通过国家“十五”前兆台网建设，河南省建成了地壳运动和地表倾斜前兆数字化观测台网，为地震分析预报提供了大量的数据支撑。不少学者讨论形变观测在震前的典型异常特征^[1-5]，但随着社会经济的发展，台站周边的观测环境受到不同程度的破坏，对测震、前兆观测仪器的观测质量存在不同程度的影响^[6-7]，如形变台站容易受到周边载荷^[8]和降雨^[9]的影响。同时，观测数据是通过电压信号转换得到的，仪器格值会对观测数据结果产生影响，甚至导致数据变化趋势出现转折^[10]。本文主要对降雨引起的信阳台伸缩仪阶跃变化进行分析，同时利用M₂波潮汐因子对观测数据进行格值归化，分析降雨引起的伸缩仪变化及其消除方法。

1 信阳台概况

信阳台地处信阳市南湾区，位于桐柏山东麓低山丘陵区与山前冲积平原过渡带。形变测点山体较小, 相对高度25 m，与周围小山群基本相连，与大山群相距约1 km，山顶及山坡均有1~2 m深的岩石风化层，表层为亚粘土，山顶及山北、南、西坡有随季节变化的草皮植被。山体岩性为元古代秦岭岩群石槽沟岩组(斜长)角闪片麻岩，风化程度较高，节理发育，岩石较为破碎，岩体产状为：走向NW~SE，倾向SW220°，倾角25~30°。台站的2套定点形变仪器为DSQ型水管倾斜仪与SSY型伸缩仪，均安放在山洞进深25~65 m的通道内, 分南北、东西2个方向，东西向西端覆盖厚度为3 m，东端覆盖厚度约15 m；南北向均在15 m以上。2套仪器并行架设，NS和EW分量长度均为20 m。

2 降雨干扰分析

在历次强降雨时段，信阳台2套形变仪器均存在一定的变化，表现为伸缩仪东西向和北南向出现快速张性变化(图 1)；水管倾斜仪呈现东倾和南倾。同期洞温和气压并无明显变化，可以排除洞温变化和气压变化的干扰。

对比2013~2016年伸缩仪观测时序曲线和累积降雨量可以发现，在大部分降雨尤其是强降雨时段，伸缩仪北南分量均出现快速张应变变化, 东西分量变化幅度较小(图 1)，而在一些降雨时段伸缩仪并无变化。

采用别尔采夫滤波去除固体潮汐，得到更清晰的降雨与伸缩仪观测值之间的对比曲线(图 2)。从图 2可以得到信阳台伸缩仪数据变化特征为：1)在降雨时，伸缩仪观测值呈现上升张性变化；2)一般与降雨同步出现变化，没有明显的滞后效应(1~2 h)；3)短时累积降雨少于5 mm/h时，一般无变化(图 2(c))，只有出现强降雨时(小时降雨超过5 mm)，伸缩仪观测值才会出现上升张应变变化(图 2(a)、2(b))；4)变化速率与降雨强度有一定关系，降雨越强变化速率越快。

通过对仪器状态和近场干扰的排查，基本排除降雨以外的其他因素，如气压、洞温、抽水等变化。同时，因为降雨对北南向的影响较东西向大，因此选择北南向作为研究样本，并忽略低于5 mm/h的降雨事件。

3 降雨与观测资料的联系

利用滤波后的数据与降雨资料对2013~2016年信阳台历次降雨事件进行统计。根据形变观测数据从开始变化到稳定为一个完整事件的原则，统计相应变化前累积降雨值，共计整理出26个事件，其中部分事件见表 1。

从表 1可以看出，在累积降雨量基本相当的情况下，伸缩仪北南分量阶变幅度差异较大，一般降雨速率越快，阶变速率也越快，但从统计关系(图 3)来看，并无明显的回归关系。考虑到岩石的饱和程度，将统计点分为雨季(7~9月)和旱季(10~次年6月)。可以发现，存在一部分超过5 mm/h降雨量的事件中伸缩仪观测值并没有变化(在旱季和雨季均有)的情况。

通过检查仪器系统发现，2014~2015年伸缩仪M₂波、O₁波潮汐因子出现较大的波动(图 4(a)、4(b))。将M₂波和O₁波潮汐因子相除^[10]，对仪器格值进行检测，发现结果稳定(图 4(c))。因此，在2013-03~2014-10和2014-11~2015-09潮汐因子存在差异，仪器格值的差异会导致不同时期观测值出现变化。

计算2013-12~2014-03和2014-11~2015-02相对平静时段的M₂潮汐因子(图 5)，得到M₂波潮汐因子平均值分别为1.13和0.78。将它们的比值作为改正系数，对梳理出的降雨事件中伸缩仪阶变量进行修正，结果见图 6。

由图 6可知，修正后的速率关系具有明显的线性集中趋势，线性拟合较好(y=-40.98+60.47x，y为阶变速率，x为降雨速率，拟合参数a=-40.98，b=60.47)。降雨量和阶变量变化在旱季拟合关系稍好，在雨季有明显的偏离(图 6(b)右侧圆点)，线性拟合总体效果不佳。

4 结语

1) 伸缩仪和水管仪变化差异。通过历次事件的研究发现，信阳台形变仪器在强降雨时段易受到影响，其中伸缩仪影响更为明显。结合区域地质构造环境认为，造成这种现象的可能原因是：信阳台台址基岩属片麻岩，风化程度较高，这类基岩裂隙发育，有利于雨水渗透，造成岩石内部膨胀，使得伸缩仪发生快速上升变化；西端覆盖层较薄，岩石存水量小，而北南向覆盖层较厚，也是山体的主体位置，膨胀作用更明显。而水管仪主要反映载荷变化，由于山体较小，故总体变化没有伸缩仪明显，但在较强降雨时，台站东南的山体主体位置吸水后重量较西端、北端山体重，引起水管仪东倾南倾。

2) 降雨量与伸缩仪北南向变化量关系。历次降雨事件显示，信阳台伸缩仪在降雨速率达到5 mm/h时会出现快速张性变化，排除气压、洞温等其他可能的干扰因素后发现，降雨速率和阶变速率之间存在较好的线性相关，说明造成信阳台伸缩仪强降雨时段快速张性变化的主因是降雨。但从累积降雨量和阶变量之间的关系可以发现有一些特殊的变化，例如在7~9月的雨季会出现降雨量大但伸缩仪阶变量小的情况。降雨对形变观测影响较为复杂，在7~9月的雨季，往往会有多日连续降雨或者间隔很短就再次降雨的情况，即事件之间的时间间隔较短，形变山洞所在山体含水量较为饱和，后续的降雨无法被山体保存而形成有效载荷，同时岩石膨胀有极限，在连续降雨的时段也会达到饱和，不能单独取决于当日降水量，还可能与往日特别是临近时间的降水量有关，所以降雨影响形变仪器无法用简单的线性关系进行描述。

3) 格值对事件分析的影响。在进行相关分析时应该注意仪器格值的变化，必要时应对观测值进行格值归化。信阳台伸缩仪受降雨干扰的特征为：短时降雨达到一定程度后才出现快速上升变化，在孤立事件中降雨与阶变量之间存在一定的线性关系，但在连续降雨时段受到岩石膨胀率和饱和程度的影响。从目前统计结果看，降雨速率与阶变速率存在较好的线性关系，但降雨对形变观测的影响形式相当复杂，是多种效应叠加的结果，需要进一步收集更丰富的事件资料进行深入研究。