石嘴山地震臺DSQ水管傾斜儀干擾因素概括分析

張 楠，王利波，吳 迪

（石嘴山地震臺，寧夏 石嘴山 758600）

0 引言

寧夏石嘴山地區(qū)位于南北地震帶寧夏境內(nèi)的北端，歷史上地震活動頻繁。大地震的孕育過程中，前兆儀器有可能記錄到各種地震異常現(xiàn)象。本文通過調(diào)查臺站第一手數(shù)據(jù)，提取有用信息，概括各種干擾因素的特點，并總結(jié)了排除這些干擾的一點經(jīng)驗，與臺站同行交流學(xué)習(xí)。

1 DSQ型水管儀的觀測條件和運行情況

1.1 臺站觀測環(huán)境

石嘴山地震臺是寧夏北部唯一的專業(yè)地震綜合臺站，對于寧夏北部的地震監(jiān)測起著舉足輕重的作用。石嘴山地區(qū)西為賀蘭山中高山，東為卓子山丘陵區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。石嘴山地區(qū)屬干旱少雨的大陸性氣候，年平均氣溫為9.6℃，年均氣壓為886.1hpa，年均降雨量為89.1mm，年均蒸發(fā)量為2450mm，年溫差、日溫差較大。形變觀測山洞位于臺站西約15km，該地區(qū)地表表層為沖洪積礫石層，地勢輕微起伏，周圍存在兩條重要控制作用的活動斷裂帶：賀蘭山東麓斷裂帶和正誼關(guān)斷裂帶。寧夏地震局1980年在正誼關(guān)溝口山坡上開鑿山洞1孔。洞室為花崗巖，山洞雙層被覆，洞頂覆蓋厚度約20m，洞室平面呈“人”字形，主洞長22.1m、高3m、寬1.6m，在洞口左右建控制室各一間，面積均為5.1m×2.7m。洞內(nèi)建2個洞室。2007年3月在正誼關(guān)山洞架設(shè)DSQ型水管傾斜儀和SS-Y型伸縮儀，投入使用至今。該山洞內(nèi)原有三道塑鋼門在2010年8—9月外擴加三道隔離木門，洞內(nèi)年溫差小于0.2℃，日溫差小于0.01℃，空氣較干燥。

1.2 儀器性能參數(shù)

DSQ型水管傾斜儀是自動測量地殼傾斜變化的一種精密儀器，適用于地殼傾斜固體潮、地震斷層以及火山、大型精密工程垂直位移的連續(xù)觀測。“十五”期間該儀器已在全國27個省市區(qū)62個地震臺站安裝運行。DSQ型水管傾斜儀由武漢地震科學(xué)儀器研究院生產(chǎn)，基線NS向長度10.75m，EW向長度10.75m，儀器分辨率0.0005″，日漂移量≤0.005″，標(biāo)定精度≤1%。

1.3 安裝運行情況

DSQ型水管傾斜儀安裝于十五項目期間，在武漢地震科學(xué)儀器研究院儀器安裝小組的幫助下，寧夏地震局于2007年3月在石嘴山地震臺正誼關(guān)山洞內(nèi)安裝了DSQ型水管傾斜儀，經(jīng)過初步調(diào)試、標(biāo)定后，于2008年1月開始正式觀測。運行5年多時間，儀器較為穩(wěn)定，能清晰記錄到固體潮變化、反映較大的遠震，同時受各種干擾影響。圖1是2012年1月兩測項記錄到的預(yù)處理分鐘值曲線，固體潮清晰可見。北南分量大潮的最大變化幅度約為16.847×10-3″，小潮的最小變化幅度約為7.836×10-3″；東西分量大潮的最大變化幅度約為22.268×10-3″，小潮的最小變化幅度約為9.217×10-3″。

圖1 石嘴山地震臺水管傾斜儀2012年1月固體潮曲線Fig.1 The solid tide curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station in January，2012

2 DSQ水管傾斜儀觀測過程中存在的干擾因素概括分析

2.1 自然因素

2.1.1 氣溫、氣壓變化的影響

冬春季節(jié)，由于氣壓變化較為劇烈，刮大風(fēng)會改變地殼的負載，造成地面短時形變對資料形成干擾，資料日變曲線毛刺較多［1］。我臺NS向干擾較為嚴重，EW向輕微一些（因為正誼關(guān)山洞NS向的入口離山洞入口更近，只有進了NS向山洞才能到達EW向山洞入口，故NS向受外界氣壓影響一直較EW向要大一些），圖2是2010年3月24—26日的記錄曲線，圖中NS向的毛刺最大幅度達到2.707×10-3″（圖2）。

圖2 石嘴山地震臺水管傾斜儀2010年3月24日至26日分鐘值曲線圖Fig.2 The minute value curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station from March 24 to March 26，2010

2013年5月08時16分水管儀南端出現(xiàn)一個向南臺階，幅度約為8mV，12時左右南端恢復(fù)日變，當(dāng)天日志沒有記錄到雷雨天氣也沒有人為干擾，結(jié)合前后5天的氣壓數(shù)據(jù)，當(dāng)日氣壓平均值偏低，且5月2日02時50分—14時40分左右氣壓呈鋸齒狀變化劇烈，推測該臺階為氣壓劇烈變化造成（圖3）。

