洱源地震臺(tái)水管儀水蒸發(fā)問(wèn)題實(shí)驗(yàn)

字承柱張 演嚴(yán)自華李 慶和玉權(quán)吳榮幫

1）中國(guó)云南671200洱源地震臺(tái)

2）中國(guó)昆明650224云南省地震局

3）中國(guó)云南674100麗江地震臺(tái)

洱源地震臺(tái)水管儀水蒸發(fā)問(wèn)題實(shí)驗(yàn)

字承柱1）張 演2）嚴(yán)自華1）李 慶3）和玉權(quán)1）吳榮幫1）

1）中國(guó)云南671200洱源地震臺(tái)

2）中國(guó)昆明650224云南省地震局

3）中國(guó)云南674100麗江地震臺(tái)

針對(duì)洱源地震臺(tái)水管儀水蒸發(fā)問(wèn)題，采用二甲基硅油和石蠟油做對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得出，石蠟油能有效控制水管儀水蒸發(fā)速度。水管儀加入石蠟油后，水蒸發(fā)問(wèn)題得到有效解決，減少了加水調(diào)節(jié)量程造成的人為干擾，水管儀觀測(cè)精度、數(shù)據(jù)質(zhì)量得到較大提高。

水管儀；石蠟油；二甲基硅油；水蒸發(fā)

0 引言

地傾斜的觀測(cè)目的是研究地殼垂直相對(duì)運(yùn)動(dòng)和固體潮汐動(dòng)態(tài)變化。地傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞制約著地球物理預(yù)報(bào)水平（馮建琴等，2011）。洱源地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱洱源臺(tái)）DSQ水管傾斜儀于2006年6月架設(shè)投入使用，但觀測(cè)洞室存在嚴(yán)重的地?zé)岈F(xiàn)象，水管儀水蒸發(fā)現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量差，科學(xué)參考價(jià)值低。針對(duì)洱源臺(tái)水管儀的水蒸發(fā)問(wèn)題，采用不同材料做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以解決該問(wèn)題，提高水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 觀測(cè)背景

洱源地震臺(tái)海拔2 100 m，地處紅河斷裂、金沙江斷裂和劍川—麗江斷裂等多條斷裂交匯處，所處構(gòu)造位置重要，溫泉出露豐富，屬地?zé)岙惓^(qū)（郭紹忠等，1998）。觀測(cè)洞室位于洱源地震臺(tái)院內(nèi)，山洞總面積183.6 m2，洞室由條石自然翻拱，地面水泥固化，內(nèi)設(shè)4個(gè)支洞，常年溫度26.5℃±1℃，相對(duì)濕度小于80%。洞室長(zhǎng)120 m、寬1.82 m、高2 m，基巖屬性：前奧陶紀(jì)變質(zhì)巖，覆蓋層：30 m（云南省地震局，2005）。DSQ型水管傾斜儀于2006年6月架設(shè)，東西長(zhǎng)17.07 m，北南長(zhǎng)17.20 m，斜邊長(zhǎng)13.34 m。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.1 原因

洱源臺(tái)DSQ水管傾斜儀的水存在嚴(yán)重蒸發(fā)現(xiàn)象：每一測(cè)向平均每5日需人工加水調(diào)節(jié)量程，每一次加水量約8 mL。水蒸發(fā)量較大及頻繁的人工加水調(diào)節(jié)量程，導(dǎo)致水管儀

觀測(cè)受到嚴(yán)重干擾，產(chǎn)出數(shù)據(jù)質(zhì)量差，科學(xué)參考價(jià)值低。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)主要采用以下材料：①二甲基硅油：又稱硅油，無(wú)毒無(wú)味，具有生理惰性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較高的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)，不溶于水，不易揮發(fā)，可在-50℃—200℃下長(zhǎng)期使用，密度0.963 g/mL；②石蠟油：是一種礦物油，從原油分餾所得無(wú)色無(wú)味混合物，不溶于水，密度0.76—0.78 g/mL；③蒸餾水、燒杯、量筒、移液管等。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

采用二甲基硅油和礦物油兩種物質(zhì)做對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)，確定哪種物質(zhì)能更有效防止水的蒸發(fā)。擬定實(shí)驗(yàn)方案如下：①在觀測(cè)洞室內(nèi)對(duì)蒸餾水、二甲基硅油、礦物油做對(duì)比試驗(yàn)，分析3種物質(zhì)的揮發(fā)性、揮發(fā)速度及理化穩(wěn)定性；②取兩個(gè)等量燒杯，加等量蒸餾水，一杯液面上加一層石蠟油，另一杯液面上加等量硅油，置于觀測(cè)洞室內(nèi)，分析兩種物質(zhì)防止水蒸發(fā)的效果；③通過(guò)對(duì)比分析，確定理想物質(zhì)為下一步實(shí)驗(yàn)所用；④選水管儀北南向分量做實(shí)驗(yàn)，確定水的日蒸發(fā)量，在水管儀液面上加一層確定的物質(zhì)，對(duì)比分析加該物質(zhì)前后水的蒸發(fā)速度；⑤定性、定量分析加物質(zhì)前后觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.4 實(shí)驗(yàn)分析

