2024, Vol. 45
2) 中国陕西 710000 长庆油田第一采气厂
2) Gas Production Plant, Petro China Changqing Oilfield Company, Shaanxi Province 710000, China
形变观测台站一般建立在地壳表层，处于各圈层的分界面上，形变仪器在日常观测中会不同程度地受到各种干扰的影响，从而影响形变观测数据质量和对地震地球物理异常的识别，因此，进行干扰识别及排除，是保证观测数据有效应用的前提（王小平等，2010）。根据前兆数据跟踪分析事件描述要素标准，按事件成因可将形变观测干扰划分为自然环境干扰、人为干扰、场地环境干扰、观测系统故障及其他未知干扰，其中气压、降雨、降雪、融雪、雷电、雷雨、湿度、温度、风扰等自然环境干扰常见且不易被分辨。本文选取宁夏地区2015—2018年的定点形变观测数据，通过分析自然环境干扰事件，总结典型干扰特征，为今后同类干扰识别提供参考依据。
1 宁夏定点形变观测概况宁夏及邻区地处阿拉善块体、华北块体及青藏块体交会部位，断裂发育，构造复杂。在地质构造上，研究区北部属华北块体西缘，南部属青藏块体北东缘，北南两侧受力方式、岩石物理性质以及地质构造条件差异明显。在地震活动特征上，特别是现代弱震活动特征与中强地震关系上，宁夏南部和北部地区具有显著差异。宁夏北部及邻区中强地震类型主要为前—主—余震型，前震活动较明显，震前区域地震活动特征以增强为主。宁夏南部及邻区中强地震类型主要为孤立型或前—主—余震型，震前区域地震活动特征以平静为主，或局部存在一定地震活动增强。而位于北南交接部位的吴忠、灵武地区，地震活动特征具有一定特殊性，不仅地震空间分布密集，时间分布也呈显著密集特征。宁夏定点形变观测由石嘴山、银川、海原和固原4个观测台站组成，下设6个观测点，主要分布在宁夏南北地域两端，沿贺兰山东麓断裂、六盘山东麓断裂、海原断裂附近布设（图 1）。架设连续观测仪器17套，有SS-Y铟瓦棒伸缩仪、DSQ水管倾斜仪、SQ-70D数字石英水平摆倾斜仪、YRY-4分量式钻孔应变仪、CZB-2A竖直摆钻孔倾斜仪、VP宽频带倾斜仪、VS垂直摆倾斜仪和TJ-2体积式钻孔应变仪和GS-15、PET相对重力仪等，测项分量共71个（表 1）。
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图 1 宁夏定点形变观测台（点）分布 Fig.1 Distribution of Ningxia deformation observation point |
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表 1 宁夏定点形变观测测点、仪器和测项统计 Table 1 Statistical tables of instruments and measurements of Ningxia Fixed Observation Station |
选取2015—2018年宁夏形变观测数据进行跟踪分析，发现属于自然环境干扰的事件有427条。经整理统计，将干扰不明显、波形不清晰的事件予以剔除，得到有关气压、降雨、雷电、雷雨、湿度和风扰等有效干扰事件231条，统计结果见表 2，可知：风扰是宁夏形变观测自然环境干扰主要因素，占比54.11%；气压次之，占比23.38%；且风扰和降雨年平均影响天数较长，分别占比6.57%和5.09%。
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表 2 形变仪器受自然环境因素干扰统计 Table 2 Statistical table on the deformation instruments disturbed by the natural environment |
不同形变观测仪器所受自然环境干扰事件统计结果见表 3，显示：①在宁夏形变观测中，地倾斜观测仪器和地应变观测仪器所受自然环境干扰比例相当，占比分别约为49.28%和47.12%。②数字石英摆倾斜仪和体应变仪受自然环境干扰影响较大，占比分别约为20.14%和40.29%。水管倾斜仪观测受风扰影响严重，比例高达64.10%；体应变仪观测则受气压影响严重，比例约71.43%。③湿度对重力观测有影响，占比约30%，而对地倾斜和地应变的观测影响微乎其微。④比较特殊的是，银川台数字石英摆倾斜仪风扰影响显著，降雨影响微弱。这是因为，摆式仪器更易受到空气振荡的影响，而且银川干旱少雨，刮风天气多，且台站位于海拔约1 500 m的滚钟口山上，少量降雨不易渗入基岩，不会引起地倾斜发生变化。
