田思留，劉仕錦，袁 媛，袁 梅，劉 濤，趙 蘭

(四川省地震局康定地震中心站，四川 姑咱 651000)

VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀(以下簡稱“VP儀”)用于測量地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)引起的地面傾斜變化，是進(jìn)行地震前兆觀測的重要手段之一。該儀器是由中國地震局地震研究所在VS型垂直擺傾斜儀基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新型垂直擺傾斜儀，在自動(dòng)化程度、觀測精度、環(huán)境適應(yīng)性方面較傳統(tǒng)地形變觀測儀器有了顯著提高，VP儀采用遠(yuǎn)程遙控的自動(dòng)調(diào)零裝置，減少了人工調(diào)零對(duì)儀器的干擾，保證了觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性(馬武剛等，2010)。康定地震臺(tái)于2017年11月底安裝VP儀，2018年1月正式運(yùn)行，儀器采樣率為1sps。VP儀自運(yùn)行以來，工作性能穩(wěn)定，不僅能記錄到清晰的固體潮，還能記錄到數(shù)分鐘到數(shù)秒周期的較高頻地動(dòng)信號(hào)。本文對(duì)康定地震臺(tái)VP儀正式運(yùn)行以來的觀測資料進(jìn)行分析，并根據(jù)工作日志、氣象資料、對(duì)比臺(tái)站其他形變儀器等方法確認(rèn)觀測資料存在的主要干擾因素，總結(jié)干擾形式及規(guī)律，以進(jìn)一步提高日常觀測質(zhì)量和異常判定的準(zhǔn)確性。

1 觀測背景

1.1 臺(tái)站簡介

康定地震臺(tái)位于四川省甘孜藏族自治州康定市爐城鎮(zhèn)北郊的郭達(dá)山腳下，雅拉河由北向南從臺(tái)站門前流過。地質(zhì)構(gòu)造上位于鮮水河斷裂帶北東段，又處于龍門山、鮮水河、安寧河三大主干斷裂復(fù)合部位。觀測山洞位于臺(tái)站西側(cè)的郭達(dá)山山坡下，呈東西走向，頂層及兩側(cè)覆蓋厚度>60 m，洞體呈“T”字型，基巖巖性為三疊紀(jì)灰?guī)r，巖性堅(jiān)硬、致密。洞室內(nèi)年溫差≤1.0 ℃，日溫差≤0.1 ℃，濕度>95%。VP型寬頻帶傾斜儀安裝在洞室內(nèi)的水泥墩子上。

1.2 正常形態(tài)

康定地震臺(tái)VP儀正常記錄的觀測曲線光滑連續(xù)，有規(guī)律明顯的波形——呈兩峰兩谷日變形態(tài)，能夠清晰記錄到固體潮變化和一些典型地震事件(同震效應(yīng))(見圖1)；從正式運(yùn)行以來的觀測資料來看，有一定的年變規(guī)律：在旱季為變化速率較穩(wěn)定的上升變化，雨季由于觀測洞室距雅拉河和折多河較近(觀測洞室距雅拉河100 m，距折多河500 m)，儀器受河水漲落影響較大，測值波動(dòng)變化大，數(shù)據(jù)漂移過快，因此造成儀器頻繁調(diào)零，數(shù)據(jù)日值呈現(xiàn)出冬高夏低的年變特征(見圖2)。

2 干擾因素分析

2.1 環(huán)境干擾

自然環(huán)境主要包括雨、雪、風(fēng)、雷電、氣壓、溫度、濕度等與大自然密切相關(guān)的所有因素，由于垂直擺傾斜儀觀測精度較高，這些因素都可能對(duì)觀測數(shù)據(jù)造成影響(李惠玲等，2018；馬援等，2018)。由于康定地震臺(tái)缺少數(shù)字化的氣象觀測資料，筆者從康定氣象局查閱了2018年的歷史天氣，包括天氣狀況、氣溫、風(fēng)力風(fēng)向、年總?cè)照諘r(shí)數(shù)和年總降雨量，這對(duì)判定干擾起到了一定輔助作用，但由于氣象局無法提供每日的瞬時(shí)天氣，因此無法判定急劇變化的氣象因素和瞬時(shí)天氣對(duì)觀測數(shù)據(jù)造成的干擾。

