龙岩地震台地倾斜资料干扰因素分析＊

刘其寿 杨佩琴 王绍然 赖福霖 郑永通 李远兴

(福建省地震局龙岩地震台,龙岩 364000)

龙岩地震台地倾斜资料干扰因素分析＊

刘其寿 杨佩琴 王绍然 赖福霖 郑永通 李远兴

(福建省地震局龙岩地震台,龙岩 364000)

分析龙岩地震台 SQ-70型水平摆倾斜仪及VS型垂直摆倾斜仪观测资料的主要干扰因素,并提出了降雨干扰的排除方法。

地倾斜观测;降雨;相关分析;干扰;排除

1 引言

龙岩地震台地倾斜观测始于 1976年 3月,使用JB-1型金属水平摆倾斜仪,观测精度为 0.01″/mm; 1986年 5月安装了精度更高的 SQ-70型石英水平摆倾斜仪;1986年 10月开始正式观测,精度为0.001″/mm,后因仪器老化,于 2001年 1月停止观测;2004年2月经“九五”数字化改造,安装了VS型垂直摆倾斜仪,精度为 0.000 1″/mV。长期以来,观测资料受降雨干扰较为严重,降雨量大时,甚至几天就要调一次仪器。为了寻找地倾斜观测资料受降雨干扰情况,1990年 10月安装了雨量计开始观测降雨及蒸发情况。通过系统整理历史观测资料,发现龙岩地震台地倾斜观测资料与降雨存在很强的相关性,NS分量与降雨呈负相关,而 EW分量与降雨呈正相关,并且降雨对观测资料的干扰具有滞后效应。本文根据其特点,对可能影响地倾斜观测的因素进行了分析,发现主要干扰因素为降雨。

2 台址概况

龙岩地震台地处闽、粤、赣交界,东部有经大田-漳平-龙岩东入广东省大埔的政和-海丰断裂带,西部有经宁化、武平入广东的邵武-河源断裂带。另外,还有龙岩山字型构造和南北向构造,这些构造体系又彼此交汇、复合、重叠,使得区域地质构造错综复杂。

龙岩地震台座落在龙岩市新罗城区北郊虎头山的西侧半山坡上,地势东高西低,山体南高北低。岩性为二叠系下统文笔山组 P1w,台站东边有一断层,断层呈北北东走向,倾角 80°,西边为第四系覆盖层,基岩为石英砂岩。

3 仪器概况

龙岩地震台 SQ-70型石英水平摆倾斜仪安装在台站东侧的山洞内,山洞全长约 120 m,仪器安装处距洞口约 90 m,从洞口至仪器室安装有 5道密封性较好的船舱门,洞内年温差小于 0.2℃。仪器光杠距 7.0 m,工作格值为ηNS=3.40×10-3″/mm,ηEW=3.50×10-3″/mm,正常年变幅度约为 NS2.5″, EW5.0″。

根据地倾斜观测受降雨干扰较大的情况,龙岩地震台于 1990年 10月安装了雨量观测仪,该仪器由一个圆形面积为 100 cm2积水器和漏斗、积水玻璃瓶、固定支架等组成,当有降雨时,雨水经积水器、漏斗流入玻璃瓶中,观测人员用专用量杯量取玻璃瓶中的水量,即可得到降雨量;蒸发皿是一面积为100 cm2的圆形容器,每天装入 10毫升,次日量取剩余水量,则日蒸发量 =日降水量 +10-剩余水量。将年初水量设置初始值 100 mm,每天观测后将前一天水量加上降雨,再减去蒸发量,求得每日降雨累积值,并假定此值为仪器所处山体的当日现存水量,以期寻找地倾斜观测资料与降雨的相关性。

2004年 2月,经“九五”数字化改造,龙岩地震台安装了VS型垂直摆倾斜仪,该倾斜仪就安装在原 SQ-70型石英水平摆倾斜仪的仪器墩上,为两分量工作,格值约为 0.1×10-3″/mV。

4 观测资料收集整理

4.1 SQ-70型石英水平摆倾斜仪

由于龙岩地震台雨量观测是从 1990年 10月开始的,为了对比地倾斜观测受降雨的影响,收集的观测资料必须与雨量观测对应,考虑到 SQ-70型石英水平摆倾斜仪从 2000年起因仪器老化不太稳定,因此只采用 1991—1999年的观测资料,经过绘制这期间的观测曲线,并查询观测日志,选取仪器较为稳定的 1994、1997年的观测资料进行分析。

4.2 VS型垂直摆倾斜仪

龙岩台VS型垂直摆倾斜仪于2004年2月安装投入使用,经过一段时间试运行,发现NS分量向南漂移较严重,而同期 EW分量正常,对比邻近台站的同型号仪器观测资料亦正常,因此有理由认定 NS分量的漂移是由于仪器不稳定造成的。于 2005年6月 3日更换了 NS分量摆,经一段时间运行,仪器工作趋于稳定。考虑到 2008年台站基建影响,选取VS型垂直摆倾斜仪 2006、2007年资料进行分析。

