臺風“利奇馬”對鉆孔體應變的擾動分析
——以浙江地區(qū)為例

尹晶飛 汪貞杰 江聰杰

1）中國杭州310013 浙江省地震局

2）中國浙江322100 東陽國家氣象觀測站

0 引言

鉆孔體應變觀測是一種高精度的地形變觀測（蘇愷之等，2003），它在不同時間尺度上都具有良好的分辨率，在地震前兆研究、震源破裂過程、慢地震、火山噴發(fā)機制等領域被廣泛應用（Evertson，1977；Sacks et al，1978；Linde et al，1996；Roeloffs，2006；張凌空等，2008；邱澤華等，2012；Barbour et al，2017）。在日常觀測中，鉆孔體應變觀測數(shù)據(jù)容易受到氣象和水文地質等因素的干擾（周龍壽等，2008），這使地震前兆信號、構造運動等信息的提取增加了難度（Aster et al，2010；Zhang et al，2010）。臺風氣象系統(tǒng)會在大尺度時空范圍內引發(fā)較強降水和氣壓變化，從而影響鉆孔體應變觀測數(shù)據(jù)的變化趨勢（張凌空等，2019）。如在臺風環(huán)境中，日本南關地區(qū)鉆孔體應變觀測數(shù)據(jù)的氣壓影響系數(shù)高達20.4×10-9/hPa（檜皮久義等，1983）；常熟地震臺的鉆孔體應變數(shù)據(jù)在臺風“利奇馬”過境期間，氣壓影響系數(shù)達到6.2×10-9/hPa（楊小林等，2020）；另外，臺風通過海浪與近岸巖石圈之間的耦合作用激發(fā)地脈動，這些擾動信號可疊加在正常的數(shù)據(jù)背景之上，在鉆孔體應變觀測數(shù)據(jù)中形成紡錘狀的擾動形態(tài)（馮志軍等，2009；袁媛等，2017）。

浙江地處我國東南沿海，是中國臺風登陸最多、受災最嚴重的省份之一（雷小途，2020），平均每年有7 次臺風在此登陸，臺風對社會經濟造成嚴重損失的同時，也時常會誘發(fā)滑坡等地質災害（袁金南等，2008；Peduzzi et al，2012；李東平等，2013）。此外，伴隨著強降雨、低氣壓及海平面高度的劇烈變化，臺風對地殼形變等地震觀測數(shù)據(jù)造成明顯的擾動，因此，研究臺風過程對地震觀測數(shù)據(jù)的影響機制和觀測數(shù)據(jù)變化特征，對地震地質災害監(jiān)測預測工作具有現(xiàn)實意義。

前人研究發(fā)現(xiàn)，鉆孔體應變在臺風過境期間主要受氣壓因素的影響（岳龍等，2019；楊小林等，2020），本文通過分析臺風“利奇馬”對岱山地震臺、東陽地震臺鉆孔體應變觀測的影響，探討了浙江不同地區(qū)鉆孔體應變對臺風氣候的不同響應特征及其機制。

1 數(shù)據(jù)來源

研究選取的臺風事件是2019 年第1909 號臺風“利奇馬”，其行進路線、中心最低氣壓、風速、強度等級等信息均來源于中央氣象臺臺風網（http://typhoon.weather.com.cn）。臺風“利奇馬”于2019 年8 月4 日形成于菲律賓呂宋島附近的太平洋上，最初的等級為熱帶風暴，此后一路沿西北偏北方向移動，穿過赤尾嶼和釣魚島后，于8 月10 日1 時在浙江臺州登陸，登陸時達到超強臺風等級，此時中心最低氣壓為930 hPa，中心風速為52 m/s。登錄后臺風強度逐漸減弱，移動方向進一步向北偏移，在8 月10 日11 時經過東陽地震臺附近，此時臺風強度減弱為強熱帶風暴，中心最低氣壓975 hPa，中心風速為28 m/s。之后，臺風一路向北移動，經過杭州、湖州離開浙江，最終于8 月13 日11 時在渤海地區(qū)減弱為熱帶低壓。

