云南燕子巖觀測站DSQ水管傾斜儀潮汐擾動現象研究

曹白倫 楊悅 匡福江 趙正賢 段勇 李旺

[摘要] ?云南燕子巖觀測站DSQ水管傾斜儀各分量頻繁記錄到高頻擾動，表現形式為觀測曲線脈動加粗，更換放大盒、線圈、線路、數采等都未能排除此高頻擾動。經與實況氣象觀測資料對比后發現：潮汐擾動與氣壓波動有一定的同步性。經進一步診斷、排查、分析，確定引起高頻擾動的原因為：DSQ水管傾斜儀缽體罩子缺少空氣管，導致水管儀兩端液面上方各自形成獨立空腔，兩端液面壓力平衡被打破，引起高頻擾動。對缽體罩子進行打孔處理后，高頻擾動排除。這種高頻擾動診斷與排除的過程和方法，對提高DSQ水管傾斜儀固體潮觀測質量具有重要意義，對改進、管理同類儀器具有參考和借鑒價值。

[關鍵詞] DSQ水管儀; 高頻擾動; 氣壓

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-093

0 ?引言

定點形變觀測作為前兆觀測重要手段之一，具有明確的物理意義，在日常數據跟蹤及地震危險性判定中發揮著重要作用^[1]。DSQ 水管傾斜儀是自動測量地殼傾斜變化的一種精密儀器，對構造變動中的傾斜成分敏感^[2]，適用于地殼傾斜固體潮、地震斷層以及火山、大型精密工程垂直位移的連續觀測^[3]，在定點形變觀測中廣泛運用。有研究表明，形變測量受多種因素影響，其中包含了氣象變化、人為作用、儀器故障、環境載荷變化及未知的諸多情況^[4-5]。臺風會引起傾斜儀“脈動加粗”，水質變差會使水管內阻尼增大，造成標定困難，環境載荷變化會引起趨勢變化。為準確判斷變化性質，分析傾斜資料時可以對比本臺或其他臺站的體應變輔助氣壓、水位觀測，并充分利用單端資料^{[3， 6]}。

云南燕子巖觀測站DSQ水管傾斜儀架設于2021年6月，觀測站選址科學嚴謹，地震觀測專用山洞嚴格按地傾斜觀測規范建設^[7]。DSQ水管儀自安裝以來，各分量、端點固體潮觀測曲線記錄日波、半日波明顯，但觀測曲線頻繁出現高頻（相對固體潮）擾動現象，具體表現為脈動加粗，同測點的VP垂直擺、gPhone重力儀、SSY伸縮儀卻未顯著記錄到高頻擾動。對DSQ水管傾斜儀傳感器、數采、線路等進行檢修更換，高頻擾動仍然持續出現。經與實況氣象資料對比，發現高頻擾動與氣壓波動存在一定同步性。本文圍繞氣壓效應，利用功率譜分析法對地形變觀測數據進行處理^[8-9]，對測點DSQ水傾斜管儀主體結構與設計圖進行對比排查，最后發現缽體罩子缺少空氣管，經對缽體罩子進行打孔處理，高頻擾動問題得以解決。該測點高頻擾動的診斷、排除，可為DSQ水管傾斜儀設計、生產、日常管理提供參考和借鑒。

1 ?臺站觀測條件及儀器概況

1.1 ?觀測條件

云南燕子巖觀測站位于云南省鳳慶縣洛黨鎮桃花村（圖1），2018年開工建設，2021年建成并投入試運行。觀測站區域大地構造位于岡底斯—念青唐古拉褶皺系（Ⅰ級）昌寧—孟連褶皺帶（Ⅱ級）與唐古拉—昌都—蘭坪—思茅褶皺系（Ⅰ級）蘭坪—思茅褶皺帶（Ⅱ級）的過渡地帶，周邊主要分布有南汀河斷裂、昌寧斷裂、瀾滄江斷裂。觀測站所處山勢平緩，山體巖性為片麻巖，巖石新鮮完整。地震專用觀測山洞總長300 m，最大進深180 m，洞頂覆蓋大于50 m，植被為灌木叢及雜草，覆蓋良好，引洞及觀測室安裝有保溫門，保溫效果良好，洞內日溫差小于0.01℃。觀測山洞基巖完整，觀測山洞頂面及側面鋪設EVA止水板后澆筑0.35 m厚抗滲鋼筋混凝土，底面兩側采用盲管進行排水，盲管以上鋪設滌綸防水卷材進行防水防潮處理，地面鋪設石材地板，洞內相對干燥。

1.2 ?儀器概況

DSQ水管傾斜儀觀測室按地傾斜觀測規范建設，北南分量、東西分量正交，與北西分量構成等腰三角形（圖2），觀測室最小進深136 m，有8道冷庫門與外界隔離，保溫密封條件良好。觀測室截面寬3.1 m、高3.05 m。北南分量基線長28.03 m、方位角0°，東西分量基線長約27.75 m、方位角90°，北西分量基線長39.76 m、方位角315°，各分量兩端墩面高差小于0.03 m，觀測墩為花崗巖墩，長1.2 m，寬0.8 m，下部用砂漿混凝土與完整基巖面穩定粘合，四周設有隔震槽。

