0 引言

定点形变观测作为研究固体地球物理和探索地震信息的有效手段，在地震监测预报研究中具有重要作用。由于定点形变观测是在地球表面或近地表上直接测量，不可避免地受到各种因素的干扰，观测数据中不仅包含来自地球内部的地形变信息，还包含各种干扰信息，给异常识别带来较大难度，因此正确认识并排除形变观测资料中的干扰因素，是准确捕捉地震异常信息的前提（汪翠枝等，2010）。

对于地壳变形而言，持续时间在几分钟到几天范围的突变性变化，可能是地震的短临前兆，也可能是环境气象等干扰因素的影响（牛安福，2003），例如：温度、气压等气象变化都可以引起短暂的突发性扰动，降雨可以引起加速变形等。降雨，尤其是强降雨，在形变观测中是一种典型且普遍的干扰现象，其频次较高，且持续时间长（冯琼松等，2016），与气压、温度等周期性气象干扰不同，是一种离散的不连续的干扰因素，对形变观测的影响是一个复杂的非线性过程（刘序俨等，1991；孙伶俐等，2010）。

多年观测发现，常熟地震台（下文简称常熟台）形变观测在降雨，特别是集中降雨时段，在数据记录形态上表现为趋势性缓慢变化、突变性拐折变化。本文以该台形变观测数据记录的降雨典型干扰曲线为研究对象，分析降雨干扰形态特征，寻找其变化规律及分析成因机理。

1 形变测项概况

常熟台形变观测山洞位于山体南麓（图 1），岩性为石英砂岩。该山体为一长轴约5 km、短轴2.5 km的单斜山，最高峰海拔265 m，有一湖泊与山体大体平行，湖面约8 km²，水深约2.5 m（图 1）。其西南陡峻，东北面为缓坡，走向NW，岩层倾角小于15°。

形变观测山洞洞室条件较好，主通道进深250 m，洞高2.35 m、宽2.50 m，混凝土全被覆，覆盖层厚度20—30 m，温度恒定，常年保持在17.3℃，日温差＜0.01℃，年温差＜0.3℃。DSQ型水管仪、SSY-Ⅱ伸缩仪和VS型垂直摆倾斜仪分别安装在距洞口约210 m、190 m的2个支洞室内，基墩岩性均为花岗岩，采样率为1次/min，记录固体潮清晰，年变周期明显，观测精度均达全国形变Ⅰ类台站标准（中国地震局，2001）。

DSQ水管仪架设在原FSQ水管仪基墩和基线上（FSQ水管倾斜仪1994年8月安装，2007年4月拆除。DSQ水管仪2007年4月安装并运行观测），其东西基线长29.94 m，方位角139.5°，南北基线长43.59 m，方位角为32.4°。SSY-Ⅱ伸缩仪1996年安装运行，2007年4月改造升级为SS-Y伸缩仪（原石英管基线保留），东西基线长24.19 m，南北基线长22.66 m，与水管倾斜仪平行布设在同一支洞室内；VS垂直摆倾斜仪2007年架设，东西方位角90°，南北方位角0°。

2 异常现象

常熟台形变观测降雨干扰明显，研究其特征变化，有利于形变观测数据的异常识别。据统计，2009—2016年，该台垂直摆NS向在如东近海及南黄海区域发生的几次地震前共出现5次短临异常变化，且这些异常变化均伴随着强降雨的发生，在原始记录曲线上表现为转折、畸变等形态（图 2，表 1）。异常是由强降雨引起还是区域地壳应力变化与降雨叠加的结果，在单次变化形态上难以识别。为此采用同相叠加方法，对常熟台降雨干扰及异常数据进行分析识别。

3 观测数据处理

在排除观测系统与人为等因素的影响基础上，选取常熟台形变测项各分量受降雨干扰典型时段数据及对应的降雨数据序列，进行同相叠加处理，以达到以下目的：加强降雨时段形变测项的响应信号，削弱其他时段干扰因素，如突跳、台阶、畸变等噪声的影响，有效提取形变测项降雨干扰响应特征。

