2019, Vol. 40
地形变观测是地震观测不可缺少的组成部分，作为地震预报研究的重要手段，可为地球固体潮汐、地売岩石物理性质的变化及地球弹性研究等提供科学实验数据。
蓟县地震台(下文简称蓟县台)形变观测资料质量高、连续率好，对华北地区具有一定映震效能。日常观测资料记录了能够反映地壳应力、应变变化的正常动态信息，同时记录了因外界环境、仪器零漂、人为因素、同震效应等造成的突跳、畸变等干扰(杨绍富，2015)。因此，有必要对干扰类型和影响特征进行分析和总结，为地震前异常判定提供准确可靠的依据。
1 台站观测背景蓟县台是天津地区形变观测台站，所属小辛庄形变观测山洞地处阴山纬向构造体系东部EW向压性断裂带许家台—蓟县—遵化山前断裂区，附近断裂构造较为复杂，存在一系列断裂和褶皱，较为密切的有蓟县山前断裂、杨庄断裂和黄崖关断裂，地质构造分布见图 1。
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图 1 地质构造分布 Fig.1 Geological structure distribution |
小辛庄形变观测山洞纵深约800 m，工作区进深260 m，覆盖层厚约80 m，山洞截面宽约2.5 m，高约3.5 m，年温差小于1.0℃，日温差小于0.1℃，相对湿度达98%。2001年进行数字化改造，安装DSQ型水管倾斜仪、SS-Y铟瓦棒伸缩仪、VS垂直摆、SSQ水平摆进行形变观测，并在2017年初京津冀一体化项目中进行更新改造。各套仪器运行良好，记录曲线光滑清晰，M2波潮汐因子均方差较好，观测资料内在质量精度较高。小辛庄形变观测仪器分布见图 2。
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图 2 观测仪器分布 Fig.2 Distribution diagram of observation instrument |
为正确识别干扰信息，及时准确捕捉短临异常，需仔细分析并掌握形变异常和干扰的特征，以有效区分地震异常与干扰(冯琼松等，2015)。收集蓟县台小辛庄形变山洞近10年各套观测仪器记录，从环境、观测系统和人为因素进行干扰分析，说明各类干扰特征。
2.1 环境干扰影响蓟县台形变观测资料质量的环境干扰因素主要有：强降雨、气压、抽水和爆破干扰。
2.1.1 强降雨干扰蓟县是东亚季风盛行地区，主要受季风环流支配，夏季雨水集中。2016年7月19日到21日蓟县出现强降雨，累计降雨量130 mm，对蓟县台小辛庄山洞形变观测造成一定影响，其中DSQ型水管倾斜仪EW向和SS-Y铟瓦棒伸缩仪受降雨干扰较严重，观测曲线出现大幅快速下降突变，见图 3。由图 3可知，强降雨造成水管仪EW向变化量约60×10-3″，干扰系数约为4.62×10-3″/cm；伸缩仪NS向受强降雨干扰变化幅度最大，变化量约13×10-8，其干扰系数约为1×10-8/cm；伸缩仪EW向受强降雨干扰变化量约8×10-8，干扰系数约为0.6×10-8/cm。
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图 3 蓟县台小辛庄山洞水管仪、伸缩仪受强降雨干扰 (a)水管仪；(b)伸缩仪；(c)降雨量 Fig.3 The water tube tiltmeter and extensometer has been interfered by heavy rainfall of Xiaoxinzhuang cave at Jixian Seismic Station |
小辛庄观测山洞山体属华北古地台震旦亚界沉积盖层，主要岩性为白云岩及白云质灰岩(裴晓峰，1995)，渗水系数较高。强降雨后，雨水能够较快渗入岩体，引起岩体膨胀，从而影响地形变仪器观测数据。此外，强降雨可引起地下介质蠕滑效应，且雨水沿地势形成地表径流，也是造成蓟县台小辛庄山洞形变仪器对强降雨响应灵敏的原因。
2.1.2 气压干扰气压波动是小辛庄山洞形变观测影响因素之一。气压波动通常引起作用于地表的大气产生负载变化，改变山体岩石受力状态，进而影响定点形变观测。气压波动对地形变观测的干扰主要表现为固体潮畸变。
气压波动对SS-Y铟瓦棒伸缩仪观测干扰较明显，二者具有较强的时间同步性和变化形态一致性，如：2015年7月27日03:29—4:32、19:02—22:12，SS-Y铟瓦棒伸缩仪NS向、EW向受气压变化影响，观测数据曲线出现上下波动变化，见图 4。由图 4可见，19:02气压观测值开始出现波动，之后加速上升，最大波动幅度为4.6 hPa，此时伸缩仪NS向、EW向分别出现不同程度的固体潮畸变，表现为应变受拉张影响，其中：伸缩仪NS向最大变幅为186.2×10-10，伸缩仪EW向最大变幅分别为166.5×10-10。分析认为：①伸缩仪NS向、EW向与气压变化呈正相关(李希亮等，2018)；②受相同气压干扰，蓟县台伸缩仪NS向、EW向变化量相当，其中每一个气压变化带来的NS向拉张应变量大约为40.48×10-10，EW向拉张应变量大约为36.20×10-10。
