熊先保 林春梅 黄晓华 杨婕 黄朝辉 林立峰 徐智明

(1)福建省地震局厦门地震台,厦门 361003 2)国家海洋局厦门海洋环境监测站,厦门 361002)

海潮对厦门台洞体应变观测的干扰特征＊

熊先保1)林春梅2)黄晓华1)杨婕1)黄朝辉2)林立峰1)徐智明1)

(1)福建省地震局厦门地震台,厦门 361003 2)国家海洋局厦门海洋环境监测站,厦门 361002)

通过对比厦门台与内陆台站的地形变资料,并排除多种对厦门台洞体应变资料可能的干扰因素后发现,叠加在该测项固体潮观测记录曲线上的许多“毛刺”等高频现象是由海潮浪涌运动引起的。和地倾斜仪器受海潮干扰的类型不同,厦门台洞体应变观测受到的海潮干扰属振动型。

干扰特征;干扰类型;海潮;洞体应变观测;厦门台

1 前言

厦门台所在的厦门岛四周环海,仅在岛的北稍偏西方向有一海堤与大陆相连,地形变观测仪器就安装在岛内西南部的山洞内,与海岸线的最近距离仅 620米,因此,其地形变观测资料受海潮干扰严重[1-4]。在 20世纪 80年代刚开始开展地形变观测时,厦门台只有 SQ-70型水平摆地倾斜一种观测手段,并且还是光记录型手工模拟量图,由于地形变观测手段单一,观测时间短,资料的积累特别是临海台站的资料积累不够,再加上其他形式的干扰,导致了在观测资料中很难分辨海潮对地形变观测的干扰形式。在“九五”期间,厦门台新增加了洞体应变仪、水管仪、垂直摆、重力仪、GPS等数字化地形变观测仪器,每天的数据量以 1兆多的数量增长,而且还有大量的模拟数据及资料。和上世纪的观测条件相比,观测手段增多,而且同一手段的数据采集率也提高了 60倍,大大地扩展了观测的频带范围。另外,水平摆光记录模拟资料长达 20多年 (1985-05—2007-04),洞体应变仪、垂直摆与水管仪数字化资料的长度也接近 9年 (2000年 8月至今 ),能同时提供整点值、分钟值及并行的模拟观测数据。本项目还收集了国内其他有关台站的相关数据,如此丰富的地形变资料为我们提取海潮干扰的多种形式提供了基础。

现有的资料表明[5-7]：国内外在研究海潮对地形变资料的干扰方面,都注重海潮效应的改正,即如何从地形变资料中将海潮的影响“剔除”掉,并且都是涉及到大范围的计算与改正。但是,从观测的角度出发,从台站所处的具体地理环境以及仪器的架设方位出发,来研究海潮对观测资料的干扰特征,有关这方面的文章目前还不多见。本文试图从厦门台多年观测得到的洞体应变资料出发,识别并总结出海潮对该测项干扰的各种形式与特征,并尝试对这些干扰形式与特征给出合理的解释。

2 海潮对洞体应变观测的干扰特征

一般说来,仪器观测环境受到的干扰可以分为负荷型、振动型、气象型与电磁型 4种类型,而这 4种类型从时间上又可分为周期性和非周期性两种。象一般的人为干扰、电磁干扰和动物干扰等都独立于仪器的观测对象之外,具有偶然性和非周期性,或有周期性但持续的时间不长(相对于观测仪器寿命来说),在经历了一段时间甚至相当长的时间后,这种干扰最终肯定会消失。而海潮的干扰则不一样,它始终都叠加在固体潮汐之上,原因就在于海潮与固体潮源于相同的引潮力和起潮力,都是在日、月等天体的共同作用下出现的同源异象现象,是相对的不易变形的固体地壳与易流动的液体海水对上述引潮力和起潮力的响应;反过来,流动的海水又以潮汐运动的形式施加在固体地壳上,使架设在其上的地形变仪器记录到了第二次地壳变形信息,这就是海潮干扰的形成过程。随着地形变观测对象的不同以及海潮运动的复杂性,海潮的干扰在观测资料中的表现形式又多种多样。

和内陆台站的相比,临海台站的日变化资料不仅能清晰记录到固体潮变化趋势,而且还能记录到独有的海潮干扰信息。如图 1所示,厦门台自开展数字化洞体应变观测以来,每天的日变观测曲线都是在总的固体潮趋势下叠加了很多“毛刺”成分;而对于同类型的观测仪器,内陆台站蓟县台的日变化曲线却相对光滑,基本上只显示出正常的固体潮趋势变化。在开始观测不久的一段日子里,我们总认为厦门台的观测仪器受到了某种人为干扰或电源方面的干扰甚至是气压干扰,并试图找出这种干扰的来源,结果上述所有的干扰都被否定了。长期的观测经验告诉我们,这种所谓的“毛刺”,实际上就是一种高频干扰,可以通过设计一低通滤波器过滤掉,从而得到和内陆台站一样光滑的曲线,图 2就是将图 1过滤高频信息后得到的,从图 2中看到,厦门台的观测曲线变得十分光滑,变化很大,而蓟县台的相对来说变化不大。那么,这种“毛刺”现象到底是由什么引起的呢?

