大气降水对数字化地倾斜观测干扰特征分析＊

孙伶俐 罗俊秋 龙 涛

(1)中国地震局地震研究所,武汉 430071 2)华中科技大学计算机学院,武汉 430074)

大气降水对数字化地倾斜观测干扰特征分析＊

孙伶俐1)罗俊秋1)龙 涛2)

(1)中国地震局地震研究所,武汉 430071 2)华中科技大学计算机学院,武汉 430074)

对武汉基准地震台倾斜固体潮观测资料的研究表明,固体潮曲线畸变是降雨渗透使基岩膨胀的结果。降雨对记录曲线的影响主要表现在：1)时间上具有同步效应。降雨发生后倾斜仪的NS分量发生南倾,EW分量发生东倾;2)量级上受降雨干扰严重的主要为NS分量,EW分量受干扰程度较轻;3)垂直摆受降雨的干扰程度比水管仪的大。

大气降水;倾斜固体潮;干扰特征;相关性;机理分析

1 引言

湖北省现有的前兆数字化台网有形变观测台站7个,观测仪器 15套,包括倾斜、应变主测项 15个,辅助测项10个。“十五”观测项目于2008年1月正式运行,对于资料中出现的干扰和影响因素分析工作正在开展。经台网中心对湖北省观测资料进行整体评价,结果显示各观测仪器工作性能基本稳定,能清晰记录倾斜及应变固体潮。数字化观测资料积累到目前已满两年,武汉基准地震台形变测点 (华农狮子山,以下简称武汉台)台周围 150 km范围内未发生 5级以上地震,但固体潮曲线自 2008年上半年开始多次发生“鼓包”、波动等异常情况,特别是在5.12汶川地震期间也数次发生,被初定为地震前兆异常,后经排查和核实,属于外界因素对其产生的干扰。

本研究以武汉 (狮子山)台原始记录中的典型干扰曲线为例,对倾斜固体潮汐观测的干扰图像进行系统研究,总结干扰因素的记录形态特征,寻找其变化规律,并结合站点岩性和外界环境荷载变化对其进行机理分析,找出曲线上出现的“鼓包”、波动等情况的形成原由,为震兆异常与非震异常的识别研究提供实测数据。

2 台站概况及主要干扰因素

武汉台台址位于南湖南侧,狮子山北侧,目前有“十五”形变数字仪器 3套(SS-Y型伸缩仪、VS型垂直摆倾斜仪、DSQ型水管倾斜仪)。狮子山山体走向近东西,最高处海拔 63.3 m。山体植被茂盛。台址距南湖不到 1 km,湖水水位具有季节变化,周围没有人为取水,洞口海拔高 20 m,覆盖层厚 25～30 m,山洞进深 50 m,洞内温度日变化≤0.1℃,年变化≤0.5℃。台基为泥盆系中厚层石英砂岩,地层产状走向近东西,倾向北,倾角约 33°。岩体总体上相对完整稳定,受多期构造运动影响,呈现块状或粗破裂结构。地貌上属于低山丘岭区。人防山洞位于狮子山主峰西侧,洞口在山体北麓,洞口一带分布着厚度不等的残坡积层。

地倾斜观测资料主要受气压、温度、降水、积雪、环境、荷载变化、人为、仪器或辅助设备故障等干扰[1]。

3 异常图像的分析与识别

3.1 样本的选取

武汉台的数字化倾斜观测从 2007年下半年开始,2008年上半年地倾斜观测中发现 VS型垂直摆倾斜仪、DSQ型水管倾斜仪的观测资料多次出现“鼓包”和波动现象 (图 1),每次异常现象发生时均有降雨,因此怀疑异常由降水产生,且倾斜仪的 NS分量所受降雨影响比 EW分量的要大。

湖北属亚热带季风气候,4—9月的雨量一般占年总量的 70%～90%,南部的降雨总量一般 1 600～2 000 mm,是北部的 2倍多,鄂东南地区近年来有大雨或强降水天气增多的趋势[2]。武汉台位于湖北的东南部,由图 1中的降水数据可以看出,自2008年 3月以来,量值显著增加,4月份以来一直呈上升趋势。