圖1 VP寬頻帶傾斜儀2018年1月觀測曲線

圖2 VP寬頻帶傾斜儀日均值及降雨量

(1)降雨和河水干擾。降雨對(duì)觀測系統(tǒng)和觀測數(shù)據(jù)的影響與降雨時(shí)長、降雨量及降雨過程等密切相關(guān)，康定地震臺(tái)VP儀受降雨干擾主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：(1)雨水會(huì)引起地面負(fù)載發(fā)生變化：根據(jù)專家學(xué)者的相關(guān)研究，降雨時(shí)一部分雨水經(jīng)地表流走，另一部分則滲入山體巖石的裂縫或土層中，巖石的不規(guī)則裂縫經(jīng)雨水滲透，改變洞體地層含水率和孔隙壓力，圍巖在水的參與下出現(xiàn)變形(車用太等，2000)，發(fā)生膨脹，使巖石產(chǎn)生不均勻變形(陳敏等，2007)，且由于空隙與土層中水的存在，使洞體覆蓋層重量產(chǎn)生變化，造成垂直擺觀測分量發(fā)生傾斜變化(黃曉華等，2008)；(2)山洞基巖為灰?guī)r，易滲水，洞內(nèi)潮濕易積水，由于VP儀觀測精度較高，洞室環(huán)境的微小變化都會(huì)對(duì)觀測數(shù)據(jù)造成干擾；(3)康定地震臺(tái)形變山洞距離雅拉河和折多河較近，河流經(jīng)過臺(tái)站地段，水流湍急，水位受季節(jié)變化影響大。在康定地區(qū)每年4～9月的雨季，河水水位上漲所產(chǎn)生的壓力變化會(huì)對(duì)VP儀觀測數(shù)據(jù)造成不可避免的嚴(yán)重干擾。降雨量較小和降雨過程較短時(shí)，降水造成的傾斜量相對(duì)較小，引起的變化不明顯，而大量、持續(xù)降雨則會(huì)對(duì)垂直擺產(chǎn)生較大干擾，雨水由地表滲入山體，繼而滲入山洞，導(dǎo)致洞內(nèi)小氣候的改變，對(duì)觀測數(shù)據(jù)造成干擾(見圖3)，同時(shí)河水上漲更加劇數(shù)據(jù)的干擾，但由于河水水位上漲有一個(gè)過程，因此河水水位干擾具有滯后性。例如2018年6月11～13日發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)觀測數(shù)據(jù)并未有明顯變化，6月14日才開始出現(xiàn)NS向大幅上升，EW向大幅下降的變化(見圖4)。降雨和河水水位的雙重干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)漂移過快，觀測儀器頻繁調(diào)零，從而又造成了調(diào)零干擾。因此降雨和河水干擾對(duì)康定地震臺(tái)VP儀數(shù)據(jù)造成的影響是較大且持續(xù)時(shí)間較長的。

圖3 降雨導(dǎo)致山洞滲水觀測曲線

圖4 康定地震臺(tái)VP傾斜儀河水水位干擾曲線及降雨量

圖5 康定地震臺(tái)VP傾斜儀降雪干擾曲線級(jí)降雪量圖

(2)降雪干擾。康定冬季降雪量較大，積雪覆蓋引起地面負(fù)載變化，導(dǎo)致洞室上方的重量增加，同時(shí)雪水慢慢融化、滲透進(jìn)巖石，使巖石產(chǎn)生變形，并導(dǎo)致洞室積水潮濕，給VP儀觀測造成較大干擾，但由于降雪—積雪—融雪有一個(gè)過程，因此降雪干擾具有滯后性，在降雪時(shí)表現(xiàn)不明顯，通常在融雪時(shí)表現(xiàn)明顯，2018年10月1～2日康定突降大雪，10月3日由于雪水滲透導(dǎo)致數(shù)據(jù)漂移過快(見圖5)。

(3)強(qiáng)日照干擾?？刀ǖ靥幐吆０蔚貐^(qū)，日照強(qiáng)烈，2018年全年日照時(shí)長1 646 h(據(jù)康定氣象局)，可見強(qiáng)日照干擾較為明顯?？刀ǖ卣鹋_(tái)山洞建造在郭達(dá)山西面，正午過后，太陽西下，陽光直接照射在山洞上，長時(shí)間的陽光直射對(duì)儀器造成強(qiáng)日照干擾。由于太陽偏西后才會(huì)直射在山洞上，加上臺(tái)站儀器洞室較淺，因此此類干擾的時(shí)間段一般是在13:00左右開始，一直持續(xù)到太陽落山。干擾表現(xiàn)為時(shí)間較為規(guī)律，分鐘值曲線有變粗，波動(dòng)變化較明顯，毛刺較多的特征。2018年10月24日為明顯的晴天，日照強(qiáng)烈，因此從12時(shí)左右開始，分鐘值曲線出現(xiàn)毛刺干擾(見圖6)；而2018年6月15日為典型的小雨加陰天，沒有日照，因此分鐘值曲線沒有毛刺干擾，曲線較光滑(見圖7、表1)。

