依蘭地震臺新老水管儀對比分析

高宏巍，邱鳳萍，孟祥龍，苑年軍，斯琴塔娜

（黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090）

1 依蘭地震臺區域地震地質概況

依蘭縣北側是小興安嶺余脈，西南側為張廣才嶺余脈，松花江與牡丹江在依蘭縣西北角匯合，倭肯河在縣城東北角與松花江交會，巴蘭河在縣城東部也與松花江匯合，如圖1所示。依蘭臺形變觀測老山洞位于依蘭縣城東南郊，倭肯河流域，海拔約102 m，山洞進深約97 m，洞頂覆蓋層厚35 m以上，日溫差≤0.1℃，年溫差≤0.5℃，濕度保持在65%左右，洞體巖性為黑云母片麻巖。依蘭臺形變觀測新山洞位于依蘭縣松花江北岸，巴蘭河流域，海拔約110 m，山洞進深將近200 m，洞頂覆蓋層厚度大于100 m，日溫差≤O.1℃，年溫差≤0.5℃，濕度保持在60%左右，洞體巖性為花崗巖。

圖1 依蘭地震臺地質地貌圖

2 儀器工作原理及臺站觀測環境對比

DSQ型水管傾斜儀的工作原理：同樣的兩個容器中，同一液體在相同的氣壓、溫度等條件下，其液面在靜止時位于同一水平面上，當地面產生傾斜時，兩個容器隨之傾斜，從而相對于保持水平的液面產生垂直位移，借助于測微系統精確地測定此位移量，即可換算成地面的傾斜值。本文利用調和分析計算方法，對依蘭地震臺松花江南北兩岸的新、老水管傾斜觀測數據進行計算對比分析見表1，驗證新臺站水管傾斜觀測數據在觀測質量上是否超過老臺站水管傾斜觀測數據的質量。

依蘭地震臺形變觀測老山洞位于依蘭縣城東南郊，倭肯河流域，海拔約102 m，山洞進深約97 m，洞頂覆蓋層厚35 m以上，密封門為船艙水密門，水管儀觀測腔體距洞口40 m，洞體巖性為黑云母片麻巖；依蘭臺形變觀測新山洞位于依蘭縣松花江北岸，巴蘭河流域，海拔約110 m，山洞進深約200 m，洞頂被覆厚度大于100 m，密封門為冰箱門，水管儀觀測腔體距洞口75 m，洞體巖性為花崗巖（表1）。依蘭臺新觀測山洞總長比老臺長100 m、密封門為冰箱門，抗外部干擾能力比老臺強。依蘭臺新老形變山洞DSQ儀基線長度不同（表1），其中：老臺北南分量為21.56 m，東西分量為21.76 m；新臺北南分量為25.45 m，東西分量為25.50 m。

表1 依蘭地震臺新老形變觀測山洞概況與DSQ水管傾斜儀基線長度對比

依蘭臺老觀測山洞走向為相對簡單的“┐”型，進深短，抗外界干擾能力也較弱；依蘭臺新觀測山洞走向相對復雜，因為多加了一個斜邊，水管儀腔體布設像一個“U”型（圖2），北南、東西、北東分量布設于山洞最里側，抗外界干擾能力較強。通過觀測山洞概況和基線長度等條件對比分析可知，依蘭臺新觀測山洞地質和構筑條件全面優于老臺觀測山洞。

圖2 依蘭臺新老形變觀測山洞儀器布設圖

3 觀測資料內在質量對比分析

選取2020年度依蘭臺新老水管儀觀測數據，統計數據連續率、完整率、年變幅及年零漂等指標，對觀測數據進行一般性評價，并以相對噪聲水平M1和M2波潮汐因子相對中誤差作為指標，評價觀測數據內在質量。觀測資料質量評價結果見表2。

由表2可知：（1）老臺因受觀測場地和雷擊情況的共同影響下，連續率和完整率均比新臺差一倍，年變幅和年零漂均比新臺少。（2）新、老臺水管傾斜內在質量的指標中，各個指標參數相差不多，表明新、老臺水管傾斜觀測數據觀測質量基本相同。（3）以潮汐因子做指標，新臺的精度高于老臺。由此可見，新臺水管傾斜觀測質量要比老臺好一些。

表2 2020年度依蘭新老臺站觀測資料質量評價結果

以相對噪聲水平M1和M2波潮汐因子相對中誤差作為資料內在質量評價指標，2020年每月新、老水管傾斜觀測數據，繪制相對噪聲水平M1、M2波潮汐因子相對中誤差對比曲線如圖3所示。因觀測山洞地質特性的差異，新、老臺相對噪聲水平M1、M2波潮汐因子中誤差均值和均方差存在顯著差異。

