大同市DLG型斷層水平切向分量儀觀測數據異常分析及排除

李秀英，鄧海巖

(1.山西省大同市地震局，山西 大同 037006；2.大同同車公司觀測站，山西 大同 037038)

大同市DLG型斷層水平切向分量儀觀測數據異常分析及排除

李秀英1，鄧海巖2

(1.山西省大同市地震局，山西 大同 037006；2.大同同車公司觀測站，山西 大同 037038)

文章從調查大同同車公司觀測站周邊環境入手，結合DLG斷層水平切向分量儀自身的結構特點及工作原理，分析造成觀測數據大幅波動、漂移的異常原因，并查找可能影響數據異常的干擾因素，進而為科學分析該區域構造活動研究提供可靠依據。

地裂縫；異常；觀測數據

0 引言

大同市城區至少發育10條構造地裂縫，同車公司地裂縫是唯一一條被全天監測的地裂縫。

據文獻[1]的研究成果，地裂縫活動與地震活動作為同一構造應力場作用下的不同表現形式，在大尺度時空上具有同步效應。同車公司地裂縫的活動方式表現為垂直沉降量最大，水平張量次之，水平扭量最小，比值依次為10∶6∶1。

2012年，同車公司地裂縫觀測站進行數字化改造，由原來的垂向(DFG)、法向(DSG)二維觀測升級為垂向(DFG)、法向(DSG)、切向(DLG)三維觀測。近5年的觀測結果表明，DSG、DFG兩個測項數據相對穩定，DLG數據波動較大，且時常出現漂移。針對該現象，從觀測站周邊環境調查入手，結合儀器自身結構特點及工作原理，對影響觀測數據異常的可能干擾因素做調查分析。

1 觀測站背景資料

1.1 地裂縫形成的地質背景

房子村斷層活動是同車公司地裂縫的深部構造背景，房子村斷裂又是夾在口泉斷裂和桑干河斷裂之間的次級斷裂。

口泉斷裂位于鄂爾多斯地塊與華北平原地塊交接部位，是一條重要的活動斷裂，作為大同盆地的北部邊界，新生代以來控制著大同盆地的形成和演化[2]。圍繞該斷裂的活動性研究表明，口泉斷裂是一條正傾滑的活動斷裂[3-4]，所控制的大同盆地西側曾發生過2次6.5級地震，其未來地震的危險性備受關注[5]。

1.2 臺站基本概況

大同地裂縫觀測站位于大同盆地西北部的大同市西南部，海拔高度為1 058.4 m，地處十里河沖、洪積平原上，周邊地勢為西北高、東南低，自然坡度約8‰，臺站基底為第四系砂、黏土交互層。同車公司地裂縫西起十里河左岸，終止南關南街，長約5 km，由多條北東走向、右行排列的個體地裂縫組合而成，優勢方位北東57°，傾向南東，傾角60°～70°，表現為高角度活動正斷層性質。即地裂縫活動是以南東盤下降為主，水平拉張為輔，并伴有左旋扭動的張性地裂縫。

1.3 儀器安裝情況

2012年，同車公司地裂縫觀測站進行數字化改造，觀測儀器使用北京震苑迪安防災技術研究中心(中國地震局地殼應力研究所下屬公司)研發的“三維斷層形變觀測系統”。包括MD2000數據采集器、斷層水平切向分量觀測儀DLG、斷層水平法向分量觀測儀DSG和斷層分量觀測儀DFG。主觀測室為N-S方向，與機車廠臺地裂縫正交。測線長度13 m，儀器的分辨率為0.004 mm，量程為40 mm，線性度為0.5%，重復性誤差為0.5%(見第12頁圖1)。

1.4 DLG斷層水平切向儀器工作原理

DLG觀測儀選擇光電圖像傳感方法，采用線陣CCD器件開發成的光電一體化位移傳感器檢測微量位移，即由發射端激光頭發射激光，接收端CCD器件接收激光信號并轉化為數字信號輸出。當發射端和接收端之間發生相對橫向位移時，所產生的輸出數字差即為相對位移量(見圖2)*中國地震局監測預報司.形變學科觀測資料異常變化現場核實工作報告編寫要求(試行)(中震測函[2013]39號)，2013.。

