銀川基準臺SQ-70D水平擺觀測數據干擾分析

王建亮，李國斌

（寧夏回族自治區地震局，寧夏 銀川 750001）

銀川基準臺SQ-70D水平擺觀測數據干擾分析

王建亮，李國斌

（寧夏回族自治區地震局，寧夏 銀川 750001）

石英擺傾斜儀是監測地球固體潮汐的重要手段之一，通過對銀川基準臺小口子觀測站的SQ-70D石英水平擺傾斜儀數字觀測資料數據進行分析，排除干擾因素，客觀的分析曲線的變化趨勢，發現特征，以便在日常分析處理中排除各類干擾因素，如自然環境干擾、人為干擾和調零標定干擾等，爭取最大限度的減少不必要的誤導,為臺站工作人員提供有效的參考實例。

水平擺傾斜儀；干擾分析；數據曲線

0 引言

石英水平擺傾斜儀是我臺前兆觀測的重要手段之一，用它來監測地面的傾斜變化以預防地震，但伴隨著諸多其他因素的干擾。因此，在日常的資料數據處理中，能夠有效的識別并排除各類干擾源，才能準確的提取反映大地形變的觀測資料數據，從而提高地震預報水平。同時，臺站工作人員的工作還要保證儀器設備的正常、穩定、有效的運行，這樣才能夠得到連續、完整、可靠的觀測數據。

1 臺站概況

銀川基準臺是隸屬于寧夏地震局的一個國家級綜合專業臺站，銀川基準地震臺由銀川賀蘭山小口子觀測站和銀川北塔地磁觀測站及2個跨斷層短水準觀測場地組成。現有測震、地形變、電磁、流體四大學科26臺套觀測儀器，承擔全國乃至全球大震快報任務。1953年，中國科學院地球物理研究所在銀川市區建立了銀川地震臺，開創了寧夏的地震觀測工作。1964年，中國科學院蘭州地球物理研究所在寧夏銀川賀蘭山小口子建立地震臺，海拔高程為1545m，臺基巖性為片麻花崗巖，距離寧夏地震局40km，并建成126m2二層小樓。1969年增加金屬擺傾斜儀，開始了前兆觀測。1972年，中國地震局將銀川地震臺列為國家基準地震臺，觀測項目逐年增加。1978年開鑿山洞，主洞長110米，用于形變和測震觀測。

銀川臺小口子觀測點位于銀川市區西40km的賀蘭山東麓滾鐘口風景區內，地處賀蘭山斷隆東側，地理坐標：38.36oN，105.91oE，海拔1545m。傍近銀川斷陷盆地，西側有賀蘭山山前大斷裂帶，巖層為前震旦系石英花崗片麻巖。該區域有3條較大斷裂，由西向東分布有賀蘭山東麓斷裂，平羅—銀川斷裂，黃河斷裂。此地有較寬的斷裂帶，斷層活動性強，崖面清晰，山體相對上升，沖溝發育，溝谷坡降比較大，深切呈“V”字型，溝口洪積扇發育。洪積扇上發育有第四紀全新世以來的活動斷層陡坎。賀蘭山山體由前震旦系—三迭系地層組成（圖1）。

圖1 銀川臺地質構造圖Fig.1 Geological map of Yinchuan station

銀川小口子地震臺形變觀測手段有石英水平擺傾斜儀、DSQ水管儀、SS-Y伸縮儀、YRY-4鉆孔分量應變儀、定點重力觀測儀。

銀川基準臺SQ-70D石英水平擺傾斜儀于2006年12月安裝并調試運行，于2007年1月正式納入寧夏地震局前兆臺網管理系統。

SQ-70D水平擺傾斜儀是測量水平方向傾斜變化的一種高靈敏度儀器，其擺支架、擺桿、吊絲全是用透明的熔凝石英燒焊一體制成。熔凝石英絲具有很高的抗斷強度和極小的永久性形變，由于熔凝石英的這些特性，所以本儀器具有靈敏度高、穩定性好等優點，適用于固定臺站長期觀測地面的傾斜變化，或短期觀測極為微小的傾斜變化。例如：研究地球的固體潮；監測地面的傾斜變化以預測地震等。

臺站在“十五”網絡項目中規劃SQ-70D數字化石英擺傾斜儀安裝于觀測山洞內（圖2）。山洞進深100m，覆蓋厚度50m，洞內年平均溫度為11.2o，符合規范要求。12月14日完成網絡設置，下圖就是石英擺的監測程序的界面（圖3），每天工作人員都要實時的監測數據，確保數據曲線在有效范圍內，省局實現遠程監控。廠家人員對臺站工作人員就儀器主體、標定裝置、數采、長線驅動、網絡接口、GPS時鐘、專用應用軟件、儀器及軟件安裝方法及注意事項、日常標定、維護等進行了有針對性的培訓和實際操作。