2.4.1 各物質(zhì)揮發(fā)性實(shí)驗(yàn)。2015年5月26日取5個(gè)燒杯（500 mL）標(biāo)好序號(hào)。1、2、3號(hào)燒杯取硅油、石蠟油、蒸餾水各100 mL，4號(hào)燒杯取蒸餾水100 mL后加30 mL石蠟油，5號(hào)燒杯取100 mL蒸餾水加30 mL硅油。把5個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品放置于水管儀南端，觀測(cè)30天，觀測(cè)蒸發(fā)情況，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品Table 1 The experimental sample

由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在水管儀觀測(cè)洞室內(nèi)，硅油、石蠟油未揮發(fā)，100 mL蒸餾水平均每天揮發(fā)1 mL，石蠟油和硅油加到蒸餾水液面，燒杯里蒸餾水的蒸發(fā)得到有效控制。

2.4.2 水管儀水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)。在水管儀北南向分量分別于2015年7月15日和8月17日加注硅油和石蠟油，做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，查看哪種物質(zhì)可以有效防止水的蒸發(fā)。

（1）水管儀加硅油。2015年7月15日13時(shí)26分，水管儀北南向北、南端各加50 mL硅油，調(diào)到正常范圍，查看觀測(cè)數(shù)據(jù)變化，見(jiàn)圖1(a)。

從圖1(a)可以看出：水管儀加注硅油后，北南向蒸餾水依然存在蒸發(fā)現(xiàn)象，7月18日、24日、30日分別加水調(diào)節(jié)量程，北南向水蒸發(fā)速度與加硅油前相差不大。實(shí)驗(yàn)表明，加硅油不能有效控制水管儀水蒸發(fā)。分析認(rèn)為：實(shí)驗(yàn)所用硅油密度為0.963 g/mL，與蒸餾水密度接近，硅油加入水管儀后，與水形成混合狀態(tài)，不能有效封住水管儀液面，從而無(wú)法控制水管儀的水蒸發(fā)。

（2）水管儀加石蠟油。2015年8月17日水管儀北南向的北、南端各加30 mL石蠟油，把數(shù)據(jù)調(diào)到正常范圍，查看觀測(cè)數(shù)據(jù)變化，見(jiàn)圖1(b)。

從圖1(b)可以看出，水管儀北、南端加入石蠟油后無(wú)需加水調(diào)節(jié)量程，水管儀水蒸發(fā)明顯減小，蒸發(fā)速度得到有效控制。

2.4.3 水管儀北東向加注石蠟油。2015年8月26日往水管儀北東向的北西端、南東端各加30 mL石蠟油，把數(shù)據(jù)調(diào)到正常范圍，查看觀測(cè)數(shù)據(jù)變化（圖2）。

圖1 水管儀加注硅油、石蠟油對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(a)7月14日—7月31日加注硅油后觀測(cè)數(shù)據(jù)分鐘值； (b) 8月15日—8月31日加注石蠟油后觀測(cè)數(shù)據(jù)分鐘值Fig.1 Contrast experimental data curve of polydimethyl siloxane and paraffin wax in water-tube tilmeter

圖2 2015年8月25日—9月30日水管儀北東向分鐘值曲線Fig.2 Minute value curves of northeast component of water-tube tilmeter from Aug.25 to Sep.30,2015

由圖2可以看出，北東向加入石蠟油后第18天加水調(diào)節(jié)量程。與之前相比，水管儀水蒸發(fā)速度有一定程度減小，但蒸發(fā)量依然較大，認(rèn)為加注的石蠟油較少，無(wú)法有效

封住水管儀液面。9月28日北東向兩端追加30 mL石蠟油，水管儀北東向水的蒸發(fā)得到有效控制。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：①硅油不能有效控制水管儀的水蒸發(fā)；②石蠟油能有效控制水蒸發(fā)速度，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模虎凼炗蜏p小水管儀水蒸發(fā)的程度與所加石蠟油的量有關(guān)，量越多，效果越好。

