丹東臺水管傾斜短期異常分析

翟麗娜，賈曉東，孔祥瑞，邵媛媛，滕 藤

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

關鍵字：水管傾斜；西傾加速；異常調查分析；干擾分析

0 引言

水管儀具有較高的觀測精度和穩定性，震前的形態變化可以清晰的反映出地球固體潮汐、地殼巖性參數變化的信息，并幫助我們認清應力變化以及相關地殼形變之間的關系［1、2］。但是觀測資料會受到一些外界因素的影響，如氣溫、濕度、氣壓、降雨等［3］，使得觀測資料出現不同程度的異常變化。由于其影響機理復雜，在地震預報實踐中，如何提取較為可靠的前兆異常信息就顯得尤為重要［4、5］。針對丹東地震臺DSQ型水管傾斜儀出現的短期異常狀況，我們根據《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）》準則來進行詳細的異常排查分析工作［6］。

丹東地震臺DSQ型水管儀為“十五”項目新入網廣測儀器，自2008年正式運行起，該臺儀器運行狀態良好，多年觀測資料連續穩定可靠。其測線日均值變化曲線存在明顯年變，每年9-10月達到最大值后出現N傾轉向S傾，次年4-5月達到最低值后開始S傾轉向N傾，正常年變幅度達140×10-3～190×10-3角秒。自2016年11月中旬以來NS分量和EW分量均出現短期轉向狀況，其中EW分量出現短期W傾并呈現加速狀態，截至2016年12月6日W傾幅度累積已達412 ms，異常出現后對觀測各個環節進行檢查，EW向出現短時間E傾轉W傾加速異常現象是西端浮漂上鋼棒與傳感器不同心并時有刮碰造成的（圖1）。

圖1 丹東DSQ水管傾斜整點值異常曲線圖Fig.1 Dandon DSQ water tube tiltmeter hour value anomaly curve

1 區域地質構造及歷史地震概況

丹東地區處在天山至陰山巨型緯向改造體系的東延部份，與新華夏構造體系東亞大陸第二隆起帶復合交接部位，鴨綠江深大斷裂帶，全長380公里。斷裂走向北東45°，斷層傾向不穩定，傾角一般在60～80°左右，斷層寬度63.5 m，為壓扭性深大斷裂，呈北東45°走向，傾向南東，是典型的華夏系構造［7］。該斷裂起源于吉林省臨江，南到黃海北岸。該斷裂在寬甸縣上河口處分為兩支：一支經朝鮮新義州入黃海；另一支在丹東市沿江展布，經東港市入黃海。臺址處于鴨綠江斷裂帶北西盤，即華北地臺遼東臺背斜，營口—寬甸古隆起中段南翼與華夏構造鴨綠江斷裂帶交接部位。臺基巖性為遼河群浪子山組的矽線石黑云母片麻巖（圖2）。

據資料證明，鴨綠江斷裂帶是第四紀仍在活動的斷裂帶，受它的控制，在這個帶及其兩側附近地震頻繁發生，僅1944—1985年發生Ms≥1.0級地震172次。形成鴨綠江地震帶。在這個地震帶內，1944年12月19日鴨綠江口發生6.8級地震。

圖2 丹東地震臺地理位置圖Fig.2 Geographic location of Dandong Seismic Station

2 DSQ水管傾斜觀測情況簡介

丹東臺位于遼寧省東南部邊陲地區，植被好，原為市人防辦防空指揮部直屬山洞，全長約170 m，覆蓋厚度約20～40 m（圖3、表1）。臺址周圍無明顯干擾源，具有洞室多，被覆好，保溫，防潮的特點，適合地形變觀測使用。2006年“十五”期間，丹東臺在該山洞內并行安裝了SS-Y型洞體應變儀和DSQ型水管傾斜儀。2008年1月正式運行觀測，兩套儀器符合觀測標準，工作穩定。丹東地震臺DSQ型水管儀，自2008年正式運行起，運行狀況良好，連續率、運行率、內精度均達到優秀標準，2009年和2010年對觀測環境進行初步改造，同時對多種客觀干擾因素分析排除，使得內在質量明顯提升，無測點變更和儀器變更情況。

圖3 丹東地震臺平面圖Fig.3 Dandong Seismological cave site plan

表1 傾斜觀測山洞情況表

形變山洞的儀器墩基主要自然干擾源是黃海的海潮干擾、鴨綠江江水水庫泄洪和雷電引起的波動干擾，但此種干擾不會產生斷記。全年主要人為干擾是由儀器調零、儀器維修、標定系統維修等原因造成的，為了分析預報應用，對人為嚴重干擾時段的觀測記錄做缺數處理（表 2）。