圖1 觀測站儀器設備平面布置示意圖Fig.1 Equipment layout of observation station

圖2 DLG斷層水平切向分量儀觀測原理示意圖Fig.2 Working principle of DLG fault horizontal tangential component meter

2 DLG型斷層水平切向分量儀觀測數據異常分析

2012年4月19日，同車公司地裂縫觀測站數字化改造完成。截止2015年10月31日的觀測結果表明，DSG斷層法向波動幅度0.73 mm，走勢平穩(見圖3)；DFG斷層垂向呈周期性波動，實際波動幅度約1.15 mm(除2014年3月31日在水管一端注水引起數據突跳，見圖4)；地裂縫切向DLG觀測數據始終處于極不穩定狀態(見圖5)。通過對所在區及周邊建筑物調查，地裂縫在此期間并未出現宏觀活動跡象，與DSG、DFG觀測資料吻合，但DLG數據變化與地裂縫活動嚴重不符。因此，判斷DLG觀測數據大幅波動、飄移是由地裂縫活動之外的其他干擾因素引起的。

圖3 斷層法向DSG日均值變化曲線Fig.3 Daily mean values of fault normal component DSG

圖4 斷層垂向DFG日均值變化曲線Fig.4 Daily mean values of fault vertical component DFG

圖5 斷層切向DLG日均值變化曲線Fig.5 Daily mean values of fault tangential component DLG

2.1 異常原因初步判定

DLG儀器自2012年4月數字化觀測以來，數據一直起伏較大，極不穩定，特別是2015年4月以來，觀測數據除大幅波動外，還出現飄移現象，而其他兩個測項未出現類似變化。根據觀測系統自身特點分析，可能受到高頻振動干擾的影響。因此，結合觀測站周邊環境條件，初步判定異常可能來自地面的振動干擾。

① 中國地震局地殼應力研究所.三維斷層變形觀測系統使用說明書，2012.

2.2 異常分析與排除的工作思路[6] ①

(1) 檢查觀測系統的工作狀態；(2) 調查周邊環境狀況，確定附近干擾源的性質、位置以及建(構)筑物、管網等的變化情況；(3) 分析氣象因素及地下水動態對觀測結果的影響；(4) 對比分析同一觀測站的其他測項同時段有無明顯變化；(5) 人為因素分析，檢查觀測人員操作儀器是否規范；(6) 進行錘擊試驗分析，驗證異常成因的判斷結果。

2.3 異常排查

2.3.1 觀測系統工作狀態檢查

(1) 外線供電檢查。觀測站室內供電線路為專線，為防止停電造成數據斷記，在2012年6月更換為不間斷電源供電。觀測人員定期對儀器線路巡檢，不存在漏電與外線破損情況。

(2) 避雷系統檢查。觀測站借助建筑物原有的防雷系統，在數字化改造時采取以下措施：

①架設專線供電，避免同建筑物內電路故障影響觀測站用電；②專用供電線路采取獨立接地措施，避免過大、過強電壓、電流沖擊觀測儀器；③所有儀器用電都通過過載保護插座；④觀測儀器電路入口配置大型UPS，保證電源不間斷給觀測儀器平穩供電。

自數字化改造以來，避雷系統起到有效防護作用，未出現雷電影響觀測系統的現象。

(3) DLG觀測儀器自身因素檢查。根據DLG觀測儀器工作原理，當激光頭受震動干擾發生微小偏轉時，接收端輸出數據就會發生偏差，其偏差量為：

ΔR=L×tgθ，

式中：ΔR為輸出偏差量；L為基線長度；θ為激光頭偏轉角度(見圖6)。如，當激光頭偏轉1′時，輸出結果偏差3.78 mm。

圖6 DLG斷層水平切向分量儀變化示意圖Fig.6 Variation of DLG fault horizontal tangential component meter

儀器自身基座存在缺陷。發射端固定基座(見圖7)由相機三腳架固定部分組成。在微調激光發射方向時，縱、橫兩向旋鈕相互干擾。為對抗兩個方向的相互干擾，人為加力在固定基座上，常常在鎖緊兩個方向時