3 石蠟油加注前后觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 水蒸發(fā)速度

2015年1月—8月水管儀北南向因?yàn)樗恼舭l(fā)量程調(diào)節(jié)44次，北東向量程調(diào)節(jié)35次，人為干擾較多，嚴(yán)重影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。水管儀北南向、北東向分別于2015年8月17日和8月26日加注石蠟油，9月28日進(jìn)一步調(diào)試，至12月31日均只有1次加水量程調(diào)節(jié)。由2015年水管儀整點(diǎn)值觀測(cè)曲線（圖3）可見(jiàn)，2015年1—8月曲線干擾大，加注石蠟油后，觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線變化平緩，干擾較小。由此可知，水管儀加注石蠟油后，水的蒸發(fā)得到有效控制，進(jìn)而減少人為干擾，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量有一定程度地提高。

圖3 2015年水管儀整點(diǎn)值曲線(a)北南向觀測(cè)數(shù)據(jù)； (b)北東向觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.3 Integral point value curves of water-tube tilmeter in 2015

3.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量

3.2.1 觀測(cè)資料完整率。采用水管儀預(yù)處理分鐘值數(shù)據(jù)，計(jì)算北南向、北東向2015年觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，洱源臺(tái)水管儀預(yù)處理缺測(cè)數(shù)據(jù)主要由加水調(diào)節(jié)量程引起。從表2可見(jiàn)：2015年9月（加注石蠟油）以后，水管儀北南向、北東向觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率明顯提高。

3.2.2 調(diào)和分析。對(duì)洱源臺(tái)水管儀2015年數(shù)據(jù)做調(diào)和分析，獲得北南向、北東向潮汐參數(shù)，具體數(shù)值見(jiàn)表3。

表2 2015年1—12月觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率Table 2 The integrity rate of data from January to December,2015

表3 觀測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)和分析結(jié)果Table 3 The harmonic analysis results of the data

從北南向、北東向加石蠟油前后調(diào)和分析結(jié)果（表3）可知：①加注石蠟油前后，水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)潮汐因子相差小，說(shuō)明水管儀記錄固體潮能力相同；②加注石蠟油后，觀測(cè)數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差明顯減小，說(shuō)明水管儀觀測(cè)精度提高；③加注石蠟油前后，水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)相位滯后相差不大，但相位誤差明顯減小，說(shuō)明水管儀觀測(cè)質(zhì)量有了很大提高。

4 結(jié)論

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：石蠟油比二甲基硅油更能有效減小水管儀的水蒸發(fā)，石蠟油加注越多，效果越好；從水管儀2015年觀測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，加注石蠟油后，水蒸發(fā)問(wèn)題得到有效解決，減少加水調(diào)節(jié)量程造成的人為干擾，觀測(cè)精度、數(shù)據(jù)質(zhì)量有很大提高。

洱源臺(tái)水管儀受環(huán)境干擾、人為干擾、水蒸發(fā)等因素影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較低。現(xiàn)雖然有效解決水管儀的水蒸發(fā)問(wèn)題，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量得到提高，但是否具有科學(xué)參考價(jià)值，是否具有地震前兆異常等，還需在今后觀測(cè)工作中進(jìn)一步分析。

馮建琴，沈曉松，等.山西數(shù)字化水管傾斜儀觀測(cè)資料質(zhì)量分析[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2011，32（3）：100.

郭紹忠，黃紹裘，張鴻飛，等.滇西水汞觀測(cè)的地震短臨預(yù)報(bào)指標(biāo)[J].地震研究，1998，21（1）：50-51.

云南省地震局.云南省地震監(jiān)測(cè)志（上冊(cè)）[M].北京：地震出版社，2005.

A study to solve the water evaporation of water tube tiltmeter at Eryuan Seismic Station

Zi Chengzhu1），Zhang Yan2），Yan Zihua1），Li Qing3），He Yuquan1）and Wu Rongbang1）
1) Eryuan Seismic Station,Yunnan Province 671200,China
2) Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650024,China
3) Lijiang Seismic Station,Yunnan Province 674100,China

To solve the problem of water evaporation of the water tube tiltmeter for Eryuan Seismic Station,in this study we compared the effect of polydimethyl siloxane and paraffin wax in preventing water evaporation.Our results suggested that,paraffi n wax had a better effect on controlling water evaporation.By adding paraffin wax,the water evaporation of water tube tiltmeter was mostly prevented.This enormously reduced the man-made interference by adding water.This improved the observation accuracy of the water tube tiltmeter,thus the quality of the data had a great improvement.

water tube tiltmeter，paraffi n wax，polydimethyl siloxane，water evaporation

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.020

字承柱（1988—），男，本科，從事地震活動(dòng)性、地形變觀測(cè)與前兆異常等研究工作。

E-mail： zczzichengzhu4@126.com

2015年中國(guó)地震局“三結(jié)合”課題，項(xiàng)目名稱：洱源臺(tái)水管儀水蒸發(fā)問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究

本文收到日期：2015-10-20