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图 4 蓟县台小辛庄山洞伸缩仪受气压干扰 Fig.4 The extensometer has been disturbed by air pressure of Xiaoxinzhuang cave at Jixian Seismic Station |
因气压波动产生的大风同样会影响小辛庄山洞形变观测质量。虽然观测山洞由数道船舱门密封，且仪器本体由苯板罩住，但洞腔内仍会因大风产生气流扰动。小辛庄山洞DSQ型水管仪、宽频带倾斜仪多次记录到大风引起的高频干扰，表现为观测曲线加粗、出现毛刺。
2.1.3 抽水干扰蓟县台小辛庄山洞SS-Y铟瓦棒伸缩仪NS向受抽水干扰影响程度大且频繁。以2015年10月15日、10月16日、12月2日SS-Y铟瓦棒伸缩仪NS向分钟值为例，观测曲线受抽水干扰出现固体潮畸变，变化幅度分别为100.1×10-10、124.1×10-10、101.3×10-10，见图 5。由图 5可见，干扰形态表现为尖峰状凸起，表明伸缩仪NS向受拉张力影响(曲线向上表示拉张，抽水点处于观测山洞南部)。通过周边环境调查，发现小辛庄山洞以南约350 m处有一口水井(井深140 m)，每天不定时抽水约2小时，对伸缩仪NS向有轻微干扰；洞口以南约400 m处婆媳山庄院内有一口水井(井深100 m)，每几天抽水一次，抽水量较大，对伸缩仪NS向干扰较为严重；洞口东南约500 m处有一口水井(井深100 m)，每天不定时抽水约2小时，抽水量较大，对伸缩仪NS向干扰较为严重。地下水抽取实质为以井孔为中心含水层的疏干过程，含水层失水产生地表沉降，形成以井孔为中心的局部收缩区域，受其影响，其他区域受到拉张作用，这就解释了小辛庄山洞附近短时抽水对伸缩仪应变观测产生的拉张影响(张磊等，2015)。
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图 5 蓟县台伸缩仪NS向抽水干扰曲线 (a)2015年10月15日；(b)2015年10月16日；(c)2015年12月2日 Fig.5 The extensometer NS has been disturbed by pumping at Jixian Seismic Station |
短基线摆类仪器对爆破干扰较为灵敏，观测曲线表现为台阶或突跳。如：2016年6月11日09:25—09:28，小辛庄山洞VS垂直摆倾斜仪NS向记录受爆破干扰，最大变幅为8.0×10-3″，台阶改正值为2.6×10-3″，见图 6。
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图 6 蓟县台小辛庄山洞垂直摆NS向爆破干扰 Fig.6 Vertical pendulum NS disturbed by blasting of Xiaoxinzhuang cave at Jixian Seismic Station |
经调查核实，爆破单位为四海爆破工程有限公司，爆破地点为天津市蓟县渔阳镇三家店村路北津围二线施工段，位于小辛庄山洞东北方，距离约6 km，爆破炸药用量约3.5 t。为减少爆破干扰对形变观测造成的损失，台站工作人员可提前收集并详细记录有关爆破信息，如：爆破时间和炸药当量等，爆破后及时收取数据，检查仪器是否工作正常。
2.2 观测系统干扰蓟县台形变观测仪器存在的观测系统干扰主要包括：电缆线破损、传感器及数采器故障和供电故障。
2.2.1 电缆线破损2015年9月13日20:58，蓟县台小辛庄山洞SS-Y铟瓦棒伸缩仪NS向、EW向同步出现反向突变，后NS向观测曲线固体潮消失、毛刺增多，EW向观测曲线毛刺增多，洞体温度累计下降0.08℃(图 7)。
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图 7 蓟县台小辛庄山洞伸缩仪电缆线破损 Fig.7 Cable breakage of extensometer of Xiaoxinzhuang cave at Jixian Seismic Station |
经技术人员核实，发现位于观测室配电箱至洞室之间的伸缩仪NS向5芯带屏蔽层电缆破损，内部红(电源+20 V)、黑(电源地线)2条线路已断，造成前置放大器无供电电压输入，NS向、EW向及洞体温度计地线与屏蔽层短路(SS-Y铟瓦棒伸缩仪NS向、EW向及SS-Y铟瓦棒伸缩仪洞体温度计地线共同接地)。将线缆重新焊接修复后，观测仪器记录恢复正常。
2.2.2 传感器及数采器故障此类故障一般不会影响仪器主机等关键部件运行，也不会导致长时间数据缺记，但观测数据质量会受到影响，通常表现为台阶、尖脉冲和背景干扰(杨红樱等，2017)。如：2016年3月12日09:12，因传感器故障，蓟县台小辛庄山洞SS-Y铟瓦棒伸缩仪EW向观测数据曲线出现突变，数据不稳定，传感器更换后恢复正常，观测曲线见图 8。地震台站应购买存放一些仪器备机、备件，出现故障时及时更换，以保障观测数据质量。