5 地倾斜观测资料主要干扰因素分析

5.1 温度干扰

温度变化主要通过两个途径影响观测结果：一是使仪器本身发生不规则热形变,造成仪器基本参数的改变;二是使观测点的台基出现热形变,造成地表热倾斜变化[1]。

观测室温的变化以及仪器各部件之间温差的存在,都会引起吊丝长度的改变、吊丝上下夹固点位置改变和底脚螺钉相对高度的改变等等。在实际工作中,仪器要加摆罩进行密封观测,因此前两方面的影响都可以降低,而以底脚螺钉相对高度变化带来的危害最为严重。

假设因温度引起二底脚螺钉的高差为 h′,螺钉间距为 d,当两螺钉间有温差ΔT,引起底盘倾斜量Δ ψ为:

式中,α为底脚螺钉的线胀系数。可见温度影响仪器底盘的倾斜量Δ ψ与温差ΔT成正比。

底脚螺钉间温差的出现常常是空气流动造成的,有时观测人员在仪器室内走动也会带来影响,因此,对观测室的恒温和密闭必须得到保证。

5.2 降雨干扰

降雨干扰在地震地形变前兆观测中是一种很典型且普遍的干扰现象。降雨可分为持续性降雨、大雨和暴雨,持续性降雨干扰反映在曲线上为脉动状、趋势性缓慢变化,大雨、暴雨干扰也表现为缓慢及突变性拐折变化[2]。持续或突降大雨后,山洞地表容易积水,不但降低断裂面摩擦强度,而且很容易渗透到山洞内仪器的主墩和过渡墩处及其附近,增加荷载和岩石孔隙中的水分,降低了岩石的抗压强度和屈服力,进而导致岩石压力和应变的变化,引起测值短时间内较大幅度的加速变化[2,3]。当降雨停止后,由于地表上土壤和岩石中的水分在较长时间内蒸发和渗流,都会使荷载和岩石孔隙中的水分逐渐减少,因而引起应变逐渐缓慢的恢复[4]。降雨有负荷的影响,又有渗入地下各种类型的裂隙、断裂、岩层中间,以膨胀、浮托或使地表岩体产生压性应变(约 10-8)等形式地倾斜潮观测施以影响,其影响的滞后效应较为明显[5]。

降雨时,一部分雨水经地表流走,另一部分则顺岩石的裂缝或土层渗透到地层,使得地表局部产生形变[6]。对于某些干旱地区,小的降雨对倾斜量不会产生影响,如乌什台只有当降雨达到 20 mm以上时,才有可能对倾斜量造成影响,有时即使达到 20 mm以上,也不一定对倾斜量产生影响,因为它还与每一次降雨的方式以及所在季节有关[7]。龙岩地震台观测仪器所在山体岩性为石英砂岩,顶部覆盖较厚,土层吸水率高,使得观测资料受降雨影响较为敏感。

长期以来,观测人员发现在较大降雨后,观测资料反映出倾斜量明显变化,如图 1所示,降雨后主要表现为NS分量南倾,EW分量东倾。研究龙岩地震台仪器安装所处山体的位置及基岩,笔者有理由认为出现如此明显的干扰,除了因基岩为石英砂岩外,另一个主要原因是仪器室所处山体为近南北走向,台站地势东高西低,台站东侧的山体南高北低,当降雨时,雨水渗入山体岩石的裂缝或土层并加载在山体中,使地面发生倾斜。由于台站地势东高西低,降雨后东侧山体较重,而且山体南高北低也造成降雨后南边山体较重,这正好与降雨后反映出来的倾变方向一致。

如图 1(c)所示,1994年 6月 15日起连降暴雨,至 6月 22日雨量累积值上升约 310 mm,在此期间, NS分量从16日起开始向南倾变,16日至18日倾变较小 (图 1(a)),向南倾变量为 0.216 6毫角秒,18日至 20日倾变速度加快,向南倾变量为 1.032 3毫角秒。虽然从 6月 23起降雨累积值基本持平,但直至 7月4日 ,NS分量仍缓慢向南倾变0.5270毫角秒;EW分量 16日起向东倾变(图 1(b)),16日至18日倾变较小,向东倾变量为 0.304 9毫角秒,18日至 26日倾变速度加快,向东倾变量为 3.341 1毫角秒,此后至 7月 2日继续缓慢向东倾变了 0.655 8毫角秒。如图 1(d)、(e)、(f),1997年的日均值曲线也与降雨累积值曲线非常相似,并且 NS分量与降雨负相关,EW分量正相关。

如图 2所示,VS型垂直摆倾斜仪 2006、2007年的观测资料同样受降雨干扰,两分量的观测曲线几乎受降雨曲线的“控制”,特别是 2006年 5月底至 6月初,受到强降雨影响,两分量的观测资料发生急剧变化。且与 SQ-70型石英水平摆倾斜仪 1994年 6月中旬的情况类似。