3.1 分析方法

对单台、单分量而言，不管采用何种分析方法，都经常存在信噪比低、异常信息不明显的问题，而利用信息合成方法，能有效克服单分量观测数据辨识的随机性和模糊性，获得整体增益效果。叠加是数字信号处理中消除干扰的有效方法之一（苑益军等，2005），同相叠加是保证所需真实信号得到加强而其他干扰信息被削弱的关键环节（杨学慧等，2017）。国内一些学者，如苑益军等（2005）、王华忠等（2007）；张三宗等（2006），利用同相叠加方法提高了地震数据信噪比，并识别了定点形变数据中的降雨干扰（杨学慧等，2017）。同相叠加计算，关键点在于叠加计算前数据序列的相位校准。

3.2 数据处理步骤

选取常熟台水管仪、伸缩仪、垂直摆各分量在单个降雨时段内观测数据中的转折开始时刻，作为其相位校准的基准点，以每个基准点中心，向前、向后各选取相同时间长度的连续数据，使得不同事件的相位一致，将经多个相位校准的形变数据序列分别进行叠加处理。同理，降雨量数据经相位校准后进行叠加处理。

依据表 1所列常熟台垂直摆NS向5次震前异常对应降雨时段，选取水管仪、伸缩仪、垂直摆测项各分量及降雨数据序列，进行多次同相叠加处理，使得异常变化信息得到加强，与正常形变观测过程中降雨干扰响应特征相比较，从而判断异常变化形态是否由降雨所致。

4 降雨干扰特征及成因机理分析 4.1 降雨干扰特征

降雨在形变观测中是一种典型且普遍的干扰因素，主要表现为持续加速畸变。正常情况下，常熟形变仪受降雨影响，观测数据表现为向西、向南方向的转折变化特性，其变化幅度为正常观测日变幅的数倍。选取常熟台6个降雨干扰典型事件，将降雨数据及对应时段的形变测项（水管仪、伸缩仪、垂直摆）各分量数据进行相位校准，统计信息见表 2。依据表 2所列数据选取时间，选取形变测项各分量及降雨分钟值数据序列进行同相叠加处理，结果见图 3(a)，去除固体潮汐后的日均值变化趋势性结果见图 3(b)。

由图 3可见，叠加计算后，常熟台形变测项各分量数据在集中降雨时段的转折现象明显，与降雨量叠加表现出较强的相关性；伸缩仪2个分量在降雨时表现为受挤压状态，分别向西、向南下降；除水管仪EW向干扰影响不明显，其他倾斜仪测项均表现为较同步的NS向南倾、EW向西倾的趋势性变化规律。尽管常熟台定点形变观测仪器工作原理、工作周期、基线长度、洞室放置地点等各有差异，但降雨对不同类型的定点形变观测仪影响是一致的，即在降雨对湖泊水位变化加上地表渗透的共同作用下，观测数据产生NS分量向南、EW分量向西的转折变化特征，且数日后会恢复。

4.2 降雨干扰成因机理分析

降雨对形变观测的干扰机制比较复杂，主要与观测室的地质结构有关，周围的环境荷载变化也会产生影响（张晶等，2003）。结合常熟台形变仪观测点地理位置，认为这种特定方向的变化特征主要与观测山洞西南4 km处湖泊的水位变化有关。

湖泊与山体平行且面积相当（图 2），降雨时湖泊水位上升，重力作用造成湖底下沉。这种下沉是地壳形变中的负荷效应，在常熟台倾斜观测仪上，表现为来自西南方向的地表倾斜。同时，水体质量增加，水位垂直变化，四周湖岸压强随之变化，区域内岩体受挤压呈现压性变化，使常熟台伸缩仪产生EW分量向西、NS分量向南的挤压变化（数值下降）。特别是在暴雨时段，雨水快速汇集流入湖泊，导致地表负载应力发生急剧变化，加上雨水对山体岩石孔隙的渗透作用，使形变仪各测项向西南倾斜的转折变化形态更加明显，随着雨量增大，观测值变化幅度出现同比增大现象，而当降雨量累积到更高程度后，观测值又趋于稳定，一般随着降雨的发生和停止会持续1—2天，即缓慢恢复正常变化形态。