因此选取该台受干扰较为显著的NS分量倾斜观测值作为研究样本,取其整点值和处理后的武汉地区大气降水同时期、同类型数据资料进行相关和对比分析。计算长度选取 2008年 1—6月,尽量避免随机因素和年周期的影响。2008年 1—6月垂直摆与水管倾斜仪NS分量观测值与大气降水在同一坐标系下的直观对应关系见图 1。

3.2 大气降水与倾斜观测值的相关分析

大气降水分析以小时值为基本分析单位,将中间无间断的连续降雨视为一次降雨过程;采用一次降雨过程量≥10 mm,能补给地下水的大气降水时间段为研究样本。

图 1 2008年 1—6月形变地倾斜NS分量观测值与大气降水的变化关系Fig.1 Relation between tilt tide deformation and rainfall variation from Jan.to Jun,2008

假设在该短时间域内,大气降水因素对倾斜观测的影响是线性的,选取 2008年上半年倾斜仪 NS分量观测值资料计算与大气降水的线性相关系数,计算与统计结果如图 2与表 1所示。

图 2 2008年1—6月武汉台倾斜仪NS分量观测值与大气降水的相关系数Fig.2 Correlation coefficients between observation of NS component of tiltmeter and rainfall from Jan. to Jun.,2008 atWuhan station

表 1 NS分量观测值与大气降水的相关系数分布统计Tab.1 Statistics of distribution of correlation coefficients between observation of NS component of tiltmeter and ra infall

3.3 大气降水对倾斜观测值的典型干扰特征分析

在相关系数∣γ∣中高度相关所占比例较高的4到 6月间挑选相对独立的时间段作干扰特征典型分析,具体的分析时间段为 4月 8—16日、4月 19—23日、5月 8—10日、5月 27—30日、6月 9—10日,分析结果见表 2和图 3。

表 2 2008年上半年大气降水对倾斜潮汐形变的典型干扰特征与量级Tab.2 Characteristics and magn itude of ra infall disturbance on tilt tide deformation in first half of 2008

由图 3可看出,曲线受降水影响的形态特征主要有 3种类型：缓慢变化型、缓升缓降型和陡升快降型。

缓慢变化型：在降雨时间段内不出现明显的变化,没有发生明显的倾向改变,这种情形一般发生在间隔降水期间,即前后均有降水发生。如图 3(a)水管仪、垂直摆的 4月 19日前后时间段的变化状态。这种情形是由于前 3～5天已有多次降水发生,相隔几天前出现明显降水,降雨对倾斜观测的作用出现弱化趋势[3]。

缓升缓降型：在降雨时间段内出现较为明显的变化,发生较明显的倾向改变,这种情形一般是初始降水量不大,但持续时间较长。如水管仪、垂直摆的观测值在图 3(a)的 4月 19—23日、图 3(c)的 5月27—30日降雨量均达到 20 mm的情况下并没发生明显的畸变,但是在降水持续时间段内出现缓慢下降变化。

陡升快降型：在降雨时短时间段内出现急剧变化,发生明显的倾向改变,这种情形一般是在初始降水量非常大的情况下突然发生,如图 3(d)中垂直摆在 6月 9—10日短短数小时内发生急剧变化状态,在 6月 9日的初始降水量 (≥20 mm)的影响下,于数小时内曲线发生北倾,变化量达到 90×10-3角秒左右,在曲线发生陡升后将近 24小时内没有发生明显变化,而在 10日随降水量再次急剧增加的情况下出现向南倾,变化量再次达到 80×10-3角秒左右,这次日降雨量超过 9日。

图 3 垂直摆、水管仪NS分量曲线受降雨干扰图Fig.3 Disturbance variations by rainfall recorded byNS component ofVS and DSQ instruments

图 4 2008-04-08—16日时段大气降水对倾斜观测的干扰Fig.4 Disturbance from rainfall on VS and DSQ instruments(2008-04-08—16)