表2 干擾源情況

3 異常分析

分析丹東臺DSQ型水管傾斜儀自2016年11月中旬以來NS分量和EW分量均出現短期轉向狀況成因，主要從儀器工作狀態、降雨、周邊觀測條件改變和孕震機理等方面進行了分析研究（圖1）。

3.1 水管傾斜儀工作狀態及周邊環境檢查

對DSQ水管儀器的觀測日志、工作報告和標定記錄，儀器的主機、傳感器、通信系統、供電線路、UPS、避雷設施等進行了檢查，信號電壓與工作電壓均正常；浮子西端浮漂上鋼棒與傳感器不同心，與傳感器似乎有刮碰，進行調整；水管內水質微微泛黃，有輕微渾濁，無漏水現象。

對丹東臺山洞外觀測環境進行調查，周邊并無居民，發現距離山洞大約200米的山頂有電臺轉播信號塔，已工作多年，對儀器并未產生影響。2016年4月份左右，人防局將后院租給移動公司，用于移動公司做井下水泥預制件，攪拌機一直工作，定期運送沙土，已經持續工作半年多，在這半年多時間里，水管儀器工作正常。對儀器本體檢查發現了以下兩點問題：

3.1.1 浮子鋼棒與傳感器不同心影響

2016年12月6日下午省局儀器維修中心工作人員于17：50-19：10進山洞對DSQ水管儀設備進行檢查，發現水管儀EW向W端浮漂鋼棒與傳感器不同心，與傳感器似乎有刮碰，進行調整。調整前后數據對比發現EW向兩端數據仍有臺階出現，而且對鋼棒調整后，浮子仍然是偏離豎直中心位置，并沒有改善數據臺階現象，但是由于浮子鋼棒偏移中心位置，并不能排除浮子的故障問題（圖4）。

3.1.2 數據采集器和主機故障排除

為了排除數據采集器影響，12月8日早09：16分將水管傾斜NS向和EW向輸入信號互換，原NS向輸入NS向的原始數據現變為NS向輸入的是EW向數據，原EW向輸入EW向的原始數據現變為EW向輸入的是NS向數據。對比信號改變前和改變后的數據圖像可以發現，NS向數據未改變數采輸入信號前，數據平滑性較好，無臺階，而改變輸入數據后，原本輸出是NS向數據變為輸出是EW向數據，數據開始出現臺階，幅度較大；而EW向數據未改變數采輸入信號前，數據平滑性較差，臺階較多，而改變輸入數據后，原本輸出是EW向數據變為輸出是NS向數據，數據較為平滑，無臺階。上述實驗說明，數據采集器和主機工作狀態良好，NS向儀器較為穩定，EW向儀器存在問題（圖 5）。

圖4 調整浮子位置后EW測向原始和預處理數據曲線Fig.4 After adjusting the position of the float，the EW is measured to the original and preprocessed data curves

3.2 氣象因素的調查

丹東地震臺DSQ水管傾斜儀NS向受降雨影響較為顯著（圖6），我們收集丹東地震臺降雨資料。選取2012年以來降雨數據并與該儀器進行對比。據臺站收集資料顯示：每年7-8月為降雨旺季，最大降雨量接近500 mm。其中北南向受降雨影響明顯，表現為毛刺，但并不會影響其總體形態，東西向受降雨影響不明顯。且2016年11月和12月初并無大規模降雨和降雪，因此可排除氣象干擾因素。

圖5 調整浮子位置后EW測向原始和預處理數據曲線Fig.5 The original and preprocessed EW data curves after adjusting the position of the float

圖6 丹東地震臺DSQ水管傾斜儀與降雨對比曲線Fig.6 Comparison of horizontal and rainfalldata

檢查歷年來洞室溫度資料分析，洞室溫度變化一直非常穩定，認為目前異常情況與洞室沒有直接關系（圖7）。

圖7 丹東地震臺洞室溫度曲線Fig.7 Temperature curve of the tunnel in Dandong

3.3 固體潮汐分析

固體潮潮汐因子是表征觀測場地的介質彈性參數，其變化反映地殼介質的物性變化［8］。潮汐因子分析計算方法的物理意義清晰，異常容易識別，是當前形變預報領域中的重要方法［9-10］。應用Mapsis軟件對DSQ水管傾斜和SSQ-2型水管傾斜儀整點值數據進行Nakai擬合檢驗、潮汐變化分析、去潮汐零漂分析等計算，結果顯示SQ-70石英擺整點值原始曲線能夠記錄清晰的固體潮汐曲線，與SSQ-2型數字化水平擺和理論固體潮汐曲線對比，具有很好的固體潮曲線一致性，表明儀器觀測是真實、有效、穩定的（圖8）。

