台风“利奇马”对钻孔体应变的扰动分析<br/>——以浙江地区为例

台风“利奇马”对钻孔体应变的扰动分析
——以浙江地区为例

2022-10-24尹晶飞汪贞杰江聪杰

地震地磁观测与研究 2022年4期

尹晶飞汪贞杰江聪杰

1）中国杭州310013 浙江省地震局

2）中国浙江322100 东阳国家气象观测站

0 引言

钻孔体应变观测是一种高精度的地形变观测（苏恺之等，2003），它在不同时间尺度上都具有良好的分辨率，在地震前兆研究、震源破裂过程、慢地震、火山喷发机制等领域被广泛应用（Evertson，1977；Sacks et al，1978；Linde et al，1996；Roeloffs，2006；张凌空等，2008；邱泽华等，2012；Barbour et al，2017）。在日常观测中，钻孔体应变观测数据容易受到气象和水文地质等因素的干扰（周龙寿等，2008），这使地震前兆信号、构造运动等信息的提取增加了难度（Aster et al，2010；Zhang et al，2010）。台风气象系统会在大尺度时空范围内引发较强降水和气压变化，从而影响钻孔体应变观测数据的变化趋势（张凌空等，2019）。如在台风环境中，日本南关地区钻孔体应变观测数据的气压影响系数高达20.4×10-9/hPa（檜皮久義等，1983）；常熟地震台的钻孔体应变数据在台风“利奇马”过境期间，气压影响系数达到6.2×10-9/hPa（杨小林等，2020）；另外，台风通过海浪与近岸岩石圈之间的耦合作用激发地脉动，这些扰动信号可叠加在正常的数据背景之上，在钻孔体应变观测数据中形成纺锤状的扰动形态（冯志军等，2009；袁媛等，2017）。

浙江地处我国东南沿海，是中国台风登陆最多、受灾最严重的省份之一（雷小途，2020），平均每年有7 次台风在此登陆，台风对社会经济造成严重损失的同时，也时常会诱发滑坡等地质灾害（袁金南等，2008；Peduzzi et al，2012；李东平等，2013）。此外，伴随着强降雨、低气压及海平面高度的剧烈变化，台风对地壳形变等地震观测数据造成明显的扰动，因此，研究台风过程对地震观测数据的影响机制和观测数据变化特征，对地震地质灾害监测预测工作具有现实意义。

前人研究发现，钻孔体应变在台风过境期间主要受气压因素的影响（岳龙等，2019；杨小林等，2020），本文通过分析台风“利奇马”对岱山地震台、东阳地震台钻孔体应变观测的影响，探讨了浙江不同地区钻孔体应变对台风气候的不同响应特征及其机制。

1 数据来源

研究选取的台风事件是2019 年第1909 号台风“利奇马”，其行进路线、中心最低气压、风速、强度等级等信息均来源于中央气象台台风网（http://typhoon.weather.com.cn）。台风“利奇马”于2019 年8 月4 日形成于菲律宾吕宋岛附近的太平洋上，最初的等级为热带风暴，此后一路沿西北偏北方向移动，穿过赤尾屿和钓鱼岛后，于8 月10 日1 时在浙江台州登陆，登陆时达到超强台风等级，此时中心最低气压为930 hPa，中心风速为52 m/s。登录后台风强度逐渐减弱，移动方向进一步向北偏移，在8 月10 日11 时经过东阳地震台附近，此时台风强度减弱为强热带风暴，中心最低气压975 hPa，中心风速为28 m/s。之后，台风一路向北移动，经过杭州、湖州离开浙江，最终于8 月13 日11 时在渤海地区减弱为热带低压。

图1 台风“利奇马”路径及地震台站位置橙色星号为不同时刻监测到的台风中心位置；2019 年8 月4—7 日、8—13 日时间分辨率分别为3 h、1 hFig.1 The path of typhoon“ Lekima” and the location of seismic station