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表 3 不同形变仪器受自然环境干扰事件数统计 Table 3 Statistical table on the number of disturbance of different deformation instruments by the natural environment |
宁夏地处我国西北内陆高原，属典型的大陆型半湿润半干旱气候，该区形变观测每年有1/3时间受到刮风干扰。地壳负载会对地壳应力、应变造成影响，而风力会加大地壳负载，从而使地壳应力、应变随风力强弱呈起伏变化（李永振，2007）。作为一种微动态干扰，风扰会使得固体潮出现明显波动，但不会发生趋势性改变。如：2015年10月25日13:45—23:59，受风扰影响，银川小口子水平摆倾斜仪和伸缩仪观测数据曲线出现高频扰动（图 2）。
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图 2 银川小口子形变观测风扰曲线 (a)水平摆倾斜仪；(b)伸缩仪 Fig.2 Observation curve of deformation survey affected by wind at Yinchuan Xiaokouzi Station |
由于地层渗透，降雨可造成大地载荷作用，当降雨量达到一定程度，山体含水量增大，地层含水率和空隙压力随之改变，基岩在水的参与下发生变形，由此造成形变观测曲线的趋势性变化（张凌空，1995）。受降雨影响，形变观测曲线持续发生变化，降雨停止后，观测曲线逐渐恢复正常。其中，伸缩仪和水管仪受降雨影响较大，尤其是伸缩仪，与降雨相关性显著，形变观测曲线会出现持续几天的趋势变化；垂直摆和水平摆等摆式仪器受降雨影响较小，甚至不受影响。如：2017年6月4日—5日，银川出现强降雨天气，累积降雨量超100 mm，6月5日00:00—12:30，银川小口子伸缩仪两分量形变观测曲线出现阶跃；2016年7月26日19:05—21:00，银川小口子水管仪形变观测数据曲线受短时强降雨影响出现畸变，变化幅度约2×10-3″，气象三要素仪记录显示，降雨量约5.5 mm，降雨结束后数据恢复正常形态。降雨干扰曲线见图 3。
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图 3 银川小口子形变观测降雨干扰曲线 (a)伸缩仪；(b)水管仪 Fig.3 Observation curve of deformation survey affected by rainfall at Yinchuan Xiaokouzi Station |
形变仪器易受雷电干扰，此类干扰具有突发性特点。强雷电时形变观测仪器常遭受雷击，造成数据突跳，甚至出现仪器损坏现象（李杰等，2006）。雷电干扰常发生在夏季，影响时间较短，一般在几小时内造成固体潮观测曲线的大幅度突跳。竖直摆倾斜仪对雷电干扰较为敏感，文中以该仪器受雷电干扰为例，分析雷击干扰曲线特征。如：2015年8月4日00:00—9:50，海原小山竖直摆钻孔倾斜仪遭受雷击，造成观测仪器出现死机现象，形变数据呈直线状态（图 4）；2014年8月13日13:10—13:50，银川台小口子水管倾斜仪NS、EW向数据曲线均受到雷电干扰（图 5）；2017年6月21日18:58—21:34，受大风雷电强对流天气影响，固原海子峡体积式钻孔应变仪日变固体潮畸变，幅度约19.0×10-9（图 5）。
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图 4 海原小山竖直摆钻孔倾斜仪受雷电干扰观测曲线 Fig.4 Observation curve of lightning disturbance of vertical swing borehole inclinometer at Haiyuan Hill Station |
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图 5 银川小口子水管仪和固原海子峡体应变仪受雷电干扰观测曲线 Fig.5 Observation curve of Yinchuan Xiaokouzi water pipe instrument and Guyuan Haizixia body strain meter disturbed by lightning |
