邱鵬成，蔡麗雯，張 斌

(1.青海省地震局，青海西寧810001;2.青海省黃南州地震局，青海同仁811399)

0 引言

地震前兆分為宏觀前兆和微觀前兆。本文所說的地震前兆觀測不是能通過感官察覺的地震宏觀前兆，而是只能通過儀器進(jìn)行測量分析的與地震有關(guān)的微觀地震前兆信息的觀測。隨著地震觀測科技的進(jìn)步，地震前兆觀測手段不斷增加。觀測設(shè)備已由模擬向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)變。不管是模擬觀測還是數(shù)字化觀測都面臨環(huán)境、人類活動(dòng)和觀測技術(shù)系統(tǒng)故障等諸多因素的干擾，所謂“干擾”，是指對(duì)地震異常信息的干擾，尤其是指對(duì)地震前兆異常信息的干擾。以往人們往往忽視各類干擾的存在，甚至把干擾看作異常。確定了一種現(xiàn)象是異常，但異?，F(xiàn)象不一定都是地震產(chǎn)生的 (邱澤華等，2009)。汶川8.0級(jí)地震后，很多專家認(rèn)為成都地震臺(tái)重力和姑咱地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變存在異常，經(jīng)實(shí)地調(diào)查，證實(shí)為臺(tái)風(fēng)干擾和鉆孔內(nèi)水位干擾 (朱航等，2010)。因此某種意義上在正常動(dòng)態(tài)中也包含有一定的干擾異常 (中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司，2007)。環(huán)境干擾就是江河、湖泊、水渠、水庫、抽注水井、高壓線、鐵路、公路、采石采礦點(diǎn)等長期性環(huán)境因素及氣溫、氣壓、降雨、雷電等氣象因素對(duì)前兆觀測造成的干擾;人為干擾指人為因素對(duì)前兆觀測產(chǎn)生的干擾，具體來說，儀器的現(xiàn)場維護(hù)維修、調(diào)零或歸零、標(biāo)定及臺(tái)站附近的建筑施工等均屬人為干擾;觀測技術(shù)系統(tǒng)干擾主要是儀器設(shè)備、通訊線路和供電電源故障及觀測儀器之間的相互影響等產(chǎn)生的干擾 (楊廣華等，2013);不明因素干擾就是找不到原因或說不清楚的因素不明的干擾。

對(duì)臺(tái)站產(chǎn)出的資料進(jìn)行干擾因素分析，排查形成的原因，對(duì)于處理、利用好前兆資料，認(rèn)識(shí)地震前兆異常的變化，推動(dòng)其在地震預(yù)報(bào)研究中的應(yīng)用都有重要的意義。本文對(duì)2008～2012年同仁地震臺(tái)水管傾斜、洞體應(yīng)變、深井地溫等前兆測項(xiàng)所受到的各類干擾進(jìn)行了深入的研究，對(duì)干擾規(guī)律和特征進(jìn)行了總結(jié)。

1 臺(tái)站前兆觀測概況

同仁縣位于青海省東南部，屬西氫山北麓，處于青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)與青南牧業(yè)區(qū)的交界地帶，為青海省黃南州州政府所在地。同仁縣屬冷溫半干旱氣候區(qū)，年平均氣溫5.2℃，年平均相對(duì)濕度為56%，年平均蒸發(fā)量為1 453.8 mm(青海省地震局，2005)?？h內(nèi)最大河流隆務(wù)河縱貫全縣南北，境內(nèi)長46.6 km。

同仁地震臺(tái)辦公場所位于黃南州政府樓內(nèi)，除氣象三要素 (輔助測項(xiàng))儀器在樓前外，其余測項(xiàng)儀器均安裝在山洞內(nèi)，洞口海撥2 503 m。山洞夾在隆務(wù)河及其支流西山溝河之間，與兩條河流的距離分別為800 m和300 m。西山溝河距山洞最近處的海拔為2 600 m。山體巖性為粉質(zhì)粘土并夾有砂礫，不適合架設(shè)地形變儀器。