DSQ水管傾斜儀架設于2021年6月，數據采樣類型為分鐘值。北南分量初始格值0.3483×10^?3″/mV、東西分量初始格值0.3419×10^?3″/mV、北西分量初始格值0.2405×10^?3″/mV，各分量初始標定精度優于0.2%、相對誤差優于0.5%。

2 ?潮汐擾動分析

2.1 ?潮汐擾動現象

DSQ水管傾斜儀自架設以來，各分量、各端點頻繁記錄到高頻擾動，具體表現為觀測曲線脈動加粗、毛刺增多，北南分量最為明顯（圖3a）。同一洞室內的重力儀（圖3b）、SSY伸縮儀（圖3c）、VP垂直擺（圖3d）卻未顯著記錄潮汐擾動現象。臺站先后進行了放大盒更換、線圈更換、供電線路更換、數采更換等排查操作，潮汐擾動未能排除，后續觀測中各分量、各端點仍頻繁記錄到該高頻擾動現象（圖4）。

2.2 ?潮汐擾動原因分析

圖5a為典型高頻擾動記錄圖（2022年1月25日），經與測點處傾斜固體潮理論值進行對比，DSQ水管傾斜儀觀測數據記錄半日波固體潮形態、相位與理論值基本一致，變化幅度略小于理論值。北南分量、東西分量、北西分量擾動差異非常大：北南分量脈動加粗現象最為顯著、北西分量次之、東西分量最小，高頻擾動已嚴重影響觀測質量。圖5b為對應分鐘值數據功率譜密度（PSD）曲線，北南分量高頻噪聲非常大，擾動優勢頻率為0.001 Hz以上。

經與同期實況氣象觀測資料進行對比，發現潮汐擾動與氣壓波動有一定的同步性，氣壓波動較強時段，DSQ水管傾斜儀潮汐擾動明顯增強。但DSQ水管傾斜儀各分量觀測條件基本一致，洞室保溫及密封性良好，北南分量與北西分量洞室是連通的，兩洞室間氣壓一致，外部氣壓作用無法解釋各分量間巨大的擾動差異。但潮汐擾動與氣壓波動的同步性給了作者從氣壓效應入手排除高頻擾動的啟示。

定點形變觀測中常用的DSQ水管傾斜儀多屬于不封閉的液體靜力水準系統中。自然界大氣壓力的變化及進氣通風均可能是使局部壓力變化的原因。由于大氣壓的影響，連通管要重新分配液體，直至出現新的靜力平衡為止^[5]。圖6為DSQ水管傾斜儀主體設計結構圖，液體一般為蒸餾水。

經排查，發現該測點DSQ水管傾斜儀缽體罩子與圖6的罩子結構存在差異，隨著產品的更新換代，儀器廠家新設計生產的缽體罩子取消了空氣管，下部用密封圈及卡扣與缽體緊密貼合在一起。缽體罩子結構上的差異導致DSQ水管傾斜儀兩端液面上方形成了獨立的空腔。分析認為：地傾斜連續觀測過程中，隨著地面的傾斜變化，DSQ水管傾斜儀在重力作用下需重新分配液體，隨著兩端液面發生變化，兩端缽體與罩子間形成的獨立腔體導致兩端液面壓力不再平衡。此時，連通管的平衡原理被破壞，兩端氣壓差反作用于液面，迫使連通管重新分配液體，直至出現新的靜力平衡為止。因地面傾斜是一個連續的過程，兩端氣壓的不平衡將始終作用于兩端液面，氣壓效應將伴隨整個觀測過程。

2.3 ?潮汐擾動排除

2022年4月23日，對缽體罩子進行打孔處理，開放兩端液面，使兩端液面大氣壓力與洞內氣壓保持一致，形成開放的液體靜力水準系統。圖7a 為4月29日固體潮觀測值與理論值的對比曲線，打孔處理后，高頻擾動消除，固體潮觀測曲線變得非常光滑，日波、半日波固體潮汐形態清晰。圖7b為功率譜密度曲線，各分量高頻成分呈現較好的一致性，觀測數據質量與之前相比顯著提升。

對改進前與改進后連續5日觀測數據（圖8）進行對比：2022年3月24—28日觀測曲線與6月24—28日觀測曲線（圖8a、圖8d）對比，改進后固體潮觀測曲線光滑，日波、半日波固體潮汐形態清晰。濾除固體潮等長周期成分后，改進前形態呈“紡錘形”（圖8b 、圖8e），與臺風引起的固體潮“脈動加粗”形態相似^[6]，高頻信號幅度達3×10^?3″以上，改進后高頻信號幅度僅0.2×10^?3″，幅度降為改進前的6.6%，高頻擾動顯著減少，數據質量顯著提升。對去除長周期成分的信號進行頻譜分析（圖8c 、圖8f），改進前的高頻信號是無規律的，改進后高頻成分優勢頻率為0.005～0.01 min^?1，為典型地脈動信號。