这几种类型在降雨持续时间相对较长的时期会交替出现,如图 4中垂直摆倾斜仪 NS分量观测曲线在 8—9日间受降水影响发生畸变,在 10—11日虽有降雨发生但呈稳定变化态势,然而在 15日的大量降水后固体潮曲线再次发生大幅度畸变,这就是降雨及其他因素的合成效应对倾斜资料形成复杂的干扰结果的表现形态。该现象表明,地倾斜观测值明显受大气降水影响,两者存在一定相关性,但这种相关不是简单的线性相关,不单取决于当日降水量,还与往日特别是邻近前段时间的降水量有关。当初始降雨量大于一定量值时,观测值发生变化,当降雨量累积达到另一定值后,观测值又可能趋于稳定,10 mm上下的降雨量会导致倾斜值变化量为 10-8～10-9,且影响形式相当复杂,远非简单的线性函数所能模拟的[4];由于资料积累时间较短,武汉台受降水影响的驱动降水量值约为 15～20 mm,而降雨的累积量值即稳定量值估计为 50～80 mm。

由表 1、图 3可以知道,武汉台倾斜类仪器对当地降水反映敏感,降水导致固体潮曲线畸变有以下几个特征：

1)固体潮的畸变与降水有很强的相关性,并有一定的持续性;时间上与降水的出现基本同步 (延迟 2～3小时);当初始降水量大时,倾斜仪受到的干扰更为明显;降水结束后,干扰并不会马上减弱,而是持续一段时间。

2)在连续降水的影响下,倾斜仪曲线有一个间歇性的上升、下降的起伏波动过程。

3)倾斜的幅度和持续时间与大气降水强度和持续时间有关。降雨引起倾斜潮汐观测曲线的突变扰动和加速变形,具有突发性,并随着降雨的停止而终止。降水发生时,武汉台倾斜观测值的 NS分量随即先北倾后急剧南倾,EW分量也同样为先东倾后西倾,整体漂移方向为 NS分量南倾,EW分量西倾。

4)从干扰量级来看,武汉台倾斜仪的 NS分量所受降雨干扰比 EW分量大。降雨量为20～40 mm时,引起的地倾斜 NS分量变化幅度达 (20～80)× 10-3角秒、EW分量达(10～20)×10-3角秒,造成整点值畸变幅度为正常固体潮振幅的 2～5倍。

4 大气降水的干扰机理分析

形变观测资料受降雨影响的机制比较复杂,但主要与观测室的地质构造有关,另外周围的环境荷载变化也会对其产生影响[5,6]。初步分析可得出观测值所受的影响来自两个方面：

1)降水渗透产生的影响

一般情况下,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。岩体的破碎性给雨水的渗漏提供了通道,雨水的渗入造成岩石内部膨胀,使得地表局部产生不规则形变。

武汉台的观测洞室山体其上覆盖的是一层厚薄不均的棕黄色粘土,成土年代大约是第四纪,该岩层较软弱、易变形,为吸水率高的岩层结构,易受雨水侵蚀和渗入,降雨使得观测仪器基岩受浸润、膨胀、挤压等作用,因而对地倾斜观测值产生影响。

降水发生时,武汉台倾斜观测值的 NS分量发生南倾,EW分量发生西倾,表明地基在向南和西倾(负荷变化)。台站所处山脊的走向近东西,且北高南低,雨水一般沿南和西向流。由于台址 NS分量两侧局部出露上泥盆统 (D3),岩性以石英岩状砂岩、石英砂岩、粉砂岩等为主,厚度几米至几十米不等。通常砂岩中存在黏土矿物会降低砂中的孔隙度及渗透率[7],当泥质以分散状形式充填在储层的孔隙空间时,孔隙结构将变得复杂,岩石的平均粒度、孔喉直径将降低,表面积、束缚水含量将升高,进而导致流体流动阻力明显增大,因此,随着地层中泥质含量的增加,其最终将导致地层渗透率急剧下降。根据岩性与孔隙度、渗透率关系可知,NS段岩石的以砂岩为主的岩性拥有较高的孔隙度和高渗透率,致使南边张力增大,使地面向南倾斜,而 EW走向的山脊岩性以冲积粘土、砂土、砾石及湖积粘土为主,渗透率较低,因此 EW分量测值对因渗透作用对地基负荷造成的反应不明显。

