彭鈺翔，黃麒瑾，崔慶谷

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引言

前兆觀測數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定性是地震預(yù)測及地震危險(xiǎn)性判定的前提條件，涉及觀測數(shù)據(jù)的可靠性與真實(shí)性，直接影響觀測數(shù)據(jù)在中長期及短臨預(yù)測中的作用(車用太，魚金子，2013)。在云南多年的中短期預(yù)測預(yù)報(bào)及地震趨勢判定中，前兆數(shù)據(jù)的破年變異常是未來地震危險(xiǎn)性判定的重要評判依據(jù)之一(李智蓉等，2018)，需要結(jié)合歷史震例對幾年、甚至十幾年的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，這個(gè)環(huán)節(jié)需要確保前兆數(shù)據(jù)在幾年甚至更長時(shí)間段內(nèi)是穩(wěn)定的、量化標(biāo)準(zhǔn)是一致性、數(shù)據(jù)是前后可比較的。

然而，在連續(xù)十幾年的觀測中，由于各種干擾因素的存在，近場環(huán)境條件的改變難以避免(哈輝，2004)。此類事件可能導(dǎo)致前后觀測數(shù)據(jù)的不一致，如本底信號幅度增大、組分減少或增加等等。預(yù)報(bào)人員在使用這些被干擾的數(shù)據(jù)時(shí)，難以回溯識別十幾年前引起數(shù)據(jù)變化的真正原因，并可能導(dǎo)致對未來震情的誤判。長期以來，監(jiān)測人員對影響觀測數(shù)據(jù)的各種干擾事件進(jìn)行了研究，取得了大量的研究成果，如王梅等(2004)基于山東省數(shù)字形變臺的固體潮分鐘值資料，討論了氣壓、雷電、儀器故障、進(jìn)人等干擾因素對數(shù)據(jù)的影響；孫伶俐等(2014)利用小波分析方法，研究大氣環(huán)境變化各因素對湖北省形變觀測數(shù)據(jù)的影響。但這些研究主要是針對臨時(shí)出現(xiàn)的、孤立的典型干擾事件展開，沒有從數(shù)據(jù)質(zhì)量的長期演變過程來分析各種潛在干擾事件對觀測數(shù)據(jù)的影響。鑒于此，本文以洱源地震臺記錄的長達(dá)12年的形變觀測數(shù)據(jù)的變化過程為研究重點(diǎn)，分析數(shù)據(jù)質(zhì)量隨環(huán)境條件的改變，給出保證數(shù)據(jù)質(zhì)量長期穩(wěn)定的建議措施。

1 觀測臺站及數(shù)據(jù)的基本情況

洱源地震臺觀測硐室緊靠洱源盆地西邊界山麓，紅河斷裂、鶴慶─洱源斷裂、麗江─劍川斷裂、龍?bào)穿毯髷嗔岩约俺毯嗔言诖私粎R(房艷國等，2015)。該區(qū)域地質(zhì)背景為前奧陶紀(jì)變質(zhì)巖區(qū)，區(qū)域內(nèi)地?zé)豳Y源豐富，站點(diǎn)附近200 m范圍內(nèi)有多個(gè)溫泉出水點(diǎn)，地?zé)岱植贾饕軜?gòu)造活動控制(周真恒等，1995)。觀測硐室自業(yè)務(wù)樓2層開辟入口，進(jìn)深70 m，覆蓋層厚約60 m，由于受地?zé)峥刂?，硐室?nèi)部溫度高、濕度大，溫度常年保持在25～28 ℃，相對濕度在98%以上。硐室進(jìn)深70 m后，進(jìn)一步開挖建成EW、SN、NE向3個(gè)形變觀測室，其中，EW向觀測室緊鄰測震觀測室。各測項(xiàng)平面布局如圖1所示。

圖1 洱源地震臺各測項(xiàng)平面布局

洱源形變數(shù)字化觀測儀器及輔助測項(xiàng)于2007年8月建設(shè)完成，2008年儀器進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)并產(chǎn)出可靠的觀測數(shù)據(jù)。圖2為2008年1月1日—2019年11月17日洱源臺洞體應(yīng)變NS向及硐室溫度分鐘值變化曲線。從圖2a可以發(fā)現(xiàn)，洞體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)形態(tài)呈現(xiàn)分段特征，具體見表1，且這種數(shù)據(jù)分段特征在輔助觀測的硐室溫度數(shù)據(jù)中也同步出現(xiàn)，原因有待落實(shí)。

表1 洱源臺洞體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)形態(tài)的分段特征

圖2 洱源臺洞體應(yīng)變NS向(a)與硐室溫度(b)數(shù)據(jù)變化形態(tài)Fig.2 Data of long-term cave strain observation in NS(a)and temperature of observation tunnels(b) at the Eryuan seismic station