岱山地震台形变观测钻孔深度为60 m，钻孔围岩为花岗岩，钻孔周边为地势较低的农田；东阳地震台钻孔深度为67 m，钻孔围岩为粉砂岩，钻孔位于东阳气象台的观测场地中，周边地势较高。2 个台站的观测系统均为TJ-2 型体积式钻孔应变仪，采样率为60 s，系统灵敏度大于2 mV/10-8，仪器分辨率大于10-9，传感器采用水泥与钻孔围岩进行固结耦合，详细信息见表1。台风“利奇马”登陆点台州距岱山地震台230 km，距东阳市165 km。同时，为研究钻孔体应变与降水之间的关系，搜集了岱山、东阳国家气象观测站的日降水资料。

表1 台站基础信息Table 1 The information of the two stations

2 台风扰动因素分析

钻孔体应变观测数据对气压变化具有时频响应特征。在台风“利奇马”的整个演变过程中，岱山地震台、东阳地震台都记录到了明显的体应变扰动过程。为了更好地展现扰动形态，首先将原始数据波形进行去趋势处理，之后采用3 阶Butterworth 滤波器提取原始信号中的低频部分（T＞24 h），其目的在于去除海潮和固体潮的成分，利用Butterworth滤波器的特点，可以保证获取到的通频带内数据的频率响应曲线最大限度平坦，没有多余的数据起伏，同时采用的3 阶Butterworth 滤波器会以每倍频18 dB 的速率进行衰减，以使得阻频带内的数据逐渐下降为0，从而达到较好的数据滤波效果（祝广场等，2012；李海亮等，2017）。图2 为岱山地震台、东阳地震台钻孔体应变观测受台风扰动的情况。由图2 可见，岱山地震台、东阳地震台钻孔体应变与气压都呈现漏斗状的变化形态，但是在细节上仍有较多差异。

图2 岱山地震台（a）、东阳地震台（b）钻孔体应变观测受台风扰动的情况Fig.2 The disturbance of borehole dilatometer at Dongyang Seismic Station and Daishan Seismic Station caused by “Lekima”

2 个台站的钻孔体应变数据在2019 年8 月8 日18 时左右开始出现趋势性快速下降变化。此时台风等级为超强台风，台风中心位于中国台湾东部海域，距东阳地震台770 km，距岱山地震台750 km；随着台风不断逼近，东阳地震台体应变、气压在8 月10 日8 时同步降至谷值，二者的变化量分别为52.8×10-9、20.1 hPa，此后随着台风逐渐远离台站，东阳地震台体应变、气压逐渐恢复正常，并继续保持较强的同步性。值得注意的是，气压、体应变达到谷值时，台风中心位置距东阳地震台约68 km，而当台风中心位置距东阳地震台最近只有36 km 时，气压、体应变已经处于回升状态，这是由于随着台风中心位置进一步靠近东阳地震台，台风等级已经由台风级减弱为强热带风暴，台风中心气压也由970 hPa 升至975 hPa。因此，东阳地震台体应变、气压并不是在距台风中心最近时降至谷值的。

岱山地震台体应变在8 月10 日5 时降至谷值，其气压则在8 月10 日15 时降至谷值，二者间有约10 h 的延迟，二者下降量分别为21.2×10-9、18.1 hPa，此时台风中心位置距岱山地震台约188 km。此后，随着台风逐渐远离，岱山地震台体应变、气压也开始回升，但是体应变上升的速率相对于气压明显更大，8 月13 日体应变升至峰值时约为25×10-9，比台风前的基准水平增加了约30×10-9；8 月15 日之后，随着台风逐渐远离，气压、体应变出现了负相关的变化形态。

从图2 还可见，东阳地震台、岱山地震台的气压变化形态较相似，在台风“利奇马”出现前后数据呈对称形态分布，这显示了台风过境导致周边区域气压骤降、台风远离后气压回升的过程。但2 个台站的钻孔体应变变化则呈现不一致的形态，即东阳地震台钻孔体应变与气压间的相关性较强，基本与气压同时下降同时回升；而岱山地震台体应变在下降过程中与气压间存在一定的时差，并且在回升过程中体应变回升的幅度相对更大，甚至与气压间存在负相关的变化趋势。

3 台风扰动的定量分析

为具体分析气压和钻孔水位对东阳地震台、岱山地震台钻孔体应变的影响，利用线性回归和简单的力学模型来验证2 个台站的扰动机制差异。分别计算2019 年7 月20 日至8 月25 日岱山地震台、东阳地震台气压与钻孔体应变间的相关性（图3），由图3 可见，2 个台站气压和钻孔体应变间的相关性呈现明显的差异，东阳地震台钻孔体应变和气压的拟合结果见下式，相关系数达到了0.96；而岱山地震台的相关系数仅为-0.25，这说明东阳地震台钻孔体应变在台风过程中主要受气压变化的影响，这与杨小林等（2020）的研究结果较一致