圖2 山洞分布圖Fig.2 The distribution of the caves

圖3 石英水平擺傾斜儀實時監測界面Fig.3 The real-time monitoring interface quartz horizontal pendulum tiltmeter

2 觀測資料選取

銀川基準臺在經過了“十五”項目改造后，水平擺的觀測實現了數字化，既減少了工作量，又方便了臺站工作人員收集數據和日常處理，寧夏地震局于2007年1月將水平擺納入前兆管理系統。在這幾年的運行中，石英擺設備受到自然環境干擾和人為干擾較為明顯，同時儀器設備本身也有一定的影響，導致觀測曲線產生變化，下面就選取了2015年至2017年的觀測資料數據分析各類干擾因素，該時間段內儀器運行穩定，曲線變化清晰。

3 銀川基準臺SQ-70D水平擺觀測數據干擾因素分析

通過日常預處理發現，銀川基準臺SQ-70D水平擺傾斜儀在2015-2017年里，主要受自然環境干擾、人為干擾和觀測系統故障干擾等，現就各干擾因素的典型干擾曲線展開分析。

3.1 自然環境干擾

銀川基準臺位于滾鐘口風景區內，處于山坳位置，常年受自然環境干擾嚴重，其中受刮風影響比較頻繁和典型，對各個儀器的影響比較明顯，曲線變化清晰；而降雨和雷電干擾對儀器影響不是很明顯，曲線變化幅度較小。

3.1.1 刮風干擾

在北方地區的春季、秋季刮風現象是比較普遍的，加上臺站所處的位置所致，刮風干擾對SQ-70D水平擺傾斜儀的影響比較嚴重。就是銀川基準臺2017年3月23日至24日出現大風干擾時的數據曲線（圖4），從圖上可以看出，刮風干擾對SQ-70D水平擺傾斜儀的北南分量和東西分量干擾嚴重，數據抖動，曲線出現較多高頻毛刺,導致傾斜儀兩分量的固體潮汐不清晰。25日2點左右數據曲線恢復正常。

圖4 SQ-70D水平擺傾斜儀刮風干擾曲線Fig.4 The wind interference curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.1.2 雷電干擾

雷電是自然界中的一種放電現象。由于雷電具有很強的破壞力，所以在安裝儀器時都布置了防雷措施。銀川基準臺還未出現因雷擊導致儀器設備故障的現象，圖3為銀川基準臺水平擺在2016年06月12日受雷電干擾的曲線圖，由于雷擊干擾嚴重，東西分量和北南分量均受到干擾，北南分量在雷擊時刻是下降的趨勢，引起向下的突跳；東西分量在雷擊時刻是上升的趨勢，引起向上的突跳。13日之后數據曲線恢復正常。

圖5 SQ-70D水平擺傾斜儀雷電干擾曲線Fig.5 The thunder interference curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.1.3 降雨干擾

降雨天氣是一種比較常見的自然現象，是大氣中的水汽以冷凝的方式下降到地球表面，根據降雨量的多少，可以分為持續性降雨、大雨、大暴雨。降雨干擾對前兆觀測影響比較普遍，由于持續性的降雨，導致巖石壓力和應變力的變化，嚴重者可以在山溝形成洪水，從而嚴重影響石英水平擺傾斜儀的觀測數據的變化。圖6為2016年08月21日銀川地區強降雨前后的數據曲線，同時附有降雨量圖。此次降雨量為180毫米，屬于大暴雨范疇，山上有大量石頭隨洪水滾下，從圖上可以看出，降雨干擾對水平擺東西分量和南北分量的曲線引起毛刺狀，曲線跳動的幅度較小，強降雨之后，曲線恢復正常。圖中其他干擾為地球物理事件，干擾幅度較大。

3.2 人為干擾

人為干擾主要分為人員進洞干擾、人為調零干擾和儀器標定干擾等。

圖6 SQ-70D水平擺傾斜儀降雨干擾曲線Fig.6 The rain interference curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.2.1 人為進洞干擾

人員進入山洞后，人員來回走動，山洞門的開關都容易引起洞內空氣對流，加上人體散熱使得洞內溫度升高，由于氣流的擾動，對儀器記錄的曲線都會造成一定的干擾，所以輕易不要頻繁進入山洞。2016年03月31日寧夏地震局測震臺網中心等人來我臺對CTS-1EF甚寬頻帶地震計進行常規檢修，以下是他們進入山洞后引起的干擾曲線圖（圖7），由于人員眾多，對水平擺的干擾較為嚴重，曲線北南分量出現向下的尖峰突跳，三小時之后逐漸恢復正常；東西分量出現斷數，引起的高頻毛刺呈衰減趨勢，三小時后恢復正常。

圖7 SQ-70D水平擺傾斜儀人為干擾曲線Fig.7 Human disturbance curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.2.2 調零干擾