圖3 石嘴山臺水管傾斜儀2013年5月2日分鐘值曲線圖Fig.3 The minute value curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station on May.2，2013

2010年8月1日—9月13日山洞改造（外擴加三道隔離木門）后，洞溫有所提升，之后記錄到的日曲線圖毛刺明顯減少。山洞內(nèi)要盡可能采用冷光照明，最好不用白熾燈，盡量減少不必要的發(fā)熱源，使洞溫盡可能接近恒定，從而使溫度干擾達到最小［2］。圖3為正誼關(guān)傾斜儀預(yù)處理數(shù)據(jù)日均差值（2008年1月—2011月9月），均值分別約為2×10-3″和1×10-3″，明顯可以看到2010年9月后受氣壓影響變小（圖4）。

圖4 正誼關(guān)傾斜儀預(yù)處理數(shù)據(jù)日均差值（2008年1月—2011月9月）Fig.4 The hour value curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station from Jan.1，2008 to Sep.31，2011

2.1.2 雷雨天氣的影響

雷雨天氣總是要伴隨著溫度和氣壓的劇烈變化。2010年7月27日09時20分左右，惠農(nóng)區(qū)天氣開始變化，由晴天突然轉(zhuǎn)為刮風(fēng)，隨后在17時50分下起暴雨，暴雨持續(xù)了半個多小時，降雨量很快達到了當(dāng)日的最大值，之后降雨停止，從圖4可以看出，氣壓在打雷時的16時左右變化趨勢折返上升，幅度達到3.476hPa，趨勢維持到22時左右，水管儀兩分量從16時到17時30分左右出現(xiàn)了鼓包、突跳和毛刺狀干擾。NS向造成的干擾要明顯大于EW向，變化幾乎同步。NS向躍階的最大幅度是2.629×10-3″，EW向躍階的最大幅度是2.975×10-3″。（圖5）強雷電的危害性很大，在安裝數(shù)字化設(shè)備之前一定要未雨綢繆，布置防雷舉措［3］。我臺十五建設(shè)項目采取傳輸線路屏蔽、用電設(shè)備接地、供電線加裝電源避雷器等措施應(yīng)對強雷電問題。我臺水管儀目前還未出現(xiàn)因雷擊導(dǎo)致死機等重大故障的狀況，故這類天氣歸根結(jié)底其實還是受氣壓干擾。

圖5 2012年7月27日石嘴山臺氣壓、降水量、水管傾斜儀分鐘值曲線圖Fig.5 Theminute value curves of atmosphericpressure，rainfall，water tubetiltmeter，in Shizuishanstation on Jul.27，2012

2.2 人為因素

2.2.1 停電的影響

突然停電、電壓不穩(wěn)、電流沖擊會造成突跳和臺階。停電后，儀器直接斷記，恢復(fù)供電后由于儀器被瞬間大電流沖擊，從記錄曲線上看是從一個峰值緩慢回復(fù)到日變的過程。2012年6月17日07時43分突然停電，造成數(shù)據(jù)斷記，09時01分來電后，數(shù)據(jù)出現(xiàn)一個峰值，之后20分鐘左右逐漸平穩(wěn)（圖6），在數(shù)據(jù)預(yù)處理時需要加一個改正量。我臺山洞UPS電源在交流電中斷后可以維持15個小時以上的供電，通過IP-Power這類UPS監(jiān)控軟件對UPS工作狀態(tài)實時監(jiān)控，可避免因停電造成的斷記和干擾。

圖6 正誼關(guān)傾斜儀供電恢復(fù)后回復(fù)日變（2012年6月17日）Fig.6 The minute value curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station on Jun.17，2012

2.2.2 同槽安裝的伸縮儀檢修、標(biāo)定的影響

由于石嘴山地震臺DSQ型水管儀和SS-Y型伸縮儀架設(shè)在同一儀器槽內(nèi)（2007年3月同期架設(shè)），兩套儀器在檢修時肯定會相互影響。2010年11月11日21時35分—23時55分洞體應(yīng)變東西分量出現(xiàn)階躍、突跳，幅度較大，原因尚不明。11月12日14時27分至16時，檢查伸縮儀東西向正常，并對其進行多次標(biāo)定，仍不符合要求，懷疑儀器故障。期間，對其他儀器造成干擾。16時至16時20分，對觀測室內(nèi)配電箱內(nèi)O極進行檢查，無異常。11月13日16時30分至18時20分，檢測伸縮儀。17時45分，將伸縮儀東西向停記，檢測南北向，懷疑儀器故障。期間，對其他儀器造成干擾。11月14日11時26分至11時53分檢測伸縮儀，南北向數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，東西向依舊數(shù)據(jù)突跳嚴重，懷疑為前置放大盒有問題。期間，對其他儀器造成干擾。11月15日10時45分至11時22分檢測伸縮儀，將南北向和東西向的前置放大盒互換。14時57分至15時14分再次檢測伸縮儀。期間，對水管傾斜儀造成干擾。11月16日14時53分將伸縮儀南北向和東西向換回原來的狀態(tài)，南北向恢復(fù)正常，東西向出現(xiàn)變化，故判斷東西向前置放大器存在問題，期間對水管數(shù)據(jù)產(chǎn)生了人為影響。11月17日伸縮儀東西向前置放大盒故障，申請郵寄。11月23日09時25分—10時10分更新伸縮儀東西向前置放大盒，隨后使用網(wǎng)頁遠程對伸縮儀東西向進行多次標(biāo)定，直至重復(fù)度小于1，使伸縮儀開始正常工作（圖7）。圖中可以看出這些人為干擾對水管儀EW分量的影響。目前條件下，只有摸清儀器運行規(guī)律，不斷提高儀器維護水平，工作中盡量減少維修次數(shù)，才能盡量避免兩套儀器相互影響。解決這類干擾最理想的辦法應(yīng)該是將兩套儀器分別安裝在不同的儀器槽內(nèi)，我臺目前還無法做到。