其中，Y为体应变；X为气压。式（1）表明每hPa 气压变化引起的体应变变化量为2.230 3×10-9。图4 为东阳地震台钻孔体应变与气压间拟合结果。从图4 可见，由气压数据拟合出来的钻孔体应变与实际观测数据较相近。

图4 东阳地震台钻孔体应变与气压间拟合结果Fig.4 The comparison of borehole dilatometer and the fitting result with barometric loading at Dongyang Seismic Station

从图3 还可见，岱山地震台体应变与气压间的相关性较弱。因此判断，岱山地震台钻孔体应变在台风过境期间可能不仅受到气压的扰动，结合考虑台站的钻孔水位观测数据发现，钻孔水位与钻孔体应变间也有相同的变化趋势（图5）。

图5 岱山地震台钻孔体应变与钻孔水位Fig.5 The comparison of borehole dilatometer and borehole water level at Daishan Seismic Station

计算了2019 年7 月20 日至8 月25 日岱山地震台钻孔水位与钻孔体应变间的相关性，线性拟合结果如下式所示，其相关系数达到0.816（图6）

图6 岱山地震台钻孔体应变与钻孔水位间的相关性Fig.6 Correlativity between borehole dilatometer and borehole water level at Daishan Seismic Station

其中，Y为体应变；X为钻孔水位。式（2）表明每mm 水位变化引起的体应变变化量为0.914 5×10-9。

将由水位变化造成的钻孔体应变变化量去除后，发现2019 年7 月20 日至8 月10 日钻孔体应变与气压间具有较强的相关性，相关系数达到0.724，但是在台风逐渐远离的过程中（8 月11—25 日），其相关性逐渐减弱（图7）。从时间上来看，气压与钻孔体应变间相关性减弱是从岱山地震台降雨量达到峰值开始的，这表明在降雨之后可能还存在其他影响钻孔体应变的因素。

图7 去除水位影响后的岱山地震台钻孔应变与气压Fig.7 Comparison of borehole dilatometer and barometric loading with removing influence of water level

利用2019 年7 月20 日至8 月10 日数据，仍采用线性回归方法计算气压与去除钻孔水位影响后的钻孔体应变之间的变化关系

式中，Y为体应变；X为气压变化。式（3）表明每hPa 气压变化引起的体应变变化量为1.305×10-9。

将钻孔体应变同时去除钻孔水位和气压的影响后，发现钻孔体应变的变化特征和降雨的时间点存在较紧密的联系（图8）。推测其原因可能是降雨导致的钻孔附近表面积水使得载荷发生变化，进而影响了钻孔体应变的变化。

图8 去除水位和气压影响后的岱山地震台钻孔体应变与降雨量Fig.8 The data of borehole dilatometer and precipitation withi removing influenceof borehole water level and barometric loading at Daishan Seismic Station

为进一步验证气压对岱山地震台、东阳地震台体应变产生的影响，构建了1 个简单模型。设定台站钻孔所在介质为各向同性的弹性介质，钻孔的井壁与钻孔围岩耦合紧密，并且台风引起的气压变化场区域较大，忽略水平应力，根据胡克定律，理论体应变的求解为（Hsu et al，2015；张凌空等，2019）

其中，εv为体应变；P为气压负荷；E为岩石弹性模量；υ为岩石泊松比。由于岱山地震台钻孔基岩为花岗岩，根据经验取E=50 GPa，υ=0.25；而东阳地震台钻孔基岩为粉砂岩，岩石力学参数取值E=20 GPa，υ=0.25（刘斌等，2002；马秋峰等，2019）。

东阳地震台在台风过境期间的气压变化量约为20.1 hPa，利用式（4）计算该气压变化造成体应变变化量理论值为50.25×10-9，利用气压影响系数计算得到的体应变变化理论值为44.823×10-9，实际观测到体应变变化量为52.8×10-9。