2)南湖湖体荷载变化的影响

大气荷载、水库的蓄水荷载、土壤水份荷载、非潮汐性的海水荷载等发生作用的荷载中能带来最大荷载变化的是积雪。虽然非潮汐性水体的季节变化是水体发生热膨胀,不产生质量变化,但有关研究表明[8],即使在相当高度也会引起重力场季节性变化,甚至引起地震发震期的变化。

由于毗邻观测台北部的南湖为浅水湖泊,每年排入南湖水体总量达 4 000万吨[9],湖水水位自身有季节性变化,且南湖湖体离台点距离过近 (与台点相距不到 1 km),雨季时受雨水的快速补充,导致水体质量增加,水位的垂直变化对四周湖岸压强也随之变化,从而使台点倾斜潮汐观测发生急剧畸变。特别在大暴雨骤然发生且持续时间长的情况下,其形变会更加明显。

5 结论

武汉台倾斜资料受降雨干扰的特征为：固体潮的畸变与降水有很强的相关性,但这种相关不是简单的线性相关,且降雨干扰曲线形态复杂,在连续降雨期间有波动干扰现象,存在驱动降雨量的影响,具有突发性和非持久性;从时间特征上看,具有同步效应,降雨发生 2～3小时后倾斜仪的NS分量发生南倾,EW分量发生东倾;从量级特征上看,受降雨干扰的分量主要为NS分量,EW分量所受干扰程度比NS分量要小;垂直摆受降雨的干扰程度比水管仪要大。

1 王梅,李峰.数字化形变观测干扰识别[J].大地测量与地球动力学,2004,(1)：94-98.

2 陈正洪,杨宏青,涂诗玉.武汉、宜昌近 100多年暴雨与大暴雨日时间变化特征[J].湖北气象,1999(3)：11-14.

3 陆明勇.地壳形变与地下水相互作用及“双力源”前兆观点[J].大地测量与地球动力学,2006,(1)：76-83.

4 李晓,等.库水位涨落与降雨联合作用下滑坡地下水动力场分析 [J].岩石力学与工程学报,2004,23(2l)：3 714-3 720.

5 牛安福.地倾斜变化的突变性及与地震关系的研究[J].地震学报,2003,25(4)：441-445.

6 王梅,等.日本 7级以上双震前泰安台伸缩仪固体潮畸变[J].大地测量与地球动力学,2006,(4)：69-75.

7 陈德元,等.基于岩性划分的渗透率预测模型研究[J].地球科学与环境学报,2007,29(2)：158-161.

8 陈颙,黄庭芳.岩石物理学[M].北京：北京大学出版社, 2001.

9 日置幸介.地震与荷载的微妙关系[J].世界地震译丛, 2007,1：39-46.

10 张卫华,李胜乐,陈昊.九江-瑞昌 5.7级地震定点潮汐形变的异常分析 [J].大地测量与地球动力学,2006, (2)：34-38.

ANALYSIS OF D ISTURBANCE CHARACTERISTICS FROM RA INFALL ON TILT TIDE DEFORMATION ATW UHAN SEISMOSTATION

Sun Lingli1),Luo Junqiu1)and Long Tao2)

（1)Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071 2)School of Com puter Science and Technology,HUST,W uhan 430074）

The disturbance patternsof the tiltmeter observation ofVS and DSQ atWuhan station during the period of“Tenth Five Year Project”were studied. It is found that the rainfall and other factors may have the serious effect on the tide distortions.By analyzing the abnor malphenomena of the tilt tide curves,it seems that above anomalies arised from rainfall os mosis bringing about the expansion of base rock.It can be seen that there is a close correlation between the tile tide aberration and rainfall.The disturbance curve configuration is complicated and of 3 types. On the view of time there is synchronization that the NS component of tilemeter trends to S aswell as the E W component toW after the rainfall.On the view of quantity it is found thatNS component is disturbed by rainfallmore seriously than E W component aswell asVS tiltmeter is disturbed by rainfallmore seriously than DSQ tiltmeter.

rainfall;tilt tide;characteristic of disturbance;correlation;mechanism analysis

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0105-06

2009-10-25

中国地震局地震研究所所长基金(6086);中国地震局三结合课题(22004041828)

孙伶俐,女,工程师,主要从事地形变与地震预测研究.E-mail：sunll777@sina.com

P315.72+5

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