撫順地區洞體應變儀觀測質量及干擾因素分析

左 艷，王 琳，孫麗娟，張 闖，閆 寒

（1.撫順地震臺，遼寧 撫順 113006；2.營口地震臺，遼寧 營口 115101；3.撫順市應急服務中心，遼寧 撫順 113006）

0 引言

洞體應變儀觀測是精密測量地殼兩點之間相對水平變化的一種觀測方法[1]，洞體應變監測是形變觀測的主要手段，目前SSY型洞體應變儀因其格值穩定、固體潮記錄清晰，已然成為一種重要的地震前兆監測手段，為自動測量地殼形變的一種精密儀器[2]，為地震前兆資料的積累和研究提供可靠的觀測數據[3]。經過多年觀測運行，撫順地區SSY型洞體應變儀運行情況、觀測精度及干擾因素等問題是分析預報人員非常關心的問題，因此，對撫順地區洞體應變儀觀測的質量及干擾因素分析是十分必要的，對于提高形變觀測資料質量和提取可靠的地震前兆異常信息意義重大[4]。

1 撫順地區地質構造背景及觀測條件概況

撫順處于密山—敦化斷裂與伊蘭—伊通斷裂之間如圖1所示，該地區屬濱太平洋斷裂體系位于下遼河斷陷盆地與遼東隆起帶的交接處、NE向撫順新生代斷陷盆地內，是兩種不同運動性質斷塊的分界地區，地質構造比較復雜，主體構造線呈NE—NEE方向。主要斷裂構造為北NE向的渾河深大斷裂，該斷裂在古生代、中生代、新生代都有過強烈活動。其次是章黨—哈達斷裂等，還發育有一系列NW—NWW向不同規模的斷裂和弧形斷裂。這些斷裂控制了本區構造格局及區內的地震活動。鄰區有鐵嶺—開原斷裂、牛居—油燕溝斷裂、遼中斷裂、臺安斷裂、太子河斷裂等。

撫順地區共有3個SSY型洞體應變儀觀測臺站，如圖1、表1所示，分別是撫順地震臺、北大嶺地震臺和南山城地震站。

圖1 撫順地區SSY型洞體應變儀地理位置分布Fig.1 Geological location of the SSY extension instruments in Fushun

2 觀測背景

2.1 撫順臺山洞

撫順臺的觀測洞室是七十年代建造的撫順市人防戰備坑道。其地理位置處于撫順市東北郊，在撫順臺南偏東2km處，所在區域屬遼寧東部丘陵地帶，是山區與平原的結合部。附近地形表現為東有河流，南臨公路，北部是開闊山溝，西連丘陵山脈。山體表面植被為高棵樹木。位于陰山東西復雜構造帶東段與新華夏構造體系第二巨型隆起帶的交接部位，南約4～5km處有渾河深大斷裂通過。洞室附近主要巖石分布是二長混合巖、角閃斜長混合巖、煌班巖脈。觀測洞室的垂直覆蓋厚度24m，側覆蓋厚度18m；常年溫度10.0℃左右，日變溫度≤0.02℃，年變溫度≤0.5℃，濕度為80%。其間鐵皮門3道，塑鋼密封門6道。儀器墩材質為花崗巖，安放儀器缽體的主墩5個，均設有防震槽。

干擾源：距離洞室東50m處有一河流，2006年距撫順臺觀測山洞東南不到200m的撫順發電廠有兩臺300MW三期熱電工程以及坐落在觀測洞室山頂輸電塔工程。

2.2 北大嶺山洞

北大嶺山洞所在山體最高處海拔220m，山上植被以刺槐及灌木為主。洞室地面海拔約120m，洞體呈大體東西走向，長約330m，寬高各約4m，主洞室已被覆，50m的支洞未被覆，下伏基巖為花崗片麻巖。山洞的側覆蓋與頂覆蓋隨山洞的進伸不斷增厚，覆蓋厚度在32.7～46.2m。

當地氣候屬溫帶，四季分明，春秋多風、雷害，夏冬多降水，小氣候特點是輻射霧。極值溫度在-35℃與+35℃左右。

該山洞根據施工要求，做到防水、硬化地面、防滲漏水，并要求留排水暗溝并與主洞排水溝相連，地面橫截面坡度為2%，絕對不能形成倒流反水。

洞口設防盜鐵門一道，向內設有四道船艙密封門，船艙門內框凈尺寸為1.7m×0.8m，門厚要求大于120mm，鐵板厚度不小于3mm，其內夾保溫板，無論何種材質均要加裝密封條，確保無氣流通過且做到保溫。塑鋼密封門16道，采取一左一右間隔設置以減少氣流影響，封堵均為三七墻。儀器墩材質為花崗巖，安放儀器主體的主墩7個，均設有防震槽。

北大嶺山洞的主要自然干擾源是5級以上大風、7級以上遠震以及強降雨和雷電引起的干擾。

2.3 南山城地震站

南山城站定點地形變觀測所在位置屬遼東丘陵山區，四面環山，植被為高棵喬木，有季節小河流。

該地區地層為鞍山群北大嶺亞組、毛燕亞組混合質斜長角閃巖、黑云片麻巖；處在渾河深大斷裂南盤與新賓弧形斷裂東翼交匯處。洞室巖性為花崗片麻巖，質密不透水，節理不發育，有小斷裂存在。洞體主覆蓋垂直厚度49.4m，側覆蓋厚度33.7m。洞室內常年溫度6.8℃，日變溫度≤0.01℃，年變溫度≤0.3℃，濕度100%；水泥密封門7道，塑鋼密封門4道。儀器墩材質為花崗巖；其中水平擺墩2個，尺寸均是1.1×0.9×0.4m，設有5cm防震槽；水管儀主墩2個、間墩55個（每1.5m一個），主墩四周都設有5cm防震槽。