气压改变会造成仪器所在台基变形，并使得仪器工作状态发生改变。气压变化对年变趋势无明显影响，其短期急剧变化对各测项有不同程度的影响，干扰曲线特征表现为锯齿状波动、突跳和趋势性变化。影响气压变化的因素较多，降雪、降雨、大风、气温波动等均会造成气压的剧烈变化，继而引起固体潮的显著变化。气压干扰具有一定滞后性，滞后时间与山洞密封性有关（李杰等，2003；丁建国等，2009）。
相关干扰事件有：2015年7月8日，固原海子峡体应变仪受气压趋势上升影响，固体潮呈趋势上升（图 6）；2015年9月3日9—17时，泾源水管仪NS向受气压趋势下降影响，观测曲线呈趋势性下降（图 6）。
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图 6 固原海子峡体应变仪和泾源形变水管仪受气压干扰观测曲线 (a)固原海子峡体应变观测；(b) 泾源水管仪形变观测 Fig.6 Observation curve of volume strain gauge and water pipe inclinometer affected by air pressure at Guyuan Haizixia and Jingyuan Xingbian Station |
固原体应变观测与气压变化具有较好的相关性（李国斌等，2012），原始观测曲线与气压变化趋势基本一致，气压校正后固体潮曲线清晰，体应变变化平稳（图 7）。
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图 7 固原体应变与气压、气压校正值（2018年2月） Fig.7 Volume strain、pressure and pressure correction at Guyuan Station in February 2018 |
雷雨天气发生时，对地表造成负荷影响，出现气温突变等非周期性波动，使得大气压力发生剧烈变化，从而引起地面倾斜，导致地震地球物理观测曲线出现突跳、凹槽等毛刺状干扰。如：2015年8月11日10:10—18:00，受雷雨天气干扰，海原小山钻孔倾斜仪EW分量观测曲线出现单点突跳（图 8）。
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图 8 海原小山钻孔倾斜仪受雷雨干扰观测曲线 Fig.8 Observation curve of borehole inclinometer interfered by thunderstorm at Haiyuan Hill Station |
湿度干扰对水管仪影响较大。若观测环境湿度太大，会有水珠渗透玻璃罩下的密封圈进入玻璃罩，罩内水汽饱和后会形成小气候，水汽循环对传感器造成干扰，从而造成形变观测曲线出现干扰变化。如：2015年10月23日01:19—02:01、11:10—12:35、14:38—15:18、20:29—23:32，石嘴山正谊关水管仪EW分量观测曲线出现台阶，最大幅度1.4×10-3″（图 9）。调查发现，2015年10月21日石嘴山市惠农区出现降雨，降雨量约0.3 mm，石嘴山正谊关形变观测室湿度较大，对形变观测造成影响。
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图 9 石嘴山正谊关水管仪受湿度干扰观测曲线 Fig.9 Observation curve of water pipe instrument interferedby humidity at Shizuishan Zhengyiguan Station |
通过对宁夏形变观测自然环境干扰跟踪分析，得到以下认识：
（1）自然环境干扰会造成形变观测曲线出现突跳、毛刺、阶跃和固体潮的趋势性畸变。不同因素的自然环境干扰对形变观测仪器造成的影响有所差异，其中：①雷电干扰：观测曲线表现为尖峰突跳；②风扰：观测曲线表现为高频毛刺和突跳；③气压干扰：观测曲线表现为突跳和固体潮的趋势性（上升或下降）畸变；④降雨干扰：观测曲线表现为毛刺、突跳、阶跃；⑤雷雨干扰：观测曲线表现为单点突跳和凹槽；⑥湿度干扰：观测曲线表现为规则小突跳、台阶、掉格。
（2）宁夏形变观测受自然环境干扰较为严重，全年有1/3的时间受到风扰影响。水管倾斜仪和伸缩仪对自然环境干扰较为敏感，观测曲线受影响显著。
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