图 1 厦门台与蓟县台洞体应变东西分量原始观测曲线Fig.1 Curves of the original observation of EW component of cave strain at Xiamen and Jixian seis mostations

图 2 滤波后的厦门台与蓟县台洞体应变东西分量观测曲线Fig.2 Observation curves of E W component of cave strain at Xiamen and Jixian seis mostations after filtering

3 海潮对洞体应变干扰的判断依据

大量的资料分析表明,厦门台洞体应变观测曲线上叠加的“毛刺”现象实际上就是海潮干扰的一种表现形式,尤其是在固体潮曲线的波峰或波谷处,“毛刺”现象显得更为突出。不仅厦门台的资料如此,临海台站的资料都会或多或少地出现这种情况,这与干扰的程度和观测仪器离海岸线的距离有关,越接近海岸线的观测仪器,受到的干扰就会越大(图 3)。

从蓟县台、汕头台到厦门台,随着距离海岸线越来越近,原始观测曲线上的“毛刺”现象也越来越严重。对某一固定的洞体应变仪来说,这种海潮干扰在观测的两个分量上面都有所体现,干扰程度的大小和两分量仪器的布设方位有关系,对厦门台来说,海潮对NS分量的干扰要稍大于 EW分量的(图4)。

图 4 厦门台洞体应变南北与东西分量原始观测曲线Fig.4 Curves of the original observation of NS and EW-components of cave strain at Xiamen seismostation

3.1 人为干扰的排除

如前所述,“毛刺”现象如果是人为所致,那它肯定持续不了太长的时间,并且具备有一定的人类活动规律性。但实际上,厦门台自从开展洞体应变观测以来,观测资料曲线上就一直叠加有“毛刺”现象,就是到现在每天产出的资料中也仍然在不断地出现,即使更换新的仪器,尝试用不同种类的电源给仪器供电,这种现象依然存在。由此可见,“毛刺”现象并非人为干扰或电源干扰。

3.2 气压干扰的排除

在日、月等天体的引潮力作用下,大气压强也会显示出一定的潮汐波,称为大气潮波。频谱分析表明,大气潮也有完整的周日波与半日波,和海潮、固体潮一样,同属于“同源异象”的本质。大气潮波也是影响数字化观测的因素之一,特别是对洞体应变观测有明显的影响。

有研究表明[8],气压的变化会对钻孔体应变的观测造成一定的干扰,两者的相关系数在 0.6以上。那么,厦门台洞体应变观测曲线上叠加的“毛刺”现象会不会就是气压干扰所致呢?为此,我们利用厦门台 2005年全年的气压和洞体应变分钟值观测资料,用相同参数的高频滤波器分别对上述资料进行滤波,得到各自的高频信息,既然“毛刺”现象属于高频信号,那么它就肯定包含在滤出的信号中。

表 1就是上述两高频信息之间通过一元回归所得到的相关系数,从表 1(表中“()”中的数字代表相位,用时间表示,单位：分钟;“()”中前面“-”代表气压滞后洞体应变。表 2、3同)中看出,相关系数实际上很低,最大的也不超过 0.3,这就说明,厦门台洞体应变观测曲线上叠加的“毛刺”现象并不是气压干扰所致。为了更进一步搞清气压干扰洞体应变的机制,我们也用相同参数的低频滤波器,采用上述相同的方法,对上述资料进行处理,得到的相关系数如表 2,从表中看出,两者的相关系数相对较大,最高的在 0.7以上,和文献[8]得到的结果吻合得较好。这就表明,气压如果对洞体应变观测有干扰的话,那么干扰主要体现在低频部分而不在高频部分。显然这种干扰在本质上属于气象型干扰,气压扰动形成的压力差以波动形式直接作用在洞体应变仪的含铌特种铟瓦棒或传感器探头上,使得记录曲线中叠加了多种波的成份,和海潮负荷干扰类似,这些波动频率与固体潮的几乎相同,因此很难将其从记录资料中分离开来。由于波的传播需要一定的时间,因此,气压引起的洞体应变的干扰总会落后于气压扰动一定的时间。但是,由表 2得到的结果与文献[8]的结论存在明显相悖之处：1)在相位上,气压滞后洞体应变的时间不稳定,分散性大;2)相关系数的波动范围也较大,既有正相关,也有负相关,不符合相关规律;3)用相同的方法处理内地台站的资料,如蓟县台的(表 3),也能得到前面的结论 1)、2),但蓟县台的资料相当光滑。值得说明的是,由于固体潮与大气潮来源于相同的力源,因此在低频部分两者的相关系数较高就不足为奇了,换句话说,即使将洞体应变仪安装在真空中,其所观测到的资料与气压资料进行相关分析,相关系数仍然不会有很大的变化。因此,在厦门台洞体应变观测资料中,每天出现的“毛刺”现象并非由气压干扰引起,而应另找原因。但是,这也并不能否认气压对洞体应变观测的影响。例如,极端天气气压的典型干扰就会造成单个的“毛刺”现象。