圖7 石嘴山地震臺檢測伸縮儀對水管儀數(shù)據(jù)造成的干擾Fig.7 The influence on water tube tiltmeter of troubleshooting for extensometer in Shizuishan station

2.2.3 水管儀自身工作狀態(tài)的影響

水管儀在觀測中由于儀器檢測、標(biāo)定、加水、調(diào)整浮子、調(diào)整放大器靈敏度、數(shù)據(jù)超量程及數(shù)采工作異常等原因都可造成觀測值曲線出現(xiàn)畸變，從而使觀測數(shù)據(jù)受到影響。例如2010年6月30日08時59分—16時58分對水管儀兩個測向進行標(biāo)定，東西向標(biāo)定未成功。7月1日13時37分-13時55分對水管儀東西測向研究發(fā)現(xiàn)是東西向靈敏度偏大（約30mV／μm），并且遇到大潮，對標(biāo)定影響過大。將東西向靈敏度調(diào)到25mV／μm左右（24.7mV／μm）后標(biāo)定成功。標(biāo)定時造成數(shù)據(jù)有缺失現(xiàn)象，無法正常使用。按形變學(xué)科組規(guī)范要求必須將調(diào)零和標(biāo)定時段的數(shù)據(jù)做缺數(shù)處理，代價是降低資料的完整率。總結(jié)我臺經(jīng)驗，杜絕失誤的方法是需按流程熟練操作儀器，減少檢測、標(biāo)定、加水等操作的時間，盡量做到零誤操作。

圖8 2010年6月30日-7月1日水管儀北南、東西分鐘值曲線圖Fig.8 The NSand EW minute value curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station from Jun.30 to Jul.1，2010

此外對形變手段來說超量程是常見人為操作失誤之一。DSQ水管儀量程均在±2000mV以內(nèi)，2012年12月23日18時左右北端超過-2000m V，之后數(shù)據(jù)產(chǎn)生臺階，不能反映真實情況，24日08時50分左右北端加水后兩端點回到量程以內(nèi)（北端450mV左右，南端1420mV左右）（圖9）。之間的臺階需要人為預(yù)處理，避免此類失誤只需值班人員細心即可。

圖9 2012年12月22—25日水管儀北端超量程Fig.9 The over measuring range in the north of water tube tiltmeter from Dec.22 to 25，2012

2.2.4 其他人為干擾的影響

2010年8月1日—9月13日山洞改造（外擴加三道隔離木門），9月11日11點14分我臺人員進山洞更換電燈，對水管儀造成了明顯的人為干擾。如圖6所示，NS向干擾的最大變幅是27.58×10-3″，EW向干擾的最大變幅是54.523×10-3″，均遠大于當(dāng)日正常變化量，EW向的干擾要略大于NS向的干擾，干擾大約持續(xù)了10分鐘后結(jié)束（圖10）。此類干擾無法避免只能通過熟練操作以減輕。

圖10 石嘴山臺水管傾斜儀2010年9月11日分鐘值曲線圖Fig.10 The minute value curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station on Sep.11，2010

3 結(jié)語

通過以上對石嘴山臺DSQ型水管傾斜儀2008年以來的資料分析，我臺已經(jīng)認識到影響前兆信息提取的幾類自然和人為干擾因素，并總結(jié)了減弱或者消除干擾的一點方法。在今后的工作中，我們要不斷累積經(jīng)驗，學(xué)習(xí)先進的理論方法，找出更多隸屬于宏觀、微觀的干擾，提升信息提取水平，從根本上提高我臺水管儀的觀測精度和分析預(yù)報的水平。

［1］李永振.鐵嶺地震臺數(shù)字化水管儀資料分析［J］.形變學(xué)科通訊，2007，（2）：45-50.

［2］張榮挺，于沈平.DSQ水管傾斜儀和SS-Y伸縮儀觀測條件建設(shè)要點［J］.東北地震研究，2002，18（1）：66-68.

［3］邱永平.地震前兆數(shù)字化儀器受到強雷暴干擾研究［J］.地震地磁觀測與研究，2003，24（5）：100-105.