觀測環境干擾較小，人為干擾幾乎沒有，自然的風、雷害、短時量大降雨較為常見。

表1 撫順地區SSY型洞體應變儀主要技術指標

3 運行質量指標

3.1 資料的連續率與完整率

2006年撫順臺洞體應變儀進行了“十五”升級改造，因此對2007—2018年撫順臺洞體應變儀進行了連續率和完整率統計如圖2-3和表2所示，由于2006年初裝，2007—2008年儀器運行還不是很穩定，所以連續率和完整率都比較低，2010年和2013年由于儀器故障，數據缺記較多，其他年份儀器運行比較穩定，連續率和完整率都大于99%，提供了連續、可靠的資料。

圖2 撫順地區應變儀2007—2018年連續率統計Fig.2 Continuous rate of extension instruments from 2007 to 2018 in Fushun

如圖2-3和表2所示，北大嶺山洞2011年安裝了洞體應變儀，因此2012—2013年資料連續率較低，其他年份該儀器運行非常穩定，連續率和完整率都大于99%，資料連續可靠。

如圖2-3和表2所示，南山城洞體應變儀2007年初裝，因此2008年連續率、完整率較低，另外由于該儀器每年都遭遇雷擊，嚴重影響了該資料的連續性，有7年資料完整率低于99%。

圖3 撫順地區應變儀2007—2018年完整率統計Fig.3 Integrity rate of extension instruments from 2007 to 2018 in Fushun

表2 撫順地區SSY型洞體應變儀2006—2018年連續率與完整率

3.2 潮汐因子中誤差

運用基于最小二乘法Venedikov固體潮調和分析法對SSY型洞體應變儀觀測數據進行調和分析，計算出M2波振幅因子相對中誤差，如圖4、表3所示，撫順臺洞體應變儀M2波振幅因子相對中誤差除去2007年受儀器初裝影響，精度較低外，2008—2018年運行比較穩定，精度在0.0130～0.0197之間，北大嶺洞體應變儀精度在0.0093～0.0103之間，該儀器運行最穩定，精度也最好。南山城洞體應變儀運行最不穩定，精度在0.0123～0.0252之間，精度也最低。

圖4 撫順地區應變儀2007—2018年潮汐因子中誤差Fig.4 Characteristics of mean error of amplitude factor of extension instruments from 2007 to 2018 in Fushun

表3 撫順地區SSY型洞體應變儀2006—2018年運行質量指標

3.3 相對噪聲水平

相對噪聲水平是用來判斷洞體應變觀測資料長期穩定性的一項定量指標。其噪聲水平數值越低，表明儀器提取的信號越接近于真實狀況。從總體看如圖5、表3所示，撫順地區3套洞體應變儀M1相對噪聲水平指標，撫順臺（除去2007—2008年受初裝儀器影響） 與北大嶺達到國家I類臺標準，地震及前兆數字觀測技術規范要求地應變I類臺噪聲水平M1小于0.05″，而南山城地震站SSY型洞體應變儀穩定性較差。

圖5 撫順地區應變儀2007—2018年相對噪聲水平Fig.5 M1 relative noise level of extension instruments from 2007 to 2018 in Fushun

4 干擾因素分析

撫順地區SSY型洞體應變儀同震響應記錄情況相對較弱，2015年以來，撫順臺SSY型洞體應變儀僅記錄到地震24次，南山城SSY型洞體應變儀記錄到地震49次，北大嶺SSY型洞體應變儀記錄到地震62次。

如圖6所示，撫順地區3套SSY型洞體應變儀極易受到自然環境（降雨、雷電、風擾、氣壓）和人為干擾（進洞維修儀器、調零、標定、電壓不穩）的影響。在日常觀測中發現，自然環境干擾很多情況并不是孤立存在的，在降雨的過程中經常伴隨著氣壓的改變，2015年以來，自然環境干擾中，南山城洞體應變儀干擾次數最多67次，撫順臺干擾次數45次，北大嶺干擾次數最少33次。人為干擾事件中，南山城25次，撫順臺與北大嶺各8次，系統故障事件中，南山城達到98次，撫順臺15次，北大嶺8次。

圖6 撫順地區SSY型洞體應變儀2015—2018年事件分布特征Fig.6 Events of the SSY extension instruments from 2015 to 2018 in Fushun

5 結語

通過分析撫順地區三臺套SSY型洞體應變儀的連續率、完整率、潮汐因子中誤差及相對噪聲水平，北大嶺洞體應變儀由于安裝最晚，洞室條件較好，因此該儀器資料連續率、完整率、精度最高，撫順臺由于洞室主覆蓋和側覆蓋厚度較薄，因此精度比北大嶺較低，另外由于撫順臺SSY目前仍然是“九五”的傳感器和前置盒，損壞以后無備用件更換，因此影響了資料的連續率。南山城地震站地處遼寧東部山區，偏遠閉塞，交通不便，地殼形變的觀測環境十分理想，但保障條件卻十分困難，最為惡劣的是農村供電不穩定，易受雷擊，雖然已多次做防雷，但效果不是很明顯，南山城因為雷電造成儀器多次損壞，為了防止儀器遭雷擊損壞，在雷雨天氣進行了停止供電，因此也造成了該資料的連續率較低，另外多次進洞進行維修儀器，也降低了資料的精度和完整率。