0 引言

数字化形变观测记录的大量数据，不但包含地壳变化的信息，还包含大量自然干扰因素（微气流扰动、气压、降雨、雷电等）的信息。丹东地震台、营口地震台、抚顺地震台、朝阳地震台在“十五”期间安装了洞体形变DSQ水管仪、洞体应变SS-Y伸缩仪，至今仪器已运行10余年。本文对这4个台站数字形变观测的自然干扰现象进行分析。

1 台基概况

丹东地震台观测基岩为黑云母斜长片麻岩，山洞进深170 m，覆盖层厚度12—16 m；营口地震台观测基岩为粗粒花岗岩，山洞进深50 m，全长90 m，覆盖层厚度32 m；抚顺地震台观测基岩为角闪斜长混合岩，观测山洞全长282 m，覆盖层厚度大于30 m；朝阳地震台观测基岩为雾迷山组灰岩，山洞进深46 m，覆盖层厚度35 m。4个台站观测仪器工作正常，符合形变观测规范要求。

2 自然干扰现象

自然干扰因素中以微气流、气压、降雨干扰较为突出，其作用在DSQ水管仪与SS-Y伸缩仪上所表现出的形态与程度也各有不同。

2.1 微气流扰动

微气流扰动是对DSQ水管仪造成干扰的最常见因素之一，洞体覆盖越厚，受微气流扰动的影响就越小。以丹东地震台为例，洞体覆盖层厚度见图 1。

我们根据岩土性质、地面温度年变幅2个基本要素来估算洞室覆盖层厚度的下限值。

覆盖厚度理论解下限值估算公式为

$ Z = - {\rm{In}}\left({\frac{{a*}}{{{a_0}}}} \right){\rm{\cdot(}}{T_{\rm{0}}}{\rm{/}}\pi {{\rm{)}}^{\frac{1}{2}}}{\rm{\cdot}}{K_{\rm{s}}}^{\frac{1}{2}} $

(1)

其中，a^*为洞室内温度年变幅，根据规范要求设为0.5℃；a₀为地面温度年变幅，丹东地区为60 ℃；T₀ = 3.153 6×10⁷ s；K_s为片麻岩热扩散率，其值为0.010 9 cm²/s。由式（1）得到的计算结果为：Z = 1 583.6 cm（陈德福等，2008）。

从计算结果看，丹东台山洞覆盖厚度至少应为15.8 m才会有较好的抗微气流扰动能力，而丹东台数字形变观测洞室经实地测量，EW向覆盖厚度仅12 m左右，NS向仅15 m左右，说明洞室覆盖厚度不足，同时解释了为何DSQ水管仪EW向所受干扰相比NS向严重。2009年12月在洞体廊道内加装2道密封木门，对洞体内部通风管道、封闭门间缝隙用发泡添堵，以减少洞体内部的微气流扰动及温度变化。通过以上措施，EW向的微气流扰动现象得到了一定改善，但仍未完全达到标准。安装密封门前后对比见图 2。

图 3为2018年3月15日丹东台DSQ水管仪、SS-Y伸缩仪NS、EW向观测分钟值。由图 3可见，当天风力为6级，DSQ水管仪EW向数据出现了明显的噪声离散现象，NS向数据因洞体覆盖好于EW向，故抗干扰程度好于EW向；SS-Y伸缩仪数据受微气流扰动影响较小，基本可以忽略不计。通过对其他3个台站受微气流扰动干扰观测资料的对比，所得结论基本相同。图 4为2019年2月26日朝阳台DSQ水管仪、SS-Y伸缩仪NS向观测分钟值。2019年2月26日，朝阳地区风力达到7级以上，由图 4可见，DSQ水管仪NS向全天数据出现了噪声离散现象，而SS-Y伸缩仪数据受微气流扰动的干扰并不明显，基本可以忽略不计。

2.2 气压

突发性的气压剧烈变化会引起数字形变观测曲线发生畸变。图 5为2010年6月11日丹东台DSQ水管仪、SS-Y伸缩仪、气压的分钟值。由图 5可见，2010年6月11日丹东地区气压为1 019—1 012 hPa，全天气压变化约为3 hPa，当日18点30分左右气压发生突变，短时间内气压从1 009.5 hPa升至1 011.0 hPa，变化量为1.5 hPa，气压突变对SS-Y伸缩仪观测造成了明显干扰，但对DSQ水管仪的影响并不明显。

图 6为2019年10月24日朝阳台DSQ水管仪、SS-Y伸缩仪、气压的分钟值。由图 6可见，2019年10月24日16点朝阳地区气压从995 hPa突然变化到998 hPa，变化量为3 hPa；在同一时段，SS-Y伸缩仪观测曲线也同步发生形态畸变，但DSQ水管仪观测曲线未受到明显干扰。

图 7为2019年5月27日抚顺台DSQ水管仪、SS-Y伸缩仪、气压的分钟值。由图 7可见，2019年5月27日21—22时，气压从949 hPa升至954 hPa，变化量为5.0 hPa。在同一时段，SS-Y伸缩仪观测曲线同步发生了较明显的形态畸变；DSQ水管仪观测曲线也发生了畸变，但变化幅度要明显小于SS-Y伸缩仪。通过上述分析可知，突发性气压变化不仅会对SS-Y伸缩仪观测造成干扰，且当气压变化量达到4 hPa时，也会对DSQ水管仪观测造成干扰。