多年观测发现，常熟台水管仪EW向受降雨干扰不明显，与仪器观测原理、观测方式以及降雨干扰主要作用于山体短轴线两端有关，水管仪EW向布设走向与山体长轴线走向基本一致，降雨影响作用在水管仪E、W两端垂直方向的高差变化基本相同，因此反映在水管仪EW向（E端减W端的相对高差变化量）上影响相对不明显。常熟台伸缩仪NS向、EW向日变幅分别为：（470—560）×10^-10、（140—210）×10^-10，NS向日变幅均约为EW向2倍，在降雨影响时段产生EW分量向西、NS分量向南的压性变化量，引起观测值出现较大幅度的加速压性变化。由图 3可见，在降雨时段的转折变化，正常日变幅较小的EW向比NS向变化更明显。

5 震前异常特征对比识别

依据表 1所列垂直摆NS向5次震前异常事件，将降雨数据及对应时段的形变测项（水管仪、伸缩仪、垂直摆）各分量数据进行相位校准，相位校准的基准时间段见表 3。

依据表 3所列数据选取时间，选取形变测项各分量及降雨分钟值数据序列进行同相叠加处理，结果见图 4(a)，去除固体潮汐后的日均值变化趋势性结果见图 4(b)。由图 4可见：叠加处理后，常熟台水管仪、伸缩仪数据与降雨的对应关系明显，保持了降雨干扰时向西、向南方向转折变化的干扰特性；垂直摆叠加计算后，NS向异于正常降雨干扰的转折现象明显，即与正常降雨干扰变化特征相反的向北转折变化，与图 2中垂直摆NS向5次降雨影响异常变化时段相比，EW向在单次原始形态上不明显的缓慢异常转折信号同样得到加强，受强降雨影响，向东转折变化的规律消失，与正常降雨干扰变化规律对比，未呈现明显的对应关系。常熟台垂直摆5次震前异常现象表明，垂直摆NS向、EW向观测数据可能均叠加了来自NE方向的构造活动，从而抵消了降雨干扰下向西南转折的正常变化量，这种原始形态上的异常变化加大可能与构造活动有关。

表 1所列地震均发生在常熟形变观测点NE方向，垂直摆异常变化矢量方向为NE向，大致指向震中方向，可能表明常熟台垂直摆记录的震前异常由地壳变形引起，有待收集更多异常现象与震例作进一步分析以验证该成因机制是否成立。在这几次地震发生时垂直摆均有明显同震响应，部分地震震时垂直摆NS向因响应幅度较大出现超限靠摆现象，而水管仪、伸缩仪同时段未有明显同震响应。

6 结束语

同相位叠加方法用于形变观测中出现的缓变转折叠加计算与降雨影响之间的分析和排除是有效的，能有效提高一些形变前兆信号的信噪比，获取可信的地震前兆，对前兆异常识别、异常信度提高有重要意义。本研究叠加结果表明，常熟台垂直摆震前异常变化与降雨干扰相关性不强，更可能是来自于震前孕震异常引起的地壳变形，这种地壳构造变化影响削弱了降雨对垂直摆的扰动；水管仪、洞体应变仪未记录到这些异常变化，显示短基线形变仪对本区域地壳应力构造变化响应比长基线形变仪更灵敏。

通过研究降雨对常熟台形变观测的影响特征，分析总结观测数据在降雨时段的非正常变化模式，有助于识别观测数据中的地震异常信息，其中降雨的响应形态、方向转折变化是否同步，可用来检验仪器的有效性，也可作为震前异常判定的一种有效方法。