岱山地震台在大规模降雨之前气压降低18.1 hPa，利用式（4）计算该气压变化造成的体应变变化量理论值为18.1×10-9，利用气压影响系数计算得到的体应变变化理论值为23.3×10-9，实际观测到体应变变化量为21.2×10-9。

通过图8 计算降雨对钻孔体应变的影响，岱山地震台在大规模降雨之后体应变开始快速回升，去除气压和钻孔水位的影响后，体应变的变化量为27.4×10-9，如果这部分变化量是由地表载荷增加所导致的，那么假设钻孔介质为半无限空间弹性介质模型，则载荷所产生的体应变理论值求解为（Peng et al，2014；Hsu et al，2015）

其中，εv为体应变；ν为泊松波；E为弹性模量；P为地表载荷压力。将去除气压和钻孔水位影响后的体应变变化带入式（5）可以求得，造成该部分体应变的变化约需要110 mm 的地表积水。岱山国家气象观测站数据显示，2019 年8 月9—11 日，岱山地区累计降水达到261.3 mm。结合岱山地震台附近主要以农田为主的地貌，台风降雨过后形成110 mm 的积水是较正常。岱山地震台、东阳地震台体应变理论计算结果列于表2。

表2 东阳地震台、岱山地震台对台风“利奇马”响应的特征参数Table 2 The response patterns and magnitudes to “Lekima” at Dongyang Seismic Station and Daishan Seismic Station

4 台风扰动的小波分析

小波分析是一种常用的信号时频处理工具，它能够将复杂信号分解成不同频段的子信号，因此常被用于地球物理观测数据的前兆信号和干扰信号的识别（张燕等，2009）。王雅婷（2018）指出，通过海浪与海底或近岸的相互作用，台风会对0.2—0.5 Hz 频带范围内的地脉动数据造成明显扰动。而我们利用岱山地震台、东阳地震台的体应变观测数据，采用Daubechies 小波将观测数据分解为15 阶后发现，随着台风中心逐渐靠近台站，钻孔体应变观测数据在2—8 min 频段内同样会出现明显的数据扰动现象（图9）。通过对比气压和体应变的小波分析结果发现，在台风过境浙江期间，气压与体应变在2—8 min 频段内的观测数据出现了较同步的变化过程，因此认为钻孔体应变在该频段内的数据变化可能与气压变化有关。

图9 气压与体应变的小波分析结果（续图）（a）岱山地震台钻孔体应变小波分解；（b）岱山地震台气压小波分解；（c）东阳地震台钻孔体应变小波分解；（d）东阳地震台气压小波分解Fig.9 The wavelet analysis result of borehole dilatometer and barometric loading

5 台风扰动的机制分析

由钻孔体应变的观测原理可知，由气压和降雨所形成的地表载荷都会对钻孔体应变产生扰动，并且它们都呈现正相关的变化关系（陈小云等，2015；邢喜民等，2016；邱泽华，2017）。

东阳地震台钻孔体应变受台风扰动的规律较简单，由于只受到气压因素的影响，因此钻孔体应变与气压间呈现较好的正相关性。

岱山地震台钻孔体应变由于受气压和降雨的共同影响，其变化规律也较复杂。在降雨之前，钻孔体应变也随着气压的降低而下降，但是在 2019 年8 月10 日出现大量降雨后，台站附近区域的地表载荷增加，导致体应变在气压继续下降的情况下提前出现压性变化，因此体应变会比气压提前开始上升。此后，在8 月15 日台风影响结束后，由于地表积水逐渐减少导致地表载荷减弱，因此体应变在气压持续回升的过程中表现出了持续的张性变化，导致台风结束后岱山地震台钻孔体应变与气压间的负相关现象。由此可见，当台站受降雨扰动时，钻孔体应变与气压之间的变化相关性会减弱。

关于东阳地震台为何没有受到降水的影响，笔者分析，首先，由于在台风经过时东阳地震台靠近台风中心位置，其降雨量仅约50 mm，而岱山地震台的降雨量约为180 mm；其次，由于东阳地震台位于地势较高的山顶，而岱山地震台位于地势较低的农田，因此，较小的降雨量在较高的地势上并不容易形成有效的地表载荷变化，这导致东阳地震台在台风过程中并没有受到很明显的降雨扰动影响。