表 1 厦门台洞体应变与气压的高频信息中得到的相关系数Tab.1 Correlation coefficients of high-frequency information between cave stra in at Xiamen sei smostation and atmospheric pressure

表 2 厦门台洞体应变与气压的低频信息中得到的相关系数Tab.2 Correlation coefficients of low-frequency information between cave stra in at Xiamen seismostation and at mospheric pressure

表 3 蓟县台洞体应变与气压的低频信息中得到的相关系数Tab.3 Correlation coefficients of low-frequency information between cave stra in at Jixi an seismostation and atmospheric pressure

图 5是厦门台 2005年 5月 9日的气压和洞体应变的分钟值观测曲线,当日有台风,大约在 15时25分左右,气压图上有一明显扰动,相应地在洞体应变的两个分量上就出现类似的干扰,象这种情况,我们在观测中已遇到过多次。但是,这种“毛刺”现象持续的时间并不长久,极端天气一消失,“毛刺”也没有了,和极端天气有很好的对应性,很容易认定它就是由气压扰动引起。

3.3 降雨干扰的排除

2006年 5月 18日,台风“珍珠”袭击厦门,由此带来倾盆大雨,在不到 24小时内降雨量超过 200 mm。受强降雨的影响,厦门台当天洞体应变观测受到严重干扰,EW分量急剧下降,记录曲线也因此发生严重畸变,如图 6所示。该月随后的几次连续降雨,也造成了 EW分量记录曲线趋势性的下降,且对应性相当好。NS分量也有所反应,但对应性没有EW分量的强。在图上我们直观地看到,降雨对洞体应变观测的干扰是一种趋势性的干扰,并非是叠加在观测日变化曲线上的“毛刺”高频干扰。至于这种趋势性干扰的机制及不同分量之间干扰的不同程度,还有待于进一步研究。

4 结论与讨论

图5 气压干扰典型图像Fig.5 Typical curves of atmospheric pressure disturbance on the cave strain observation

图6 雨量干扰典型图像Fig.6 Typical curves of rainfall disturbance on the cave strain observation

厦门台洞体应变观测受到海潮干扰的特征是记录曲线上出现“毛刺”等高频现象,它全天候地叠加在应变固体潮曲线上。造成这种现象的根本原因就是海浪浪涌运动,海浪浪涌周期性地拍打海岸线,以地脉动的形式在固体地壳内传递,在地表水平方向上被高精度的洞体应变仪所记录到,离海岸线越近,“毛刺”现象就越明显。与倾斜类仪器受到的负荷型干扰类型不同,应变观测受到的海潮干扰是振动型。

1 熊先保,等.厦门台数字化潮汐资料背景变化及其主要干扰因素[J].大地测量与地球力学,2006,(supp.)：43 -49.

2 熊先保,等.海水加载引起的厦门台地倾斜变化 [J].大地测量与地球动力学,2006,(4)：76-81.

3 熊先保,等.海潮对厦门台地倾斜干扰的可能机制[J].大地测量与地球动力学,2007,(6)：45-50.

4 张远城,等.数字化形变台站观测资料质量跟踪分析[J].大地测量与地球动力学,2003,(4)：125-128.

5 周江存,等.近海潮汐效应对测站位移的负荷影响[J].地球物理进展,2007,22(5)：1 340-1 344.

6 王文利,等.用 CSR4.0+CS模型计算海潮负荷改正[J].大地测量与地球动力学,2003,(4)：70-74.

7 孙和平,等.基于全球超导重力仪观测研究海潮和固体潮模型的适定性[J].中国科学D集地球科学,2005,35 (7)：649-657.

8 王梅.数字化体应变与气压、水位相关性研究[J].大地测量与地球动力学,2002,(4)：85-88.

D ISTURBANCE CHARACTERISTICS OF CAVE STRA IN OBSERVATION CAUSED BY SEA TIDE AT XIAM EN SEISMOSTATION

Xiong Xianbao1),Lin Chunmei2),Huang Xiaohua1),Yang Jie1),Huang Chaohui2),Lin Lifeng1)and Xu Zhiming1)

(1)X iam en Seism ostation,Earthquake Adm inistration of Fujian Province,Xiam en 361003 2)X iam en Ocean Environm entM onitoring Station,China Ocean Adm inistration,X iam en 361002)

By contrasting the geo-defor mation materials observed at Xiamen station with that at the inland seismostations and excluding a variety of possible disturbing factors on cave strain materials,it is found that lots of“burr”and another high-frequency phenomenon which superpose on the solid tide observation curves are caused by sea tide surge movement.Different from the observations of ground tilt instruments,the type of sea tide disturbance on cave strain observation is belong to vibration type.

d:disturbance characteristic;disturbance type;sea tide;cave strain observation;Xiamen seismostation

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0033-05

2009-08-11

厦门市科技局社会发展创新项目(3502Z20074037);福建省地震局青年学术骨干科研基金

熊先保,男,1963年生 ,高级工程师,主要从事定点形变观测与地震预测研究.E-Mail：xxb1963@163.com

P135.72+5

A