圖1 臺風“利奇馬”路徑及地震臺站位置橙色星號為不同時刻監(jiān)測到的臺風中心位置；2019 年8 月4—7 日、8—13 日時間分辨率分別為3 h、1 hFig.1 The path of typhoon“ Lekima” and the location of seismic station

岱山地震臺形變觀測鉆孔深度為60 m，鉆孔圍巖為花崗巖，鉆孔周邊為地勢較低的農田；東陽地震臺鉆孔深度為67 m，鉆孔圍巖為粉砂巖，鉆孔位于東陽氣象臺的觀測場地中，周邊地勢較高。2 個臺站的觀測系統(tǒng)均為TJ-2 型體積式鉆孔應變儀，采樣率為60 s，系統(tǒng)靈敏度大于2 mV/10-8，儀器分辨率大于10-9，傳感器采用水泥與鉆孔圍巖進行固結耦合，詳細信息見表1。臺風“利奇馬”登陸點臺州距岱山地震臺230 km，距東陽市165 km。同時，為研究鉆孔體應變與降水之間的關系，搜集了岱山、東陽國家氣象觀測站的日降水資料。

表1 臺站基礎信息Table 1 The information of the two stations

2 臺風擾動因素分析

鉆孔體應變觀測數(shù)據(jù)對氣壓變化具有時頻響應特征。在臺風“利奇馬”的整個演變過程中，岱山地震臺、東陽地震臺都記錄到了明顯的體應變擾動過程。為了更好地展現(xiàn)擾動形態(tài)，首先將原始數(shù)據(jù)波形進行去趨勢處理，之后采用3 階Butterworth 濾波器提取原始信號中的低頻部分（T＞24 h），其目的在于去除海潮和固體潮的成分，利用Butterworth濾波器的特點，可以保證獲取到的通頻帶內數(shù)據(jù)的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有多余的數(shù)據(jù)起伏，同時采用的3 階Butterworth 濾波器會以每倍頻18 dB 的速率進行衰減，以使得阻頻帶內的數(shù)據(jù)逐漸下降為0，從而達到較好的數(shù)據(jù)濾波效果（祝廣場等，2012；李海亮等，2017）。圖2 為岱山地震臺、東陽地震臺鉆孔體應變觀測受臺風擾動的情況。由圖2 可見，岱山地震臺、東陽地震臺鉆孔體應變與氣壓都呈現(xiàn)漏斗狀的變化形態(tài)，但是在細節(jié)上仍有較多差異。

圖2 岱山地震臺（a）、東陽地震臺（b）鉆孔體應變觀測受臺風擾動的情況Fig.2 The disturbance of borehole dilatometer at Dongyang Seismic Station and Daishan Seismic Station caused by “Lekima”

2 個臺站的鉆孔體應變數(shù)據(jù)在2019 年8 月8 日18 時左右開始出現(xiàn)趨勢性快速下降變化。此時臺風等級為超強臺風，臺風中心位于中國臺灣東部海域，距東陽地震臺770 km，距岱山地震臺750 km；隨著臺風不斷逼近，東陽地震臺體應變、氣壓在8 月10 日8 時同步降至谷值，二者的變化量分別為52.8×10-9、20.1 hPa，此后隨著臺風逐漸遠離臺站，東陽地震臺體應變、氣壓逐漸恢復正常，并繼續(xù)保持較強的同步性。值得注意的是，氣壓、體應變達到谷值時，臺風中心位置距東陽地震臺約68 km，而當臺風中心位置距東陽地震臺最近只有36 km 時，氣壓、體應變已經處于回升狀態(tài)，這是由于隨著臺風中心位置進一步靠近東陽地震臺，臺風等級已經由臺風級減弱為強熱帶風暴，臺風中心氣壓也由970 hPa 升至975 hPa。因此，東陽地震臺體應變、氣壓并不是在距臺風中心最近時降至谷值的。

岱山地震臺體應變在8 月10 日5 時降至谷值，其氣壓則在8 月10 日15 時降至谷值，二者間有約10 h 的延遲，二者下降量分別為21.2×10-9、18.1 hPa，此時臺風中心位置距岱山地震臺約188 km。此后，隨著臺風逐漸遠離，岱山地震臺體應變、氣壓也開始回升，但是體應變上升的速率相對于氣壓明顯更大，8 月13 日體應變升至峰值時約為25×10-9，比臺風前的基準水平增加了約30×10-9；8 月15 日之后，隨著臺風逐漸遠離，氣壓、體應變出現(xiàn)了負相關的變化形態(tài)。