會儲存一定的形變勢能。在無干擾的情況下，形變勢能可以基本不釋放或釋放極其緩慢，對觀測影響甚微。如遇較強震動干擾時，形變勢能會不規則地快速釋放，對觀測結果造成嚴重影響，使觀測資料失真。

圖7 斷層水平切向DLG分量儀基座示意圖Fig.7 Base of DLG fault horizontal tangential component meter

查閱儀器觀測日志，發現儀器異常情況(見表1)，可見儀器存在抗干擾能力弱的缺陷。

表1 地裂縫觀測站斷層水平切向DLG儀器標定和儀器調試維修情況

2.3.2 周邊環境干擾情況排查

分別對距觀測站東、南、西、北4個方向200 m范圍內的干擾源進行調查。

(1) 觀測站以東200 m至同興街東界。

觀測站東鄰公路，相距僅約10 m，車流密集，每分鐘最多達30余輛。密集的車輛對觀測儀器形成持續的振動干擾，當有重載車輛通過時，振動干擾情況更加明顯；此外，公路下面的管網施工、照明線路的維護施工，廣場上娛樂設施的維修以及住宅小區其他的零星施工，都對觀測儀器產生一定的振動干擾。

①施工影響。

2012年7月19日至20日，在觀測站以東10 m處，相鄰公路挖槽施工，造成曲線直線下降0.258 mm(見圖8)；2014年8月3日至10日，在觀測站以東10 m，相鄰公路管網施工，造成曲線直線下降1.160 mm(見圖9)。

圖8 斷層水平切向DLG時均值曲線圖Fig.8 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

圖9 斷層水平切向DLG時均值曲線圖Fig.9 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

②儀器受到振動干擾，數據出現斷記。

2013年1月28日至3月31日，觀測數據因受振動干擾出現多次斷記。觀測人員對DLG儀器重新調試。調試后儀器基值發生改變，斷記前后數據產生較大偏差(見圖10)。

(2) 觀測站以北200 m至大慶路。

觀測站北鄰車城廣場，相距約30 m，節假日慶典或有商家舉行促銷活動時，觀測站內可感覺到鑼鼓音響沖擊波的振動。

(3) 觀測站以南、以西各200 m區域均為同車公司老舊住宅區，分別距觀測站約30 m、150 m有社區公路(車流量分別約每分鐘8～10輛和3～5輛)外，在地裂縫觀測數字化改造以來，未發現有改變地表形態的人類工程和地表荷載的人為活動。

圖10 斷層水平切向DLG時均值曲線圖Fig.10 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

綜上所述，觀測站的主要振動干擾源來自東邊公路和北邊車城廣場。

2.3.3 氣象因素排查

2015年3月30日至10月底，切向DLG的數據出現大幅波動異常變化，波動時段與季節降雨時間基本一致。2012年4月19日至12月31日及2014年的雨季均未出現類似的現象，表明2015年DLG的數據大幅波動異常變化與季節性降雨、氣溫的相關性較小(見圖11～13)。

圖11 斷層水平切向DLG時均值曲線圖Fig.11 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

圖12 斷層水平切向DLG時均值曲線圖Fig.12 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

圖13 斷層水平切向DLG時均值曲線圖Fig.13 Hour mean value of fault horizontal tangential DLG

2.3.4 地下水動態的影響

根據大同市地下水動態監測孔監測資料[7]可以看出，中淺層(D5)地下水或深層(D6)地下水的水位動態變化，與DLG的異常飄移不具有對應關系。因此，2015年DLG的數據大幅波動異常與地下水動態無關(見圖14)。

圖14 斷層切向DLG與大同市地下水月動態對比圖Fig.14 Comparison between fault tangential DLG and monthly dynamic of Datong underground water

2.3.5 相關測項同期資料的對比分析

截止2015年10月31日的觀測資料表明，DSG斷層法向波動幅度0.73 mm，走勢平穩(見圖3)；DFG斷層垂向于2014年3月31日因在水管一端加注蒸餾水，與水管中原蒸餾水密度存在微小差異而出現突跳現象。2015年6月23日再次加注蒸餾水時，采取兩端等量同時加入的方法，突跳現象未再出現，垂向波動幅度1.64 mm，剔除2014年3月31日突跳，實際波動幅度約1.15 mm，走勢平穩(見圖4)。根據觀測結果，DFG斷層垂向、DSG斷層法向與地裂縫活動處于平靜狀態相吻合，而DLG斷層水平切向觀測數據始終處于不穩定狀態。尤其是2015年3月30日之后，觀測數據大幅漂移(見圖5)，與地裂縫實際活動情況嚴重不符。因此，DLG斷層水平切向數據異常波動及漂移，應與DLG切向觀測儀器自身因素相關。

