地球物理事件75—208 次（表2），无火山活动记录。其中对全球6 级以上、中国5 级以上地震，均能清晰记录到同震响应，且同步性较好。如：2019 年12 月15 日14 时11 分菲律宾棉兰老岛6.8 级地震（6.55°N，125.3°E，震源深度30 km，震中距4 228 km），乌加河台垂直摆、水管仪和伸缩仪均记录到清晰波形，且垂直摆、水管仪同震响应更明显（图8）；2020 年7月23 日4 时7 分西藏那曲市尼玛县MS6.6 地震（33.19°N，86.81°E，震源深度10 km，震中距2 081 km），垂直摆、水管仪和伸缩仪均清晰记录到地震波形（图9）。

图8 2019 年12 月15 日菲律宾棉兰老岛MS 6.8 地震同震响应Fig.8 Co-seismic response of Phillips Mindanao MS 6.8 earthquake on Dec.15,2019

图9 2020 年7 月23 日西藏那曲市尼玛县MS 6.6 地震同震响应Fig.8 Co-seismic response of Nima County,Naqu City MS 6.6 earthquake on Jul.23,2020 in Xizang

乌加河台形变仪器对地球物理事件产生同震响应。由图8、图9 可知，对同一地震，水管仪和垂直摆记录的同震响应幅度较大，伸缩仪记录同震响应幅度较小。

4 结论

通过对乌加河台形变观测仪器典型干扰及地球物理事件特征的分析，可以得出以下结论。

（1）乌加河台形变仪器主要受气压、降雨和大风等自然环境干扰和人为干扰，干扰形态有畸变、趋势性大幅变化、噪声大、台阶和突跳等，可通过形变观测数据曲线变化形态，推测所受干扰类型。不同仪器对不同类型的干扰响应程度不同。具体表现为：①气压的剧烈变化对应变仪器干扰明显，对倾斜仪器干扰不明显；气压与应变类仪器观测数据的相关系数较大，与倾斜类仪器观测数据的相关系数较小；②强降雨对倾斜仪器干扰明显；③大风干扰对水管仪和伸缩仪干扰明显，主要由洞口密封性不强所致；④标定、调零、进入山洞等人为活动对形变仪器造成明显干扰。

（2）乌加河台形变仪器可清晰记录全球6 级以上、中国5 级以上地球物理事件，且对于同一地震，水管仪和垂直摆同震响应幅度较大，伸缩仪同震响应幅度较小。

新建形变观测山洞时，应充分考虑台址的地质构造背景及山洞覆盖层厚度、山势等条件，保证洞室进深足够深，提高洞口和洞室内各道船舱门的密封性，可有效降低风扰影响，提高观测数据精度。