龙岩台垂直摆倾斜仪NS分量异常变化分析

龙岩台垂直摆倾斜仪NS分量异常变化分析

刘愫昀1  王绍然1  杨佩琴1

1 福建省地震局龙岩地震监测中心站 龙岩市解放北路47号，364000

摘要：为核实龙岩台垂直摆倾斜仪NS分量异常原因，对观测系统、观测环境、气象因素进行调查分析，并结合以往震例、潮汐因子分析，综合认为此次龙岩台垂直摆倾斜仪NS分量异常变化原因为受降雨影响，非地震前兆异常。

关键词：VS垂直摆倾斜仪、异常分析

垂直摆倾斜仪是我国自主研制的精密的地倾斜观测仪器，是研究固体潮地震前兆的一种重要手段，具有足够高的测量精度和稳定性，该仪器灵敏度为0.001″[1]，能精确测量地面的微小倾斜变化。2023年5月17日-6月17日龙岩垂直摆NS分量出现持续南倾现象。针对此异常，根据中国地震局监测预测司的异常核实要求[2]，从观测系统、观测环境、人为干扰、气象因素等诸多方面开展现场实地调查与数据异常跟踪分析工作。

1   台站概况

龙岩地震台台址位于二叠系下统文笔山组P1w，东边与石炭系下统林地组交界处有一断层，断层呈北北东走向，倾角80°；台站西边为第四系覆盖层，基岩为石英砂岩。垂直摆观测山洞于1979年10月建设完成，被覆山体东高西低，南高北低。山体的山脊走向近南北向，西北面山坡坡度45°，山洞长110m，建筑面积268m2，仪器室面积为14 m2，观测山洞岩性为石英砂岩，覆盖层厚度约45m，日温差小于0.2℃，年温差＜0.5℃，相对湿度80%，观测墩为带有防震槽的水泥墩，采用细砂墙缝。为了减小温度和湿度的影响，2003年安装了7道密封性更好的船舱门，后因优化改造更换成保温性能更好的保温门。2021年9月29日因原观测墩年久风化，发生空鼓，对观测墩进行重建。

2   垂直摆NS分量异常变化特征

结合历史数据分析，龙岩台垂直摆倾斜仪观测数据受降雨影响主要模式为短时集中强降雨及降雨持续较长时间两种[3]，且EW分量的变化与降雨呈正相关；NS分量的变化与降雨呈负相关[4]。同时，各分量对降雨影响存在一定滞后现象。（表1）

2023年5月6日13时-7日4时，观测范围内迎来暴雨，降雨量为142.6mm，达到大暴雨级别，导致5月7日14时VS垂直摆NS分量受强降雨影响加速向南倾斜，5月10日随着降雨影响结束，NS分量变化趋势趋于平缓。5月17日VS垂直摆NS分量再次出现南倾，持续南倾至6月17日，变化幅度为753.6ms（图1）。从5月8日至5月17日发生转折期间，龙岩气象三要素并未记录到有效降雨量。

本次同一洞室内的VP宽频带倾斜仪NS分量在5月6日-10日受强降雨影响发生南倾，变化速率为426.17ms，5月10日后恢复正常变化趋势。5月17日-6月15日同步发生第二次趋势转折现象，变化幅度达1661.64ms，6月15日后因NS向电压超限无法调零，故不具有参考性。

表1 降雨量对VS垂直摆各分量的影响

Tab.1 The influence of rainfall on each component of VS vertical pendulum

（20230501-20230619）

图1 龙岩台VS垂直摆南倾异常

Fig.1  Longyantai VS vertical tilt south anomaly

（20230501-20230619）

图2  龙岩台VP型宽频带垂直摆倾斜仪

Fig.2  Longyantai VP wide-band vertical pendulum tiltmeter

3   异常核实调查分析

3.1   观测系统工作状态检查

    依据形变异常落实规范要求，台站人员对观测仪器、供电系统、数据传输系统及气象条件进行排查，均为发现异常。

核实人员对VS垂直摆进行半年标定，共计标定三次，北南分量最终标定结果为0.07201（10-3″∕mv），与上次标定格值误差为0.4%<2%，符合学科要求，仪器工作状态正常。

3.2   观测环境干扰情况调查

山洞内部：2023年6月14日进行观测现场环境勘查，形变山洞内部环境及温湿度情况正常，无明显干扰，观测墩无塌倾、破裂或腐蚀现象，观测仪器无异常。

山洞外部：无明显山体滑坡、坍塌等明显变化。

3.2.1矿场开采情况

距离台站东北方向1.4km处存在高岭土矿场开采区，在对矿区进行实地调查过程中了解到，该矿场每日开采量维持在相对稳定数值，并未出现突然超额开采情况，且矿场早已开始采矿左右，并非近期才开始左右，对于历史观测数据，并未记录到矿场影响情况，结合异常情况前后观测数据资料，认为矿场开采并未对龙岩垂直摆NS分量数据产生干扰。

3.2.2自来水厂抽水情况

龙岩地区除了有较为发育的地表水系外，还拥有丰富的地下水。目前龙岩市城区自来水供水来源均为地下水，全市共有6座自来水厂，均为地下水供水。与台站同属一座山系、距台站1.8km左右的东宫下水厂，目前仍处于使用状态（图3）。为了解是否由于水厂取水异常导致地下裂隙含水量发生改变，从而使山体基岩密度与体积发生改变，发生微小形变。2023年6月15日，核实小组前往龙岩市自来水公司，了解城市用水采水情况。经核实，自2023年1月1日以来，东宫下水厂日均采水量约5300m³（图4），5月6日-7日因大暴雨影响，为防止其他供水厂水质污染，加大取水量，后又恢复正常。对比异常前后观测数据曲线，初步判断此次异常与水厂取水量无关。