圖3 新、老臺水管傾斜潮汐因子中誤差曲線圖

4 同震效應對比分析

新、老臺水管傾斜觀測數據均記錄到2020年1月29日在古巴南部某海域發生M7.7地震，震源深度10 km，震中距12 070 km（圖4）。新臺水管傾斜北南向最大振幅為56.8×10-3角秒，東西向最大振幅為108×10-3角秒，持續時間為394 min；老臺水管傾斜北南向最大振幅為105.6×10-3角秒，東西向最大振幅為150.6×10-3角秒，持續時間為395 min?？梢钥闯觯豪吓_記錄的地震波形最大振幅比新臺大將近一倍，持續時間基本相同?？赡苡捎谛屡_臺基為花崗巖，老臺臺基為黑云母片麻巖，花崗巖比黑云母片麻巖造成的彈性形變大的原因造成（圖5）。

圖4 依蘭地震臺新、老臺水管傾斜記錄到2020年1月29日發生在古巴南部海域M7.7地震

圖5 新、老臺水管傾斜記錄到2020年1月29日發生在古巴南部海域M7.7地震（同軸曲線對比）

5 氣象資料對比分析

氣壓、降雨、溫度、濕度等氣象類的干擾信息給地震形變觀測異常識別帶來困難，而通過1月和6月的氣溫、氣壓分鐘圖可以判斷，對水管傾斜觀測氣象干擾因素主要是氣溫和氣壓。

新、老臺水管觀測未受氣溫變化影響，夏季溫度高（圖6），冬季溫度低（圖7），新、老臺水管傾斜觀測數據變化正常，未發現異常現象。

圖6 新、老臺水管傾斜與氣溫分鐘圖（2020-06-02至2020-06-04）

圖7 新、老臺水管傾斜與氣溫分鐘圖（2020-01-08至2020-01-09）

2020年6月10日16時-11日4時氣壓出現劇烈波動變化，造成老臺水管傾斜北南向和東西向觀測數據出現固體潮畸變（圖8），北南向最大變化幅度2.9×10-3角秒，東西向最大變化幅度1.9×10-3角秒。新臺水管觀測數據北南向和東西向未發現異常現象。氣象三要素儀器布設在老臺，距離新臺直線距離約30 km，可能新臺周邊的氣壓未發生劇烈波動，因此新臺未受到氣壓干擾影響。

圖8 新、老臺水管傾斜與氣壓分鐘圖（2020-06-10至2020-06-11）

2020年8月3日22時-23時老臺記錄到降雨量2.9 mm，導致新臺水管傾斜北南向出現固體潮畸變（圖9），最大幅度1.8×10-3角秒；老臺水管傾斜北南向出現固體潮畸變，最大幅度1.7×10-3角秒。新、老臺水管傾斜東西向觀測數據未發現異常現象。此次降雨對新、老臺水管傾斜觀測數據造成的干擾主要表現在北南向，對東西向干擾較小。

圖9 新、老臺水管傾斜與降雨分鐘圖（2020-08-03至2020-08-04）

6 主要干擾源對比分析

2020年5月1日-5月2日老臺水管傾斜受東側3 km哈佳高鐵影響，導致數據出現固體潮畸變，表現為固體潮擾動，北南向最大變化幅度1.1×10-3角秒，東西向最大變化幅度1.3×10-3角秒。哈佳高鐵位于新臺南側30 km，未受到哈佳高鐵干擾，觀測數據記錄到良好的固體潮，未發現異常現象（圖10）。

圖10 新、老臺水管傾斜受哈佳高鐵干擾圖（2020-05-01至2020-05-02）

7 結論

水管傾斜觀測工作是一項長期而且艱巨的任務，只有良好的山洞條件才能保證產出的形變資料連續可靠。通過對2020年度依蘭地震臺新老DSQ型水管儀觀測數據進行對比分析，得到以下結論：

（1）DSQ型水管儀基線長，觀測山洞地質情況優越，觀測資料長期穩定、內精度更高。形變觀測山洞進深長，被覆厚，密封門多且嚴密有利于減少周圍環境干擾。

（2）DSQ型水管儀安裝位置應盡量遠離洞口，有利于減少周圍環境干擾，儀器密封方式的不同對水管儀的觀測質量影響不大。

（3）臺基地質條件越好，DSQ型水管儀年變幅越?。荒炅闫笜朔从?，依蘭地震臺新老DSQ儀觀測數據曲線變化趨勢具有一致性。

（4）從潮汐因子結果來看，新臺水管儀的精度高于老臺水管儀。

（5）地處巴蘭河流域地區、巖性為花崗巖的新臺址，比地處倭肯河為黑云母片麻巖的老臺的老臺址，所受高鐵的干擾影響基本為零。

綜上所述，觀測山洞良好的地質條件是DSQ水管傾斜儀觀測的重要基礎，是有效降低儀器設備故障，人為影響，降低對外部環境影響，增強儀器設備運維能力，提高觀測質量、持久穩定性的重要條件。