從圖2 還可見，東陽地震臺、岱山地震臺的氣壓變化形態(tài)較相似，在臺風“利奇馬”出現(xiàn)前后數(shù)據(jù)呈對稱形態(tài)分布，這顯示了臺風過境導致周邊區(qū)域氣壓驟降、臺風遠離后氣壓回升的過程。但2 個臺站的鉆孔體應變變化則呈現(xiàn)不一致的形態(tài)，即東陽地震臺鉆孔體應變與氣壓間的相關性較強，基本與氣壓同時下降同時回升；而岱山地震臺體應變在下降過程中與氣壓間存在一定的時差，并且在回升過程中體應變回升的幅度相對更大，甚至與氣壓間存在負相關的變化趨勢。

3 臺風擾動的定量分析

為具體分析氣壓和鉆孔水位對東陽地震臺、岱山地震臺鉆孔體應變的影響，利用線性回歸和簡單的力學模型來驗證2 個臺站的擾動機制差異。分別計算2019 年7 月20 日至8 月25 日岱山地震臺、東陽地震臺氣壓與鉆孔體應變間的相關性（圖3），由圖3 可見，2 個臺站氣壓和鉆孔體應變間的相關性呈現(xiàn)明顯的差異，東陽地震臺鉆孔體應變和氣壓的擬合結果見下式，相關系數(shù)達到了0.96；而岱山地震臺的相關系數(shù)僅為-0.25，這說明東陽地震臺鉆孔體應變在臺風過程中主要受氣壓變化的影響，這與楊小林等（2020）的研究結果較一致

其中，Y為體應變；X為氣壓。式（1）表明每hPa 氣壓變化引起的體應變變化量為2.230 3×10-9。圖4 為東陽地震臺鉆孔體應變與氣壓間擬合結果。從圖4 可見，由氣壓數(shù)據(jù)擬合出來的鉆孔體應變與實際觀測數(shù)據(jù)較相近。

圖4 東陽地震臺鉆孔體應變與氣壓間擬合結果Fig.4 The comparison of borehole dilatometer and the fitting result with barometric loading at Dongyang Seismic Station

從圖3 還可見，岱山地震臺體應變與氣壓間的相關性較弱。因此判斷，岱山地震臺鉆孔體應變在臺風過境期間可能不僅受到氣壓的擾動，結合考慮臺站的鉆孔水位觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鉆孔水位與鉆孔體應變間也有相同的變化趨勢（圖5）。

圖5 岱山地震臺鉆孔體應變與鉆孔水位Fig.5 The comparison of borehole dilatometer and borehole water level at Daishan Seismic Station

計算了2019 年7 月20 日至8 月25 日岱山地震臺鉆孔水位與鉆孔體應變間的相關性，線性擬合結果如下式所示，其相關系數(shù)達到0.816（圖6）

圖6 岱山地震臺鉆孔體應變與鉆孔水位間的相關性Fig.6 Correlativity between borehole dilatometer and borehole water level at Daishan Seismic Station

其中，Y為體應變；X為鉆孔水位。式（2）表明每mm 水位變化引起的體應變變化量為0.914 5×10-9。

將由水位變化造成的鉆孔體應變變化量去除后，發(fā)現(xiàn)2019 年7 月20 日至8 月10 日鉆孔體應變與氣壓間具有較強的相關性，相關系數(shù)達到0.724，但是在臺風逐漸遠離的過程中（8 月11—25 日），其相關性逐漸減弱（圖7）。從時間上來看，氣壓與鉆孔體應變間相關性減弱是從岱山地震臺降雨量達到峰值開始的，這表明在降雨之后可能還存在其他影響鉆孔體應變的因素。

圖7 去除水位影響后的岱山地震臺鉆孔應變與氣壓Fig.7 Comparison of borehole dilatometer and barometric loading with removing influence of water level