2 硐室溫度與洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)的關(guān)系分析

2.1 硐室溫度年變化對洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)的影響

長期的觀測實(shí)踐證明，洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)主要受溫度、降雨、近場載荷變化等因素的影響。其中，硐室溫度變化對其影響最為普遍(高昂，2013)。因此，《地震臺站建設(shè)規(guī)范——地形變臺站》(DB/T8.1—2003)中對形變觀測硐室溫度有嚴(yán)格的規(guī)定，要求年溫差≤0.5 ℃，日溫差≤0.03 ℃。

以圖2中(1)～(3)段數(shù)據(jù)為重點(diǎn)研究對象，分析其年變的局部特征。通過對比洞體應(yīng)變與硐室溫度數(shù)據(jù)的細(xì)部特征(圖3)，可以發(fā)現(xiàn)兩者變化基本同步，且變化規(guī)律極其相似，2組數(shù)據(jù)之間基本滿足線性關(guān)系。圖3b顯示，2009年10—12月硐室溫度急劇降低，降幅約為1.5 ℃，其后出現(xiàn)了規(guī)律的年變，該年變幅度已經(jīng)不滿足規(guī)范的要求。

圖3 洱源臺洞體應(yīng)變NS向(a)與硐室溫度(b)數(shù)據(jù)局部放大對比圖Fig.3 Partial enlarged contrast charts between cave strain observation in NS(a)and temperature of observation tunnels(b)at the Eryuan seismic station

為確定上述判斷，用2組數(shù)據(jù)做最小二乘擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。擬合結(jié)果表明，除個(gè)別干擾引起的離散點(diǎn)外，洞體應(yīng)變記錄數(shù)據(jù)y與洞體溫度數(shù)據(jù)T之間滿足下列線性關(guān)系：

圖4 洱源臺洞體應(yīng)變NS向與硐室溫度數(shù)據(jù)的最小二乘線性擬合結(jié)果Fig.4 Results of least square fit between cave strain observation in NS(a)and temperature of observation tunnels(b)at the Eryuan seismic station

y=aT+b

(1)

式中：a=0.208 20，b=-5.523 9。

2.2 硐室溫度日變化對洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)的影響

進(jìn)一步分析硐室溫度對洱源臺洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)的影響，從圖2中數(shù)據(jù)的細(xì)部特征及表1可以發(fā)現(xiàn)，硐室溫度的日變化在2009年10月、2019年1月10日前后有2個(gè)分界，日變幅度經(jīng)歷了小、大、無3個(gè)時(shí)段，對應(yīng)時(shí)間段的洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)也經(jīng)歷了同樣的3個(gè)階段。圖5從各時(shí)段分別選取了11天的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

圖5 3個(gè)時(shí)段洱源硐室溫度日變幅(a～c)及其對應(yīng)的洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)(d～f)

由于圖5a～c中的縱坐標(biāo)跨度相同(0.4 ℃)，可直接對比3個(gè)時(shí)段信號的強(qiáng)度：第一時(shí)段硐室溫度穩(wěn)定在28 ℃左右，日變幅非常微小，圖5a中甚至看不到明顯的日變；第二時(shí)段日變出現(xiàn)，變幅在0.1 ℃左右(圖5b)；第三時(shí)段：日變再次消失，數(shù)據(jù)比第一階段更穩(wěn)定(圖5c)。圖5d～f為對應(yīng)時(shí)段的洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)，其特征與硐室溫度日變化幅度相同。

2.3 引起硐室溫度變化的原因調(diào)查

綜上所述，可以初步得出如下結(jié)論：洱源臺硐室溫度和洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)的日變和年變不是由構(gòu)造變動引起的，可能是由環(huán)境事件引起的，具體情況需要進(jìn)一步核實(shí)。

通過查閱2007—2019年的臺站觀測日志，沒有發(fā)現(xiàn)引發(fā)日變幅度差異的近場環(huán)境事件。再查詢《云南省地震監(jiān)測志》，并開展臺站現(xiàn)場調(diào)查，查明引起硐室溫度變化的環(huán)境事件如下：

(1)2009年8月12日起，因同硐室觀測的地震計(jì)受潮而故障頻發(fā)，測震觀測室與形變觀測室共用的最外側(cè)密封門被打開，僅保留內(nèi)側(cè)密封門，以便降低觀測室的濕度，使地震計(jì)恢復(fù)正常，這導(dǎo)致形變觀測室溫度降低，并出現(xiàn)日變和年變。進(jìn)一步分析硐室溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2009年8月12日，由于密封門的數(shù)量減少，導(dǎo)致形變觀測室溫度下降，期間外側(cè)密封門時(shí)而開放、時(shí)而關(guān)閉，因此，硐室溫度日變時(shí)而出現(xiàn)、時(shí)而消失，這種狀況一直持續(xù)到2009年9月15日早上9時(shí)。自2009年9月15日9時(shí)起，外側(cè)密封門一直處于打開狀態(tài)，形變觀測硐室溫度急劇下降，并出現(xiàn)清晰穩(wěn)定的日變、年變，這種狀態(tài)一直持續(xù)到2019年1月。