圖6 康定地震臺(tái)VP傾斜儀強(qiáng)日照干擾曲線

圖7 康定地震臺(tái)VP傾斜儀無強(qiáng)日照干擾曲線

表1 康定市歷史天氣情況

(4)其他氣象因素干擾分析。由于附近雅康高速的修建會(huì)有爆破山體的工程，觀測人員懷疑觀測曲線變粗或呈毛刺變化為周邊爆破產(chǎn)生的震動(dòng)干擾。通過排查，2019年4月15日18時(shí)1分和2019年4月28日18時(shí)15分在距康定地震臺(tái)直線距離約10～15 km的雅康高速修建段有爆破工作，但這兩次距離臺(tái)站較近的大型爆破工作并未造成觀測曲線變粗或者呈毛刺變化(見圖8)，因此可以排除該干擾。

圖8 2019年4月15日和4月28日爆破當(dāng)日VP儀觀測曲線

大量文獻(xiàn)和實(shí)際觀測中都表明風(fēng)、氣壓、溫度、濕度會(huì)對(duì)VP儀觀測數(shù)據(jù)造成干擾?？刀ǖ卣鹋_(tái)VP儀運(yùn)行以來，觀測數(shù)據(jù)曲線多次出現(xiàn)變粗或呈毛刺變化的現(xiàn)象，根據(jù)觀測經(jīng)驗(yàn)判斷，這與康定地區(qū)風(fēng)、氣壓、溫度、濕度密切相關(guān)。由于康定地震臺(tái)缺少風(fēng)、氣壓、濕度、溫度的觀測資料，雖然氣象局提供的歷史天氣中有風(fēng)力、風(fēng)向的資料，但并沒有準(zhǔn)確說明刮風(fēng)的具體時(shí)間段、氣壓變化等瞬時(shí)天氣，因此無法準(zhǔn)確判斷觀測曲線變粗或呈毛刺變化的準(zhǔn)確干擾源。為此，觀測人員排除了周邊其他可能造成的震動(dòng)干擾，從而確定這是由康定地區(qū)的其他氣象因素所導(dǎo)致的(見圖9)。

圖9 其他干擾因素

圖10 康定地震臺(tái)VP傾斜儀人為干擾曲線

2.2 人為干擾

觀測洞室是一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的封閉環(huán)境，當(dāng)觀測人員進(jìn)洞檢查儀器、調(diào)零、標(biāo)定儀器等，都會(huì)在洞室內(nèi)走動(dòng)、開門、關(guān)門等，破壞了洞室原有的封閉環(huán)境，造成氣流變化、負(fù)荷變化，這些都會(huì)對(duì)觀測儀器造成干擾(劉仕錦等，2007)。VP儀是網(wǎng)頁調(diào)零，人為進(jìn)入洞室操作造成的干擾、缺數(shù)相對(duì)減少，康定地震臺(tái)VS垂直擺傾斜儀和JB水平擺傾斜儀受環(huán)境影響，調(diào)零次數(shù)較多，兩套儀器調(diào)零均需要觀測人員時(shí)常進(jìn)出山洞，對(duì)VP儀造成人為干擾；同時(shí)進(jìn)洞檢修儀器、更換電機(jī)、線路改造等都會(huì)對(duì)觀測數(shù)據(jù)造成人為干擾。人為干擾主要變現(xiàn)為數(shù)據(jù)突跳和臺(tái)階(見圖10)。由于干擾數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，預(yù)處理時(shí)需進(jìn)行缺數(shù)處理，因此如果干擾時(shí)間過長，就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)完整率和連續(xù)率產(chǎn)生影響。從康定地震臺(tái)2018年地傾斜觀測報(bào)告中可以看出，康定VP儀缺數(shù)主要是地震超量程、標(biāo)定、調(diào)零預(yù)處理造成的。例如康定地震臺(tái)VP儀從2018年10月康定大雪后，EW分量的調(diào)零次數(shù)增加，平均4天要調(diào)一次，加之其他儀器進(jìn)洞調(diào)零造成的干擾，嚴(yán)重影響VP儀觀測數(shù)據(jù)的完整率。對(duì)2018年康定VP儀網(wǎng)頁調(diào)零和人為進(jìn)洞調(diào)零等次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，全年VP儀共有網(wǎng)頁調(diào)零NS向21次，EW向38次；VS垂直擺傾斜儀調(diào)零造成干擾NS向22次，EW向11次，因此人為干擾是VP儀的主要干擾源之一。

