山洞溫度對形變儀器的影響特征分析

張亮娥，陳常俊，曹文強，趙 強，范 磊

（1.山西省地震局太原基準地震臺，山西 太原 030025；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025）

0 引言

太原基準地震臺（以下簡稱太原臺）山洞開鑿完工于2004年底，2005—2006年陸續安裝水管傾斜儀、伸縮儀、水平擺傾斜儀等數字化形變觀測儀器。其中，伸縮儀附帶有精度為0.01℃溫度觀測傳感器，該傳感器安裝于EW向支洞內。自觀測以來，山洞溫度一直保持在15.7～15.9℃之間，日變幅≤0.03℃，年變幅≤0.5℃，符合規范要求。2012年12月24日起，山洞溫度出現趨勢性上升，日上升幅度≥0.03℃，安裝于山洞各形變儀器的觀測數據也出現同步變化。為此，文章對此次溫度異常變化的原因進行落實，并對溫度變化造成形變數據的影響做初步分析，同時在山洞保溫措施方面提出建議。

1 太原臺形變觀測基本情況

1.1 山洞概況

太原臺形變觀測山洞于2004年底建設完工，位于臺站院內，監測大樓南測（見圖1），山體出露地層由老至新為中奧陶系馬家溝統灰色―深灰色中厚層石灰巖―淺黃灰色泥灰巖，在太原臺臺址一帶出露的灰巖厚度達80余米。巖層走向NE或NNE，傾角10°～20°，洞口高程832.5m，山洞全長170m，其中引洞長78m，EW向長54m，NS向長28m，兩支洞長10m，覆蓋層厚40～60m。

1.2 儀器安裝情況

太原臺山洞內共安裝3套形變觀測儀器，基本參數如表1所示。

2 溫度異常落實

2.1 山洞溫度年、日變化

圖1 太原臺形變山洞位置及儀器布設圖Fig.1 The position of deformation cave at Taiyuan Station and the instrument layout

表1 太原臺山洞安裝儀器簡表Table 1 Instruments in the cave at Taiyuan Station

太原臺山洞溫度由伸縮儀自帶的輔助觀測設備進行觀測，傳感器安裝于EW方向支洞內。自觀測記錄以來，溫度一直保持在穩定的狀態下，2008年至2012年五年間，除2008年山洞維修造成溫度較大變化外，其余時段溫度值的年變化范圍保持在15.7～15.9℃之間，溫度日變化幅度≤0.03℃，符合規范要求（見圖2、圖3）。

圖2 太原臺山洞溫度日均值圖Fig.2 Daily mean value of temperature in the cave at Taiyuan Station

圖3 太原臺山洞溫度日變化分鐘曲線圖Fig.3 Minute mean value of temperature in the cave at Taiyuan Station

2.2 溫度異常及采取的措施

太原臺山洞溫度異常時段在2012年12月24日至2013年7月中旬，異常特征表現為趨勢性的上升下降及日變化幅度≥0.03℃（見圖2）。

異常出現期間，與相關技術人員及儀器生產廠家多次溝通，分析引起數據變化的可能原因，采取更換溫度傳感器等措施進行對比觀測，排除儀器故障的原因。

經過大量的調查，確認是山洞更換燈泡引起溫度數據的異常變化（見圖4）。太原臺山洞照明一直使用的是節能燈一類的發熱量極小的冷光源燈泡，大部分時間處于關閉狀態，使用率很低，但其故障率卻很高。因此，2012年下半年以來陸續更換了一批白熾燈。由于白熾燈散熱量大，導致山洞溫度的升高。查明原因后，于2013年6月5日將所有照明燈更換為冷光源燈，溫度逐漸恢復正常（見圖4）。

分析溫度數據異常期間的儀器標定、維修記錄發現，每次標定及維修儀器時，較長時間的使用白熾燈會導致溫度的顯著升高（雷電及更換傳感器造成的臺階在此不做討論），人員撤離后，溫度值開始逐漸下降，期間多次反復（主要表現為3次大的起伏），直至更換了照明設備（見圖4）。下面詳細列出儀器標定、維修的過程，與圖4中溫度的變化進行比較。