5.3 其他干扰

影响地倾斜观测资料的干扰因素还有海潮、气压、负荷与爆破等。由于龙岩地震台所处地理位置远离海岸,因此海潮干扰可以忽略不计。大气压力的剧烈变化,通过对地表的作用,也会引起地面倾斜,当然其影响是很小的。这里谈的负荷,系指地表重物负荷的变化,如物资集散、建筑兴废和雨雪河流的变化等等。所谓爆破的干扰,不是指爆破引起观测仪器振动,而是局部破坏所引起观测点附近的地表变形。负荷与爆破都会引起矢量图的打结与分量图的陡变,很容易与某些震兆混淆,为排除这些干扰,只有加强调查研究,逐个排除[1]。

图 1 SQ-70仪 1994、1997年受降雨干扰日均值图Fig.1 Dailymean value curves of the SQ-70 tiltmeter disturbance by rainfall in 1994 and 1997

图 2 VS型垂直摆仪 2006—2007年受降雨干扰日均值图Fig.2 Dailymean value curves of the VS vertical pendutum tiltmeter disturbed by rainfall in 2006 and 2007

6 降雨干扰排除方法探讨

设对地倾斜观测造成干扰的因素为 x1,x2,…, xn,对应的倾斜量为 f1,f2,…,fn,则每一种干扰因素对地倾斜的影响都可以表示成[1]:

在实际工作中常取一级近似,即取常数项和一次项,则有:

式中 ai1就是第 i个干扰因素对地倾斜的影响系数,或者称为对该干扰因素的校正系数。

根据前面干扰因素对龙岩地震台地倾斜观测的影响分析,由于仪器所处环境温度变化很小,温度干扰可以忽略不计,另外一些对地倾斜可能造成的因素如气压、抽水、海潮等,因台站所处地理位置及仪器室密封性较好,也可以忽略不计。因此可以只考虑受降雨干扰的情况,对观测资料造成的影响可以表示为:

式中 x就是降雨累积值,f表示降雨对地倾斜造成的影响量。利用 EIS2000软件对其 1994、1997、2006、2007年的观测资料进行一元线性回归分析,结果如表1。

龙岩地震台地倾斜观测受降雨干扰相当严重,但又有很强的相关性,表 1也验证了这一点,反映出NS分量与降雨呈负相关,而 EW分量与降雨呈正相关。

以 1994年NS分量观测资料为例,将观测资料与一元线性回归分析结果差值 (即残差)绘制曲线如图 3,从图 3可见,残差曲线已经削弱了降雨对地倾斜的影响。

图 3 1994年地倾斜NS分量一元线性回归分析Fig.3 Monadic linear regression analysis of the NS ground tilt component in 1994

表 1 龙岩地震台地倾斜观测与降雨累积值一元线性回归分析Tab.1 M onadic linear regression analysis of the accumelated ra infall with the grouind tilt observations of Longyan seismostation

7 结论与展望

1)前兆观测资料或多或少地受各种干扰因素的影响,由于各个台站所处地理位置、仪器安装环境、基岩等差异,受到各种因素干扰的程度也不同。

2)通过对温度、降雨等干扰因素的分析,发现降雨的影响最大,并具有很强的相关性,而其他干扰因素对观测资料影响较小,可以忽略不计。就龙岩地震台的观测资料而言,地倾斜观测资料几乎受降雨的“控制”,利用专业软件 EIS2000进行观测资料与降雨累积值作一元线性回归分析,可以较好地排除降雨干扰。

3)不同的干扰因素对前兆观测的影响形式也不一样,有些干扰是周期性的,可以通过频谱分析加以排除,有些是间接的,如降雨干扰,可以通过相关分析加以排除。

1 冯锐.地倾斜与地震[M].北京：地震出版社,1978.

2 金克俭.地倾斜干扰因素的典型图像分类与说明[J].地壳形变与地震,1986,(2)：131-136.

3 牛安福,等.地壳持续加速变形与地址关系研究[J].大地测量与地球动力学,2002,(1)：29-33.

4 黄晓华,等.厦门台地震前兆异常分析[J].大地测量与地球动力学,2009,(5)：38-42.

5 国家地震局科技监测司.地震地形变观测技术[M].北京：地震出版社,1995.

6 陈敏,等.重庆台倾斜潮汐形变干扰异常与震兆异常的识别[J].大地测量与地球动力学,2007,(专刊)：79-83.

7 刘辉,等.降雨对乌什台地倾斜观测的影响[J].内陆地震,2000,14(4)：345-349.

ANALYSIS OF D ISTURBANCE FACTORS ON GROUND TILT DATA AT LONGYAN STATION

Liu Qishou,Yang Peiqin,Wang Shaoran,Lai Fulin,Zheng Yongtong and Li Yuanxing
(Longyan Seism ostation,Earthquake Adm inistration of Fujian Province,Longyan 364000)

The main disturbance factors on the observations of the horizontal pendutum tiltmeter of SQ-70 type and the verticalpendutum tiltmeterofVS type atLongyan seismostation are analyzed.Besides,themethod for removing the rainfall disturbance is put forth.

observation of grgound tilt;rainfall;correlation analysis;disturbance;remove

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0091-05

2010-03-12

福建省地震局青年科技后备人才基金

刘其寿,男,1973年生,工程师,主要从事地震形变监测与分析预报工作.E-mail：lylqs@163.com

P315.72+8

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