經(jīng)過“十五”項(xiàng)目的建設(shè)，前兆觀測項(xiàng)目架設(shè)有地形變學(xué)科SSY-Ⅱ型洞體應(yīng)變儀、DSQ水管傾斜儀 (2006年10月架設(shè))以及地下流體學(xué)科SZW-1A型深層水溫儀 (2007年6月架設(shè))。兩臺(tái)形變儀器為同墩位觀測，主體由南北和東西2條線路組成，南北向基坑長8.75 m，東西向基坑長10.35 m。水溫井位于山洞前，井深106.5 m、套管深104 m、探頭置深100 m，井內(nèi)無水，觀測的是地溫 (邱鵬成等，2008)。

圖1 環(huán)境因素對(duì)同仁地震臺(tái)前兆測項(xiàng)動(dòng)態(tài)曲線的影響Fig.1 Influence of environmental factors on dynamic curve of precursory item at Tongren Station

2 干擾因素分析

2.1 環(huán)境因素干擾分析

同仁地震臺(tái)山洞東西向放置儀器敦坑道發(fā)現(xiàn)有地下水滲出，從最西端的儀器主墩開始，至第3個(gè)儀器支墩結(jié)束，共有4個(gè)墩子底部滲水，且連成一線。一年四季不斷地從墩底涌出，在雨量充沛的時(shí)節(jié)，出水量會(huì)更多。滲出的地下水帶有白色的物質(zhì)，溫度為16℃左右。河流滲水導(dǎo)致儀器墩傾斜變形，最嚴(yán)重的為最西端的儀器主墩，該墩頂面已開始向西傾斜，并帶動(dòng)坑底變形，通道的水泥護(hù)坡也出現(xiàn)裂縫，保溫泡沫板大體向北傾斜。根據(jù)洞口水溫井鉆孔資料，井深15.3 m以上為粉質(zhì)粘土，上部夾有砂礫。15.3～17.8 m為卵石，巖芯采取率達(dá)60%以上，20.2～106.5 m為棕紅色泥巖，結(jié)構(gòu)完整，有裂隙發(fā)育，巖芯采取率達(dá)90%以上，無深層地下水。那么滲水從何而來呢?西山溝河海拔高于洞口近百米，兩者之間可能存在水力上的聯(lián)系。滲水水溫16℃說明滲水管道不是直線的，而是類似于“魚鉤”狀的，在滲水的過程中存在一個(gè)加溫環(huán)節(jié)。水溫井深100 m處的溫度在17.2℃左右，滲水管道的深度應(yīng)至少在100 m以上。圖1a中洞體應(yīng)變EW向動(dòng)態(tài)曲線一直向上變化，不斷需要人工調(diào)零解決，這是儀器敦傾斜影響的結(jié)果;水管傾斜NS向動(dòng)態(tài)曲線一直向下變化，雖然NS向坑道沒有滲水，但滲水導(dǎo)致巖體變形必然會(huì)影響到NS向觀測，只是干擾程度稍低罷了。

同仁地震臺(tái)的環(huán)境干擾因素還有氣壓突變和雷電等。氣壓有日變化、年變化和非周期變化三種，氣壓日變化和年變化相對(duì)平緩 (李延京等，2014)。氣壓突變是非周期變化的一種，可引起陣風(fēng)或風(fēng)暴，還可能產(chǎn)生雷電。在強(qiáng)雷暴天氣出現(xiàn)時(shí)，可能會(huì)干擾數(shù)字化儀器的觀測，當(dāng)前兆數(shù)字化儀器的觀測資料出現(xiàn)異常時(shí)，需要及時(shí)排除強(qiáng)雷暴干擾，否則較難區(qū)別是干擾還是前兆異常 (邱永平，2003)。2008年7月18日21時(shí)～19日6時(shí)，山洞附近陰云密布，出現(xiàn)了兩次氣壓突變，特別是19日6時(shí)前后，在15分鐘內(nèi)氣壓變化幅度達(dá)3 hPa，并伴隨雷電和降雨，對(duì)水管傾斜和洞體應(yīng)變的正常動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生了一定的干擾 (圖1b)，說明氣壓對(duì)測值的影響主要是以載荷方式作用的結(jié)果 (王小平，2010)，對(duì)深層水溫觀測未造成影響。