（1）2012年12月24日17時，水管儀、伸縮儀兩方向調零。

（2）2012年12月25日15時，水管儀、伸縮儀兩方向標定，其中伸縮儀NS向結果不合格，之后進行伸縮儀NS向標定器的維護，但標定結果仍不合格。

（3）2012年12月26日8時至11時，調整伸縮儀NS向標定器，之后標定結果合格。

（4）2012年12月31日，在廠家指導下維護NS向標定器。

（5）2013年1月5日，山西省地震局相關人員落實異常，查看洞室環境，未找到干擾原因。

（6）2013年1月30日，更換新傳感器。

（7）2013年3月9日、5月6日調水管儀NS向零點。

（8）2013年6月5日更換燈泡。

（9）2013年9月12日雷電干擾。

（10）2013年12月26日更換為原溫度傳感器。

圖4 太原臺山洞溫度日均值圖Fig.4 Daily mean value of temperature in the cave at Taiyuan Station

3 溫度對形變觀測儀器的影響

太原臺山洞共安裝有3套形變觀測儀器，溫度變化對3套儀器均造成不同程度的影響，其特征基本表現為正相關（見表2、圖5、圖6、圖7）。

（1）從圖5看出，溫度變化對水管儀NS向造成的影響表現為：溫度異常變化前，2012年的數據曲線均比較光滑；在異常時段，同步于溫度的起伏變化。對水管儀EW向造成的影響表現為：與2012年和2014年的年動態相比，在2013年的溫度異常時段，年動態最低值時出現了明顯的抬升現象；2012年、2014年的低值段期間，低值總會持續一段時間才恢復為上升狀態（曲線會表現出比較圓滑的“凹”字形），而2013年的低值段數據，變化形式為比較尖銳的轉折。

（2）從圖6看出，水平擺的兩個分量在溫度異常變化的同時，數據曲線也表現出明顯的變化趨勢。原本光滑的兩條曲線出現明顯的有別于背景趨勢的轉折變化。

（3）從圖7看出，溫度變化對伸縮儀的兩個分量均造成一定的影響。其中NS向影響較明顯，數據曲線表現出與溫度起伏非常同步的3次顯著變化，2013年2月12日至7月15日期間，3次溫度影響計算結果，溫度系數在（12 000～15 000）／℃。

表2 溫度對形變觀測儀器的影響Table 2 Effect of temperature on deformation observation instruments

圖5 太原臺水管儀日均值圖Fig.5 Daily mean value of water tube tiltmeter at Taiyuan Station

圖6 太原臺水平擺傾斜儀日均值圖Fig.6 Daily mean value of horizontal pendulum tiltmeter at Taiyuan Station

圖7 太原臺伸縮儀日均值圖Fig.7 Daily mean value of extensometer at Taiyuan Station

4 結論與建議

（1）山洞燈雖一般處于關閉狀態，但由于濕度的影響，故障率卻較高。要使用冷光燈，避免儀器調零維護對山洞溫度造成影響。

（2）通過分析可知，溫度對洞室各形變觀測儀器均會造成不同程度的影響。

（3）溫度對水管儀、伸縮儀NS向的影響比EW向要明顯，其原因可能是NS向基線較短的緣故，所以在允許的情況下盡量加長基線；對水平擺儀器的影響，EW向要明顯于NS向，顯示出更好的同步性，造成這種明顯差異的原因需要做進一步的研究。

（4）不同傳感器觀測的溫度日變化值不同。2013年初，為探究溫度異常的原因，安裝新傳感器，在更換冷源照明設備后，其測定溫度日變化幅度長期≥0.03℃（曲線表現為比較明顯的毛刺）。在更換為原傳感器后，測定的溫度日變化幅度在0.02℃以內。