图3  龙岩台与东宫下水厂位置关系卫星图

Fig.3  Satellite image of the position relationship between Longyantai and Donggongxia Water plant

图4  东宫下水厂2023年上半年日取水量

Fig.4  Daily water withdrawal from Donggongxia Water Plant in the first half of 2023

水循环过程中的多雨期与少雨期,以及地下水的主要补给期与非主要补给期,彼此相依互约,它们循环往复呈周期性变化[5]。在多雨期,地下水系统不断得到来自大气降水的补给。通过收集2023年1月1日-6月14日龙岩台地区降雨量及东宫下水厂水井日动态水位数据对比分析（图5），井水位与降雨量呈良好相关性，即随着降雨量增多，地下水受降雨补给，含水量增加，井水位升高。

图5 2023年上半年东宫下水厂日动态井水位与降雨量关系图

Fig.5  Relationship between daily dynamic well water level and rainfall in Donggong Xiashan Water Plant in the first half of 2023

3.3  气象因素调查

在此次异常前，观测区域内气象三要素并未记录到有效降水情况.从气压、温度与垂直摆倾斜仪观测数据曲线看，异常前后气压和温度变化平稳，未出现阶变异常情况。洞室具有较好保温性，室内日温差小于0.2℃，年温差＜0.5℃，受外界温度变化影响较小，因此认为本次异常与气压及温度无关（图6）。

图6 龙岩垂直摆倾斜仪NS分量与硐温、温度、气压变化对比

Fig.6  Comparison of NS component of Longyan vertical pendulum tiltmeter with temperature, temperature and air pressure

通过查询福建省汛情发布系统，5月16日0时-18日23时新罗区降雨情况及5月16日-18日水位情况。从系统查询情况看，5月16日-18日虽然台站及周边未记录到有效降雨，但是龙川中上游及城区及周边地区仍有持续中到大雨的情况（表2），使得地表水及地下水都处于较为充沛状态，从而导致山体间裂隙含水量处于较高值状态。

表2  龙岩市5月16日-18日降雨分布统计

Tab.2  Statistics of rainfall distribution in Longyan City from May 16 to 18

4    异常变化原因判断及分析

4.1  震例分析

自2004年采用数字化VS型垂直摆倾斜仪进行观测以来，共记录到一次震前显著异常变化。2008年7月5日长泰4.7级地震前，龙岩垂直摆NS分量出现大幅上升，与本次数据变化形态不一致（图7），因此无法从震例角度给出地震危险性指示。

图7  龙岩台垂直摆日均值图（震例）

Fig.7  Daily mean value of vertical pendulum of Longyan Platform

4.2  潮汐因子分析

对垂直摆NS分量2023年1月-2023年6月整点值数据进行潮汐因子分析（图8），发现垂直摆NS分量潮汐因子较为稳定，并未出现较大异常变化，仪器工作状态较稳定。

图8  龙岩台垂直摆潮汐因子图

Fig.8  Longyantai vertical pendulum tidal factor map

5    结语

综上所述，认为龙岩台观测环境无明显干扰，观测系统正常。通过对台站周边环境的调查及以往观测数据比对，认为高岭土采矿场、东宫下水厂并未对观测数据产生影响。通过查询福建省汛情发布系统有关数据，虽然在异常发生前龙岩台气象三要素并未记录到有效降雨，但新罗区城区及周边其他地方仍有不同程度的降雨情况，使得地表水及地下水系含水量充沛，山体基岩含水量仍保持在相对饱和状态，由于台站东侧山体南高北低，雨水渗入山体岩石裂缝或土层中，造成南面整体重力增加，地面发生倾斜，故而出现VS垂直摆NS分量南倾[7]。因此认为，龙岩台垂直摆倾斜仪NS分量持续南倾是由于受到降雨影响，不属于地震前兆异常。

参考文献

[1]任佳,王长江,马利军等.对VS垂直摆倾斜仪异常图像的初步认识[J].华北地震科学,2003(01):43-45.

[2]地形变测量[M]. 中国地震局监测预报司, 编.地震出版社.2008

[3]杨佩琴,林木金,郑建志.龙岩垂直摆倾斜仪在长泰地震前后的异常分析[J].[2023-06-22].

[4]刘其寿,杨佩琴,王绍然,赖福霖,郑永通,李远兴.龙岩地震台地倾斜资料干扰因素分析[J].大地测量与地球动力学,2010,30(S1):91-95.

[5]张永波等水工环研究的现状与趋势[M].北京:地质出版社,2001.

[6]杨佩琴,林木金,王绍然.降雨与蒸发对垂直摆倾斜仪观测资料的影响[J].华北地震科学,2016,34(03):28-31.

[7]郑永通,刘其寿,杨佩琴,张华,郑建志,李远兴,龚微.降雨对垂直摆倾斜仪的干扰与排除[J].大地测量与地球动力学,2015,35(02):353-355.

作者简介：刘愫昀，助理工程师，主要从事地震监测预报工作。