由于儀器的監測范圍所限，要定期對石英擺進行調零維護，以確保監測的數據在有效的范圍內。銀川臺所用的SQ-70D石英水平擺傾斜儀的范圍是100～900ms，當曲線變化接近上限或者下限時，工作人員就要進山洞對儀器進行調零處理，下面就是2016年03月23日，形變工作人員進山洞調零造成的干擾（圖8），調零的過程中引起曲線的斷數、尖峰突跳、異常毛刺和臺階。

圖8 SQ-70D水平擺傾斜儀調零干擾曲線Fig.8 The restore setting curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.2.3 標定干擾

標定是使用標準的計量儀器對所使用儀器的準確度（精度）進行檢測是否符合標準，一般大多用于精密度較高的儀器。標定的主要作用：（1）確定儀器或者測量系統的輸入-輸出關系，賦予儀器或者測量系統分度值；（2）確定儀器或測量系統的靜態特性指標；（3）消除系統誤差，改善儀器或系統的精確度；（4）在科學測量中，標定是一個不可忽視的重要步驟。

銀川基準臺SQ-70D石英水平擺傾斜儀在每年的12月進行儀器標定，標定完之后采用新的格值。本文選取的2016年12月29日的儀器標定曲線(圖9）。從曲線上可以看出，在標定的過程中，北南分量引起向下的臺階，東西分量引起向上的臺階，突變曲線特征呈矩形方波，標定完之后恢復正常。

圖9 SQ-70D水平擺傾斜儀標定干擾曲線Fig.9 The calibration curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.3 觀測系統故障干擾

SQ-70D石英水平擺傾斜儀的系統故障大概可以分為三類：儀器主體故障、數采故障和數據傳輸故障。儀器主體有：擺體、吊絲、標定裝置、光源燈；數采：數采集成板、電源控制；傳輸：網絡、數據線。

2016年3月22日22:00—23:59SQ-70D石英水平擺傾斜儀的光源燈故障引起北南分量記錄曲線呈尖峰脈沖，東西分量2016年3月22日16:20—23:59的記錄曲線產生缺數和高頻毛刺（圖10）。本次儀器設備自身故障，是由于光源燈使用時間太久未及時更換引起的，所以要定期維護儀器，檢測各類元件。

圖10 SQ-70D水平擺傾斜儀光源燈故障干擾曲線Fig.10 The light source failure curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

4 結論

本文通過對銀川基準臺的SQ-70D石英水平擺傾斜儀觀測數據曲線受各種干擾源的干擾進行分析，歸納總結了自然環境干擾、人為干擾和觀測系統干擾這三大類干擾因素，也給出了具體的曲線形態，對處理方法也做了一定的說明，希望對各臺站工作人員有所幫助。作為臺站工作人員，在日常的預處理中，對異常數據曲線要認真的排查，利用已經確定的干擾因素，借助各類輔助觀測進行相關的分析，只有這樣才能清晰的辨別各種干擾因素，從而精確的排除前兆異常的各類干擾，減少數據在分析預報中的錯誤引導。

銀川基準臺的前兆觀測手段在這些年的運行過程中，觀測數據資料受到過各類各樣的異常干擾，有些通過前兆工作人員對儀器本身及場地環境的認真觀察，分析總結，得到確定規律的干擾，但仍有些存在的干擾，還是無法準確的排除，這就需要臺站一線的工作人員，細心的去發現摸索，總結規律，從而提高臺站觀測數據的準確性，減少在地震預報中不必要的誤導，為地震工作的異常跟蹤提供必要的依據。

[1]國家地震監測預報司.中國地震前兆臺網數據管理系統用戶使用手冊[S]. 2008: 151-158.

[2]顧強強，荊濤，李君，等.沈陽地震臺SSQ-2I水平擺觀測數據干擾分析[J].防災減災學報，2016，32（4）：85-89.

Abstract:Quartat fiber tiltmeter is one of the most important monitoring ways on tides of the solid earth, this paper conducts data analysis observed by a SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter in Xiaokouzi Observation Station of Yinchuan Standard Station in order to eliminate interference factor, to extract effective interference curves, to analyze the curve's variation trend objectively and to find out the features for the purpose of eliminating interference factors in daily analysis processing, such as nature environment interference, human disturbance and zeroing calibration interference etc. In that way unnecessary misleading can be reduced farthest and it can provide effective reference examples to the station workers.

Key words:horizontal pendulum tiltmeter；interference analysis；data curve

Analysis of the Observed Data of SQ-70D Horizontal Pendulum Tiltmeter at Yinchuan Seismic Station

WANG Jian-liang，LI Guo-bin
（Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region，Ningxia Yinchuan 750001，China）

P315.63

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.03.010

1674-8565（2017）03-0055-06

2017-02-05

2017-04-16

王建亮（1988-），男，陜西省定邊縣人，畢業于中國石油大學（華東），本科，助理工程師，現主要從事地震監測與研究方面的工作。E-mail：524394631@qq.com