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图 8 蓟县台小辛庄山洞伸缩仪传感器故障 Fig.8 The extensometer sensor failure of Xiaoxinzhuang cave at Jixian Seismic Station |
在日常观测过程中，应变台容易因电源故障导致观测曲线出现畸变异常，且干扰形态多样(郝军丽等，2012)。如：2017年10月12日—13日，因UPS供电电源后端线路故障，蓟县台小辛庄山洞DSQ水管倾斜仪NS向观测数据曲线于12日12:22—13日13:20出现毛刺，变化形态表现为噪声大，观测曲线见图 9。
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图 9 蓟县台小辛庄山洞水管仪NS向供电故障干扰 Fig.9 Water tube tiltmeter NS power supply fault interference of Xiaoxinzhuang cave at Jixian Seismic Station |
供电系统故障、仪器供电交直流切换均会造成观测曲线出现突跳和台阶。因此，在日常监测中，保障观测系统供电是维持观测仪器正常运行的重要环节。
2.3 人为干扰蓟县台形变观测仪器存在的人为干扰主要包括人员进洞检修和标定仪器。
2.3.1 进洞观测人员进出观测山洞洞室会对地形变观测造成干扰，若多人进洞可能同时存在体重负荷及人体散热、走动引起洞腔静止空气流动的影响，少量人员进入则主要受后者影响(王梅等，2004)。通常，蓟县台小辛庄山洞进洞干扰曲线表现为：观测曲线突跳、固体潮畸变以及趋势性漂移。
2.3.2 标定形变观测仪器1年内至少标定2次，以检验观测系统运行是否稳定、数据产出是否准确。仪器标定必须严格按照规范要求进行，标定期间产生的错误数据(图 10)需在预处理时剔除，并做好工作日志记录，以便查询。
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图 10 蓟县台小辛庄山洞VP宽频带倾斜仪标定 Fig.10 The calibration of VP wide-band tiltmeter of Xiaoxinzhuang cave at Jixian Seismic Station |
综上所述，可知影响蓟县台小辛庄定点形变观测的主要干扰因素有强降雨、气压变化、机井抽水、爆破、仪器故障和标定。不同干扰因素会导致观测曲线出现不同的变化形态，同一干扰因素不同仪器响应也不尽相同。强降雨会引起DSQ水管仪、SS-Y伸缩仪观测曲线出现转折突变，抽水会引起SS-Y伸缩仪NS向观测曲线产生尖峰状凸起，大风会引起地倾斜观测仪器记录曲线加粗、毛刺增多，人员进出山洞会导致地倾斜、地应变观测仪器记录曲线发生固体潮畸变。
通过以上总结与分析，对蓟县台小辛庄观测山洞定点形变观测干扰影响形成定性和定量认识，可结合理论模型进一步分析，以达到排除干扰的目的。
| 冯琼松, 杨玲英, 杨艳珠. 昆明地震台形变观测干扰分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2015, 36(5): 64-68. | |
| 郝军丽, 卢双苓, 于庆民, 等. 长清地震台体应变观测干扰识别分析[J]. 华北地震科学, 2012, 30(1): 59-64. DOI:10.3969/j.issn.1003-1375.2012.01.012 | |
| 李希亮, 李惠玲, 孟建国, 等. 泰安地震台垂直摆和水平摆抗干扰能力对比[J]. 地震地磁观测与研究, 2018, 39(2): 116-120. DOI:10.3969/j.issn.1003-3246.2018.02.016 | |
| 裴晓峰. 抽水对蓟县台形变观测的干扰机理研究[J]. 地震地磁观测与研究, 1995, 16(4): 75-80. | |
| 王梅, 李峰, 孔向阳, 等. 数字化形变观测干扰识别[J]. 大地测量与地球动力学, 2004, 24(1): 94-98. | |
| 杨红樱, 刘永梅, 赵星, 等. 包头地震台形变干扰分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2017, 38(3): 153-158. DOI:10.3969/j.issn.1003-3246.2017.03.026 | |
| 杨绍富, 苏萍, 徐长银, 等. 霍拉山洞体数字化形变观测干扰分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2015, 36(2): 47-52. DOI:10.3969/j.issn.1003-3246.2015.02.009 | |
| 张磊, 邵永新, 马建英, 等. 蓟县台小辛庄山洞周边短时地下水抽取对应变变化的影响[J]. 中国地震, 2015, 31(3): 584-594. DOI:10.3969/j.issn.1001-4683.2015.03.013 |