圖8 丹東地震臺DSQ水管儀NS，EW分量理論固體潮汐對比Fig.8 The theoretical solid tidal contrast

計算2007年以來丹東臺DSQ水管傾斜NS和EW分量潮汐因子參數（M2波、O1波和半日波），計算結果顯示自觀測系統工作以來一直很穩定（圖9）。水管傾斜NS、EW向潮汐因子M2波曲線自2010年中旬至2011年初波動幅值與前幾年相比幅度較小，同時段EW向O1波也出現相同變化，而后，水管傾斜NS向開始出現趨勢性N傾趨勢變化，而且幅度逐年幅度加大，水管傾斜EW向同步變化總體都較穩定，短期無明顯變化。

圖9 丹東DSQ水管傾斜潮汐因子變化曲線Fig.9 Diversion tidal factor variation curves of DSQ Water Pipe

3.4 數字濾波處理和周期分析

利用三點線性平滑濾對DSQ水管傾斜NS向和EW向進行分析，提取長趨勢周期和年變周期變化（圖10）。

采用三點線性平滑濾波的數學模型如下：

應用平滑濾波方法提取趨勢項和周期項分析異常趨勢變化特征和年變周期變化特征，該儀器兩個測向均具有很好的年周期變化，并在2012年前后具有同步的年變幅度減小變化特征；儀器NS、EW向均在2011年前后出現準同步趨勢轉向變化。分析結果表明，DSQ型水管傾斜儀NS、EW向兩個方向觀測結果具有很好的一致性，EW向自2010年存在W傾趨勢變化（圖10），且2014年以來EW向年變基本一致［11-12］。

圖10 丹東DSQ型水管傾斜NS向EW向數據濾波和周期分析Fig.10 The NS and EW of DSQ data filtering and period analysis

3.5 儀器對比分析

丹東地震臺洞體應變觀測，自2007年正式運行以來觀測穩定，主要受降雨影響明顯。從觀測曲線形態看，2012年以來洞體應變NS向和EW向均目前為張性的趨勢變化，且均受到明顯的降雨干擾，表現為小幅臺階變化（圖11）。

圖11 丹東地震臺洞體應變觀測曲線Fig.11 Curves of cave deforation observaion

4 結論與討論

水管傾斜儀測量的是水平面與地殼表面之間的夾角變化量，其原理為連通管內水平面保持自然水平狀態［13］。水管傾斜的測量結果與地震的孕育與發生有著密切的相關性，一直以來都具有極好的映震效果。但是由于傾斜觀測都是在山洞中，很容易受到外界環境的干擾影響，儀器本身故障問題也會導致數據的大幅波動變化情況出現［14］。

丹東地震臺DSQ型水管傾斜儀自2016年11月中旬以來NS分量和EW分量均出現短期轉向狀況，其中EW分量出現短期W傾并呈現加速狀態，截至2016年12月6日W傾幅度累積已達412 ms，從儀器觀測穩定性、降雨資料、周邊干擾情況調查等方面對資料異常變化進行科學合理嚴謹的分析研究，排除人為干擾、降雨干擾、山洞附近移動公司作業、儀器主機、數據采集器、避雷器、放大器等問題，經過現場試驗分析，得出：由于浮子鋼棒與傳感器不同心，與傳感器擦壁碰觸，導致數據大幅傾斜，西端浮漂上鋼棒與傳感器不同心并時有刮碰造成的，經過儀器維修人員調整后，儀器數據恢復正常狀態，排除異常情況，為進一步對局部應力場的敏感性，為捕捉地震前兆異常提供了進一步保障。

由于儀器故障而導致傾斜異常現象，在后續工作中我們會以丹東地震臺為例進行實驗性分析，檢測可能因分析儀器工作狀態的改變引起變化；針對水管觀測儀器浮漂上鋼棒與傳感器不同心問題，水質發渾問題的檢查工作具體情況進行分析來排除對數據的影響，使儀器異常信度變高。多學習儀器的原理和構造，在第一時間排除儀器故障問題，為新發現的數據問題提供技術保障，為地震的短臨預報提供第一手高信度資料。