2.2 人為因素干擾分析

同仁地震臺(tái)人為干擾因素主要有調(diào)零、校準(zhǔn)、供電線路改造、檢查、換水等。當(dāng)動(dòng)態(tài)曲線一直上升或下降即將超過微調(diào)的上限或下限時(shí)，需要對(duì)儀器及時(shí)調(diào)零防止傳感器靠擺走直線;在每年的6月底和12月底工作人員要對(duì)洞體應(yīng)變儀和水管傾斜儀進(jìn)行校準(zhǔn)，調(diào)零和校準(zhǔn)引起的干擾具有明顯的特征，表現(xiàn)為階梯狀突升或突降。2009年7月21～23日工作人員對(duì)山洞市電線路進(jìn)行了重新改造，改造期間需要經(jīng)常斷電，加之搬運(yùn)物品、人員的頻繁走動(dòng)等人為活動(dòng)的影響，水溫儀、洞體應(yīng)變儀和水管傾斜儀均受到了不同程度的干擾(圖2)。2011年1月14日水管傾斜儀EW向管道內(nèi)的水變?yōu)榫G色，水質(zhì)發(fā)生變化需要換水。在換水時(shí)段除了水管傾斜儀外，同墩位觀測的洞體應(yīng)變儀的兩個(gè)分量也受到了較大的干擾。為了檢查儀器的工作狀態(tài)，有時(shí)需要打開保溫泡沫板查看，這樣的檢查也會(huì)產(chǎn)生干擾，干擾的形態(tài)以尖銳的脈沖變化為主 (圖3)。上述人為因素干擾形態(tài)一般以尖銳脈沖或階梯狀變化為主，具有突變、高頻、持續(xù)時(shí)間短、變化幅度大等特征。

2.3 觀測技術(shù)系統(tǒng)因素干擾分析

觀測技術(shù)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)、信號(hào)傳輸、供電避雷、分析與處理等各子系統(tǒng)。只有每一個(gè)子系統(tǒng)都正常工作，整個(gè)觀測系統(tǒng)才能正常運(yùn)行。任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)影響到觀測資料的連續(xù)、準(zhǔn)確、可靠。

圖2 山洞市電線路改造對(duì)同仁地震臺(tái)前兆測項(xiàng)動(dòng)態(tài)曲線的影響Fig.2 Influence of circuit transformation in Cave City on dynamic curve of precursory item at Tongren Station

圖3 水管傾斜和洞體應(yīng)變儀水管換水 (a)及人為打開保溫板檢查 (b)產(chǎn)生的干擾Fig.3 Interference of watertube tiltmeter and water change of the pipe of cave strain(a)and artificial opening and checking the insulation board

同仁地震臺(tái)觀測技術(shù)系統(tǒng)干擾因素主要有供電電源故障、開機(jī)和重啟儀器、儀器主機(jī) (數(shù)采)故障等。供電電源故障包括電瓶饋電和UPS主機(jī)故障兩方面，2011年8月24日市電停電，因電瓶饋電造成水管傾斜儀和洞體應(yīng)變儀斷記，水溫儀除了UPS供電外還自帶有小電瓶，觀測未受影響。更換電瓶后，8月25日UPS主機(jī)又發(fā)生故障，8月26日更換UPS主機(jī)，觀測記錄才恢復(fù)正常，水管傾斜和洞體應(yīng)變動(dòng)態(tài)曲線由于受到多次開機(jī)或重啟儀器影響，出現(xiàn)了大幅突跳，持續(xù)時(shí)間一般在半小時(shí)以上。這是在加電的瞬間，電流過大，造成數(shù)采的工作狀態(tài)失穩(wěn)引起的。另外，儀器主機(jī) (數(shù)采)或擺體故障也會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)曲線造成干擾，其典型特征是儀器仍然在運(yùn)行，觀測記錄不穩(wěn)定，異常與正常形態(tài)交錯(cuò)出現(xiàn)，這時(shí)應(yīng)立即更換主機(jī)，徹底解決問題 (圖4、5)。