2.3 降雨

通过总结多年观测数据发现，丹东地区单日降雨量达到30 mm以上时，丹东台观测数据会出现漂移；小于30 mm时，则降雨量对观测数据影响不大。一般情况下，每年7、8月丹东地区雨季来临，经常会出现降雨天气，即使单日降雨量未达到30 mm，但连续多日的降雨，也会使丹东台山洞观测基岩处于吸水饱和膨胀状态，从而对观测仪器造成干扰。降雨停止后，观测曲线可缓慢恢复正常。图 8为2010年5月丹东台DSQ水管仪、SS-Y伸缩仪分钟值及降雨量日均值。由图 8可见，2010年5月5日丹东地区出现1次强降雨，降雨量接近40 mm。此次强降雨对丹东台DSQ水管仪观测的干扰并不明显，但对SS-Y伸缩仪的干扰较明显，后者NS、EW向分钟值分别降低了1 580×10^-10 mV、2 380×10^-10 mV。强降雨过后，数据缓慢恢复。5月下半月也有几次降雨，但降雨量都没有超过20 mm，所以干扰并不明显。

图 9为2017年8月丹东台DSQ水管仪、SS-Y伸缩仪分钟值及降雨量日均值。由图 9可见，2017年8月4日丹东地区降雨量约为25 mm，未达到30 mm，但也对SS-Y伸缩仪观测数据造成干扰。分析原因认为，7—8月为丹东地区雨季，从8月初开始，丹东地区一直降雨，观测基岩始终处于吸水饱和膨胀状态，所以即使降雨量未超过30 mm，也会导致SS-Y伸缩仪观测数据的变化，而DSQ水管仪受降雨的影响并不明显。

图 10为2019年8月营口台DSQ水管仪、SS-Y伸缩仪分钟值及降雨量日均值。由图 10可见，2019年8月1日营口地区降雨量约为20 mm，但因降雨量不大，未对DSQ水管仪、SS-Y伸缩仪观测造成干扰。但7—14日的连续降雨使SS-Y伸缩仪NS向观测数据发生变化，其间单日降雨量都未超过20 mm，但连续降雨使观测基岩处于吸水饱和膨胀状态，故对SS-Y伸缩仪观测造成了干扰，而对DSQ水管仪的干扰并不明显。

3 干扰因素分析 3.1 微气流扰动

观测洞室的温度变化、观测人员出入洞室、自然界达到一定风力等因素都会使DSQ水管仪腔体内部形成微气流扰动，此时腔体内的空气产生动态变化，使数据曲线出现不同程度的离散噪声现象（张楠等，2013）。洞体覆盖程度越好，微气流对数据的干扰也就越小（梁永信等，2010）。其特征为：微气流扰动一般会持续几小时甚至全天，且风力越大（洞体覆盖厚度不同，各台站抗微气流扰动的能力亦不相同，丹东地区一般5级风力以上，抚顺、营口地区6级风力以上，朝阳地区7级风力以上），数据出现离散噪声的现象越明显。微气流对DSQ水管仪观测干扰较明显，对SS-Y伸缩仪干扰并不明显。

3.2 气压

气压干扰是大气压力的剧烈变化通过地表作用引起地表倾斜，分为周期性的季节性变化和非周期性的突发变化。通过分析气压干扰事件发现，气压正常缓慢的变化，不会对SS-Y伸缩仪、DSQ水管仪观测造成干扰；某一时段突发的剧烈气压变化，会对同一时段SS-Y伸缩仪观测造成干扰，观测曲线变化趋势与气压基本一致，当气压变化超过4 hPa时，也会对DSQ水管仪观测造成干扰。

3.3 降雨

降雨干扰是雨水渗透入地面岩体而使得岩体不同程度的相对膨胀和压缩所产生的地质效应。通俗地讲，就是岩层吸收大量雨水后，其膨胀对观测仪器产出数据造成的干扰（观测基岩的材质也是影响降雨干扰的重要因素，一些密度大、缝隙小的观测基岩，当发生降雨时，基岩吸收雨水后膨胀程度不大，所以对形变观测仪器的影响不明显；对于密度小、缝隙较大的观测基岩，吸收雨水后，基岩膨胀程度较大，对形变观测仪器的影响相对较大）（冯琼松等，2015）。结合多年的观测经验来看，丹东地区只有在降雨量达到30 mm以上时（由于营口、抚顺、朝阳地区观测基岩的材质相对丹东地区密度大、缝隙小，所以这3个地区台站抗降雨干扰的能力强于丹东地区），观测数据才出现漂移，小于30 mm的降雨量则对观测影响不大。另外，降雨对仪器的干扰难以用“量”来衡量，如丹东地区雨季到来时，一段时间内（连续几天或一周内有几次降雨时），即使每次降雨量并没有达到30 mm，但连续降雨会使得岩层吸收处于饱和或接近饱和的状态，岩层膨胀，这同样会对SS-Y伸缩仪观测造成干扰。

4 结论

因各个观测台站所处的地理位置不同，观测山洞的覆盖厚度、观测基岩材质等观测条件亦不相同，所以本文仅对几种自然干扰作定性分析，即某种自然条件变化对观测仪器的干扰是存在的，但自然因素变化量达到何种程度会对观测手段产生干扰，这对于每个观测台站是不同的。主要结论如下。

（1）微气流扰动对DSQ水管仪干扰明显，而对SS-Y伸缩仪干扰不明显，大部分情况下对SS-Y伸缩仪的干扰可忽略不计。

（2）气压干扰对SS-Y伸缩仪干扰明显，当气压变化量达到4 hPa时才会对DSQ水管仪造成干扰，且对DSQ水管仪的干扰幅度小于SS-Y伸缩仪，大部分情况下对DSQ水管仪的干扰可忽略不计。

（3）降雨干扰对SS-Y伸缩仪干扰较明显，而对DSQ水管仪干扰不明显。