2.3.6 人為因素分析

觀測人員具備儀器安裝、調試、運行維護、標定等豐富的工作經驗，有識別不同種類干擾的經驗和能力。DLG觀測數據異常期間觀測人員未變動，不存在違規操作現象。

2.3.7 錘擊振動試驗分析

(1) 根據DLG切向數據大幅波動異?，F象的初步判定結果，其原因可能來自地面的振動干擾。為驗證此判定的正確性，觀測人員于2015年10月27日對切向發射端的臺基進行人為錘擊振動試驗(見圖15)。結果表明，振動干擾能夠使DLG切向數據產生大幅波動、漂移，而DSG斷層法向、DFG斷層垂向幾乎不受影響。

圖15 對斷層切向DLG基座改造前的錘擊試驗結果Fig.15 Hammer test results before the reformation of the base of fault tangential DLG

(2) 2015年10月28日，對抗干擾能力弱的原基座進行更換。30日，觀測人員再次對DLG發射端的臺基進行錘擊振動試驗(見圖16)。結果表明，DLG、DFG、DSG均未產生明顯變化，證實更換后的新基座抗干擾能力明顯優于舊基座。

圖16 對斷層切向DLG基座改造后的錘擊試驗結果Fig.16 Hammer test results after the reformation of the base of fault tangential DLG

3 認識與結論

通過以上分析，得出如下結論：

(1) 對周邊環境進行調查，確認造成DLG水平切向分量儀數據異常的原因來自周邊環境的振動干擾。

(2) 對DLG型斷層水平切向分量儀自身的分析研究，得出原DLG儀器基座存在抗振動干擾弱的缺陷。

(3) 通過對異常因素的調查分析，排除氣象、地下水動態、人為觀測等因素對DLG觀測數據異常的影響。

(4) 相關測項同期資料的對比分析，得出DLG數據異常波動及漂移，與其自身因素相關。

(5) 對發射端新舊基座的臺基進行錘擊振動試驗，得出DLG數據異常波動及漂移，與其自身抗干擾能力弱有關。

綜上所述，DLG觀測數據大幅波動、漂移的異常是由周邊環境振動及儀器自身抗振動干擾能力弱造成，與構造活動關系不大。

[1] 劉玉海，陳志新，刑集善，等.大同機車工廠及鄰區地裂縫研究[M].陜西：陜西科學技術出版社，1991.

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[5] 徐錫偉.山西地塹系的新構造活動特征及其形成機制[D].北京：國家地震局地質研究所，1989.

[6] 中國地震局監測預報司.地震前兆異常落實工作指南[M].北京：地震出版社，2000.

[7] 李常保，張曉燕，蘇 丹，等.2012—2015年度大同市及周邊平原區地下水動態年報[R].山西省地質勘查局二一七地質隊，2015：12.

Analysis and Elimination of Abnormal Data of DLG Fault HorizontalTangential Component Meter in Datong City

LI Xiu-ying1, DENG Hai-yan2

(1.Earthquake Administration of Datong City, Datong, Shanxi 037006, China；2.Tongche Company observation station in Datong, Datong, Shanxi 037038, China)

Based on investigation ofthe surrounding environment of Datong Tongche Company station, the causes of abnormal fluctuation of observation data are analyzed combined with the structural characteristics and working principle of DLG fault horizontal tangential component meter. Interference factors that may affect the data are found out to provide reliable basis for the scientific analysis of the regional tectonic activities.

Ground fissure; Anomaly; Observation data

1000-6265(2017)01-0011-06

2016-08-08

山西省地震局科研項目(SBK-1620)

李秀英(1981— )，女，山西省大同人。2007年畢業于北京大學，工程師。

P315.62

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