利用2019 年7 月20 日至8 月10 日數(shù)據(jù)，仍采用線性回歸方法計算氣壓與去除鉆孔水位影響后的鉆孔體應變之間的變化關系

式中，Y為體應變；X為氣壓變化。式（3）表明每hPa 氣壓變化引起的體應變變化量為1.305×10-9。

將鉆孔體應變同時去除鉆孔水位和氣壓的影響后，發(fā)現(xiàn)鉆孔體應變的變化特征和降雨的時間點存在較緊密的聯(lián)系（圖8）。推測其原因可能是降雨導致的鉆孔附近表面積水使得載荷發(fā)生變化，進而影響了鉆孔體應變的變化。

圖8 去除水位和氣壓影響后的岱山地震臺鉆孔體應變與降雨量Fig.8 The data of borehole dilatometer and precipitation withi removing influenceof borehole water level and barometric loading at Daishan Seismic Station

為進一步驗證氣壓對岱山地震臺、東陽地震臺體應變產生的影響，構建了1 個簡單模型。設定臺站鉆孔所在介質為各向同性的彈性介質，鉆孔的井壁與鉆孔圍巖耦合緊密，并且臺風引起的氣壓變化場區(qū)域較大，忽略水平應力，根據(jù)胡克定律，理論體應變的求解為（Hsu et al，2015；張凌空等，2019）

其中，εv為體應變；P為氣壓負荷；E為巖石彈性模量；υ為巖石泊松比。由于岱山地震臺鉆孔基巖為花崗巖，根據(jù)經驗取E=50 GPa，υ=0.25；而東陽地震臺鉆孔基巖為粉砂巖，巖石力學參數(shù)取值E=20 GPa，υ=0.25（劉斌等，2002；馬秋峰等，2019）。

東陽地震臺在臺風過境期間的氣壓變化量約為20.1 hPa，利用式（4）計算該氣壓變化造成體應變變化量理論值為50.25×10-9，利用氣壓影響系數(shù)計算得到的體應變變化理論值為44.823×10-9，實際觀測到體應變變化量為52.8×10-9。

岱山地震臺在大規(guī)模降雨之前氣壓降低18.1 hPa，利用式（4）計算該氣壓變化造成的體應變變化量理論值為18.1×10-9，利用氣壓影響系數(shù)計算得到的體應變變化理論值為23.3×10-9，實際觀測到體應變變化量為21.2×10-9。

通過圖8 計算降雨對鉆孔體應變的影響，岱山地震臺在大規(guī)模降雨之后體應變開始快速回升，去除氣壓和鉆孔水位的影響后，體應變的變化量為27.4×10-9，如果這部分變化量是由地表載荷增加所導致的，那么假設鉆孔介質為半無限空間彈性介質模型，則載荷所產生的體應變理論值求解為（Peng et al，2014；Hsu et al，2015）

其中，εv為體應變；ν為泊松波；E為彈性模量；P為地表載荷壓力。將去除氣壓和鉆孔水位影響后的體應變變化帶入式（5）可以求得，造成該部分體應變的變化約需要110 mm 的地表積水。岱山國家氣象觀測站數(shù)據(jù)顯示，2019 年8 月9—11 日，岱山地區(qū)累計降水達到261.3 mm。結合岱山地震臺附近主要以農田為主的地貌，臺風降雨過后形成110 mm 的積水是較正常。岱山地震臺、東陽地震臺體應變理論計算結果列于表2。

表2 東陽地震臺、岱山地震臺對臺風“利奇馬”響應的特征參數(shù)Table 2 The response patterns and magnitudes to “Lekima” at Dongyang Seismic Station and Daishan Seismic Station

4 臺風擾動的小波分析

小波分析是一種常用的信號時頻處理工具，它能夠將復雜信號分解成不同頻段的子信號，因此常被用于地球物理觀測數(shù)據(jù)的前兆信號和干擾信號的識別（張燕等，2009）。王雅婷（2018）指出，通過海浪與海底或近岸的相互作用，臺風會對0.2—0.5 Hz 頻帶范圍內的地脈動數(shù)據(jù)造成明顯擾動。而我們利用岱山地震臺、東陽地震臺的體應變觀測數(shù)據(jù)，采用Daubechies 小波將觀測數(shù)據(jù)分解為15 階后發(fā)現(xiàn)，隨著臺風中心逐漸靠近臺站，鉆孔體應變觀測數(shù)據(jù)在2—8 min 頻段內同樣會出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)擾動現(xiàn)象（圖9）。通過對比氣壓和體應變的小波分析結果發(fā)現(xiàn)，在臺風過境浙江期間，氣壓與體應變在2—8 min 頻段內的觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較同步的變化過程，因此認為鉆孔體應變在該頻段內的數(shù)據(jù)變化可能與氣壓變化有關。