3 ?結語

針對燕子巖觀測站DSQ水管傾斜儀頻繁出現的高頻擾動現象，臺站先后更換了放大盒、線圈、供電線路、數采等，高頻擾動未能排除。將氣壓數據和觀測數據進行對比分析，發現潮汐擾動與氣壓波動具有同步性，這為筆者從氣壓效應進行高頻擾動分析提供了很大幫助。經逐步排查，發現缽體罩子缺少空氣管導致DSQ水管傾斜儀兩端缽體液面上方各自形成獨立空腔，兩端液面產生壓力差。在實際地面傾斜連續觀測中，兩端氣壓的不平衡始終作用于兩端液面，氣壓效應引起觀測曲線的高頻擾動。經打孔處理，高頻擾動徹底排除。該測點高頻擾動的診斷、排除，可為廠家設計生產、監測臺站管理同類儀器提供參考和借鑒。

參考文獻

• 李智蓉，付虹，高華宴. 云南地區定點形變觀測異常特征與地震預測研究[J]. 地震研究，2018，4（1）：90-97 ???Li Z R，Fu H，Gao H Y. Research on anomalous characteristics of fixed point deformation and earthquake prediction in Yunnan region[J]. Journal of Seismological Research，2018，4（1）：90-97
• 崔慶谷，曹白倫，李燕玲. 洞體應變、水管傾斜儀低頻段記錄數據差異的對比研究[J]. 大地測量與地球動力學，2023，43（5）：534-547 ???Cui Q G，Cao B L，Li Y L. Performance of extension-meter and water-tube tiltmeter in low-frequancy based on amplitude-sepetrum of recording data at the same site[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2023，43（5）：534-547
• 胡雪琪，徐誠，李穎楠，等. 天津薊縣DSQ水管傾斜儀故障診斷與排除[J]. 華北地震科學，2019，37（1）：52-56 ???Hu X Q，Xu C，Li Y N，et al. Fault diagnosis and elimination of the DSQ water tube tiltmeter in Tianjin Jixian[J]. North China Earthquake Sciences，2019，37（1）：52-56
• 王梅，李峰，孔向陽，等. 數字化形變觀測干擾識別[J]. 大地測量與地球動力學，2004，24（1）：94-98 ???Wang M，Li F，Kong X Y，et al. Identification of disturbance of digital deformation observations[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2004，24（1）：94-98
• 陳福德， 聶磊. 液體靜力水準儀及其應用[M]. 北京： 地震出版社， 2008 ???Chen F D， Nie L. Liquid static level and its application[M]. Beijing： Seismological Press， 2008
• 王梅，季愛東，鄭建常. 臺風引起的重力擾動現象[J]. 地震學報，2009，31（6）：641-649 ???Wang M，Ji A D，Zheng J C. Gravity disturbance caused by typhoon[J]. Acta Seismologica Sinica，2009，31（6）：641-649
• 曹白倫，匡福江. 云南云縣地震臺遷建觀測站概述[J]. 地震科學進展，2022，52（4）：176-182 ???Cao B L，Kuang F J. Overview of the relocation of Yunxian Seismic Station in Yunnan Province[J]. Progress in Earthquake Sciences，2022，52（4）：176-182
• 趙瑩. VP垂直擺觀測背景的功率譜密度特征分析[J]. 大地測量與地球動力學，2018，38（10）：1080-1085 ???Zhao Y. Analysis of power spectral density charateristics of VP vertical pendulum tiltmeter observation background[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2018，38（10）：1080-1085
• 萬永革. 數字信號處理的MATLAB實現[M]. 北京： 科學出版社， 2012 ???Wang Y G. MATLAB implementation of digital signal processing[M]. Beijing： Science Press， 2012

Research on tidal disturbance phenomenon of DSQ water tube tiltmeter at Yunnan Yanziyan observation station

Cao Bailun^*， Yang Yue， Kuang Fujiang， Zhao Zhengxian， Duan Yong， Li Wang

Lincang Earthquake Monitoring Center Station of Yunnan Earthquake Agency， Yunnan Yunxian 675803， China

[Abstract] ?The DSQ water tube tiltmeter at Yunnan Yanziyan observation station frequently records high-frequency disturbances in various components， manifested in the form of thickened observation curve pulsation， and the replacement of amplification boxes， coils， lines， data acquisition， etc. failed to eliminate this high-frequency disturbance. After comparing with actual meteorological observation data， it was found that there was a certain degree of synchronization between tidal disturbances and atmospheric pressure fluctuations. After further diagnosis， investigation， and analysis， it had been determined that the cause of high-frequency disturbance was that the bowl cover of the DSQ water tube tiltmeter lacked air pipes， resulting in independent cavities above the liquid levels at both ends of the tiltmeter. The pressure balance at both ends of the liquid level was disrupted， causing high-frequency disturbances. After punching the bowl cover， high-frequency disturbances were eliminated. The process and method of diagnosing and eliminating high-frequency disturbances are of great significance for improving the quality of solid tide observation using the DSQ water tube tiltmeter， and have reference value for improving and managing similar instruments.

[Keywords] DSQ water tube tiltmeter; high frequency disturbance; air pressure