2.3 觀測系統(tǒng)干擾

VP儀運(yùn)行以來，運(yùn)行狀態(tài)較好、自身故障較少，2018年9月16日由于線路接觸不良引起臺(tái)階變化(見圖11)，2018年6月5日由于標(biāo)定重復(fù)記錄讀數(shù)，形成階躍曲線(見圖12)。

圖11 康定地震臺(tái)VP傾斜儀觀測系統(tǒng)故障干擾曲線

圖12 康定地震臺(tái)VP傾斜儀標(biāo)定干擾曲線

3 地球物理事件

地球物理事件主要是指因地震活動(dòng)造成的觀測數(shù)據(jù)異常，引起同震變化、震后效應(yīng)的事件，康定地震臺(tái)VP儀能清晰記錄到全球的大地震和周邊較小地震，且地震記錄幅度明顯比較大，觀測曲線有顯著波動(dòng)和階躍變化。地震物理事件與一般干擾觀測曲線不同，垂直擺與地震儀記錄的地震波形態(tài)一致性較好(馬援等，2018年)，因此能夠容易區(qū)分同震效應(yīng)和其他干擾。記錄曲線上有時(shí)大遠(yuǎn)震的影響會(huì)持續(xù)數(shù)小時(shí)，比如2018年12月1日VP儀兩分量01:38至04:32記錄到01:29:27美國阿拉斯加7.2級(jí)地震，對(duì)曲線的影響接近3 h(見圖13)；另外一些地震發(fā)生時(shí)，當(dāng)儀器自身的周期與地震面波周期接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成儀器靠擺，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺測，如2018年10月31日西昌5.1級(jí)地震，引起VP儀NS向產(chǎn)生臺(tái)階和EW向靠擺，數(shù)據(jù)缺測40 h(見圖14)；對(duì)于周邊較小地震，觀測曲線也會(huì)表現(xiàn)出明顯的階躍現(xiàn)象(見圖15)。因此無論從記錄的地震數(shù)量還是地震對(duì)觀測曲線的影響程度來看，地球物理事件對(duì)觀測數(shù)據(jù)的影響無疑是較大的和不可忽視的。

圖13 美國阿拉斯加7.2級(jí)地震對(duì)觀測數(shù)據(jù)的影響

圖14 西昌5.1級(jí)地震對(duì)觀測數(shù)據(jù)的影響

圖15 道孚3.1級(jí)地震對(duì)觀測數(shù)據(jù)造成臺(tái)階干擾

4 討論

(1)通過對(duì)康定地震臺(tái)VP儀運(yùn)行以來的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)VP儀主要存在降雨干擾、降雪干擾、強(qiáng)日照干擾、風(fēng)干擾、河水水位干擾、人工干擾及觀測系統(tǒng)類的干擾，這與一同運(yùn)行的VS垂直擺傾斜儀的干擾源一致，說明康定地震臺(tái)的觀測環(huán)境受自然環(huán)境的干擾嚴(yán)重，在日常觀測分析工作中，應(yīng)充分考慮干擾異常。(2)由于康定地震臺(tái)降雨量、氣溫、氣壓等輔助觀測都是人工觀測，一天一個(gè)觀測值，在對(duì)儀器分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析時(shí)，不能很好地利用輔助觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在條件成熟時(shí)，建議升級(jí)改造輔助觀測手段?？刀ǖ貐^(qū)氣候特殊，常年存在大風(fēng)，勢必會(huì)對(duì)VP儀造成干擾，但由于缺少大風(fēng)等瞬時(shí)資料，從而無法準(zhǔn)確判斷干擾源，建議增加氣象觀測手段，以期進(jìn)一步排除干擾。對(duì)于折多河及雅拉河的水位變化情況沒有確切的數(shù)據(jù)來源，只能憑觀測人員的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合降雨量肉眼觀測，缺乏科學(xué)性，建議地震部門應(yīng)多與當(dāng)?shù)厮臍庀蟮炔块T溝通協(xié)作，獲取水文氣象資料，以進(jìn)一步提高觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。(3)盡管VP儀運(yùn)行時(shí)間只有一年多，觀測資料有限，但基本能夠支撐對(duì)干擾源的初步識(shí)別與分析，在臺(tái)站的數(shù)據(jù)分析、干擾排除、前兆異常提取、地震預(yù)報(bào)等工作中發(fā)揮了作用。