圖9 氣壓與體應變的小波分析結果（續(xù)圖）（a）岱山地震臺鉆孔體應變小波分解；（b）岱山地震臺氣壓小波分解；（c）東陽地震臺鉆孔體應變小波分解；（d）東陽地震臺氣壓小波分解Fig.9 The wavelet analysis result of borehole dilatometer and barometric loading

5 臺風擾動的機制分析

由鉆孔體應變的觀測原理可知，由氣壓和降雨所形成的地表載荷都會對鉆孔體應變產生擾動，并且它們都呈現(xiàn)正相關的變化關系（陳小云等，2015；邢喜民等，2016；邱澤華，2017）。

東陽地震臺鉆孔體應變受臺風擾動的規(guī)律較簡單，由于只受到氣壓因素的影響，因此鉆孔體應變與氣壓間呈現(xiàn)較好的正相關性。

岱山地震臺鉆孔體應變由于受氣壓和降雨的共同影響，其變化規(guī)律也較復雜。在降雨之前，鉆孔體應變也隨著氣壓的降低而下降，但是在 2019 年8 月10 日出現(xiàn)大量降雨后，臺站附近區(qū)域的地表載荷增加，導致體應變在氣壓繼續(xù)下降的情況下提前出現(xiàn)壓性變化，因此體應變會比氣壓提前開始上升。此后，在8 月15 日臺風影響結束后，由于地表積水逐漸減少導致地表載荷減弱，因此體應變在氣壓持續(xù)回升的過程中表現(xiàn)出了持續(xù)的張性變化，導致臺風結束后岱山地震臺鉆孔體應變與氣壓間的負相關現(xiàn)象。由此可見，當臺站受降雨擾動時，鉆孔體應變與氣壓之間的變化相關性會減弱。

關于東陽地震臺為何沒有受到降水的影響，筆者分析，首先，由于在臺風經過時東陽地震臺靠近臺風中心位置，其降雨量僅約50 mm，而岱山地震臺的降雨量約為180 mm；其次，由于東陽地震臺位于地勢較高的山頂，而岱山地震臺位于地勢較低的農田，因此，較小的降雨量在較高的地勢上并不容易形成有效的地表載荷變化，這導致東陽地震臺在臺風過程中并沒有受到很明顯的降雨擾動影響。

6 討論與結論

（1）在臺風“利奇馬”過境浙江期間，東陽地震臺鉆孔體應變數(shù)據(jù)主要受到氣壓擾動的影響，而岱山地震臺鉆孔體應變則受氣壓、鉆孔水位及降雨造成的地表積水的共同影響。通過胡克定理和線性擬合方法都可以近似求解氣壓和降雨所造成的擾動理論值。

（2）氣壓的變化會在較大的空間范圍內直接影響鉆孔體應變的變化，產生擾動的頻段主要集中在2—8 min 的范圍內。

（3）降雨對鉆孔體應變是否有影響則取決于降水量和觀測場地的條件；當降雨造成的擾動強度超過氣壓時，會導致鉆孔體應變與氣壓變化同步性減弱，甚至出現(xiàn)負相關的變化形態(tài)。

（4）本文僅分析了臺風“利奇馬”過境浙江期間的數(shù)據(jù)變化特征，若要深入探討不同頻段內鉆孔體應變在臺風過程中的擾動特征和物理機制，還需要利用不同觀測頻帶的數(shù)據(jù)和臺風樣例進行理論模型的驗證。同時，為了研究臺風對地殼淺層的綜合影響，需要利用地傾斜、GNSS 及地震儀等的觀測數(shù)據(jù)對臺風擾動進行更系統(tǒng)的研究。

研究中使用了岱山國家氣象觀測站和東陽國家氣象觀測站的觀測數(shù)據(jù)，在此表示感謝。