2.4 不明因素干擾分析

除了上述干擾因素外，筆者在研究的過程中發(fā)現(xiàn)，有的干擾找不到原因，不是沒有原因，而是目前的認(rèn)知水平有限，不排除一種干擾伴隨著另一種干擾的出現(xiàn)而出現(xiàn)。如圖6所示，2012年4月19日～6月6日洞體應(yīng)變NS向和洞體室溫 (在NS向坑道內(nèi))出現(xiàn)了一次“U”型異常變化，此次異常變化恰好是在對(duì)水管傾斜調(diào)零之后發(fā)生的，洞體應(yīng)變和水管傾斜EW向均沒有異常反應(yīng)，排除其為地震前兆異常。是不是保溫泡沫板沒蓋好呢?經(jīng)調(diào)查了解，沒有相關(guān)的記錄，值班人員也無法解釋 (圖6)。類似的情況2012年12月也出現(xiàn)過一次，不同的是洞體應(yīng)變NS向和洞體室溫處于異常上升時(shí)段，在12月28日對(duì)洞體應(yīng)變NS向校準(zhǔn)后，異常逐步恢復(fù)。這兩次干擾與儀器調(diào)零和校準(zhǔn)是否存在因果關(guān)系，確切的原因仍需進(jìn)一步的研究。因?yàn)楦髑罢讓W(xué)科的地震分析預(yù)報(bào)和干擾因素的分析與排除密不可分 (張朝明等，2003)，武斷下結(jié)論是不可取的。

圖4 供電電源故障對(duì)水管傾斜 (a)和洞體應(yīng)變 (b)的干擾Fig.4 Interference of power supply fault on water tube tilt(a)and the cave strain(b)

圖5 儀器故障對(duì)水管傾斜儀 (a)和水溫動(dòng)態(tài)變化 (b)的干擾Fig.5 Interference of instrument fault on water tube tilt(a)and dynamic change of water temperature(b)

3 討論與結(jié)論

(1)同仁地震臺(tái)前兆測項(xiàng)受到的環(huán)境干擾因素主要有西山溝河滲水、氣壓突變和雷電等。西山溝河可能通過類似于“魚鉤”狀滲水管道滲出坑道，造成儀器墩傾斜，動(dòng)態(tài)曲線一直沿一個(gè)方向變化，需要不斷調(diào)零解決;氣壓突變對(duì)水管傾斜和洞體應(yīng)變的正常動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生了一定的干擾，對(duì)深層水溫觀測未造成影響。

(2)同仁地震臺(tái)人為干擾因素主要有校準(zhǔn)、檢查、換水、供電線路改造等。人為因素干擾形態(tài)一般以尖銳脈沖或階梯狀變化為主，具有突變、高頻、持續(xù)時(shí)間短、變化幅度大等特征。

(3)同仁地震臺(tái)觀測技術(shù)系統(tǒng)干擾因素主要有供電電源故障、開機(jī)和重啟儀器、儀器主機(jī)(數(shù)采)故障等。干擾形態(tài)除了具有突變、大幅度等特征外，還伴有斷記現(xiàn)象。

(4)除了環(huán)境、人為和觀測技術(shù)系統(tǒng)因素外，同仁地震臺(tái)還存在不明因素干擾，不明因素干擾已經(jīng)確定為干擾，但暫時(shí)無法找到原因。

(5)洞體應(yīng)變和水管傾斜屬于同墩位觀測，現(xiàn)場針對(duì)其中一個(gè)測項(xiàng)的檢查、調(diào)零、校準(zhǔn)或維護(hù)都會(huì)影響到另一個(gè)測項(xiàng)的正常記錄。

圖6 不明因素對(duì)同仁地震臺(tái)洞體應(yīng)變NS(a)、EW(b)及水管傾斜NS(c)、EW(d)、輔助溫度 (e)的影響Fig.6 Influence of unknown factors on cave strain in NS(a)、EW(b)and water tube tilt in NS(a)EW(b)、and auxiliary temperature(e)

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