(2)2013年起，形變觀測硐室溫度趨勢性下降，但下降原因不明，此間發(fā)生洱源MS5.5，MS5.0地震以及香格里拉MS5.9地震。

(3)2019年1月10日，由于采用了保溫除濕罩，同一硐室內(nèi)的地震計(jì)能夠在潮濕環(huán)境下正常運(yùn)行，臺站人員將密封門全部關(guān)閉，硐室溫度急劇上升，并穩(wěn)定在27 ℃左右，硐室溫度日變消失。

為方便展示，從2009—2019年硐室溫度數(shù)據(jù)中提取2段，如圖6所示，可以使分段特征更為明顯。圖6a中顯示有2個(gè)分界段，用方框標(biāo)識，分別為2009年8—11月以及2013年1—11月的快速下降區(qū)。2009年8—11月，打開外側(cè)密封門除濕是導(dǎo)致硐室溫度快速下降的主要原因。與此同時(shí)，2009年10—11月洱源臺進(jìn)行臺站改造，將業(yè)務(wù)樓2(圖1)拆除重建，拆除期間近場環(huán)境內(nèi)的載荷發(fā)生巨大變化，這種變化導(dǎo)致洞體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)中有大幅波動疊加在下降趨勢中；2013年1—11月，沒有找到對應(yīng)的干擾事件，但2013年3月3日發(fā)生了洱源MS5.5，4月17日發(fā)生了洱源MS5.0地震，考慮到洱源臺屬于溫泉地?zé)釁^(qū)，不排除地下構(gòu)造變動引起硐室溫度變化的可能(Floven，1986；陸明勇等，2004；張永仙等，2000)，因?yàn)橥坏貐^(qū)的井水溫觀測在2007年寧洱MS6.4地震前出現(xiàn)了明顯的前兆異常(劉耀煒等，2008)，具體原因需進(jìn)一步研究。在圖6b中，2019年1月10日開始將密封門全部關(guān)閉，硐室溫度立即回升，除了2019年10月因儀器標(biāo)定引起鋸齒狀變化外，數(shù)據(jù)整體趨于穩(wěn)定，年變和日變極大減小甚至消失。

圖6 洱源硐室溫度數(shù)據(jù)的分段情況

2.4 其他干擾因素的核實(shí)

從圖2a和7a的細(xì)部特征可以看出，洞體應(yīng)變NS向觀測數(shù)據(jù)有一段持續(xù)時(shí)間約8個(gè)月(2015年7月—2016年2月)的巨幅畸變，但對應(yīng)時(shí)段的硐室溫度并沒有明顯畸變，見圖7b。這表明此次巨幅突變不是由硐室溫度變化引起的，進(jìn)一步調(diào)查得知，這期間洱源臺再次進(jìn)行臺站改造，自2015年8月開始拆除北段業(yè)務(wù)樓2(圖1)并重建，從舊樓的拆除到新樓的建成經(jīng)歷了一個(gè)完整的卸載和加載過程。其中，峰值點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間與舊樓拆除后場地清理完成的時(shí)間基本一致，隨后新樓開始建設(shè)，建筑材料運(yùn)入并開始施工，觀測數(shù)據(jù)開始折返。由此認(rèn)為，數(shù)據(jù)的變化來自于載荷的變化。

圖7 洞體應(yīng)變NS向(a)與硐室溫度(b)數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)對比

3 結(jié)論

本文對2008年1月1日—2019年11月17日洱源臺洞體形變及硐室溫度近12年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)長期觀測數(shù)據(jù)中存在明顯的分段特征，其通過數(shù)據(jù)對比、日志追蹤、現(xiàn)場調(diào)查等方法查找原因。結(jié)果表明：近場環(huán)境事件是導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)生分段的主要原因。山洞環(huán)境的不穩(wěn)定，如硐室溫度變化、載荷的巨大變化都可能對形變觀測質(zhì)量造成影響，降低觀測數(shù)據(jù)在地震預(yù)測中的使用價(jià)值。因此，保持山洞條件及近場內(nèi)的環(huán)境恒久穩(wěn)定，是確保觀測數(shù)據(jù)長期穩(wěn)定和一致的重要條件。監(jiān)測人員在保障儀器正常運(yùn)行的同時(shí)，必須密切關(guān)注環(huán)境條件變化，并判斷其對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，及時(shí)采取補(bǔ)救措施，以確保觀測數(shù)據(jù)的客觀真實(shí)。